Abstract In this thesis we study Full-Duplex (FD) cooperative networks from different perspectives, using concepts of information theory, communication theory and applied statistics. We provide a comprehensive performance analysis of cooperative communications systems operating with FD relays. We demonstrate that FD relaying is feasible even when experiencing strong self-interference, and we show its application under different scenarios. More importantly, the results attained through this work serve as a benchmark for design as well as deployment of current and future wireless communications technologies. Our first contribution is a comprehensive overview of the state-of-the-art on FD communications, more specifically on FD relaying, and we revisit some of the main properties of cooperative schemes. Another contribution comes from an extensive analysis of outage probability, throughput and energy efficiency of FD relaying over Rayleigh fading channels. Besides the mathematical framework introduced herein, we also show that in some cases cooperative Half-Duplex (HD) schemes achieve better performance than FD relaying with self-interference. Therefore, we draw a discussion on the trade-offs between HD and FD schemes as well as between throughput and energy efficiency. Then, we investigate the performance of FD relaying protocols under general fading settings, namely Nakagami-m fading. Our findings allow a better understanding of effects of the residual self-interference and line-of-sight on a FD relaying setup. Our final contribution lies on the performance analysis of secure cooperative networks relying on information theoretical metrics to provide enhanced privacy and confidentiality to wireless networks. Thus, we provide a comprehensive mathematical framework for composite fading channels. Even though experiencing strong self-interference, we demonstrate that FD relaying is feasible also under secrecy constraints, thus perfect secrecy can be achieved. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan kaksisuuntaisia (Full-Duplex, FD) yhteistoiminnallisia verkkoja informaatioteorian, tietoliikenneteorian ja sovelletun tilastotieteen näkökulmista. Työssä suoritetaan kattava suorityskykyarviointi yhteistoiminnallisten FD-välittimien muodostamassa tietoliikenneverkossa. FD-releointi osoitetaan toimintakelpoiseksi useissa toimintaympäristöissä ja sovelluksissa jopa voimakkaan omahäiriön vallitessa. Mikä tärkeintä, työssä saavutetut tulokset muodostavat vertailukohdan sekä nykyisten että tulevien langattomien verkkoteknologioiden suunnitteluun ja toteutukseen. Aluksi esitetään perusteellinen katsaus uusimpiin FD-tiedonsiirtomenetelmiin, etenkin FD-välitykseen, sekä kerrataan yhteistoiminnallisten tekniikoiden pääpiirteet. Seuraavaksi analysoidaan laajasti FD-välitinyhteyden luotettavuutta sekä spektrinkäyttö- ja energiatehokkuutta Rayleigh-häipyvissä radiokanavissa. Matemaattisen viitekehyksen lisäksi osoitetaan myös, että joissain tapauksissa yhteistoiminnalliset vuorosuuntaiset (Half-Duplex, HD) menetelmät ovat parempia kuin FD-releointi omahäiriön vallitessa. Niinpä työssä käydään keskustelua kaupankäynnistä HD- ja FD -menetelmien kesken kuten myös spektrinkäyttö- ja energiatehokkuuden kesken. Seuraavaksi tutkitaan FD-releoinnin suorityskykyä yleistetymmässä häipymäympäristössä eli Nakagami-m -kanavassa. Saavutetut tulokset auttavat ymmärtämään paremmin jäljelle jäävän omahäiriön ja näköyhteyslinkkien vuorovaikutussuhteet FD-välitinjärjestelmän suunnittelussa. Lopuksi käsitellään tietoturvattuja yhteistoiminnallisia verkkoja informaatioteoreettisin mittarein, joilla pyritään tarjoamaan langattomien verkkojen käyttäjille parempaa yksityisyyden suojaa ja luottamuksellisuutta. Tätä varten työssä esitetään perusteelliset matemaattiset puitteet yhdistettyjen häipyvien kanavien tutkimiseen. Tuloksena osoitetaan, että myös salassapitokriteerien kannalta on mahdollista käyttää voimakkaan omahäiriön kokemaa FD-releointia vahvan salauksen saavuttamiseen.

Abstract The aim of this thesis is to devise novel cooperative paradigms that allow small base stations (SBSs) to perform joint optimizations in the field of interference and spectral resource management, in an automated, self-organizing way. Fostering cooperation requires a careful negotiation process and incurs additional operational costs that can ultimately limit the scalability of such an approach. Hence, we design cooperative models around the self-organizing functions of small cell networks, through which each SBS dynamically adapts its own cooperative strategy to the current network status. In the first part of the thesis, we study the co-tier interference in the downlink of an underlay small cell tier. Showing that mutual interference is a limiting factor, we propose a cooperative scheme based on the concept of interference alignment. Thereby, the SBSs autonomously devise their cooperative strategy, select partner small base stations and suppress the mutual interference via alignment. In the second part, we extend the above problem by considering additional constraints posed by non-cooperative macro cell users sharing the spectrum with the SBSs. Due to the dimension of such a problem, we show that interference alignment solutions do not often exist, hence, we propose a distributed solution based on the concept of interference draining for solving the interfering signals in the space-frequency domain. Finally, we focus on inter-tier cooperation and propose an adaptive hybrid access policy based on spectrum leasing, which jointly enhances the SBSs' transmission capacity and the macro cell users' QoS . In the studied scenarios, we highlight how SBSs' individual performance is network-dependent, due to the shared nature of the spectrum and the network infrastructure. For addressing such issues, we use novel concepts from coalitional games in partition form in which the strategic decisions are optimized by accounting for external effects, such as interference or dynamic spectrum allocation. Based on the properties of optimality of coalitional games in partition form, the proposed cooperative solutions show two key features. First, by leveraging on decentralized strategic decisions, complex interference management techniques, such as interference alignment or draining, can be implemented in practical, scalable way. Second, although notable cooperative solutions exists for certain problem dimensions, the proposed algorithms are shown to be effective for a wide range of network sizes, by achieving significant data rate enhancement and low overhead. / Tiivistelmä Työssä käsitellään merkittäviä häiriön ja radioresurssien hallintaongelmia ja ehdotetaan käytännöllisiä yhteistoiminnallisuusmalleja, jotka tuottavat merkittäviä suorituskykyparannuksia, ja samaan aikaan ottavat huomioon yhteistyön kustannukset ja strategisten päätösten vaikutuksen piensolujen keskinäiseen suorituskykyyn. Työn ensimmäisessa osassa tutkitaan makro- ja piensoluverkon välistä häiriötä laskevalla siirtosuunnalla. Koska keskinäishäiriö osoittautuu merkittäväksi rajoittavaksi tekijäksi, ehdotetaan yhteistyömenetelmää, joka perustuu ns. häiriön laskostamiseen. Tällaisessa menetelmässä pientukiasemat päättävät itsenäisesti yhteistyöstrategiansa ja valitsevat ne tukiasemat, joiden kanssa tehdään yhteistyötä ja vaimennetaan keskinäishäiriötä laskostamalla. Työn toisessa osassa edellämainittua ongelmaa laajennataan ottamalla huomioon rajoitteet, jotka aiheutuvat samoja taajuusresursseja jakavista, mutta piensolutukiasemien kanssa yhteistyötä tekemättömistä makrosoluista. Ongelman laajuudesta havaitaan, että yleensä häiriön laskostusratkaisua ei löydy tällaisessa ongelmassa. Niinpä ehdotetaan hajautettua häiriön kohdennukseen perustuvaa ratkaisua, jossa häiriösignaalit lomitellaan tila-taajuustasossa. Työn viimeisessä osassa keskitytään eri tyyppisten tukiasemasolujen kesken käytävään yhteistyöhön ja ehdotetaan mukautuvaa taajuusspektrin vuokraamiseen perustuvaa hybridi-käyttöoikeusmenetelmää, joka parantaa piensolujen kapasiteettia ja makrosolukäyttäjien palvelun laatua. Kaikissa tutkituissa menetelmissä korostetaan kuinka yksittäisen pientukiaseman suorituskyky on verkosta riippuvainen johtuen jaetusta taajuuskaistasta ja verkkoinfrastuktuurista. Näissä skenaarioissa käytetään uusia ositukseen perustuvia ns. liittoumapelikonsepteja. Tämän tyyppisissä peleissä strategiset päätökset on optimoitu ottamalla huomioon ulkoiset tekijät kuten häiriö ja dynaaminen taajuuden allokointi. Ositukseen perustuvien liitoumapelien optimaalisuus- ja stabiilisuusominaisuuksien pohjalta ehdotetaan hajautettuja algoritmeja tutkittuihin ongelmiin. Ehdotetut yhteistoiminnalliset ratkaisut osoittavat kaksi avaintekijää. Ensinnäkin käyttämällä hajautettuja strategisia päätöksiä kompleksiset häiriönhallintatekniikat, kuten häiriön lomittelu ja kohdennus, voidaan toteuttaa käytännöllisesti siten, että hyöty-kustannussuhde on tasapainossa. Toiseksi, vaikka merkittäviä yhteistyöratkaisuja on olemassa tietyn dimensioisiin ongelmiin, ehdotetut algoritmit ovat osoittautuneet tehokkaiksi hyvin erikokoisissa verkoissa. Samalla on saavutettu merkittäviä datanopeusparannuksia ja hyvä skaalautuvuus.

Abstract The educational process behind the work done with children’s choirs has not been written about or talked about very much. Performances get natural visibility and audibility, but most of the work is done in a closed space. The pedagogical process happens behind the scenes and as a result, children and youths grow up as musicians and human beings, as individuals and as a group. The Tapiola Choir celebrates its 50th anniversary in 2013. In this doctoral thesis, I study the educational part of the work done with the choir. In particular, this thesis examines the co-operative pedagogy of Mr. Kari Ala-Pöllänen as a conductor. The specific focus is on the process of qualifying the travelling choir because this is where many pedagogical processes come together. Methodologically, my thesis is a data based case study. The data is based on an in-depth interview. The empirical part is only focused on the period (1994–2008) when Mr. Ala-Pöllänen acted as a conductor of the choir. However, in the beginning of the book I create a view of the whole frame of reference for the choir by exploring the complete archive of the Tapiola Choir and the written material about choral pedagogy. The analysis was done by searching for characters in the qualification process and by using a theory called Big Five personality domains. The results show how a co-operative way of thinking and working promoted the educational goals in all of the teaching done by conductor Ala-Pöllänen. Art and education worked hand in hand, serving the aims of both a shorter and a longer time frame. The naturally occurring interaction between both harder and softer values, in addition to the determined aim to develop the social skills of children, is emphasized in the communication. Both the artistic and educational ambition of the conductor is obvious, but yet does not appear to conflict with the teaching in practice. Many demands are made of the children and youth in a choir that is conducted co-operatively, and they get special instruction to help them with that responsibility. The basic characteristics that the conductor requires from the choir are mainly clear and they are consistent with the professional attitude and favourable prerequisites that are for collaboration. This thesis is about the pedagogical wisdom that is needed to succeed in educating a mostly heterogenic group of children. According to my survey, this is based on sufficient theoretical knowledge, an understanding of the behaviour and growth of a child and a practical personal background - all of these things are connected to the communication skills that are needed to influence a group of individuals in a cohesive manner. / Tiivistelmä Kasvatuksellisista päämääristä lapsikuorotyössä puhutaan ja kirjoitetaan vähän. Esiintymislavalla tapahtuva toiminta saa näkyvyyttä ja kuuluvuutta, mutta suurin osa työstä tapahtuu suljetussa tilassa. Juuri siellä tapahtuu se pedagoginen prosessi, jonka seurauksena lapset ja nuoret kasvavat muusikkoina sekä ihmisinä, yksilöinä ja ryhmässä. Tapiolan kuoro, espoolainen lapsi- ja nuorisokuoro täyttää 50 vuotta vuonna 2013. Väitöstutkimuksessani käsittelen kasvatuksellista toimintaa Tapiolan kuorossa ja Kari Ala-Pölläsen yhteistoiminnallista pedagogiikkaa Tapiolan kuoron johtajana. Erityinen fokus on matkakuorovalinnan prosessissa, jossa toiminnan pedagogisia sisältöjä kiteytyy. Menetelmällisesti väitöstyöni on aineistolähtöinen tapaustutkimus. Aineisto perustuu syvähaastatteluun. Empiirinen osa keskittyy Kari Ala-Pölläsen johtajakauteen 1994–2008, mutta työn alussa luon kuoron arkiston ja muun kuoropedagogisen aineiston kautta läpileikkauksen kuoron toiminnan viitekehykseen. Analyysimenetelmänä matkakuorovalinnan tarkastelussa toimii valintatilanteen kuvauksessa ilmenevien persoonallisuudenpiirteiden tarkastelu ns. viiden suuren mallin mukaisesti. Tulokset osoittavat, kuinka Kari Ala-Pölläsen johtajakaudella yhteistoiminnallinen työskentelytapa palveli kasvatuksellista tavoitetta johtajan kaikessa toiminnassa. Taide ja kasvatus tukevat toisiaan palvellen lyhyen ja pitkän aikavälin päämääriä. Kovien ja pehmeiden arvojen luonteva vuorovaikutus sekä määrätietoinen pyrkimys sosiaalisten taitojen kehittämiseen korostuvat Kari Ala-Pölläsen kommunikaatiossa. Ilmeistä tutkimukseni tulosten nojalla on kuoronjohtajan sekä taiteellinen että kasvatuksellinen kunnianhimo, mikä ei ole ristiriitaista käytännön toiminnassa. Lapsilta ja nuorilta odotetaan yhteistoiminnallisesti johdetussa kuorossa hyvin monenlaisia taipumuksia ja edellytyksiä, ja näihin heitä määrätietoisesti kasvatetaan. Persoonallisuuden piirteiden perusasiat, joita johtaja toivoo ja odottaa kuoroltaan, ovat selkeitä ja liittyvät jäsenten ammattimaiseen asenteeseen ja suotuisiin yhdessä toimimisen edellytyksiin. Onnistuminen hyvin heterogeenisen ryhmän kasvatuksessa kiteytyy pedagogiseen viisauteen. Se tarkoittaa tässä tutkimuksessa riittävää teoreettista osaamista ja lapsen käytöksen ja kehityksen ymmärtämistä, omakohtaista kokemustaustaa ja tälle perustalle rakentuvaa kommunikatiivista taitoa kohdata ja vaikuttaa samanaikaisesti yksilöistä koostuvaan ryhmään.

Abstract This thesis concentrates on the design and evaluation of spatial user multiplexing methods via linear transmit-receive processing for wireless cellular multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems operating in the time-division duplexing (TDD) mode. The main focus is on the acquisition of effective channel state information (CSI) that facilitates decentralized processing so that the network nodes – base stations (BS) and user terminals (UT), each employing an arbitrary number of antenna elements – are able to locally participate in the network adaptation. The proposed methods rely on the uplink-downlink channel reciprocity and spatially precoded over-the-air pilot signaling. Considering (single-cell) multi-user MIMO systems, coordinated zero-forcing transmit-receive processing schemes for the uplink (UL) are proposed. The BS computes the transmission parameters in a centralized manner and employs downlink (DL) pilot signals to convey the information of the beamformers to be used by the UTs. When coexisting with the DL zero-forcing, the precoded DL demodulation pilots can be reused for UL beam allocation, and the precoded UL demodulation pilots are reused in turn for partial channel sounding (CS). As a result, only the precoded pilot symbols are needed in both UL and DL. Moreover, a concept for reducing the number of the required orthogonal UL CS pilot resources is presented. Based on their DL channel knowledge, the multi-antenna UTs form fewer pilot beams by spatial precoding than conventionally needed when transmitting antenna-specific pilots. In the context of DL zero-forcing, when taking into account the CSI estimation error at the BS, the overhead reduction turns out to improve robustness and increase the average system capacity. Considering multi-cell multi-user MIMO systems, decentralized coordinated DL beamforming strategies based on weighted sum rate (WSR) maximization are proposed. An optimization framework where the WSR maximization is carried out via weighted sum mean-squared-error minimization is utilized, and the approach is generalized by employing antenna-specific transmit power constraints. The iterative processing consists of optimization steps that are run locally by the BSs. In one novel strategy, the coordinating cells update their transmit precoders and receivers one cell at a time, which guarantees monotonic convergence of the network-wide problem. The strategy employs separate uplink CS and busy burst pilot signaling to reveal the effective channels of the UTs to the neighboring BSs. In another novel strategy, the monotonic convergence is sacrificed to devise a faster scheme where the BSs are allowed to optimize their variables in parallel based on just the CS responses and additional low-rate backhaul information exchange. The numerical results demonstrate that WSR maximization has the desirable property that spatial user scheduling is carried out implicitly. Finally, methods for UL CS overhead reduction are presented, and the effect of CSI uncertainty is addressed. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy lineaarisella lähetys- ja vastaanottoprosessoinnilla toteutettavien tilajakomonikäyttömenetelmien suunnitteluun ja arviointiin langattomissa moniantennisissa solukkoverkoissa, jotka hyödyntävät aikajakodupleksointia (TDD). Erityisesti tarkastellaan efektiivisen kanavatiedon hankintaa, joka mahdollistaa hajautetun prosessoinnin siten että verkkoelementit – tukiasemat ja terminaalit, jotka kukin hyödyntävät useaa antennielementtiä – voivat osallistua paikallisesti verkon adaptaatioon. Esitetyt menetelmät perustuvat ylä- ja alalinkin kanavien resiprookkisuuteen ja tilatasossa esikoodattuun opetus- eli pilottisignalointiin ilmarajapinnan yli. Yksisoluisille monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmille esitetään ylälinkin koordinoituja nollaanpakottavia lähetys- ja vastaanottomenetelmiä. Tukiasema laskee lähetysparametrit keskitetysti ja käyttää pilottisignaaleja kertomaan millaista lähetyskeilanmuodostusta terminaalien tulee käyttää. Alalinkin nollaanpakotuksen yhteydessä esikoodattuja demodulaatiopilotteja voidaan uudelleenkäyttää ylälinkin lähetyskeilojen allokointiin, ja esikoodattuja ylälinkin demodulaatiopilotteja uudelleenkäytetään puolestaan osittaiseen kanavan luotaukseen (sounding). Näin ollen molempiin suuntiin tarvitaan vain esikoodatut pilotit. Lisäksi työssä esitetään menetelmä ylälinkin luotauspilottiresurssitarpeen vähentämiseksi. Kanavatietoon perustuen moniantenniset terminaalit muodostavat tilatasossa esikoodattuja pilottilähetyskeiloja, joita tarvitaan vähemmän kuin perinteisiä antennikohtaisia pilotteja. Kun otetaan huomioon kanavanestimointivirhe tukiasemassa, resurssiensäästömenetelmä parantaa häiriösietoisuutta ja nostaa järjestelmän keskimääräistä kapasiteettia alalinkin nollaanpakotuksen yhteydessä. Monisoluisille monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmille esitetään hajautettuja koordinoituja alalinkin keilanmuodostusstrategioita, jotka perustuvat painotetun summadatanopeuden (WSR) maksimointiin. Valitussa optimointikehyksessä WSR:n maksimointi toteutetaan painotetun summaneliövirheen minimoinnin kautta, ja työssä menettelytapa yleistetään antennikohtaisten lähetystehorajoitusten tapaukseen. Iteratiivinen prosessointi koostuu optimointiaskelista, jotka tukiasemat paikallisesti suorittavat. Yhdessä esitetyssä strategiassa yhteistoiminnalliset solut päivittävät lähettimensä ja vastaanottimensa yksi solu kerrallaan, mikä takaa verkonlaajuisen ongelmanratkaisun monotonisen konvergenssin. Tämä strategia käyttää erillisiä ylälinkin luotaussignaaleja sekä varattu-signaaleja ilmaistakseen terminaalien efektiiviset kanavat naapuritukiasemille. Toisessa strategiassa monotoninen konvergenssi uhrataan ja kehitetään nopeammin adaptoituva menetelmä, jossa tukiasemat saavat optimoida muuttujansa rinnakkain, perustuen vain luotaussignaaleihin ja tukiasemien väliseen informaationvaihtoon. Numeeriset tulokset osoittavat, että WSR:n maksimointi toteuttaa aktiivisten käyttäjien valinnan tilatasossa implisiittisesti. Lopuksi esitetään menetelmiä luotauspilottiresurssitarpeen vähentämiseksi ja käsitellään kanavatiedon epävarmuuden vaikutusta.

Abstract The thesis concentrates on evaluating and improving performances of various multiple-input multiple-output (MIMO) relaying scenarios that are particularly relevant to future wireless systems. A greater emphasis is placed on important practical situations, considering relay deployments, availability of channel state information (CSI), limitations of spectrum, and information secrecy. Initially, the performance of a non-coherent amplify-and-forward (AF) MIMO relaying is analyzed when the relay is deployed with the relay-to-destination channel having a line-of-sight (LoS) path. The main attention is given to analyzing the performance of orthogonal space-time block coded based non-coherent AF MIMO system. Exact expressions of statistical parameters and performance metrics are derived considering the instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) received at the destination. These performance metrics reveal that a strong LoS component in relay-destination channel always limits the performance promised by MIMO scattering environment when both nodes have multiple antennas. The thesis also considers scenarios in MIMO two-way relaying (TWR) with physical layer network coding (PNC) mapping at the relay. PNC mapping becomes complex with multiple streams being combined at the relay node. Joint precoder-decoder schemes are considered to ease this, and various studies are carried out depending on the CSI. The zero-forcing criterion is used at the nodes when perfect CSI is available. For the imperfect CSI scenario, a robust joint precoder-decoder design is considered. The precoder and decoder matrices are obtained by solving optimization problems, which are formulated to maximize sum-rate and minimize weighted mean square error (WMSE) under transmit power constraints on the nodes. Next, a precoder-decoder scheme for MIMO underlay device-to-device (D2D) communication system is investigated by considering two D2D modes; PNC based D2D and direct D2D. The joint design is based on minimizing mean square error (MSE) which is useful to mitigate interference, and to improve the performance of both D2D and cellular communications. Distributed and centralized algorithms are proposed considering bi-directional communication in both D2D and cellular communications. System performance is discussed with two transmit mode selection schemes as dynamic and static selection schemes. The results show that the PNC based D2D mode extends the coverage area of D2D communication. Finally, secure beamforming schemes for the PNC based MIMO TWR systems are investigated when multiple eavesdroppers are attempting to intercept the user information. The CSI of the user-to-eavesdropper channels is imperfect at the users. The channel estimation errors are assumed with both ellipsoidal bound and Gaussian Markov uncertainty models. Robust optimization problems are formulated considering both scenarios to design beamforming vectors at the users and relay. Numerical results suggest that the proposed algorithms converge fast and provide higher security. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään arvioimaan ja parantamaan suorituskykyä useissa moniantennitoistinjärjestelmissä, jotka ovat ajankohtaisia tulevaisuuden langattomissa verkoissa. Erityisesti työssä analysoidaan tärkeitä käytännön tilanteita, sisältäen toistimien sijoittamisen, kanavatiedon saatavuuden, rajoitetun taajuuskaistan ja tiedon salauksen. Aluksi epäkoherentin, vahvistavan ja jatkolähettävän moniantennitoistimen suorituskykyä analysoidaan tilanteessa, jossa toistin on sijoitettu siten, että kohteeseen on suora yhteys. Suorituskyvyn arvioinnin pääkohteena on ortogonaalinen tila-aika-tason lohkokoodattu epäkoherentti vahvistava ja jatkolähettävä moniantennitoistin. Työssä johdetaan tarkat lausekkeet tilastollisille parametreille ja suorituskykymittareille ottaen huomioon hetkellinen signaalikohinasuhde vastaanottimessa. Nämä suorituskykymittarit ilmaisevat, että toistimen ja kohteen välillä oleva vahva suoran yhteyden komponentti rajoittaa sitä suorituskykyä, jota moniantennijärjestelmän hajontaympäristö ennustaa. Työssä tutkitaan myös kahdensuuntaisia moniantennitoistimia, jotka käyttävät fyysisen kerroksen verkkokoodausta. Koodauksesta tulee monimutkaista, kun monia datavirtoja yhdistetään toistimessa. Tämän helpottamiseksi käytetään yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää, jota tutkitaan erilaisten kanavatietojen tapauksissa. Täydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään nollaanpakotuskriteeriä. Epätäydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään robustia yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää. Esikoodaus- ja dekoodausmatriisit saadaan ratkaisemalla optimointiongelmat. Nämä ongelmat on muodostettu maksimoimaan summadatanopeus, ja minimoimaan painotettu keskineliövirhe, kun optimointirajoitteina ovat solmujen lähetystehot. Seuraavaksi esikoodaus-dekoodausmenetelmää tutkitaan moniantennijärjestelmässä, jossa käytetään kahdentyyppistä laitteesta-laitteeseen (D2D) kommunikaatiomenetelmää: fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvaa D2D- ja suoraa D2D-kommunikaatiota. Yhteissuunnittelu perustuu keskineliövirheen minimointiin, joka on hyödyllistä, kun halutaan vähentää häiriötä ja parantaa molempien verkkojen suorituskykyä. Työssä ehdotetaan hajautettuja ja keskitettyjä algoritmeja tilanteessa, jossa käytetään kaksisuuntaista kommunikaatiota molemmissa verkoissa. Järjestelmän suorituskykyä arvioidaan, kun käytetään kahta eri lähetystilan valintaa, dynaamista ja staattista. Tulokset osoittavat, että fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuva D2D kasvattaa D2D-kommunikaatiojärjestelmän kantamaa. Lopuksi, turvallisia keilanmuodostustekniikoita arvioidaan fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvassa kahdensuuntaisessa moniantennitoistinjärjestelmässä, kun useat salakuuntelijat yritävät siepata käyttäjätiedon. Käyttäjillä on epäideaalinen kanavatieto heidän ja salakuuntelijoiden välisten linkkien kanavista. Kanavatiedon estimointivirheitä arvioidaan ellipsoidisella ja Gauss-Markov-epävarmuusmallilla. Robustit optimointiongelmat, joissa suunnitellaan keilanmuodostusvektorit käyttäjän ja toistimen välille, muodostetaan molemmille malleille. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit konvergoituvat nopeasti ja tarjoavat korkeamman turvallisuuden.

Abstract The goal of this thesis is to provide a unified concept of lossy-forwarding from the theoretical analysis to practical scheme design for the decode-and-forward-based multiple access relay channel (MARC) system. To improve the performance of MARC with the relay subject to resources or/and time constraints, the erroneous estimates output from simple detection schemes are used at the relay are forwarded and exploited. A correlation is then found between two sequences: one is the network-coded sequence sent from the relay, and the other is their corresponding exclusive-OR-ed information sequence. Several joint network-channel coding (JNCC) techniques are provided in which the correlation is utilized to update the log-likelihood ratio sequences during the iterative decoding process at the destination. As a result, the bit error rate (BER) and frame error rate (FER) are improved compared with those of MARC with select DF strategy (SDF-MARC). The MARC proposed above is referred to as erroneous estimates-exploiting MARC (e-MARC). To investigate the achieved FER performance of the e-MARC system, the outage probability for e-MARC with two source nodes is theoretically derived. We re-formulate the e-MARC system and identify its admissible rate region according to the Slepian-Wolf theorem with a helper. Then, the outage probability is obtained by a set of integral over the rate region with respect to the probability density functions of all the links' instantaneous signal-to-noise power ratios. It is found through simulations that, as one of the source nodes is far away from both the relay and destination, e-MARC is superior to SDF-MARC in terms of outage performance. Furthermore, a joint adaptive network-channel coding (JANCC) technique is then proposed to support e-MARC with more source nodes. A vector is constructed at the destination in JANCC to identify the indices of the incorrectly decoded source node(s), and re-transmitted to the relay for requesting additional redundancy. The relay performs network-coding only over the estimates specified by the vector upon receiving the request. Numerical results show that JANCC-aided e-MARC is superior to e-MARC in terms of FER and goodput efficiency. In addition, compared iterative decoding is performed at relay with SDF-MARC, the use of differential detection with JANCC-aided e-MARC significantly reduces the computational complexity and latency with only a small loss in the FER. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tarkoituksena on tuottaa yhtenäinen kokonaisuus häviöllisestä lähetyksestä pura-ja-lähetä (DF) -pohjaisessa monikäyttörelejärjestelmässä (MARC) sekä teoreettisesta että käytännöllisestä näkökulmasta. Parantaakseen resurssi- tai aikarajoitetun MARC-järjestelmän suorituskykyä, vastaanotin hyödyntää riippuvuussuhdetta releen välittämien informaatiosekvenssien virheellisten estimaattien ja suoraan lähteestä tulevien informaatiosekvenssien välillä (e-MARC). Työssä ehdotetaan useita yhdistetyn verkko -ja kanavakoodauksen menetelmiä (JNCC), joissa log-uskottavuussuhdesekvenssit iteratiivisen purkamisprosessin aikana päivitetään hyödyntämällä sekvenssien riippuvuussuhdetta vastaanottimessa. Tämän tuloksena sekä bittivirhe- että kehysvirhesuhdetta saadaan parannettua verrattuna selektiiviseen pura-ja-lähetä menetelmää käyttävään MARC-strategiaan (SDF-MARC). Kehysvirheen suorituskyvyn tarkastelua varten työssä johdetaan teoreettinen epäkäytettävyyden todennäköisyys e-MARC-menetelmälle kahden lähettimen tapauksessa. Lisäksi e-MARC-menetelmälle määritetään tiedonsiirtonopeusalue Slepian-Wolf -teoreeman mukaisesti. Tämän jälkeen saadaan epäkäytettävyyden todennäköisyys kaikkien linkkien signaalikohinasuhteen todennäköisyystiheysfunktion integraalina tiedonsiirtonopeusalueen yli. Simulointitulokset osoittavat e-MARC-menetelmän paremman epäkäytettävyyden todennäköisyyden verrattuna SDF-MARC-menetelmään silloin kun yksi lähettimistä on kaukana sekä releestä että vastaanottimesta. Mahdollistaakseen useamman lähteen käytön e-MARC-menetelmässä, työssä ehdotetaan lisäksi adaptiivinen yhdistetyn verkko-ja kanavakoodauksen menetelmä (JANCC). Siinä vastaanotin määrittää väärin purettujen sekvenssien lähettimet ja ilmoittaa ne vektorimuodossa takaisin releelle pyytääkseen näiden lähettimien informaation uudelleenlähetystä. Tämän jälkeen rele suorittaa verkkokoodauksen vain tunnistusvektorin määrittämien informaatiosekvenssien estimaatteihin perustuen. Tulokset näyttävät, että JANCC-menetelmää käyttävä e-MARC saavuttaa paremman kehysvirheen ja hyödyllisen läpäisyn tehokkuuden verrattuna e-MARC-menetelmään.

Abstract This thesis focuses on transceiver optimization for heterogeneous multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications systems. The aim is to design decentralized beamforming methods with low signaling overhead for improved spatial spectrum utilization. A wide range of transceiver optimization techniques are covered, with particular consideration of decentralized optimization, fast convergence, computational complexity and signaling limitations. The proposed methods are shown to provide improved rate of convergence, when compared to the conventional weighted minimum MSE (WMMSE) approach. This makes them suitable for time-correlated channel conditions, in which the ability to follow the changing channel conditions is essential. Coordinated beamforming under quality of service (QoS) constraints is considered for interfering broadcast channel. Decomposition based decentralized processing approaches are shown to enable the weighted sum rate maximization (WSRMax) in time-correlated channel conditions. Pilot-aided decentralized WSRMax beamformer estimation is studied for coordinated multi-point (CoMP) joint processing (JP). In stream specific estimation (SSE), all effective channels are individually estimated. The beamformers are then constructed from the locally estimated channels. On the other hand, with direct estimation (DE) of the beamformers, only the intended signal needs to be separately estimated and the covariance matrices are implicitly estimated from the received pilot training matrices. This makes the pilot design more robust to pilot contamination. These methods show that CoMP JP is feasible even in relatively fading channel conditions and with limited backhaul capacity by employing decentralized beamformer processing. In the final part of the thesis, a relay-assisted cellular system with decentralized processing is considered, in which users are served either directly by the base stations or via relays for WSRMax or sum power minimization subject to rate constraints. Zero-forcing and coordinated beamforming provide a trade-off between complexity, in-band signaling and spectrum utilization. Relays are shown to be beneficial in many scenarios when the in-band signaling is accounted for. This thesis shows that decentralized downlink MIMO transceiver design with a reasonable computational complexity is feasible in various system architectures even when signaling resources are limited and channel conditions are moderately fast fading. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy lähetin- ja vastaanotinoptimointiin heterogeenisissä monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmissä. Tavoitteena on parantaa tilatason suorituskykyä tutkimalla hajautettuja keilanmuodostusmenetelmiä, joissa ohjaussignaloinnin tarve on alhainen. Erityisesti keskitytään hajautetun keilanmuodostuksen optimointiin, nopeaan konvergenssiin, laskennalliseen kompleksisuuteen sekä signaloinnin rajoitteisiin. Esitettyjen menetelmien osoitetaan parantavan konvergenssinopeutta ja vähentävän signaloinnin tarvetta, verrattaessa tunnettuun WMMSE-menetelmään. Nämä mahdollistavat lähetyksen aikajatkuvissa kanavissa, joissa kanavan muutosten seuraaminen on erityisen tärkeää. Näiden menetelmien osoitetaan mahdollistavan hajautetun ja priorisoidun tiedonsiirtonopeuden maksimoinnin monisolujärjestelmissä sekä aikajatkuvissa kanavissa käyttäjäkohtaisilla siirtonopeustakuilla. Pilottiavusteisten lähetys- ja vastaanotinkeilojen estimointia tutkitaan yhteislähetysjärjestelmissä. Yksittäisten lähetyskanavien estimoinnissa effektiiviset kanavat estimoidaan yksitellen, ja lähetys- ja vastaanotinkovarianssimatriisit muodostetaan summaamalla paikalliset kanavaestimaatit. Suoraestimoinnissa ainoastaan oman käyttäjän effektiivinen kanava estimoimaan erikseen. Tällöin kovarianssimatriisit saadaan suoraan vastaanotetuista pilottisignaaleista. Tämä tekee estimaateista vähemmän herkkiä häiriölle. Hajautetun yhteislähetyksen osoitetaan olevan mahdollista, jopa verrattain nopeasti muuttuvissa kanavissa sekä rajallisella verkkoyhteydellä lähettimien välillä. Viimeisessä osassa tutkitaan välittäjä-avusteisia järjestelmiä, joissa käyttäjiä palvellaan joko suoraan tukiasemasta tai välittäjä-aseman kautta. Optimointikriteereinä käytetään siirtonopeuden maksimointia sekä lähetystehon minimointia siirtonopeustakuilla. Nollaanpakottava sekä koordinoitu keilanmuodostus tarjoavat valinna laskennallisen kompleksisuuden, ohjaussignaloinnin sekä suorituskyvyn välillä. Välittäjä-avusteisen lähetyksen osoitetaan olevan hyödyllisiä useissa tilanteissa, kun radiorajanpinnan yli tapahtuvan signaloinnin tarve otetaan huomioon keilanmuodostuksessa. Tässä väitöskirjassa osoitetaan hajautetun keilanmuodostuksen olevan mahdollista verrattaen vähäisillä laskennallisilla resursseilla heterogeenisissä moniantennijärjestelmissä. Esitetyt menetelmät tarjoavat ratkaisuja järjestelmiin, joissa ohjaussignalointiresurssit ovat rajallisia ja radiokanava on jatkuvasti muuttuva.

Abstract This thesis focuses on the timely problem of energy-efficient transmission for wireless multiantenna cellular systems. The emphasis is on transmit beamforming (BF) and active antenna set optimization to maximize the network-wide energy efficiency (EE) metric, i.e., the number of transmitted bits per energy unit. The fundamental novelty of EE optimization is that it incorporates the transceivers' processing power in addition to the actual transmit power in the BF design. The key features of the thesis are that it focuses on sophisticated power consumption models (PCMs), giving useful insights into the EE of current cellular systems in particular, and provides mathematical tools for EE optimization in future wireless networks generally. The BF problem is first studied in a multiuser multiple-input single-output system by using a PCM scaling with transmit power and the number of active radio frequency (RF) chains. To find the best performance, a globally optimal solution based on a branch-reduce-and-bound (BRB) method is proposed, and two efficient designs based on zero-forcing and successive convex approximation (SCA) are derived for practical applications. Next, joint BF and antenna selection (JBAS) is studied, which can switch off some RF chains for further EE improvements. An optimal BRB method and efficient SCA-based algorithms exploiting continuous relaxation (CR) or sparse BF are proposed to solve the resulting mixed-Boolean nonconvex problem (MBNP). In a multi-cell system, energy-efficient coordinated BF is explored under two optimization targets: 1) the network EE maximization and 2) the weighted sum EEmax (WsumEEmax). A more sophisticated PCM scaling also with the data rate and the associated computational complexity is assumed. The SCA-based methods are derived to solve these problems in a centralized manner, and distributed algorithms relying only on the local channel state information and limited backhaul signaling are then proposed. The WsumEEmax problem is solved using SCA combined with an alternating direction method of multipliers, and iterative closed-form algorithms having easily derivable computational complexity are developed to solve both problems. The work is subsequently extended to a multi-cell multigroup multicasting system, where user groups request multicasting data. For the MBNP, a modeling method to improve the performance of the SCA for solving the CR is proposed, aiming at encouraging the relaxed Boolean variables to converge at the binary values. A second approach based on sparse BF, which introduces no Boolean variables, is also derived. The methods are then modified to solve the EE and sum rate trade-off problem. Finally, the BF design with multiantenna receivers is considered, where the users can receive both unicasting and multicasting data simultaneously. The performances of the developed algorithms are assessed via thorough computer simulations. The results show that the proposed algorithms provide 30-300% EE improvements over various conventional methods in the BF optimization, and that JBAS techniques can offer further gains of more than 100%. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy ajankohtaiseen energiatehokkaaseen lähetinsuunnitteluun langattomissa solukkoverkoissa, joissa suorituskykymittarina käytetään energiatehokkuuden (energy efficiency (EE)) maksimointia, eli kuinka monta bittiä pystytään lähettämään yhtä energiayksikköä kohti. Työn painopiste on lähettimien keilanmuodostuksen (beamforming (BF)) ja aktiivisten lähetinantennien optimoinnissa. EE-optimoinnin uutuusarvo on ottaa lähettimien prosessoinnin tehonkulutus huomioon keilanmuodostuksen suunnittelussa, varsinaisen lähetystehon lisäksi. Työ antaa hyvän käsityksen erityisesti tämänhetkisten solukkoverkkojen energiatehokkuudesta, ja luo työkaluja EE-optimointiin tulevaisuuden järjestelmissä. Ensin suunnitellaan keilanmuodostus yksisolumallissa, jossa tehonkulutus kasvaa lähetystehon ja aktiivisten radiotaajuusketjujen lukumäärän mukana. Ongelmaan johdetaan optimaalinen ratkaisu, ja kaksi käytännöllistä menetelmää perustuen nollaanpakotukseen tai peräkkäinen konveksi approksimaatio (successive convex approximation (SCA)) -ideaan. Seuraavaksi keskitytään keilanmuodostuksen ja antenninvalinnan yhteisoptimointiin (joint beamforming and antenna selection (JBAS)), jossa radiotaajuusketjuja voidaan sulkea EE:n parantamiseksi. Tähän ehdotetaan optimaalinen menetelmä ja kaksi käytännöllistä SCA-menetelmää perustuen binääristen ja jatkuvien muuttujien yhteisoptimointiongelman relaksaatioon, tai harvan vektorin optimointiin. Monisoluverkon EE-optimoinnissa käytetään yksityiskohtaisempaa tehonkulutusmallia, joka skaalautuu myös datanopeuden ja prosessoinnin monimutkaisuuden mukaan. Työssä käytetään kahta suorituskyvyn mittaria: 1) koko verkon energiatehokkuuden, ja 2) painotettujen energiatehokkuuksien summien maksimointia (weighted sum EEmax (WsumEEmax)). Ensin johdetaan keskitetyt ratkaisut SCA-ideaa käyttäen. Tämän jälkeen keskitytään hajautettuun optimointiin, joka pystytään toteuttamaan paikallisen kanavatiedon avulla, kun matalanopeuksinen skalaariarvojen jako on käytettävissä tukiasemien välillä. Ensin WsumEEmax-ongelma ratkaistaan yhdistämällä SCA ja kerrointen vaihtelevan suunnan menetelmä, ja lisäksi ehdotetaan iteratiivinen suljetun muodon ratkaisu molempiin ongelmiin, joka mahdollistaa tarkan laskennallisen monimutkaisuuden määrityksen. Lopussa työ laajennetaan monisoluverkkoon, jossa tukiasemat palvelevat käyttäjäryhmiä ryhmälähetyksenä. Keskittymällä JBAS-ongelmaan, ensin ehdotetaan lähestymistapa parantaa SCA-menetelmän suorituskykyä yhteisoptimointiongelman relaksaation ratkaisemisessa. Toinen yksinkertaisempi lähestymistapa perustuu harvan vektorin optimointiin, joka ei vaadi binäärisiä muuttujia. Lisäksi menetelmiä muunnellaan myös energiatehokkuuden ja summadatanopeuden kompromissin optimointiin. Lopussa työ ottaa huomioon vielä moniantennivastaanottimet, joka mahdollistaa sekä täsmälähetyksen että ryhmälähetyksen samanaikaisesti. Menetelmien suorituskykyä arvioidaan laajamittaisilla tietokonesimulaatioilla. Tulokset näyttävät väitöskirjan menetelmien lisäävän energiatehokkuutta 30-300% verrattuna lukuisiin perinteisiin menetelmiin BF-optimoinnissa, ja JBAS-menetelmät antavat vielä yli 100% lisää suorituskykyä.

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.

Abstract Large engineering projects are executed by a network of heterogeneous organisations. In order to be effective, risk management in large engineering projects needs to take the perspective of the entire project network instead of focusing on risk management practices of single actors. Contextual factors such as complexity of the project network and the challenging institutional environment pose additional challenges to risk management. The purpose of this study is to increase the understanding of the sources of risks in engineering project networks and the role of risk sources in determining risk management practices. The perspective of information processing theory is used. The role of equivocality and uncertainty as organisations’ rationales for processing information is examined to gain new insights into the selection of appropriate risk management practices. Literature introduces relational contracting as a response to the need for collaboration in project networks. In this study collaborative risk management practices in the workshop-type meeting and in the project alliance were studied. A qualitative research method was employed to study the nature of risk sources, the role of risk sources in determining risk management practices and collaborative risk management practices. The results of this study enhance the understanding of the nature of risks in engineering project networks. The current project risk management literature proposes that contextual factors related to technology, organising projects and environment increase uncertainty in projects. This study shows that it is relevant to categorise risk sources based on their contingency factors related to uncertainty (lack of information) and to equivocality (the existence of multiple interpretations). It is shown how risk sources impact the selection of project risk management practices. Collaborative risk management practices of workshop-type meeting and project alliance are depicted. Project-based companies and organisations executing investment projects can benefit from the results of this study. This study can guide managers when developing practices to enhance risk management. This study shows how informal risk management practices should be considered in addition to the traditional formal risk management practices, particularly in cases when projects confront situations of equivocality. / Tiivistelmä Suuria projekteja toteutetaan heterogeenisten organisaatioiden muodostaman projektiverkoston avulla. Projektiverkoston tehokkaaseen riskienhallintaan tarvitaan koko verkoston näkökulma yhden organisaation näkökulman sijaan. Tilannetekijät kuten projektiverkoston monimuotoisuus ja projektin haasteellinen ympäristö asettavat lisää haasteita riskienhallinnalle. Tämän väitöskirjan tavoitteena on lisätä ymmärrystä siitä, mitkä ovat riskien lähteitä projekteissa ja kuinka riskien lähteet vaikuttavat riskienhallintamenetelmien valintaan. Väitöskirjassa on käytetty teoreettisena viitekehyksenä informaation prosessoinnin näkökulmaa. Erityisesti on tutkittu monimerkityksisyyden ja epävarmuuden roolia organisaatioiden perusteena käsitellä informaatiota. Kirjallisuudessa on esitetty luottamukseen perustuva sopiminen vastauksena projektiverkostojen yhteistoiminnallisuuden tarpeelle. Väitöskirjassa on tutkittu yhteistoiminnallisina riskienhallintamuotoina työpajatyyppistä työskentelyä sekä projektiallianssia. Tutkimuksessa on tapaustutkimuksen avulla selvitetty projektien riskien lähteitä, riskien lähteiden roolia riskienhallintamenetelmiä määritettäessä, sekä yhteistoiminnallisia riskienhallintakeinoja. Tutkimuksen löydökset lisäävät ymmärrystä projektien riskien lähteistä. Nykyinen projektin riskienhallintakirjallisuus esittää, että projektien tilannetekijät, jotka liittyvät teknologiaan, projektien organisointiin ja ympäristöön kasvattavat epävarmuutta. Tämä tutkimus osoittaa, että on tärkeää jaotella projektien riskit tilannetekijöittäin. Jaottelu tulee tehdä sen mukaan onko vallitseva tilannetekijä epävarmuus eli tiedon puute vai monimerkityksisyys eli tilanne, jossa on paljon keskenään ristiriitaista tietoa. Tässä tutkimuksessa osoitetaan kuinka riskien lähteet vaikuttavat projektiverkoston riskienhallintamenetelmien valintaan. Lisäksi kuvataan yhteistoiminnallisia riskienhallintamenetelmiä projekteissa. Projektitoimintaa harjoittavat yritykset sekä investointiprojekteja tekevät organisaatiot voivat hyödyntää tämän tutkimuksen tuloksia. Tutkimuksen tulokset ohjaavat riskienhallintamenetelmien muokkaamista erilaiset tilannetekijät huomioon ottaen. Tämä tutkimus osoittaa, kuinka epämuodollisia riskienhallintamenetelmiä tulisi suosia perinteisten muodollisten menetelmien ohessa erityisesti tilanteissa, joissa monimerkityksisyys on vallitseva tilannetekijä.