Abstract Multiple-input multiple-output transmitted signal design for the partially coherent Rayleigh fading channels with discrete inputs under a given average transmit power constraint is consider in this thesis. The objective is to design the space-time constellations and linear precoders to adapt to the degradation caused by the imperfect channel estimation at the receiver and the transmit-receive antenna correlation. The system is partially coherent so that the multiple-input multiple-output channel coefficients are estimated at the receiver and its error covariance matrix is fed back to the transmitter. Two constellation design criteria, one for the single and another for the multiple transmit antennae are proposed. An upper bound on the average bit error probability for the single transmit antenna and cutoff rate, i.e., a lower bound on the mutual information, for multiple transmit antennae are derived. Both criteria are functions of channel estimation error covariance matrix. The designed constellations are called as partially coherent constellation. Additionally, to use the resulting constellations together with forward error control codes requires efficient bit mapping schemes. Because these constellations lack geometrical symmetry in general, the Gray mapping is not always possible in the majority of the constellations obtained. Moreover, different mapping schemes may lead to highly different bit error rate performances. Thus, an efficient bit mapping algorithm called the modified binary switching algorithm is proposed. It minimizes an upper bound on the average bit error probability. It is shown through computer simulations that the designed partially coherent constellation and their optimized bit mapping algorithm together with turbo codes outperform the conventional constellations. Linear precoder design was also considered as a simpler, suboptimal alternative. The cutoff rate expression is again used as a criterion to design the linear precoder. A linear precoder is obtained by numerically maximizing the cutoff rate with respect to the precoder matrix with a given average transmit power constraint. Furthermore, the precoder matrix is decomposed using singular-value-decomposition into the input shaping, power loading, and beamforming matrices. The beamforming matrix is found to coincide with the eigenvectors of the transmit correlation matrix. The power loading and input shaping matrices are solved numerically using the difference of convex functions programming algorithm and optimization under the unitary constraint, respectively. Computer simulations show that the performance gains of the designed precoders are significant compared to the cutoff rate optimized partially coherent constellations without precoding. / Tiivistelmä Väitöskirjassa tarkastellaan lähetyssignaalien suunnittelua osittain koherenteissa Rayleigh-häipyvissä kanavissa toimiviin monitulo-monilähtöjärjestelmiin (MIMO). Lähettimen keskimääräinen lähetysteho oletetaan rajoitetuksi ja lähetyssignaali diskreetiksi. Tavoitteena on suunnitella tila-aikakonstellaatioita ja lineaarisia esikoodereita jotka mukautuvat epätäydellisen kanavaestimoinnin aiheuttamaan suorituskyvyn heikkenemiseen sekä lähetin- ja vastaanotinantennien väliseen korrelaatioon. Tarkasteltavien järjestelmien osittainen koherenttisuus tarkoittaa sitä, että MIMO-kanavan kanavakertoimet estimoidaan vastaanottimessa, josta niiden virhekovarianssimatriisi lähetetään lähettimelle. Työssä esitetään kaksi konstellaatiosuunnittelukriteeriä, toinen yhdelle lähetinantennille ja toinen moniantennilähettimelle. Molemmat kriteerit ovat kanavan estimaatiovirheen kovarianssimatriisin funktioita. Työssä johdetaan yläraja keskimääräiselle bittivirhetodennäköisyydelle yhden lähetinantennin tapauksessa sekä rajanopeus (cutoff rate), joka on alaraja keskinäisinformaatiolle, usean lähetinantennin tapauksessa. Konstellaatioiden käyttö yhdessä virheenkorjauskoodien kanssa edellyttää tehokaita menetelmiä, joilla bitit kuvataan konstellaatiopisteisiin. Koska tarvittavat konstellaatiot eivät ole tyypillisesti geometrisesti symmetrisiä, Gray-kuvaus ei ole yleensä mahdollinen.Lisäksi erilaiset kuvausmenetelmät voivat johtaa täysin erilaisiin bittivirhesuhteisiin. Tästä johtuen työssä esitetään uusi kuvausalgoritmi (modified bit switching algorithm), joka minimoi keskimääräisen bittivirhetodennäköisyyden ylärajan. Simulointitulokset osoittavat, että työssä kehitetyt konstellaatiot antavat paremman suorituskyvyn turbokoodatuissa järjestelmissä kuin perinteiset konstellaatiot. Työssä tarkastellaan myös lineaarista esikoodausta yksinkertaisena, alioptimaalisena vaihtoehtona uusille konstellaatioille. Esikoodauksen suunnittelussa käytetään samaa kriteeriä kuin konstellaatioiden kehityksessä eli rajanopeutta. Lineaarinen esikooderi löydetään numeerisesti maksimoimalla rajanopeus kun rajoitusehtona on lähetysteho. Esikoodausmatriisi hajotetaan singulaariarvohajotelmaa käyttäen esisuodatus, tehoallokaatio ja keilanmuodostusmatriiseiksi, jonka havaitaan vastaavan lähetyskorrelaatiomatriisin ominaisvektoreita. Tehoallokaatiomatriisi ratkaistaan numeerisesti käyttäen difference of convex functions -optimointia ja esisuodatusmatriisi optimoinnilla unitaarista rajoitusehtoa käyttäen. Simulaatiotulokset osoittavat uusien esikoodereiden tarjoavan merkittävän suorituskykyedun sellaisiin rajanopeusoptimoituihin osittain koherentteihin konstellaatioihin nähden, jotka eivät käytä esikoodausta.

Abstract This thesis focuses on the design of coordinated downlink beamforming techniques for wireless multi-cell multi-user multi-antenna systems. In particular, cellular and cognitive radio networks are considered. In general, coordinated beamforming schemes aim to improve system performance, especially at the cell-edge area, by controlling inter-cell interference. In this work, special emphasis is put on practical coordinated beamforming designs that can be implemented in a decentralized manner by relying on local channel state information (CSI) and low-rate backhaul signaling. The network design objective is the sum power minimization (SPMin) of base stations (BSs) while providing the guaranteed minimum rate for each user. Decentralized coordinated beamforming techniques are developed for cellular multi-user multiple-input single-output (MISO) systems. The proposed iterative algorithms are based on classical primal and dual decomposition methods. The SPMin problem is decomposed into two optimization levels, i.e., BS-specific subproblems for the beamforming design and a network-wide master problem for the inter-cell interference coordination. After the acquisition of local CSI, each BS can independently compute its transmit beamformers by solving the subproblem via standard convex optimization techniques. Interference coordination is managed by solving the master problem via a traditional subgradient method that requires scalar information exchange between the BSs. The algorithms make it possible to satisfy the user-specific rate constraints for any iteration. Hence, delay and signaling overhead can be reduced by limiting the number of performed iterations. In this respect, the proposed algorithms are applicable to practical implementations unlike most of the existing decentralized approaches. The numerical results demonstrate that the algorithms provide significant performance gains over zero-forcing beamforming strategies. Coordinated beamforming is also studied in cellular multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The corresponding non-convex SPMin problem is divided into transmit and receive beamforming optimization steps that are alternately solved via successive convex approximation method and the linear minimum mean square error criterion, respectively, until the desired level of convergence is attained. In addition to centralized design, two decentralized primal decomposition-based algorithms are proposed wherein the transmit and receive beamforming designs are facilitated by a combination of pilot and backhaul signaling. The results show that the proposed MIMO algorithms notably outperform the MISO ones. Finally, cellular coordinated beamforming strategies are extended to multi-user MISO cognitive radio systems, where primary and secondary networks share the same spectrum. Here, network optimization is performed for the secondary system with additional interference constraints imposed for the primary users. Decentralized algorithms are proposed based on primal decomposition and an alternating direction method of multipliers. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy yhteistoiminnallisten keilanmuodostustekniikoiden suunnitteluun langattomissa monisolu- ja moniantennijärjestelmissä, erityisesti solukko- ja kognitiiviradioverkoissa. Yhteistoiminnalliset keilanmuodostustekniikat pyrkivät parantamaan verkkojen suorituskykyä kontrolloimalla monisoluhäiriötä, erityisesti tukiasemasolujen reuna-alueilla. Tässä työssä painotetaan erityisesti käytännöllisten yhteistoiminnallisten keilanmuodostustekniikoiden suunnittelua, joka voidaan toteuttaa hajautetusti perustuen paikalliseen kanavatietoon ja tukiasemien väliseen informaationvaihtoon. Verkon suunnittelutavoite on minimoida tukiasemien kokonaislähetysteho samalla, kun jokaiselle käyttäjälle taataan tietty vähimmäistiedonsiirtonopeus. Hajautettuja yhteistoiminnallisia keilanmuodostustekniikoita kehitetään moni-tulo yksi-lähtö -solukkoverkoille. Oletuksena on, että tukiasemat ovat varustettuja monilla lähetysantenneilla, kun taas päätelaitteissa on vain yksi vastaanotinantenni. Ehdotetut iteratiiviset algoritmit perustuvat klassisiin primaali- ja duaalihajotelmiin. Lähetystehon minimointiongelma hajotetaan kahteen optimointitasoon: tukiasemakohtaisiin aliongelmiin keilanmuodostusta varten ja verkkotason pääongelmaan monisoluhäiriön hallintaa varten. Paikallisen kanavatiedon hankkimisen jälkeen jokainen tukiasema laskee itsenäisesti lähetyskeilansa ratkaisemalla aliongelmansa käyttäen apunaan standardeja konveksioptimointitekniikoita. Monisoluhäiriötä kontrolloidaan ratkaisemalla pääongelma käyttäen perinteistä aligradienttimenetelmää. Tämä vaatii tukiasemien välistä informaationvaihtoa. Ehdotetut algoritmit takaavat käyttäjäkohtaiset tiedonsiirtonopeustavoitteet jokaisella iterointikierroksella. Tämä mahdollistaa viiveen pienentämisen ja tukiasemien välisen informaatiovaihdon kontrolloimisen. Tästä syystä ehdotetut algoritmit soveltuvat käytännön toteutuksiin toisin kuin useimmat aiemmin ehdotetut hajautetut algoritmit. Numeeriset tulokset osoittavat, että väitöskirjassa ehdotetut algoritmit tuovat merkittävää verkon suorituskyvyn parannusta verrattaessa aiempiin nollaanpakotus -menetelmiin. Yhteistoiminnallista keilanmuodostusta tutkitaan myös moni-tulo moni-lähtö -solukkoverkoissa, joissa tukiasemat sekä päätelaitteet ovat varustettuja monilla antenneilla. Tällaisessa verkossa lähetystehon minimointiongelma on ei-konveksi. Optimointiongelma jaetaan lähetys- ja vastaanottokeilanmuodostukseen, jotka toistetaan vuorotellen, kunnes algoritmi konvergoituu. Lähetyskeilanmuodostusongelma ratkaistaan peräkkäisillä konvekseilla approksimaatioilla. Vastaanottimen keilanmuodostus toteutetaan summaneliövirheen minimoinnin kautta. Keskitetyn algoritmin lisäksi tässä työssä kehitetään myös kaksi hajautettua algoritmia, jotka perustuvat primaalihajotelmaan. Hajautettua toteutusta helpotetaan pilottisignaloinnilla ja tukiasemien välisellä informaationvaihdolla. Numeeriset tulokset osoittavat, että moni-tulo moni-lähtö -tekniikoilla on merkittävästi parempi suorituskyky kuin moni-tulo yksi-lähtö -tekniikoilla. Lopuksi yhteistoiminnallista keilanmuodostusta tarkastellaan kognitiiviradioverkoissa, joissa primaari- ja sekundaarijärjestelmät jakavat saman taajuuskaistan. Lähetystehon optimointi suoritetaan sekundaariverkolle samalla minimoiden primaarikäyttäjille aiheuttamaa häiriötä. Väitöskirjassa kehitetään kaksi hajautettua algoritmia, joista toinen perustuu primaalihajotelmaan ja toinen kerrointen vaihtelevan suunnan menetelmään.

Denna uppsats undersöker Sveriges marinstrategi i händelse av krig med Tyskland respektive Sovjeteunionen våren 1941 utifrån Chefen för Marinens instruktioner för krigsfall I respektive II. / This paper explores Swedish naval strategy during the Second World War (1939-1945), an area that has not seen significant research. This paper focuses on how Swedish maritime forces were to be used in case of war with Germany (War Plan I; Krigsfall I), and with the Soviet Union (War plan II; Krigsfall II). This paper focuses on Swedish planning during the spring of 1941. The period after the fall of France (June 1940) and before the German invasion of the Soviet Union (June 1941) was a period where both Germany and the Soviet Union possessed what could be described as strategic freedom of action. This means large parts of their armed forces could have been used for operations against Sweden. The basis for each potential conflict was different: Germany occupied Norway and Denmark and could launch a ground invasion of Sweden directly; meanwhile Sweden and the Soviet Union were still separated by Finland and the Baltic Sea. Maritime forces would therefore play very different roles in the two War Plans. No official plans in case of war with the western Allies existed at the time, and hence this has not been explored here. The conclusion of this paper is that Swedish naval strategy at the time was somewhat offensive and focused on gaining sea control, at least in the Baltic Sea and Gulf of Bothnia, to maintain freedom of action to be able to conduct troop movements along the Swedish coast, to the island of Gotland, and to Finland.