Abstract The world is rapidly developing into a networked society, where people, machines, data, services and applications are tightly integrated by means of information and communications technology. The members of Wireless Sensor requires solutions to support the unprecedented level of the system’s pervasion and heterogeneity, solutions which are missing today. Today’s device-level design procedures are an obstacle in the transition to this heterogeneous future, which demands diverse Internet of Things (IoT) devices, including low-end and low-power ones. Reducing the design and production costs of devices in low to mid-scale production quantities, requires new approaches to cope with application versatility. To address this problem, this thesis proposes a novel wireless sensor and actuator network (WSAN)/IoT device design methodology based on the combination of two approaches: platform-based design and autoconfiguration, that are applied to hardware (HW) and software (SW) components. Unlike the state-of-the-art methodologies, the methodology proposed enables more flexibility both during the design and after device deployment, while reducing the development expenses and time-to-market. Although neither of the two these approaches is fundamentally novel on its own, in this thesis they are employed in, and adapted to, extremely resource restricted systems. The feasibility of the methodology is shown by the development of technology artifact representing a Plug-and-Play enabled WSAN/IoT device platform. The new devices are assembled from HW modules, encapsulating the various power supply, processing, transceiver, sensor and actuator units, or sets of those. The central control unit of a device automatically identifies the HW, and configures the SW accordingly. The technology enablers for this - the HW and SW architectures and interfaces – are reported in this thesis. Experimentation confirms the viability of the proposed concepts and mechanisms. The utility of the designed solutions has been shown by a series of successful research projects and experimental results. / Tiivistelmä Maailma on nopeasti muuttumassa verkottuneeksi yhteisöksi, jossa ihmiset, koneet, tiedot, palvelut ja sovellukset ovat integroituneet tiiviisti yhteen tieto- ja viestintätekniikan avulla. Tämän dynaamisen ihmisten ja koneiden välisen yhteisön jäsenillä on erilaisia ja jopa ainutlaatuisia kykyjä. Tämän vision toteutuminen edellyttää toistaiseksi puuttuvia ratkaisuja, jotka tukevat ennennäkemättömän laajalle levinnyttä ja hajanaista järjestelmää. Nykyiset laitetason suunnittelumenetelmät estävät siirtymisen tähän heterogeeniseen tulevaisuuteen, joka edellyttää monipuolisia IoT-laitteita (Internet of Things, esineiden internet), mukaan lukien yksinkertaiset ja vähän virtaa kuluttavat laitteet. Tuotantomääriltään pienten ja keskisuurten laitteiden suunnittelu- ja tuotantokustannusten vähentäminen edellyttää uusia lähestymistapoja sovellusten monipuolisuuden vuoksi. Tutkielmassa ehdotetaan tämän ongelman ratkaisuksi uutta langattomien antureiden ja toimilaitteiden verkon (WSAN) / IoT-laitteiden suunnittelumenetelmää, joka perustuu näiden kahden lähestymistavan yhdistelmään: käyttöympäristöön perustuva rakenne ja automaattinen määritys, joita sovelletaan sekä laitteisto- että ohjelmistokomponentteihin. Toisin kuin nykyiset johtavat menetelmät, ehdotettu menetelmä on joustavampi sekä suunnitteluvaiheessa että laitteen käyttöönoton jälkeen. Tämä vähentää kehityskustannuksia ja laitteen markkinoille tuomiseen tarvittavaa aikaa. Vaikka kumpikaan menetelmä ei ole lähtökohtaisesti uusi, tutkielmassa niitä käytetään järjestelmissä, joissa on äärimmäisen rajoitetut resurssit, ja ne sovitetaan niihin. Menetelmän käyttökelpoisuutta esitellään kehittämällä Plug and Play –yhteensopivaa WSAN-/IoT-laiteympäristöä edustava tekninen artefakti. Uudet laitteet kootaan laitteistomoduuleista, joissa on erilaisia virtalähteitä, prosessori-, lähetin-vastaanotin-, anturija toimilaiteyksikköjä tai niistä koostuvia kokonaisuuksia. Laitteen keskusyksikkö tunnistaa laitteiston automaattisesti ja konfiguroi sen. Tutkielmassa kerrotaan, mitä teknologiaa eli laitteisto- ja ohjelmistoarkkitehtuureja ja -rajapintoja sovelluksessa on käytetty.

Abstract Advances in miniaturisation have led to the development of new wireless measurement technologies such as wireless sensor networks (WSNs). A WSN consists of low cost nodes, which are battery-operated devices, capable of sensing the environment, transmitting and receiving, and computing. While a WSN has several advantages, including cost-effectiveness and easy installation, the nodes suffer from small memory, low computing power, small bandwidth and limited energy supply. In order to cope with restrictions on resources, data processing methods should be as efficient as possible. As a result, high quality approximates are preferred instead of accurate answers. The aim of this thesis was to propose an efficient entropy approximation method for resource-constrained environments. Specifically, the algorithm should use a small, constant amount of memory, and have certain accuracy and low computational demand. The performance of the proposed algorithm was evaluated experimentally with three case studies. The first study focused on the online monitoring of WSN communications performance in an industrial environment. The monitoring approach was based on the observation that entropy could be applied to assess the impact of interferences on time-delay variation of periodic tasks. The main purpose of the additional two cases, depth of anaesthesia (DOA) –monitoring and benchmarking with simulated data sets was to provide additional evidence on the general applicability of the proposed method. Moreover, in case of DOA-monitoring, an efficient entropy approximation could assist in the development of handheld devices or processing large amount of online data from different channels simultaneously. The initial results from the communication and DOA monitoring applications as well as from simulations were encouraging. Therefore, based on the case studies, the proposed method was able to meet the stated requirements. Since entropy is a widely used quantity, the method is also expected to have a variety of applications in measurement systems with similar requirements. / Tiivistelmä Mekaanisten- ja puolijohdekomponenttien pienentyminen on mahdollistanut uusien mittaustekniikoiden, kuten langattomien anturiverkkojen kehittämisen. Anturiverkot koostuvat halvoista, paristokäyttöisistä solmuista, jotka pystyvät mittaamaan ympäristöään sekä käsittelemään, lähettämään ja vastaanottamaan tietoja. Anturiverkkojen etuja ovat kustannustehokkuus ja helppo käyttöönotto, rajoitteina puolestaan vähäinen muisti- ja tiedonsiirtokapasiteetti, alhainen laskentateho ja rajoitettu energiavarasto. Näiden rajoitteiden vuoksi solmuissa käytettävien laskentamenetelmien tulee olla mahdollisimman tehokkaita. Tämän työn tavoitteena oli esittää tehokas entropian laskentamenetelmä resursseiltaan rajoitettuihin ympäristöihin. Algoritmin vaadittiin olevan riittävän tarkka, muistinkulutukseltaan pieni ja vakiosuuruinen sekä laskennallisesti tehokas. Työssä kehitetyn menetelmän suorituskykyä tutkittiin sovellusesimerkkien avulla. Ensimmäisessä tapauksessa perehdyttiin anturiverkon viestiyhteyksien reaaliaikaiseen valvontaan. Lähestymistavan taustalla oli aiempi tutkimus, jonka perusteella entropian avulla voidaan havainnoida häiriöiden vaikutusta viestien viiveiden vaihteluun. Muiden sovellusesimerkkien, anestesian syvyysindikaattorin ja simulaatiokokeiden, päätavoite oli tutkia menetelmän yleistettävyyttä. Erityisesti anestesian syvyyden seurannassa menetelmän arvioitiin voivan olla lisäksi hyödyksi langattomien, käsikäyttöisten syvyysmittareiden kehittämisessä ja suurten mittausmäärien reaaliaikaisessa käsittelyssä. Alustavat tulokset langattoman verkon yhteyksien ja anestesian syvyyden valvonnasta sekä simuloinneista olivat lupaavia. Sovellusesimerkkien perusteella esitetty algoritmi kykeni vastaamaan asetettuihin vaatimuksiin. Koska entropia on laajalti käytetty suure, menetelmä saattaa soveltua useisiin mittausympäristöihin, joissa on samankaltaisia vaatimuksia.

Abstract The past two decades have witnessed an unprecedented proliferation of mobile devices equipped with extremely innovative wireless technologies. Short range networks, such as wireless personal area networks (WPANs), wireless sensor networks (WSNs) and wireless body area networks (WBANs) have been defined and researched to deliver high speed home connectivity, environment and health monitoring. This thesis tackles design, analysis and simulation of medium access control (MAC) protocols tailored for short range networks. These have in common the use of battery operated devices but also certain design challenges connected with MAC protocols are common upon selecting the physical layer technology. Ultra wideband (UWB) technology and 60 GHz technology (which is referred to also as millimeter wave communications) are two valid examples of the wireless revolution of the past decade. Several existing standards, such as IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 and its amendment IEEE 802.15.4a, are considered in this thesis for MAC analysis in conjunction with UWB technology. With regard to millimeter wave communications the characteristics of the IEEE 802.15.3c standard are taken into account. Apart for the IEEE 802.15.3c all the MAC protocols have been modeled in the network simulator Opnet. One contribution of this thesis is to produce an innovative and in-depth analysis of the management aspects (e.g. ECMA-368 distributed beaconing) stemming from the above mentioned standards by means of analytical and simulation models. This study approach allows selecting the MAC features suitable for the applications and the technologies of interest. The key performance metric used to analyze all the protocols is energy efficiency, but also throughput is investigated. Another contribution brought by this thesis consists in the innovative way of studying slotted-based MAC protocols as an integrated concept connected with the type of network, the type of application and the selected physical technologies. This thesis also shows MAC performance in conjunction with UWB when false alarm, miss-detection and receiver capture (capture is modeled by means of an existing interference model) are taken into consideration. Most of the unrealistic, though common, assumptions in MAC analysis are removed and the performance of selected medical applications is evaluated through Opnet simulations. The well known binary exponential backoff is analyzed with an innovative though simplified one-dimensional Markov chain approach in the context of directional MAC for 60 GHz communications. As shown in the remainder of this thesis, the simplification introduced does not hinder the accuracy of the results, but rather allows accounting even for a finite number of retransmissions with a simple chain extension. / Tiivistelmä Kahden viime vuosikymmenen aikana innovatiivisella langattomalla tekniikalla varustettujen viestintälaiteiden määrä on kasvanut räjähdysmäisesti. Lyhyen kantaman verkkoja kuten langattomia henkilökohtaisen alueen verkkoja (WPAN), langattomia anturiverkkoja (WSN) ja langattomia vartaloalueen verkkoja (WBAN) on määritelty ja tutkittu, jotta voitaisiin tuottaa korkeanopeuksisia kotiyhteyksiä sekä välineitä ympäristön ja terveydentilan seurantaan. Tämä väitöskirja käsittelee lyhyen kantaman viestintään suunniteltujen linkinohjauskerroksen MAC-protokollien suunnittelua, analysointia ja simulointia. Näissä kaikissa käytetään akkukäyttöisiä laitteita, mutta myös tietyt MAC-protokollien suunnittelun haasteet ovat tavallisia fyysisen kerroksen teknologiaa valittaessa. Ultra-laajakaistainen (UWB) teknologia ja 60 GHz teknologia (eli millimetriaallonpituusalueen tietoliikenne) ovat hyviä esimerkkejä kuluneen vuosikymmenen langattomasta vallankumouksesta. Tässä väitöskirjassa huomioidaan UWB teknologiaan liittyvää MAC-kerroksen analyysiä tehtäessä useat olemassa olevat standardit, kuten IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 ja sen lisäys IEEE 802.15.4a. Millimetriaallonpituusalueen tietoliikenteessä huomioidaan myös IEEE 802.15.3c standardin erityispiirteet. IEEE 802.15.3c:tä lukuun ottamatta kaikki MAC-protokollat on mallinnettu Opnet verkkosimulaattorilla. Tämä tutkimus tarjoaa innovatiivisen ja syväluotaavan tutkimuksen näiden standardien pohjalta ja analyyttisten ja simuloitujen mallien avulla kehitetyistä hallinnallisista lähestymistavoista (esim. ECMA-368 hajautettu majakkasignaali). Näiden avulla voidaan valita kohteena oleviin sovelluksiin ja teknologioihin parhaiten soveltuvia MAC-ominaisuuksia. Kaikkien protokollien analysointiin käytetty ensisijainen suorituskykymittari on energiatehokkuus, mutta myös datanopeuksia on tarkasteltu. Tässä tutkimuksessa esitellään myös innovatiivinen tapa tutkia MAC protokollia integroituina konsepteina suhteessa verkon ja sovellusten tyyppiin sekä fyysisen kerroksen teknologiaan. Lisäksi tämä väitöskirja esittelee MAC suorituskykyä UWB verkossa silloin, kun siinä otetaan huomioon väärät hälytykset, väärä havainnointi ja vastaanottimen signaalinkaappaus (vastaanoton mallintamiseksi käytetään olemassa olevaa interferenssimallia). MAC analyysistä poistetaan useimmat epärealistiset, vaikkakin tavalliset, olettamukset, ja verkkojen suorituskykyä tarkastellaan valittujen kriittisten parametrien monitoroinnissa Opnet-simulaatioiden avulla. Tunnettua binäärijakoinen eksponentiaalinen perääntyminen -algoritmia analysoidaan innovatiivisella, yksinkertaistetulla yksiulotteisella Markov-ketju -mallilla 60 GHz:n suunta-antenni MAC:n yhteydessä. Kuten tässä tutkimuksessa tullaan osoittamaan, esitelty yksinkertaistus ei rajoita tulosten tarkkuutta, vaan mukaan voidaan lukea jopa rajallinen määrä uudelleenlähetyksiä yksinkertaisen Markovin ketjun laajennuksen avulla.