Abstract Uplink resource allocation strategies in modern cellular networks are studied in this thesis. With the presence of multiple antenna transmission, multiple base station (BS) coordination and multicarrier techniques, the resource allocation problem is reformulated and jointly optimized over a large set of variables. The focus is on the sum power minimization with per user rate constraints. A centralized multicarrier coordinated cellular network with multiple antennas implemented at the BS side is considered, where BSs can be adaptively clustered to detect signals from one mobile station (MS). The power, subcarrier, beamforming vector and BS cluster (BSC) are the design variables to be jointly optimized to satisfy the rate constraint per user. The first considered scenario is a simple single carrier multicell system. The power control problem with per user rate constraint can be optimally solved by the proposed algorithm, where power vector, BSC and beamforming vectors are separately updated until the sum power converges. The scenario is extended to more complicated multicarrier systems. The resource allocation problem is non-deterministic polynomial-time hard (NP-hard). Suboptimal algorithms are proposed to tackle the problem. To get more insights to the performance gap between the proposed algorithms and the capacity achieving bound, the scenario is specified to a single cell system with nonlinear receiver so that the calculation of the lower bound is possible. Efficient geometric aided fast converging power minimization algorithms are proposed to calculate the power bound of the multiple access channel (MAC) with per user rate constraint. By comparing the capacity achieving lower bound with the proposed algorithm, the BSW that starts from full rate allocation looks promising to have a good tradeoff between the convergence speed and the sum power consumption. Besides the resource allocation algorithms in the cellular network, the physical modeling and corresponding design of the network itself are also considered. The radio propagation in the elevation domain is modeled and considered. The diversity gain from the elevation domain is achieved by extra degree of freedom of beamforming in elevation domain. The antenna array can be either a uniform linear array or a uniform planar array with elements placed horizontally. The proposed power control algorithms are simulated in the 3D network scenarios. The effects of antenna array design in different propagation scenarios are compared. / Tiivistelmä Työssä tutkitaan ylälinkin resurssien kohdentamisstrategioita matkapuhelinverkoissa. Olettaen koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien (BS) välillä, resurssien kohdentamisongelma muotoillaan uudelleen ja optimoidaan yli suuren joukon optimointimuuttujia. Erityisesti keskitytään yhteenlasketun tehon minimointiongelmaan käyttäjäkohtaisien siirtonopeusrajoitteiden kanssa. Työssä oletetaan keskitetty koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien välillä, joten tukiasemat voidaan adaptiivisesti ryhmitellä yhden matkaviestimen signaalin havannointia varten. Lähetysteho, kantoaaltoallokaatio, keilanmuodostus ja tukiasemaklusterointi ovat ongelman muuttujia, jotka optimoidaan yhdessä siten, että käyttäjäkohtaiset siirtonopeusrajoitteet täyttyvät. Ensimmäinen käsitelty tapaus on yksinkertainen yhden operaattorin monisolujärjestelmä. Tehonsäätöongelma käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa voidaan optimaalisesti ratkaista ehdotetulla algoritmilla, jossa lähetysteho, keilanmuodostusvektorit ja tukiasemaklusterointi päivitetään erikseen, kunnes yhteenlaskettu teho suppenee. Tarkastelu laajennetaan monimutkaisempaan monikantoaaltojärjestelmään. Kun käyttäjäkohtainen siirtonopeustavoite kiinnitetään, ongelma voidaan vastaavasti hajottaa osittaisiksi alikantoaaltokohtaisiksi osaongelmiksi, jossa kukin osaongelma voidaan optimaalisesti ratkaista. Jos alikantoaaltokohtaista siirtonopeustavoitetta ei ole kiinnitetty, tehonsäätöongelmasta tulee ei-polynomisesti monimutkainen. Optimaalisia algoritmeja ehdotetaan ongelman ratkaisemiseksi. Jotta voitaisiin saada tietoa todellisesta suorituskykyerosta ehdotettujen algoritmien ja kapasiteettioptimaalisen rajan välillä, vertailu tehdään yhden solun simulointimallissa epälineaarisen vastaanottimen kanssa siten, että kapasiteettioptimaalisen alarajan laskeminen on mahdollista. Tätä varten kehitetään tehokas geometria-avusteinen ja nopeasti konvergoituva algoritmi tehon minimointia varten käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa. Vertaamalla kapasiteettioptimaalista alarajaa ehdotettujen algoritmien suorituskykyyn huomataan, että ehdotettu BSW algoritmi on hyvä kompromissi konvergoitumisnopeuden ja tehonkulutuksen välillä. Matkapuhelinverkkojen resurssienkohdentamisalgoritmien lisäksi työssä huomioidaan myös verkon fyysinen mallintaminen ja vastaava suunnittelu. Työssä mallinnetaan radiokanavan ominaisuudet myös korkeustasossa, joka mahdollistaa diversiteetin hyödyntämisen korkeustason keilanmuodostuksessa. Antenniryhmä voi olla joko yhtenäinen lineaarinen ryhmä tai yhtenäinen tasoryhmä, jossa antennielementit on sijoitettu tasoon. Ehdotettuja tehonsäätöalgoritmeja simuloidaan kolmiulotteisessa verkkoskenaarioissa, jossa verrataan antenniryhmäsuunnittelun vaikutuksia eri radiokanavaskenaarioissa.

Abstract In this thesis, adaptive transmission power control algorithms for reliable communication in channels with state are explored and further developed. In channels with state, strict adherence to Shannon-sense capacity may lead to very conservative system designs. In many practical systems, error-free communication is not required because these systems can cope with decoding errors. These considerations give rise to other information-theoretic notions where the rate of reliable communications is considered a random variable which depends not only on the statistical properties of the channel but also on the adaptive transmission strategy. Numerous studies on adaptive transmission in channels with state have already been conducted using expected value of communication rate or information outage probability as the relevant performance metrics. However, these metrics, although intuitively pleasing, have usually been introduced without rigorous justification. This thesis contributes to the state of the art in a number of ways. These include the development of new conceptual viewpoints on performance assessment of adaptive communication systems in channels with state as well as a new set of adaptive transmission power control algorithms. In particular, the models and methods of rational decision theory are introduced and systematically used in developing a unified framework for analysis and optimization of adaptive transmission in channels with state. The proposed framework properly addresses the limitation of finite coding length, takes into account the decision maker's preferences, considers uncertainties relevant in a given decision, and determines the optimal decision by maximizing some numerical index. A central finding of the theoretical studies is that many of the previously proposed performance metrics can be rigorously justified within the newly proposed framework. In addition, adaptive transmission power control in parallel Gaussian channels is considered with the aim of obtaining new classes of algorithms. The safety-first approach, risk theory, and expected utility theory are applied to derive novel transmission power control algorithms. The performance of the proposed power control algorithms is evaluated by computer simulations and compared against the performance of some other well-known algorithms. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tutkitaan ja kehitetään edelleen adaptiivisia lähettimen tehonsäätöalgoritmeja luotettavaan tietoliikenteeseen kanavissa, joilla on tila. Tällaisissa kanavissa Shannonin määrittelemän kapasiteetin tiukka noudattaminen saattaa johtaa konservatiivisiin järjestelmiin. Monissa käytännön järjestelmissä virheetöntä tiedonsiirtoa ei vaadita, koska niissä voidaan helposti selviytyä dekoodausvirheistä. Nämä pohdinnat johtavat toisenlaisiin informaatioteoreettisiin näkökulmiin, joissa luotettavan tietoliikenteen nopeutta pidetään satunnaismuuttujana, joka ei riipu ainoastaan kanavan tilastollisista ominaisuuksista vaan myös adaptiivisesta lähetysstrategiasta. Adaptiivisesta siirrosta kanavissa, joilla on tila, on jo tehty lukuisia tutkimuksia käyttäen tietoliikennenopeuden odotusarvoa tai informaation katkostodennäköisyyttä asiaankuuluvina suorituskykymittareina. Näitä mittareita on käytetty tavallisesti ilman tarkkaa perustelua, vaikka ne ovat intuitiivisesti houkuttelevia. Tämä väitöskirja tuottaa uusia tuloksia alan kehityksen nykytasoon monella tavalla. Näihin kuuluvat uudet käsitteelliset näkökulmat adaptiivisten tietoliikennejärjestelmien suorituskyvyn arviointiin kanavissa, joilla on tila, sekä uusi joukko adaptiivisia tehonsäätöalgoritmeja. Erityisesti rationaalisen päätöksenteon malleja ja menetelmiä on otettu käyttöön systemaattisesti kehitettäessä yhtenäistä puitetta adaptiivisen siirron analyysiin ja optimointiin kanavissa, joilla on tila. Ehdotettu puite arvioi asianmukaisesti äärellisen koodauspituuden rajoitusta, ottaa huomioon päätöksentekijän mieltymykset, tarkastelee määrättyyn päätökseen liittyviä oleellisia epävarmuuksia ja määrittää optimaalisen päätöksen maksimoimalla jonkin numeerisen päätösmuuttujan. Keskeinen löytö on se, että monet aikaisemmin ehdotetut suorituskykymittarit voidaan perustella tarkasti uuden, tässä ehdotetun puitteen sisällä. Lisäksi tarkastellaan adaptiivista lähettimen tehonsäätöä rinnakkaisissa Gaussin jakaumaa noudattavissa kanavissa. Tavoitteena on saada aikaan uusia lähettimen tehonsäätöalgoritmien luokkia. Turvallisuus ensin -lähestymistapaa, riskiteoriaa ja odotetun hyödyn teoriaa sovelletaan uusien lähettimen tehonsäätöalgoritmien johtamiseen. Ehdotettujen tehonsäätöalgoritmien suorituskykyä on mitattu tietokonesimuloinneilla ja verrattu joidenkin muiden hyvin tunnettujen algoritmien suorituskykyyn.