Abstract Disturbance may shift microbial communities from one state to another. However, species differ in their ecological characteristics and their abilities to withstand disturbance. No single species or individuals of a species exist alone, but they are parts of complex interaction networks including species above- and belowground. In boreal and subarctic forests, almost all plants and a high number of fungi form mycorrhizas at the plant roots. In mycorrhiza, the fungal partner harvests nutrients for the host plant and, in return, gains carbon from the plant. In general, these common associations benefit both partners, but as heterotrophs, fungi are dependent on carbon photosynthesized by plants, whereas plants can survive alone as autotrophs. In addition to mycorrhizal fungi, also other fungi, such as endophytes, saprotrophs and pathogens, live in and on plant roots. This thesis concerns the impacts of disturbance on fungi living in plant roots and in soil near the roots. I hypothesized that i) root-associated fungal (RAF) and soil fungal communities and colonization types change after disturbance, that ii) the observed shifts relate to disturbance intensity and that iii) they co-occur with changes in soil conditions and vegetation. Changes in RAF were studied as changes in root fungal colonization, or in fungal community composition. The latter were detected with next-generation sequencing methods. The responses of RAF to disturbance seemed to be context dependent and related to sources of fungal communities (e.g. soil, RAF networks), environmental conditions (e.g. soil pH and nutrients) and host performance. It seems that abundances of those RAF species, which are present in the roots first (priority effect), may be increased by disturbance. Research produced new information related to ecological roles of the genera Phialocephala and Meliniomyces. Altogether, the results indicate connections between both abiotic and biotic environments and RAF, and host species viability and RAF. / Tiivistelmä Häiriöt voivat siirtää eliöyhteisön tilasta toiseen. Lajien ominaisuudet ja häiriönsietokyvyt eroavat toisistaan. Mikään laji tai yksilö ei elä yksin, vaan lajit ovat osa maan ylä- ja alapuolelle ulottuvia monimutkaisia vuorovaikutusverkostoja. Boreaalisissa ja subarktisissa metsissä lähes kaikki kasvit ja useat sienet muodostavat sienijuuren eli mykorritsan. Mykorritsassa sieniosakas hankkii isäntäkasville ravinteita ja saa vastavuoroisesti kasvilta hiiltä. Tavallisesti nämä vuorovaikutussuhteet hyödyttävät molempia sienijuuren osakkaita, mutta toisenvaraisina (heterotrofeina) sienet ovat riippuvaisia kasvien yhteyttämästä hiilestä, kun taas tuottajina (autotrofeina) kasvit voivat elää itsenäisesti. Mykorritsasienten lisäksi kasvien juurissa elää yleisesti myös muita sieniä kuten endofyyttejä, saprotrofeja ja patogeeneja. Tämä väitöskirja käsittelee häiriön vaikutuksia sieniin, jotka elävät kasvien juurissa ja juuria ympäröivässä maassa. Hypoteesieni mukaan i) juurissa ja maassa elävien sienten yhteisöt ja kolonisaatiotyypit muuttuvat häiriön jälkeen, ii) muutokset liittyvät häiriön voimakkuuteen ja iii) muutokset tapahtuvat samanaikaisesti maan olosuhteiden ja kasvillisuuden muutoksien kanssa. Juurissa elävien sienten esiintymisen muutokset tutkittiin sienten kolonisaation tai yhteisörakenteen muutoksina. Sieniyhteisöt selvitettiin NGS-menetelmien avulla. Juurissa elävien sienten vasteet häiriöön vaikuttavat olevan tilannesidonnaisia ja liittyvän sienilajien lähteisiin (esim. maa, juurisieniverkostot), ympäristömuuttujiin (esim. maan pH, ravinteet) ja isäntäkasvin menestymiseen. Häiriö voi vahvistaa juurissa ensimmäisenä läsnä olevien sienilajien menestymistä (prioriteettivaikutus). Uutta tietoa tuotettiin Phialocephala ja Meliniomyces –sienisukujen ekologiasta, jota tunnetaan huonosti. Kaiken kaikkiaan, tulokset osoittavat yhteydet sekä elottoman ja elollisen ympäristön ja juurten sieniyhteisön että isäntäkasvin elinkyvyn ja juurten sieniyhteisön välillä.

Abstract This thesis is devoted to studying two wireless relay network models, namely wireless tandem multiple-input-multiple-output (MIMO) relay networks and wireless two-hop multicast relay networks. Regarding wireless tandem MIMO relay networks, we develop a systematic approach to analyze their fundamental diversity-multiplexing tradeoff (DMT) under the assumption that the relays implement a class of practical full-duplex techniques that enable them to opt for either full-duplex or half-duplex mode. Based on the analysis, we make contribution from the following aspects: First of all, we thoroughly compare the performance of full-duplex and half-duplex mode operations in the framework of wireless tandem relay networks. We find that both full-duplex and half-duplex modes have opportunity to outperform each other. Specifically, for many tandem relay networks, in the low multiplexing gain region, the best relay-mode configuration is to let all the relays operate in half-duplex mode since this relay-mode configuration achieves the best diversity gain in the low multiplexing gain region. However, in the high multiplexing gain region, the best diversity gain is usually achieved by switching some relays to full-duplex mode. Furthermore, we study how residual interference at relays working in full-duplex mode affects the DMT of a tandem network. We find that residual interference not only derogates the performance of full-duplex mode, but also affects the optimal power allocation of the network. Specifically, if residual interference is zero or has a sufficiently low power level, a linear power allocation scheme can achieve the optimal DMT of the network. Otherwise, the optimal DMT is achieved by a nonlinear power allocation scheme. Finally, the DMT analysis illustrates an effective principle to deal with general multi-hop wireless networks, which is to break them down into small scale subnetworks with certain key structures. Then, studying the general multi-hop wireless networks essentially becomes studying those small scale subnetworks and the relationship among them. Regarding wireless two-hop multicast relay networks, we focus on a case study where a single source multicasts to two destinations through the assistance of two relays. We propose and analyze the performance of a partial decode-and-forward protocol for the network, which includes the full decode-and-forward protocol as a special case and achieves a better performance in general. Specifically, we prove that the achievable rate of the partial decode-and-forward protocol can either reach arbitrarily close to the cut-set upper bound of the network or reach within 1 bit/s/Hz to that, asymptotically with respect to the transmit power. We also show that the partial decode-and-forward protocol can achieve the optimal DMT of the network. Then, we discuss the perspective of implementing the partial decode-and-forward strategy to more general multicast relay networks. / Tiivistelmä Tämä opinnäytetyö tutkii kahta langatonta välitysverkkomallia, nimittäin langatonta tandem multiple-input-multiple-output (MIMO) välitysverkkoa ja langatonta monilähetysvälitysverkkoa kahdelle hypylle. Kehitämme systemaattisen lähestymistavan diversiteetti-multipleksointi vaihtokaupan (DMT) analysointiin langattomiin tandem MIMO välitysverkkoihin, olettaen välittäjien käyttävän käytännöllisiä full-duplex lähetystekniikoita, jotka mahdollistavat valinnan joko full-duplex tai half-duplex lähetystilan välillä. Analyysin perusteella kontribuoimme seuraavilla tavoilla: Ensinnäkin, vertailemme perusteellisesti full-duplex sekä half-duplex lähetystiloja langattomissa tandem välitysverkoissa. Huomaamme, että molemmat full-duplex ja half-duplex lähetystilat voivat suoriutua toinen toistaan paremmin. Tarkemmin sanoen, monissa tandem välitysverkoissa silloin kun multipleksoinnin hyöty on alhainen, paras välitystapa on antaa kaikkien välittäjien käyttää half-duplex lähetystilaa, koska silloin saavutetaan paras diversiteettilisäys. Toisaalta, kun multipleksointilisäys on suuri, paras diversiteettilisäys saadaan yleensä asettamalla jotkin välittäjät full-duplex lähetystilaan. Lisäksi, tutkimme kuinka full-duplex lähetystilaa käyttävien välittäjien jäljelle jäävä interferenssi vaikuttaa tandemverkon DMT:aan. Huomaamme, että jäljelle jäävä interferenssi vähentää full-duplex mallin tehokkuutta ja lisäksi vaikuttaa optimaaliseen tehonjakamiseen verkossa. Tarkemmin sanoen, jos jäljelle jäävä interferenssin tehotaso on nolla tai tarpeeksi lähellä sitä, lineaarisella tehojaolla voi saavuttaa verkon optimaalisen DMT:n. Muutoin, optimaalinen DMT saavutetaan epälineaarisella tehojaolla. Lopuksi, DMT analyysi havainnollistaa tehokkaan periaatteen yleisluontoisten monihyppyverkkojen käsittelemiseen, eli verkon jakamisen pienempiin osiin erilaiin avainrakenteisiin. Tämän jälkeen yleisluntoisten langattoimen monihyppyverkkojen tutkiminen tapahtuu tutkimalla näitä pieniä osia ja niiden välisiä vuorovaikutussuhteita. Langattomaan kahden hypyn monilähetysvälitysverkkon osalta keskitymme tapaustutkimukseen, jossa yksi lähettäjä monilähettää kahdelle vastaanottajalle kahden välittäjän avulla. Ehdotamme tälle verkolle osittaista decode-and-forward protokollaa, joka sisältää täyden decode-and-forward protokollan erikoistapauksena ja saavuttaa yleisesti tätä protokollaa paremman tehokkuuden. Tarkemmin sanoen, todistamme että tällä protokollalla siirtonopeus lähetystehon suhteen joko lähenee asymptoottisesti verkon cut-set ylärajaa mielivaltaisen lähelle tai saavuttaa sen 1 bit/s/Hz sisään. Osoitamme myös, että osittainen decode-and-forward protokolla voi saavuttaa verkon optimaalisen DMT:n. Tämän jälkeen, käsittelemme osittaisen decode-and-forward strategian impelentointia yleisluontoisille monilähetysvälitysverkoille.

Abstract Describing how and why species composition of ecological communities varies across spatial and temporal scales is a primary objective for ecological research. A key challenge is to distinguish changes in community composition resulting from external factors from the natural background variability. In this thesis I aimed to study: 1) the level of temporal variation in community composition of stream macroinvertebrates, 2) the role of different environmental factors to temporal variability, 3) the effect of temporal variability on bioassessment outcomes, and 4) comparability of different approaches to study community variability through time. A majority of the studied macroinvertebrate communities showed lower level of inter-annual variation, i.e. temporal turnover, than expected by chance. The observation of high community stability was further supported by the low level of inter-annual variation in taxonomic completeness (quotient of observed and expected number of species, O/E). Despite the low absolute variation in O/E, ecological status assessments varied annually. Thus the use of one year data may bias management decisions. Macroinvertebrate communities experienced similar dynamics across several spatial extents, from riffles within a stream to streams among regions, suggesting that large-scale extrinsic factors are the major driver of community dynamics. Especially climatically exceptional years may have a strong imprint on community variability. However, at the within-stream scale, coherence was lower than expected, indicating that community dynamics may be driven by different processes at different spatial extents. Stream macroinvertebrate community dynamics were strongly related to in-stream vegetation, temporal variability decreasing with increasing macrophyte cover. Importantly, the effect of in-stream vegetation on temporal turnover of macroinvertebrate communities was masked by the stochastic effect of habitat connectivity, suggesting that unless stochastic effects are controlled for, the role of deterministic processes may be obscured, thus affecting our ability to understand and predict community changes through time. In addition, different approaches to study temporal variability may disagree on estimates for the level of temporal turnover and factors explaining it – a fact that should be taken into account when planning and comparing studies. / Tiivistelmä Yksi ekologisen tutkimuksen keskeisistä tavoitteista on kuvata, miten ja miksi eliöyhteisöjen koostumus muuttuu paikasta ja ajankohdasta toiseen. On tärkeää pystyä erottamaan erilaisten ulkoisten tekijöiden aiheuttamat muutokset luonnollisesta taustavaihtelusta. Väitöskirjani tavoitteena oli selvittää 1) miten paljon virtavesien pohjaeläinyhteisöissä tapahtuu ajallista vaihtelua 2) mitkä ympäristötekijät vaikuttavat yhteisöjen ajalliseen vaihteluun 3) miten ajallinen vaihtelu vaikuttaa ympäristön tilan arviointiin ja 4) kuinka vertailukelpoisia ovat eri lähestymistavat ajallista vaihtelua tutkittaessa. Valtaosa tutkituista pohjaeläinyhteisöistä vaihteli vuosien välillä vähemmän kuin olisi sattumalta odotettavissa osoittaen varsin suurta ajallista pysyvyyttä. Käsitystä yhteisöjen pysyvyydestä tuki myös vähäinen vuosittainen vaihtelu ekologista tilaa kuvaavassa taksonomisessa eheydessä (=havaitun ja odotetun lajiston suhde O/E). Huolimatta näennäisen pienestä vaihtelusta O/E suhteessa paikkakohtaiset tilaluokka-arviot saattoivat vaihtua vuodesta toiseen. Yhden vuoden aineistoon perustuvat tilan arvioinnit voivat siis johtaa virheellisiin johtopäätöksiin. Pohjaeläinyhteisöjen ajallinen vaihtelu oli samankaltaista eri mittakaavoilla niin peräkkäisten koskipaikkojen kuin eri alueilla sijaitsevien purojen välillä. Suuren mittakaavan ympäristötekijät näyttävät siis säätelevän eliöyhteisöjen ajallista vaihtelua. Erityisesti ilmastotekijöiltään poikkeukselliset vuodet säätelevät eliöyhteisöjä, ja niiden vaikutus voi näkyä vielä useiden vuosien kuluttua. Vaihtelun samankaltaisuus peräkkäisten koskipaikkojen välillä oli kuitenkin odotettua pienempää. Yhteisöjä voivat siis säädellä osittain eri tekijät eri mittakaavoilla. Tutkittujen pohjaeläinyhteisöjen ajallisen vaihtelun voimakkuus liittyi erityisesti vesikasvillisuuden määrään: vaihtelu väheni kasvillisuuden lisääntyessä. Kasvillisuuden määrän vaikutus peittyi kuitenkin satunnaisten tekijöiden alle. Jos satunnaisia tekijöitä ei huomioida, deterministiset syy-seuraussuhteet voivat jäädä huomaamatta heikentäen mahdollisuuksiamme ymmärtää ja ennustaa eliöyhteisöjen vaihtelua. Lisäksi eri lähestymistavat ajallista vaihtelua tutkittaessa voivat johtaa erilaisiin arvioihin vaihtelun suuruudesta ja siihen vaikuttavista tekijöistä, mikä tulisi ottaa huomioon tutkimuksia suunnitellessa ja niiden tuloksia vertailtaessa.

Abstract The high increase in traffic and data rate for future generations of mobile communication systems, with simultaneous requirement for reduced power consumption, makes Multihop Cellular Networks (MCNs) an attractive technology. To exploit the potentials of MCNs a number of new network paradigms are proposed in this thesis. First, a new algorithm for efficient relaying topology control is presented to jointly optimize the relaying topology, routing and scheduling resulting in a two dimensional or space time routing protocol. The algorithm is aware of intercell interference (ICI), and requires coordinated action between the cells to jointly choose the relaying topology and scheduling to minimize the system performance degradation due to ICI. This framework is extended to include the optimization of power control. Both conventional and cooperative relaying schemes are considered. In addition, a novel sequential genetic algorithm (SGA) is proposed as a heuristic approximation to reconfigure the optimum relaying topology as the network traffic changes. Network coding is used to combine the uplink and downlink transmissions, and incorporate it into the optimum bidirectional relaying with ICI awareness. Seeking for a more tractable network model to effectively use context awareness and relying on the latest results on network information theory, we apply a hexagonal tessellation for inner partition of the cell into smaller subcells of radius r. By using only one single topology control parameter (r), we jointly optimize routing, scheduling and power control to obtain the optimum trade-off between throughput, delay and power consumption in multicast MCNs. This model enables high resolution optimization and motivates the further study of network protocols for MCNs. A new concept for route discovery protocols is developed and the trade-off between cooperative diversity and spatial reuse is analyzed by using this model. Finally, a new architecture for MCN is considered where multihop transmissions are performed by a Delay Tolerant Network, and new solutions to enhance the performance of multicast applications for multimedia content delivery are presented. Numerical results have shown that the algorithms suggested in this thesis provide significant improvement with respect to the existing results, and are expected to have significant impact in the analysis and design of future cellular networks. / Tiivistelmä Tiedonsiirron ja tiedonsiirtonopeuksien suuri kasvu sekä tehonkulutuksen pieneneminen tulevien sukupolvien matkapuhelinjärjestelmissä tekevät monihyppyiset matkapuhelinverkot houkutteleviksi vaihtoehdoiksi. Tässä työssä esitetään uusia tiedonsiirtoverkkojen paradigmoja monihyppyisten matkapuhelinverkkojen hyödyntämiseksi. Työssä esitellään uusi algoritmi tehokkaaseen releointitopologian hallintaan, joka optimoi yhtäaikaisesti topologian, reitityksen sekä lähetyshetkien ajoituksen ja mahdollistaa tila-aika-reititysprotokollan toteutuksen. Esitetty algoritmi huomioi solujen keskinäishäiriön ja vaaditulla solujen välisellä koordinoidulla hallinnalla saadaan yhdessä valittua topologia ja ajoitus, jotka minimoivat solujen keskinäisistä häiriöistä johtuvan suorituskyvyn heikentymisen. Myöhemmin tätä viitekehystä on laajennettu lisäämällä siihen tehonsäädön optimointi. Työssä on tutkittu sekä perinteisiä että kooperatiivisia releointimenetelmiä. Lisäksi työssä esitetään uusi geneettinen algoritmi heuristiseksi approksimaatioksi verkon liikenteen muutoksen vaatimaan releointitopologian uudelleen järjestelyyn. Työssä tarkastellaan lisäksi verkkokoodausta ylä- ja alasuuntaan tapahtuvan tiedonsiirron yhdistämiseksi sisällyttämällä se solujen keskinäishäiriön huomioivaan kahdensuuntaiseen releointiin. Etsittäessä paremmin mukautuvaa ja kontekstitietoisuutta hyödyntävää verkkomallia, joka käyttää hyväkseen viimeisimpiä verkkojen informaatioteoreettisia tuloksia, voidaan verkon solut pilkkoa pienempiin kuusikulmaisiin alisoluihin. Käyttämällä ainoastaan näiden alisolujen sädettä r voidaan puolestaan verkon reititys, ajoitus ja tehon säätö optimoida yhtäaikaisesti saavuttaen paras mahdollinen kompromissi verkon läpäisyn, viiveen ja tehonkulutuksen välillä. Kehitetty malli mahdollistaa korkean resoluution optimoinnin ja motivoi uusien verkkoprotokollien kehitystä monihyppyisissä matkapuhelinverkoissa. Tätä mallia käyttäen esitellään myös uusi konsepti reitinetsintäprotokollille sekä analysoidaan kooperatiivisen diversiteetin ja tila-avaruudessa tapahtuvan uudelleenkäytön välistä kompromissiratkaisua. Lopuksi työssä tarkastellaan monihyppyisen matkapuhelinverkon uutta arkkitehtuuria, jossa monihyppylähetykset suoritetaan viivesietoisella verkolla ja esitetään uusia ratkaisuja multimediasisällön monilähetysten tehokkuuden parantamiseksi. Työssä saadut tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit parantavat järjestelmien suorituskykyä verrattuna aiemmin tiedossa olleisiin tuloksiin. Työn tuloksilla voidaan olettaa myös olevan suuri vaikutus tulevaisuuden matkapuhelinverkkojen analysointiin ja suunnitteluun.

Abstract Boreal and arctic plant communities are responding to anthropogenic climate change that has been exceptionally rapid during the recent decades. General responses include increased productivity, range expansions and biodiversity changes, all of which affect ecosystem functions. Vegetation dynamics are however controlled by multiple drivers, and the outcomes under the changing climate are not yet fully clear. As high latitude areas often lack long-term monitoring of vegetation, alternative methods are required to observe and understand vegetation changes and dynamics. Recently, resurveying historical vegetation data has become a valuable method of studying vegetation changes over the past few decades. In this thesis, I studied multidecadal (23–60 years) vegetation changes in forest and treeless heath and tundra plant communities along a latitudinal gradient in northern Fennoscandia using both vegetation resurveys and long-term experimental data. In addition to examining climate-driven vegetation changes, I related changes in plant communities to key local drivers of each context including mesotopography, grazing, soil moisture and soil fertility. General trends among the resurveyed treeless heath sites were the pronounced increase of the dwarf shrub Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum in snow-protected habitats and the decrease of lichens throughout. Southernmost heath communities showed strong responses to multidriver effects and had shifted towards new community states. The long-term experiment in the tundra confirmed that depending on driver combinations, tundra communities evolve towards divergent alternative states, highlighting the importance of local drivers in modifying tundra vegetation over time. Communities in fertile forest sites experienced greater temporal turnover compared to infertile forest sites, suggesting that the soil fertility level is a key predictor of vegetation changes under climate change. This particularly important finding previously relied mainly on experimental evidence. Despite these generalities, changes in diversity, plant groups and species varied under a rather uniform climatic warming trend and were often habitat- or region-specific. Thus, the results of my thesis highly motivate continued monitoring and resurveying of vegetation under rapid environmental change and also form baseline time-series data for future studies. / Tiivistelmä Poikkeuksellisen nopea ilmastonmuutos on johtanut viime vuosikymmenten aikana muutoksiin boreaalisissa ja arktisissa kasviyhteisöissä. Muutoksiin lukeutuvat tuottavuuden lisääntyminen, levinneisyysrajojen siirtyminen sekä muutokset biodiversiteetissä, mitkä kaikki muuttavat ekosysteemien toimintaa. Kasvillisuuden dynamiikkaa säätelevät kuitenkin useat paikallistason tekijät, minkä seurauksena ei ole täysin selvää, miten kasvillisuus on eri alueilla ja habitaateissa muuttunut. Koska kasvillisuuden jatkuva monitorointi on harvinaista pohjoisilla alueilla, vanhojen kasvillisuusaineistojen uudelleenkartoituksista on tullut tärkeä menetelmä muutosten havaitsemiseksi. Tutkin väitöskirjassani vuosikymmenten kuluessa tapahtuneita (23–60 vuotta) kasvillisuusmuutoksia Pohjois-Fennoskandian metsissä, puuttomilla kankailla ja tundralla uudelleenkartoitusten ja kokeellisen tutkimuksen avulla, ja kytkin ne ilmastonmuutokseen sekä tärkeimpiin paikallisiin tekijöihin. Yleisiä trendejä uudelleenkartoitetuilla puuttomilla kankailla olivat variksenmarjan (Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum) voimakas lisääntyminen lumensuojaisissa habitaateissa sekä jäkälien väheneminen kaikkialla. Yhteisöjen kokonaismuutos oli voimakkainta eteläisillä puuttomilla kankailla, jossa se korreloi yhtä aikaa lisääntyneiden lämpötilojen ja laidunpaineen kanssa. Kokeellinen tutkimus tundralla osoitti, että kasviyhteisöt kehittyvät hyvin erilaisiksi paikallisten tekijöiden voimakkuussuhteista riippuen, jotka voivat joko hidastaa tai nopeuttaa ympäristömuutoksista johtuvia kasvillisuusmuutoksia. Metsien uudelleenkartoitus osoitti yhteisöjen kokonaismuutoksen olevan pitkällä aikavälillä suurempaa tuottavilla maaperillä lehtometsissä verrattuna karumpiin kangasmetsiin. Tutkimuksen mukaan maaperän tuottavuus on avaintekijä, joka ennustaa kasvillisuusmuutosten voimakkuutta ilmastonmuutoksen aikana. Tästä tärkeästä löydöstä oli aiemmin pääasiassa vain kokeellista tutkimustietoa. Yleisistä trendeistä huolimatta, muutokset diversiteetissä, kasviryhmissä ja yksittäisissä lajeissa olivat kuitenkin vaihtelevia ja usein habitaatti- tai aluesidonnaisia. Väitöskirjani tulokset, jotka muodostavat myös aikasarjan tuleville tutkimuksille, osoittavat kasvillisuuden monitoroinnin ja uudelleenkartoitusten olevan ensisijaisen tärkeitä, jotta kasvillisuuden dynamiikkaa voidaan ymmärtää paremmin nopeasti muuttuvissa olosuhteissa.