Abstract This thesis aims to evaluate networking aspects of autonomous packets access systems when dynamically and adaptively performing resource and network management. In this context, Quality of Service (QoS)-aware solutions for resource sharing and control (e.g., channel access, load control, interference management and routing techniques among others) in large-scale wireless networks are envisaged. We propose and investigate distributed coordination mechanisms for controlling the co-channel interference generated in multi-tier coexistence scenarios consisting of macrocells underlaid with short-range small cells. The rationale behind employing such mechanism is to opportunistically reuse resources without compromising ongoing transmissions on the overlaid macrocells, while still guaranteeing QoS in both tiers. To mitigate the resulting co-channel interference, the underlaid tiers of small cells use distributed mechanism that relies on minimal signaling exchange, e.g., the Time Division Duplexing (TDD)-underlay approach which is based on regular busy tones. Herein, stochastic geometry is used to model network deployments, while higherorder statistics through the cumulants concept is utilized to characterize the probability distribution of the aggregate interference at the tagged receiver. To conduct our studies, we consider a shadowed fading channel model incorporating log-normal shadowing and Nakagami-m fading. In addition, various network algorithms, such as power control and frequency (re)allocation, are included in the analytical framework. To evaluate the performance of the proposed solutions, we also derive closed-form expressions for the outage probability and average spectral efficiency with respect to the receiver of interest under various channel conditions and network configurations. Results show that the analytical framework matches well with numerical results obtained from Monte Carlo simulations, and that the coordination mechanisms substantially improve the performance of overlaid macrocell networks, while also benefiting small cells. In contrast to the uncoordinated Frequency Division Duplexing mode, the coordinated TDD-underlay solution shows a reduction in the outage probability, while the average spectral efficiency increases at high loads. Although more elaborated interference control techniques such as, downlink bitmap and distributed antennas systems become needed, when the density of uncoordinated small cells in the underlaid tier gets high. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja pyrkii arvioimaan autonomisia pakettikytkentäisiä järjestelmiä verkon näkökulmasta, kun resurssien ja verkon hallinta tapahtuu dynaamisesti ja adaptiivisesti. Tässä yhteydessä suunnitellaan QoS-tietoisia ratkaisuja resurssien jakamiseen ja hallintaan (esim. kanavan allokointi, kuorman hallinta, häiriön käsittely ja reititystekniikat) suuren skaalan langattomiin verkkoihin. Ehdotamme ja tutkimme hajautettuja koordinointimekanismeja monikanavien häiriöiden hallintaan monitasoisissa skenaarioissa, jotka koostuvat lyhyen kantaman soluista makrosoluissa. Peruste näille mekanismeille on resurssien opportunistinen uudelleenkäyttö tinkimättä käynnissä olevista lähetyksistä suuremmissa makrosoluissa, samalla kun QoS taataan molemman tason lähetyksissä. Pienentääkseen aiheutuvaa monikanavahäiriöitä, alemman tason pienet solut käyttävät hajautettua mekanismia, kuten esimerkiksi säännöllisiin varattu-ääniin perustuvaa Time Division Duplexing (TDD) - mekanismia, vähällä signaalien vaihdon määrällä. Stokastista geometriaa käytetään mallintamaan verkkoja, kun taas korkeamman tason tilastollista laskentaa kumulanttimenetelmän käsitteen kautta käytetään kuvaamaan kokonaishäiriön todennäköisyysjakaumaa merkityssä vastaanottimessa. Käsittelemme varjostuvaa ja häipyvää kanavamallia sisältäen log-normaalin varjostumisen ja Nakagamim häipymisen. Lisäksi sisällytämme analyyttiseen työhön monenlaisia verkkoalgoritmeja tehohallintaan ja taajuuden (uudelleen)allokointiin. Ehdotettujen ratkaisujen tehokkuuden arvioimiseksi johdamme myös suljetut muodot katkosten todennäköisyyksille ja keskimääräiselle spektrin käytön tehokkuudelle halutun vastaanottimen suhteen monissa kanavatiloissa ja verkon kokoonpanoissa. Tulokset osoittavat, että analyyttisen työn tulokset vastaavat hyvin Monte Carlo - simulaatioilla saatujen numeeristen tulosten kanssa ja että koordinointimekanismit parantavat makrosoluverkkojen tehokkuutta merkittävästi, samalla kun myös pienet solut hyötyvät. Toisin kuin koordinoimaton Frequency Division Duplexing -toimintatila, koordinoitu TDD-toimintatila pienentää katkosten todennäköisyyttä samalla kun keskimääräinen spektrin käytön tehokkuus kasvaa suurella kuormalla. Toisaalta kehittyneemät häiriönhallintatekniikat, kuten alalinkki bittikartta sekä hajautetut antennijärjestelmät, tulevat tarpeelliseksi, kun pienten koordinoimattomattomien solujen tiheys kasvaa alemmalla tasolla.

Abstract This thesis focuses on THz band channel modeling and characterization. This vast frequency band spans from 100 GHz to 10 THz. The approximately 10,000 GHz bandwidth together with advances in THz capable electronics have made this band highly potential for many future applications, e.g., imaging and nanodevice-to-nanodevice communications. The latter is the reference application of this thesis and it focuses on the communication among very small and simple devices. The main focus of the thesis is on the THz channel characterization. Therefore, the channel models presented herein are also suitable for communications at macroscopic scale. The THz band offers opportunities, but has many problems as well. One of these is molecular absorption, which causes frequency selective fading to signals. The fading is caused by the signals’ energy absorption in the resonance frequencies of the molecules in the communication medium. Based on the conservation of energy, the absorption is understood to cause a new type of noise in the THz links: transmission induced noise. This noise component is analyzed from multiple physical viewpoints. The THz signals have short enough wavelengths to theoretically allow scattering on aerosols in the atmosphere. Scattering causes frequency dependent loss of the signals, but also a signal spread in time over multiple scattering events. It is shown here that in some specific atmospheric conditions the scattering causes signal loss and time spread. In addition to the theoretical channel models, measurements on a variety of propagation phenomena are con- ducted and analyzed. These include penetration losses, rough surface reflections and scattering, and diffraction. Through the measurements, it can be shown that the THz band communications is feasible in non-line-of-sight (NLOS) conditions in spite of the above phenomena. In the last part of this thesis, stochastic geometry is applied to the THz band in order to estimate the mean interference power and outage probabilities in dense networks formed from nanodevices. Because of the large losses in the channel, large interference levels require large numbers of devices. Stochastic geometry offers perfect tools to estimate the mean interference, and also in the case of directional antennas, which are most likely implemented in all the THz band devices due to large power losses in the channel. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja paneutuu THz-taajuisien kanavien mallintamiseen. Tämä valtavan laaja kaista ulottuu sadasta gigahertsistä aina kymmeneen terahertsiin asti. Noin 10000 GHz:n kaistanleveys, yhdistettynä THz-taajuudet mahdollistavien elektroniikan komponenttien kehitykseen, tekee tästä kaistasta erittäin houkuttelevan vaihtoehdon moniin tulevaisuuden sovelluksiin. Näitä ovat mm. kuvantaminen ja nanolaitteiden välinen tietoliikenne. Viimeisin on tämän väitöskirjan viitekehys ja keskittyy hyvin pienien ja yksinkertaisien laitteiden väliseen viestintään. Työn keskittyy pääosin THz-kanavamallinnukseen, joten esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää myös nanoskaalaa suuremmissa verkoissa. THz-taajuudet avaavat mahdollisuuksia, mutta tuovat myös ongelmia. Yksi näistä on molekulaariabsorptio, joka aiheuttaa taajuusselektiivistä häipymää signaaleihin. Tämä ilmiö johtuu sähkömagneetisen energian absorbotumisesta ilman molekyylien resonanssitaajuuksilla. Sen on myös arveltu johtavan uudenlaisen kohinan syntyyn, lähetysten indusoimaan kohinaan, perustuen energian säilymislakiin. Lähetysten indusoimaa kohinaa tutkitaan tässä työssä erilaisista fysikaalisista näkökulmista. THz-taajuisen säteilyn aallonpituus on riittävän lyhyt mahdollistamaan sironta ilmassa olevista aerosoleista. Sironta aerosoleista johtaa taajusriippuvaan signaalitehon häviöön, mutta myös signaalitehon leviämiseen ajassa monisironnan kautta. Työssä todennetaan, että sopivissa olosuhteissa sironta lisää häviöitä ja viivehajetta kanavassa. Teoreettisten kanavamallien lisäksi analysoidaan mittauksin alemmilta taajuusalueilta tuttuja etenemisilmiöitä, kuten signaalin läpäisyä, heijastuksia ja sirontaa pinnoilta, sekä diffraktioita. Mittausten kautta voidaan näyttää, että THz-taajuinen tiedonsiirtolinkki voidaan luoda myös ilman näköyhteyttä yllä mainittujen ilmiöiden kautta. Työn viimeisessä osassa sovelletaan stokastista geometriaa THz-taajuuksille keskimääräisen häiriötehon ja toimintakyvyttömyystodennäköisyyden selvittämiseksi tiheissä nanolaitteiden muodostamissa verkoissa. Isojen kanavahäviöiden takia suuri häiriötaso vaatii suuren määrän laitteita. Stokastinen geometria antaa täydelliset työkalut häiriötason estimointiin. Tätä voidaan myös hyödyntää suuntaavien antennien tapauksessa, joita tullaan suurella todennäköisyydellä käyttämään kaikissa THz-laitteissa johtuen suurista signaalihäviöistä kanavassa.