Abstract Recent advances in wireless communications coupled with the widespread of bandwidthhungry and high-power consuming wireless services as well as the rapid penetration of multimedia-enabled smart handheld devices generate a drastic growth in mobile traffic volume. With these trends, the goals of 5G and beyond wireless communications include energy efficiency, low latency, and low service cost from the user’ perspective as well as spectrum efficiency, revenue increasing, and lower capital and operational cost from the network operators’ point of view. This thesis studies the potential of mobile clouds for improving energy, spectral, and cost efficiency towards the primary goals of 5G networks. Mobile clouds define a promising 5G integrated technology which combines the conventional cellular and shortrange networks into a novel and powerful communication architecture. Mobile clouds can be seen as a flexible and efficient platform for cooperative content delivery, cooperation, resource sharing, and social networks. Research work in this thesis is conducted in two main areas, namely fundamental and applied research on mobile clouds. Fundamental research focuses on cloud formation strategies and cloud maintenance mechanisms. In the applied area, the potential of mobile clouds for content distribution is investigated in both licensed and unlicensed bands. For content distribution using unlicensed band, several cooperative strategies are designed and their efficiency is compared to traditional multicast strategy in terms of energy efficiency, content distribution latency, and users’ quality of experience (QoE). In content distribution over licensed band, spectrum sharing and resource allocation algorithms are considered for multi pair and full-duplex device-to-device (D2D) communications, aiming at improving spectral efficiency and network performance as well as quality of service (QoS) provisioning. In addition, a business model is designed to consider how mobile clouds can reduce the cost of users and operators while improving revenue of operators and increasing users’ satisfaction. The results of this thesis show that mobile clouds technology creates a flexible and efficient platform which can efficiently enhance spectral efficiency, significantly improve energy efficiency and network performance while guaranteeing cost efficiency for users and network operators simultaneously. / Tiivistelmä Langattomassa viestinnässä on viime aikoina saavutettu useita edistysaskeleita samalla kun suurta kaistanleveyttä edellyttävien ja paljon tehoa kuluttavien langattomien palveluiden käyttö on yleistynyt ja multimediatoiminnoilla varustetut älylaitteet ovat vallanneet nopeasti markkinoita. Tämän seurauksena mobiililiikenne on lisääntynyt huomattavasti. Näiden suuntausten valossa langattoman 5G-viestinnän ja sitä seuraavien sukupolvien langattoman viestinnän kehitystavoitteita ovat muun muassa seuraavat: käyttäjän näkökulmasta energiatehokkuus, mahdollisimman lyhyet viiveajat ja palvelun käytöstä aiheutuvien kustannusten edullisuus sekä verkko-operaattorin näkökulmasta spektritehokkuus, tulojen kasvattaminen ja aiempaa matalammat pääoma- ja käyttökustannukset. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan millaisia mahdollisuuksia mobiilipilvet tarjoavat energia-, spektri- ja kustannustehokkuuden parantamiseen ja siten 5G-verkkojen päätavoitteiden saavuttamiseen. Mobiilipilvi on lupaava osa 5G-teknologiaa, jossa perinteiset solukkoverkot ja lyhyen kantaman verkot yhdistyvät aivan uudenlaiseen ja tehokkaaseen tietoliikennearkkitehtuuriin. Mobiilipilvet voidaan nähdä joustavana ja tehokkaana alustana sisällön yhteisjakelulle, yhteistyölle, resurssien jakamiselle ja toiminnalle sosiaalisissa verkoissa. Tätä väitöskirjaa varten on tehty tutkimusta sekä mobiilipilviä koskevan perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen parissa. Perustutkimuksessa keskitytään tarkastelemaan pilvien muodostamisessa käytettäviä strategioita ja pilvien ylläpidossa käytettäviä mekanismeja. Soveltavan tutkimuksen alueella mobiilipilvien tarjoamia sisällön jakelun mahdollisuuksia tarkastellaan sekä luvanvaraisilla että vapaasti käytettävillä kaistoilla. Vapaasti käytettävillä kaistoilla toteutettavaa jakelua varten työssä kehitetään useita yhteistoimintastrategioita, joiden tehokkuutta verrataan perinteiseen monilähetysstrategiaan energiatehokkuuden, sisällön jakelun viiveiden ja käyttäjien kokemuksen laadun (Quality of Experience, QoE) osalta. Luvanvaraisilla kaistoilla toteutettavan sisällön jakelun osalta tarkastellaan moniparisessa ja samanaikaisessa molemminsuuntaisessa laitteiden välisessä viestinnässä (D2D-kommunikaatiossa) käytettäviä spektrin jakamisen ja resurssien allokoimisen algoritmeja, jotta spektritehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä palvelun laatua (Quality of Service, QoS) pystyttäisiin parantamaan. Tämän lisäksi työssä kehitellään liiketoimintamallia, jonka avulla voidaan pohtia, miten mobiilipilvillä voidaan vähentää käyttäjien ja operaattorien kustannuksia ja samalla kasvattaa operaattorien tuloja ja parantaa käyttäjien tyytyväisyyttä. Tämän työn tulokset osoittavat, että mobiilipilviteknologia on joustava ja tehokas alusta, jolla voidaan lisätä olennaisesti spektritehokkuutta, parantaa merkittävästi energiatehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä taata kustannustehokkuus sekä käyttäjien että verkko-operaattorien näkökulmasta.

Abstract This thesis deals with the fascinating subject of the design of digital communication systems - or more precisely one topic therein, i.e., modulation. Modulation and its counterpart demodulation are the means of making the information ride the beast of a wireless radio channel. The introduction of mMFSK and amMFSK generated ideas of applying the approach to other modulation methods. The straightforward extension was to apply the method to CSK modulation to introduce mMCSK modulation. The analysis shows that due to the orthogonality of the signaling waveforms of mMCSK (with Walsh codes) and mMFSK, the same performance is achieved for modulation methods with the same modulation alphabet. But with CSK it is rather easy to construct non-orthogonal signaling waveforms. Hence, the thesis also gives analytical results for non-orthogonal mMCSK and especially considers (as an example) the use of Gold and Kasami codes. The results indicate that the best choice of codes for a non-coherent mMCSK system is the orthogonal code family, which is a rather intuitive result. However, for a coherent mMCSK system, better performance could be achieved with non-orthogonal codes. Given that we can construct a code set where the cross-correlation between the codes in the family is negative (ρi,j<0), performance improvement compared to the orthogonal code family is achieved. The results show that, for instance, a 0.5 dB performance improvement in the AWGN channel can be achieved by using a specifically constructed set of Kasami codes as the basis functions in the modulation. The thesis also presents the performance analysis results of mMCSK in a flat Rayleigh fading channel. To further enlarge the modulation alphabet sizes (with the price of larger spectrum usage) it was realized that combining the mMFSK and mMCSK would be an interesting choice. The mMCSK-mMFSK modulation was hence introduced, which can be viewed as the main contribution of this thesis. A method to analyze this two-component modulation was developed and the performance analyses give results for mMCSK-mMFSK modulation in AWGN and flat Rayleigh fading channels for both coherent and non-coherent receivers. The performance was also assessed with orthogonal and non-orthogonal code constructs. Moreover, an antipodal extension of the mMCSK-mMFSK modulation was introduced with the analysis of the performance. A third contribution of the thesis was to introduce the mPPM modulation method following the mMFSK principles. The performance results obtained in the mMCSK can also be applied to these modulation formats in certain scenarios. PPM modulation has been widely suggested to be used in UWB systems. In UWB systems, the means to adapt the data rate is the use of pulse repetition. Hence, the performance analysis of the mPPM modulation methods with pulse repetition and a non-coherent receiver was computed. The performance of pulse repetition in impulsive interference was also computed. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjatyössä tarkastellaan tietoliikennejärjestelmän suunnitteluun liittyvää osa-aluetta modulaatiomenetelmä. Modulaatio ja sen vastinpari demodulaatio ovat mekanismit, joiden avulla siirrettävä tieto saatetaan muotoon, jolla se voidaan siirtää radiokanavassa. mMFSK ja amMFSK modulaatiomenetelmien kehittäminen loi pohjan, jota lähdettiin soveltamaan myös muihin modulaatiotekniikoihin. Suoritetut matemaattiset analyysit osoittavat, että samalle modulaatioaakkoston koolle mMCSK (käyttäen Walsh-koodeja) ja mMFSK saavuttavat saman suorituskyvyn olettaen modulaatioiden olevan ortogonaalisia. CSK-tekniikalla on kuitenkin helppo rakentaa koodeja, jotka ovat epäortogonaalisia. Väitöskirjassa analysoidaan myös muutamia tapauksia epaortogonaaliselle mMCSK:lle, jossa esimerkinomaisesti tarkastellaan Gold- ja Kasami-koodien käyttöä. Tulokset osoittavat, että epäkoherentille mMCSK:lle paras valinta koodiperheeksi on ortogonaalinen koodiperhe, joka tuloksena on myös intuitiivinen. Koherentille mMCSK:lle voidaan kuitenkin rakentaa epäortogonaalisia koodikonstruktioita, joissa koodien välinen ristikorrelaatio on negatiivinen ja tällöin saavutetaan suorituskyvyn parantumista ortogonaaliseen koodiperheeseen verattuna. Tulokset Gold- ja Kasami-koodeille AWGN-kanavassa osoittavat, että n. 0.5 dB suorituskyvyn paraneminen on saavutettavissa. Työssä johdetaan myös analyyttiset tulokset vastaaville tapauksille Rayleigh-häipyvässä kanavassa. Tutkittaessa mMCSK- ja mMFSK-modulaatioita, huomattiin, että yhdistämällä nämä kaksi voidaan saavuttaa erittäin suuria modulaatioaakkostoja. Hintana on suurempi spektrin käyttö. mMCSK-mMFSK-modulaation kehittämistä voidaan pitää tämän työn päätuloksena. Työssä kehitetään likimääräinen menetelmä tämän kaksi-komponenttisen modulaation suorituskyvyn analysoimiseksi. Tuloksina esitetään modulaatiomenetelmän suorituskyky sekä AWGN- että Rayleigh-häipyvässä kanavassa. Suorituskykytuloksia esitetään myös epäortogonaalisille koodikonstruktioille. Lisäksi kehitettiin antipodaalinen laajennus mMCSK-mMFSK-modulaatiosta ja suoritettiin suorituskykyanalyysi AWGN-kanavassa. Työn kolmantena tuloksena esitetään mPPM-modulaatiomenetelmä hyödyntäen mMCSK-modulaation periaatteita. mMCSK-suorituskykyanalyysia voidaan tietyin ehdoin soveltaa myös näihin modulaatiomenetelmiin, joiden käyttöä esitetään usein ultralaajakaistajärjestelmissä (UWB). UWB-järjestelmissä datanopeutta säädetään usein pulssin toistoa käyttämällä. Työssä johdetaan suorityskykytulokset epäkoherentille mPPM-vastaanottimelle myös pulssintoiston yhteydessä. Lisäksi johdettiin suorituskykylausekkeet ko. modulaatioille impulsiivisen häiriön läsnäollessa.

Abstract This thesis considers data transmission in a full-duplex (FD) multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) system, where a FD capable base station (BS) bidirectionally communicates with multiple half-duplex (HD) users in downlink (DL) and uplink (UL) channels using the same radio resources. The main challenge in FD communications is how to deal with the self-interference (SI) between transmit and receive antennas at the BS. The work carried out in the thesis is motivated by recent advanced techniques in hardware design demonstrating that the SI can be suppressed to a degree that possibly allows for FD transmission in cellular networks. In particular, this thesis attempts to explore the potential gains in terms of the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) that can be brought by the FD MU-MIMO model. As the first of its kinds, the thesis aims to present a solid mathematical framework and report interesting results that foster research on wireless communications in general and FD communications in particular. For the FD system of interest the major challenge is due to the SI and co-channel interference from users in the UL channel to the ones in the DL channel, resulting in the coupling between the two channels. As a result we are concerned with the problem of joint transmit processing design to maximize the SE and EE subject to certain power constraints. Since the design problems are natually non-convex, it is difficult to find the globally optimal solutions or even when possible it is not practically appealing. Our contributions to solving these design problems are on the development of several iterative algorithms that can obtain locally optimal solutions. The proposed algorithms are built upon a framework of local optimization strategies such as the sequential parametric convex approximation and the Frank-Wolfe methods. In special cases closed-form designs are also presented. The reported results show that when the SI is sufficiently suppressed the considered FD MU-MIMO system with the proposed SE designs achieves a significantly better SE but consumes more energy, compared to the HD counterpart. In terms of EE the proposed EE scheme is superior to the proposed SE design. Moreover, in the low transmit power region, the EE design achieves a worse EE than the HD system but a better one in the high trasmit power regime when the SI power is low. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee datansiirtoa samanaikaisesti kaksisuuntaisessa (full-duplex, FD) usean käyttäjän moniantennijärjestelmässä (MU-MIMO), jossa FD-kykyinen tukiasema on yhtä aikaa yhteydessä vuorosuuntaisten (half-duplex, HD) käyttäjien kanssa laskevalla (DL) ja nousevalla (UL) siirtotiellä käyttäen samoja radioresursseja. FD-kommunikaation suurin haaste liittyy lähetys- ja vastaanottoantennien välisen omahäiriön (SI) hallintaan. Tässä työssä hyödynnetään tuoreita tutkimustuloksia, joissa edistyneillä häiriönvaimennustekniikoilla on kyetty vaimentamaan omahäiriö tasolle, jolla FD-lähetys solukkoverkoissa on toteutuskelpoista. Tässä työssä tutkitaan etenkin mahdollisia FD MU-MIMO –järjestelmän tuomia suorituskykyparannuksia spektrinkäytön tehokkuudessa (SE) ja energiatehokkuudessa (EE). Väitöskirjalla on uutuusarvoa matemaattisessa suorituskykyarvioinnissa ja työn mielenkiintoiset tulokset edistävät jatkotutkimusta aiheen ympärillä. Tutkittavan FD-järjestelmän merkittävänä haasteena on omahäiriön ja muiden käyttäjien siirtosuuntien välisen samankanavan häiriön yhteisvaikutus, jonka johdosta siirtosuunnat kytkeytyvät toisiinsa. Tämä johtaa lähetysprosessoinnin yhteisoptimointiin, jossa spektri- ja energiatehokkuus pyritään maksimoimaan määritetyillä tehorajoituksilla. Nämä suunnitteluongelmat eivät ole luonteeltaan konvekseja, joten niihin on vaikeaa löytää globaalisti optimaalisia ratkaisuja ja vaikka onnistuisikin niin ne eivät yleensä ole käytännöllisiä. Työssä esitetään useita iteratiivisia algoritmejä, joilla saavutetaan paikallisesti optimaalisia ratkaisuja. Ehdotetut algoritmit pohjautuvat paikallisten optimointistrategioiden viitekehykseen, jossa käytetään esimerkiksi peräkkäistä parametristä konveksiapproksimaatiota ja Frank-Wolfe –menetelmiä. Erityistapauksissa suljetun muodon ratkaisut on myös esitetty. Raportoidut tulokset osoittavat, että omahäiriön ollessa riittävästi vaimennettu mallinnetulla järjestelmällä saavutetaan spektrinkäytön optimointimielessä huomattavaa etua HD-verrokkiin lisääntyneen energian kulutuksen kustannuksella. Energiatehokkuuden optimointiin pohjautuvalla strategialla puolestaan päästään suurempiin suorituskykyetuihin. Pienillä lähetystehoilla energiatehokkuus voi kuitenkin olla HD-järjestelmää alempi, mutta vastaavasti suurten lähetystehojen alueella tilanne on päinvastainen kunhan omahäiriön teho on tarpeeksi alhainen.