Abstract Cognitive radio (CR) is becoming a promising tool for solving the problem of the scarce radio resource and spectrum inefficiency. Spectrum sensing (signal detection) enables real-time detection of spectrum holes by unlicensed secondary users (SUs) in cognitive radio networks (CRNs). In this thesis, performance analysis of CRNs and radio resource allocation are considered. A continuous time Markov chain (CTMC) based analytical model taking into account all relevant elements as well as addressing the issue of the false alarm rate (FAR) associated with the continuous sensing is developed. In some cases, the PU can be modeled as time-slotted with constant state (transmitting or not) in each slot. In this case, assuming SU can synchronize to the slots, its intuitive to use beginning of a slot for sensing and rest (possibly) for communication. For this model, M/D/1 priority queueing scheme has been applied in this thesis to find waiting time and queue length for PU and SU. Multiple access among SUs in a time-slotted channel is considered next. A conventional method is e.g. using a channel access probability ψ in each slot similar to the slotted ALOHA. A radically new idea is introduced in this thesis: why not increase the false alarm probability PFA of each SU and use it as a multiple access method? A game theoretic approach to radio resource allocation for the downlink capacity providing fair resource sharing among mobile nodes located along a multihop link is presented. Furthermore, the problem of resource allocations in heterogeneous wireless networks is also studied. Finally, device-to-device (D2D) communication - with localized distribution, where users tend to gather around some areas (clusters/hot-spots) within the cell such as buildings is studied. Theoretical analysis with two dimensional clustering is presented including cases with correlated clusters. Correlation in cluster selection is shown to significantly improve performance. / Tiivistelmä Kognitiivinen radio (CR) on nousemassa lupaavaksi työkaluksi niukkojen radioresurssien ja spektrin käytön tehottomuuden ratkaisemisessa. Spektrin nuuskiminen (signaalin ilmaisu) mahdollistaa spektriaukkojen reaaliaikaisen tunnistamisen toissijaisten käyttäjien (SU) toimesta kognitiivisissa radioverkoissa (CRN). Tässä väitöskirjassa painotus on CRN verkkojen suorituskykyanalyysissa ja radioresurssien hallinnassa. Työssä kehitetään jatkuva-aikaiseen Markov ketjuun (CTMC) perustuva analyyttinen malli joka ottaa huomioon kaikki olennaiset asiat mukaan lukien jatkuva-aikaiseen spektrin nuuskimiseen liittyvän väärien hälytysten tiheyden (FAR). Joissakin tapauksissa PU:ta voidaan mallintaa aikajaoteltuna siten että PU:n tila on vakio kussakin aikavälissä. Olettaen että SU voi synkronoitua aikaväleihin, on intuitiivista käyttää aikavälin alkua nuuskimiselle ja loppuosaa (mahdollisesti) viestintää varten. M/D/1:n ensisijaisuus-jonotus-suunnitelmaa soveltamalla tässä väitöskirjassa saadaan tuloksia odotusajalle ja jonon pituudelle sekä SU:lle että PU:lle. Seuraavaksi käsitellään monikäyttöä SU:den joukossa aikajaotellussa kanavassa. Tavanomainen menetelmä käyttää esimerkiksi kanavapääsytodennäköisyyttä ψ kussakin aikavälissä vastaten aikajaoteltua ALOHA protokollaa. Tässä väitöskirjassa esitetään radikaali uusi idea: miksei lisätä väärän hälytyksen todennäköisyyttä kussakin SU:ssa ja käytetä sitä moniliittymämenetelmänä? Työssä esitetään peliteoreettinen lähestymistapa radioresurssien allokointiin siten että resurssit jaetaan oikeudenmukaisesti monen yhteysvälin linkeissä. Lisäksi tutkitaan myös resursoinnin ongelmaa heterogeenisissa langattomissa verkoissa. Lopuksi tutkitaan laitteiden välistä suoraa viestintää (D2D) paikallisen jakauman kanssa, jossa käyttäjillä on tapana kasaantua solun sisällä esim. rakennuksiin. Esitetään teoreettinen analyysi kaksiulotteisella klusteroinnilla myös korreloitujen ryhmien kanssa. Osoitetaan että korrelaatio ryhmän valinnassa parantavaa merkittävästi suorituskykyä.

Abstract This thesis examines radio resource management techniques for multicell multi-input single-output (MISO) downlink networks. Specifically, the thesis focuses on developing linear transmit beamforming techniques by optimizing certain quality-of-service (QoS) features, including, spectral efficiency, fairness, and throughput. The problem of weighted sum-rate-maximization (WSRMax) has been identified as a central problem to many network optimization methods, and it is known to be NP-hard. An algorithm based on a branch and bound (BB) technique which globally solves the WSRMax problem with an optimality certificate is proposed. Novel bounding techniques via conic optimization are introduced and their efficiency is illustrated by numerical simulations. The proposed BB based algorithm is not limited to WSRMax only; it can be easily extended to maximize any system performance metric that can be expressed as a Lipschitz continuous and increasing function of the signal-to-interference-plus-noise (SINR) ratio. Beamforming techniques can provide higher spectral efficiency, only when the channel state information (CSI) of users is accurately known. However, in practice the CSI is not perfect. By using an ellipsoidal uncertainty model for CSI errors, both optimal and suboptimal robust beamforming techniques for the worst-case WSRMax problem are proposed. The optimal method is based on a BB technique. The suboptimal algorithm is derived using alternating optimization and sequential convex programming. Through a numerical example it is also shown how the proposed algorithms can be applied to a scenario with statistical channel errors. Next two decentralized algorithms for multicell MISO networks are proposed. The optimization problems considered are: P1) minimization of the total transmission power subject to minimum SINR constraints of each user, and P2) SINR balancing subject to the total transmit power constraint of the base stations. Problem P1 is of great interest for obtaining a transmission strategy with minimal transmission power that can guarantee QoS for users. In a system where the power constraint is a strict system restriction, problem P2 is useful in providing fairness among the users. Decentralized algorithms for both problems are derived by using a consensus based alternating direction method of multipliers. Finally, the problem of spectrum sharing between two wireless operators in a dynamic MISO network environment is investigated. The notion of a two-person bargaining problem is used to model the spectrum sharing problem, and it is cast as a stochastic optimization. For this problem, both centralized and distributed dynamic resource allocation algorithms are proposed. The proposed distributed algorithm is more suitable for sharing the spectrum between the operators, as it requires a lower signaling overhead, compared with centralized one. Numerical results show that the proposed distributed algorithm achieves almost the same performance as the centralized one. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tarkastellaan monisoluisten laskevan siirtotien moniantennilähetystä käyttävien verkkojen radioresurssien hallintatekniikoita. Väitöskirjassa keskitytään erityisesti kehittämään lineaarisia siirron keilanmuodostustekniikoita optimoimalla tiettyjä palvelun laadun ominaisuuksia, kuten spektritehokkuutta, tasapuolisuutta ja välityskykyä. Painotetun summadatanopeuden maksimoinnin (WSRMax) ongelma on tunnistettu keskeiseksi monissa verkon optimointitavoissa ja sen tiedetään olevan NP-kova. Tässä työssä esitetään yleinen branch and bound (BB) -tekniikkaan perustuva algoritmi, joka ratkaisee WSRMax-ongelman globaalisti ja tuottaa todistuksen ratkaisun optimaalisuudesta. Samalla esitellään uusia conic-optimointia hyödyntäviä suorituskykyrajojen laskentatekniikoita, joiden tehokkuutta havainnollistetaan numeerisilla simuloinneilla. Ehdotettu BB-perusteinen algoritmi ei rajoitu pelkästään WSRMax-ongelmaan, vaan se voidaan helposti laajentaa maksimoimaan mikä tahansa järjestelmän suorituskykyarvo, joka voidaan ilmaista Lipschitz-jatkuvana ja signaali-(häiriö+kohina) -suhteen (SINR) kasvavana funktiona. Keilanmuodostustekniikat voivat tuottaa suuremman spektritehokkuuden vain, jos käyttäjien kanavien tilatiedot tiedetään tarkasti. Käytännössä kanavan tilatieto ei kuitenkaan ole täydellinen. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan WSRMax-ongelman ääritapauksiin sekä optimaalinen että alioptimaalinen keilanmuodostustekniikka soveltaen tilatietovirheisiin ellipsoidista epävarmuusmallia. Optimaalinen tapa perustuu BB-tekniikkaan. Alioptimaalinen algoritmi johdetaan peräkkäistä konveksiohjelmointia käyttäen. Numeerisen esimerkin avulla näytetään, miten ehdotettuja algoritmeja voidaan soveltaa skenaarioon, jossa on tilastollisia kanavavirheitä. Seuraavaksi ehdotetaan kahta hajautettua algoritmia monisoluisiin moniantennilähetyksellä toimiviin verkkoihin. Tarkastelun kohteena olevat optimointiongelmat ovat: P1) lähetyksen kokonaistehon minimointi käyttäjäkohtaisten minimi-SINR-rajoitteiden mukaan ja P2) SINR:n tasapainottaminen tukiasemien kokonaislähetystehorajoitusten mukaisesti. Ongelma P1 on erittäin kiinnostava, kun pyritään kehittämään mahdollisimman pienen lähetystehon vaativa lähetysstrategia, joka pystyy takaamaan käyttäjien palvelun laadun. Ongelma P2 on hyödyllinen tiukasti tehorajoitetussa järjestelmässä, koska se tarjoaa tasapuolisuutta käyttäjien välillä. Molempien ongelmien hajautetut algoritmit johdetaan konsensusperusteisen vuorottelevan kertoimien suuntaustavan avulla. Lopuksi tarkastellaan kahden langattoman operaattorin välisen spektrinjaon ongelmaa dynaamisessa moniantennilähetystä käyttävässä verkkoympäristössä. Spektrinjako-ongelmaa mallinnetaan käyttämällä kahden osapuolen välistä neuvottelua stokastisen optimoinnin näkökulmasta. Tähän ongelmaan ehdotetaan ratkaisuksi sekä keskitettyä että hajautettua resurssien allokoinnin algoritmia. Hajautettu algoritmi sopii paremmin spektrin jakamiseen operaattorien välillä, koska se vaatii vähemmän kontrollisignalointia. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetulla hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes sama suorituskyky kuin keskitetyllä algoritmillakin.