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.

Abstract The rapid evolution of wireless networks to meet the requirements of explosive data traffic demand is escalating energy consumption beyond sustainable limits. Consequently, energy efficiency (EE) has emerged as a key performance indicator for future wireless networks to address the increasing concern over greenhouse gas emissions and sustainable economic growth. This thesis studies energy-efficient transmission strategies for multiantenna wireless systems. The aim is to develop linear beamforming techniques maximizing the bit-per-Joule EE metric, focusing on three appealing scenarios: a coordinated multicell system; a fronthaul-constrained cloud radio access network (C-RAN); and a multi-pair wireless-powered relaying system. The primary emphasis is on suboptimal but efficient optimization approaches which are attractive for practical implementation. The problem of achieving EE fairness in a multicell multiple-input single-output downlink system is studied first. Specifically, coordinated beamforming is designed to maximize the minimum EE among all base stations. Novel efficient iterative optimization methods solving the design problem in both centralized and decentralized fashions are proposed. In a downlink C-RAN with finite-capacity fronthaul links, the network-wide EE performance is explored via a joint design of beamforming and remote radio head-user association. A relatively realistic power consumption model including rate-dependent circuit power and nonlinear power amplifiers' (PA) efficiency is also considered. To gain an insight into the optimal performance of the design problem, an algorithm achieving globally optimal solutions is devised. Towards practical implementation, two efficient iterative suboptimal methods are proposed aiming at yielding near-optimal performance. Finally, a multi-pair amplify-forward relaying network is considered, in which energy-constrained relays adopting time-switching protocol harvest energy from the radio frequency signals transmitted by users. To maintain EE fairness among all user pairs, joint optimization of system parameters, such as users' transmit power, relay beamforming, and energy harvesting (EH) time, is studied. Impacts of rate-dependent circuit power, nonlinear PAs' efficiency and nonlinear EH circuits on the achievable performance are also addressed. / Tiivistelmä Langattomat verkot ovat kehittyneet nopeasti räjähdysmäisesti kasvavan dataliikenteen mahdollistamiseksi, minkä seurauksena energiankulutus on kasvanut kestävän kehityksen rajat ylittävällä tavalla. Siksi energiatehokkuudesta (EE, energy efficiency) on tullut uusien langattomien verkkojen keskeinen suunnittelukriteeri vastauksena kasvavaan huoleen kasvihuonepäästöistä ja kestävästä talouskasvusta. Väitöskirjassa tutkitaan moniantennisten langattomien järjestelmien energiatehokkaita tiedonsiirtostrategioita. Tavoitteena on kehittää lineaarisia keilanmuodostustekniikoita, jotka maksimoivat energiatehokkuuden mitattuna bitteinä joulea kohden, keskittymällä kolmeen kiinnostavaan vaihtoehtoon, joita ovat koordinoitu monisolujärjestelmän lähetys laskevalla siirtotiellä, pilvipohjainen radioliityntäverkko (C-RAN, cloud radio access network), jossa laskentayksikön ja varsinaisen radiolähettimen välinen yhteys (fronthaul) on rahoitettu, ja usean parin relejärjestelmiin, joissa releet toimivat paristoilla. Työn pääpaino on alioptimaalisissa, mutta käytännöllisesti tehokkaissa optimointimenetelmissä. Pääpaino on alioptimaalisissa mutta tehokkaissa optimointitavoissa, jotka ovat kiinnostavia käytännön toteutuksen näkökulmasta. Ensiksi tarkastellaan tasapuolisen energiatehokkuuden saavuttamista monisoluisessa laskevan siirtotien moni-tulo yksi-lähtö (MISO, multiple-input single-output) -järjestelmässä. Koordinoitu keilanmuodostus on suunniteltu erityisesti maksimoimaan energiatehokkuuden minimitaso kaikilla tukiasemilla. Tarkemmin sanottuna pyritään maksimoimaan huonoin energiatehokkuus solmujen välillä, kun käytetään yhteistoiminnallista keilanmuodostusta. Muodostetun ongelman ratkaisemiseksi ehdotetaan edistyksellisiä iteratiivisia menetelmiä käyttämällä sekä keskitettyjä että hajautettuja ratkaisuja. Laskevan siirtosuunnan fronthaul-rajoitetussa C-RAN-järjestelmässä selvitetään verkonlaajuista energiatehokkuutta keilanmuodostuksen ja palvelevan tukiaseman yhteisoptimoinnilla. Tässä käytetään verrattain realistista tehonkulutusmallia, joka sisältää datanopeudesta riippuvan prosessointitehon ja epälineaarisen tehovahvistimen (PA, power amplifier) hyötysuhteen. Jotta saadaan käsitys ongelman optimaalisesta suorituskyvystä, siihen kehitetään globaalisti optimaalinen menetelmä. Lisäksi ehdotetaan kaksi käytännöllisempää iteratiivista menetelmää, jotka saavuttavat lähes optimaalisen suorituskyvyn. Lopuksi keskitytään monen parin vahvista-ja-välitä eteenpäin (AF. amplify and forward) verkkoon, jossa aikajakokytkentää käyttävät energiarajoitetut toistimet keräävät energiaa käyttäjien lähettämistä radiosignaaleista. Jotta saavutetaan EE:n oikeudenmukaisuus kaikkien parien välillä, parametrit, kuten käyttäjien lähetysteho, toistimen keilanmuodostus, ja energiankeräysaika suunnitellaan yhdessä. Tässä tutkitaan nopeusriippuvaisen piirin tehon, epälineaarisen tehovahvistimen hyötysuhteen ja epälineaaristen energiankeräyspiirien tehon vaikutusta suorituskykyyn.