Abstract The commercial long-term evolution (LTE) networks of today offer fast and regionally wide access to the Internet and to the commercial applications and services at a reasonable price. At the same time, public safety (PS) users are still communicating with old-fashioned, second-generation voice and data services. Recently, the commercial LTE networks have been standardized to offer capabilities to mission-critical users. However, the commercial networks do not yet fully support the coverage requirements of the PS users. Moreover, the commercial infrastructure might be out of order in critical scenarios where PS actors are needed. Thus, the PS users require, for example, rapidly deployed LTE networks to support their own communication. This thesis studies the PS use of commercial operators' LTE networks and rapidly deployed closed LTE networks. The key tasks are to find out how to connect users seamlessly together between the different networks as well as finding out how the frequency planning is implemented. This thesis provides practical design solutions to guarantee network interoperability by connecting the networks as well as radio spectrum utilization solutions by licensed shared access (LSA). While the concept of LSA has been well developed, it has not been thoroughly investigated from the point of view of the PS actors, who have special requirements and should benefit from the concept. Herein, the alternatives for spectrum sharing between PS and commercial systems are discussed. Moreover, the thesis develops a specific LSA spectrum sharing system for the PS actors deploying their own network in scenarios where the commercial networks are insufficient. The solution is a robust LSA-based spectrum sharing mechanism. Note that PS actors also need to be able to utilize the spectrum when the LSA system is not available and when the commercial system has failed. Thus, this thesis proceeds on developing sensing methods for complementing LSA, where the sensing methods guarantee spectrum information for a rapidly deployed PS network. It is shown how PS actors can utilize available spectrum with a secondary spectrum licence. This is a good alternative to reserving the spectrum completely. The work assembles missing pieces of existing methods to ensure the functionality of the commercial and of the supporting rapidly deployed networks, both in terms of spectrum usage and application services. / Tiivistelmä Kaupalliset long-term evolution (LTE) -verkot tarjoavat nopean, edullisen ja alueellisesti kattavan pääsyn Internettiin sekä laajaan valikoimaan sovelluksia. Samaan aikaan turvallisuustoimijat (public safety (PS) -toimijat) käyttävät vanhanaikaisia äänen sekä vaatimattoman datayhteyden tarjoavia verkkoja. LTE-verkot ovat kuitenkin äskettäin standardoitu tarjoamaan valmiudet myös toimintokriittiseen kommunikointiin. Toisaalta, kaupalliset LTE-verkot eivät vielä tarjoa esimerkiksi tarvittavaa alueellista kattavuutta PS-käyttäjille. Lisäksi, kaupalliset verkot saattavat olla epäkunnossa kriittisissä tilanteissa. Tämän vuoksi PS-toimijat tarvitsevat omia nopeasti pystytettäviä LTE-verkkoja tukemaan nykyaikaista viestintäänsä. Opinnäytetyössä tutkitaan näiden nopeasti pystytettävien LTE-verkkojen käyttöä kaupallisten LTE-verkkojen kanssa. Keskeiset tehtävät ovat eri verkkojen PS-toimijoiden saumaton yhdistäminen sekä verkkojen taajuusjaon toteuttaminen. Tämä opinnäytetyö tarjoaa käytännön ratkaisuja verkkojen yhteentoimivuuden takaamiseksi ja radiotaajuuksien jakoratkaisuja lisensoidun jaetun käyttöoikeuden licensed shared access (LSA) -metodin avulla. Vaikka LSA:n käsite on jo pitkälle kehitetty, sitä ei ole tutkittu perusteellisesti PS-toimijoiden näkökulmasta ottaen huomioon heidän erityisvaatimuksensa. Tässä työssä syvennytään näiltä osin LSA järjestelmään yhtenä vaihtoehtona taajuuksien saamiseksi nopeasti pystytettäville verkoille. Lisäksi työssä kehitetään robusti LSA-pohjainen taajuuksien jakamisjärjestelmä nopeasti pystytettäville verkoille tilanteissa, joissa kaupalliset verkot ovat riittämättömät. Huomaa, että PS-toimijoiden on pystyttävä hyödyntämään taajuuksia myös silloin, kun LSA-järjestelmän kaikki osat eivät ole käytettävissä ja kun kaupallinen LTE järjestelmä on alhaalla. Tätä varten opinnäytetyössä kehitetään LSA:ta täydentävä havainnointimenetelmä, jolla taataan taajuustiedot vapaista taajuuksista nopeasti pystytettäville verkoille, sekä näytetään, miten PS-toimijat voivat hyödyntää LSA:ta toissijaisen taajuuslisenssin avulla. Tämä on hyvä vaihtoehto radiospektrin varaamiseksi kokonaan. Työ kokoaa puuttuvia osia olemassa oleviin menetelmiin, jotta voidaan varmistaa kaupallisten verkkojen toimivuus PS-käyttäjille yhdessä niitä tukevien nopeasti pystytettävien verkkojen kanssa taajuuksien käytön ja sovelluspalvelujen osalta.

Abstract Testing is an important part of quality assurance, and the use of agile processes, continuous integration and DevOps is increasing the pressure for automating all aspects of testing. Testing through graphical user interfaces (GUIs) is commonly automated by scripts that are captured or manually created with a script editor, automating the execution of test cases. A major challenge with script-based GUI test automation is the manual effort required for maintaining the scripts when the GUI changes. Model-based testing (MBT) is an approach for automating also the design of test cases. Traditionally, models for MBT are designed manually with a modelling tool, and an MBT tool is used for generating abstract test cases from the model. Then, an adapter is implemented to translate the abstract test cases into concrete test cases that can be executed on system under test (SUT). When the GUI changes, the model has to be updated and the test cases can be generated from the updated model, reducing the maintenance effort. However, designing models and implementing adapters requires effort and specialized expertise. The main research questions of this thesis are 1) how to automatically extract state-based models of software systems with GUI, and 2) how to use the extracted models to automate testing. Our focus is on using dynamic analysis through the GUI during automated exploration of the system, and we concentrate on desktop applications. Our results show that extracting state models through GUI is possible and the models can be used to generate regression test cases, but a more promising approach is to use model comparison on extracted models of consequent system versions to automatically detect changes between the versions. / Tiivistelmä Testaaminen on tärkeä osa laadun varmistusta. Ketterät kehitysprosessit ja jatkuva integrointi lisäävät tarvetta automatisoida kaikki testauksen osa-alueet. Testaus graafisten käyttöliittymien kautta automatisoidaan yleensä skripteinä, jotka luodaan joko tallentamalla manuaalista testausta tai kirjoittamalla käyttäen skriptieditoria. Tällöin scriptit automatisoivat testitapausten suorittamista. Muutokset graafisessa käyttöliittymässä vaativat scriptien päivittämistä ja scriptien ylläpitoon kuluva työmäärä on iso ongelma. Mallipohjaisessa testauksessa automatisoidaan testien suorittamisen lisäksi myös testitapausten suunnittelu. Perinteisesti mallipohjaisessa testauksessa mallit suunnitellaan manuaalisesti käyttämällä mallinnustyökalua, ja mallista luodaan abstrakteja testitapauksia automaattisesti mallipohjaisen testauksen työkalun avulla. Sen jälkeen implementoidaan adapteri, joka muuttaa abstraktit testitapaukset konkreettisiksi, jotta ne voidaan suorittaa testattavassa järjestelmässä. Kun testattava graafinen käyttöliittymä muuttuu, vain mallia täytyy päivittää ja testitapaukset voidaan luoda automaattisesti uudelleen, vähentäen ylläpitoon käytettävää työmäärää. Mallien suunnittelu ja adapterien implementointi vaatii kuitenkin huomattavan työmäärän ja erikoisosaamista. Tämä väitöskirja tutkii 1) voidaanko tilamalleja luoda automaattisesti järjestelmistä, joissa on graafinen käyttöliittymä, ja 2) voidaanko automaattisesti luotuja tilamalleja käyttää testauksen automatisointiin. Tutkimus keskittyy työpöytäsovelluksiin ja dynaamisen analyysin käyttämiseen graafisen käyttöliittymän kautta järjestelmän automatisoidun läpikäynnin aikana. Tutkimustulokset osoittavat, että tilamallien automaattinen luominen graafisen käyttöliittymän kautta on mahdollista, ja malleja voidaan käyttää testitapausten generointiin regressiotestauksessa. Lupaavampi lähestymistapa on kuitenkin vertailla malleja, jotka on luotu järjestelmän peräkkäisistä versioista, ja havaita versioiden väliset muutokset automaattisesti.

Abstract This study fills an urgent need for qualitative analyses of relationships resulting in human change. It is a result of sixteen years of independent study by the author. It combines postgraduate study of nonlinear methodology, applied research of children’s pretend play, experience in educational psychology and Gestalt-counselling, as well as the practical training of graduate students at the Karelian State Pedagogical University (Petrozavodsk, Russia), and the Kajaani Department of Teacher Education (Kajaani, Finland). In this thesis, an attempt is made to reveal the fundamental reality of relationships between human beings. Using theories of helping relationships and data from developmental psychology, a qualitative nonlinear dynamical model of human relationships is elaborated. The scientific findings of Kurt Lewin and the Gestalt-therapy theory are widely used. To illustrate the explanatory potential of the proposed relationship model and the possibility of qualitative analyses, children’s pretend play is analyzed. In the first chapter, the basic connectedness between humans is studied. The author is focused on theories of relationships and their application to the organizing of relationships’ flow. The second chapter is devoted to detailed analyses of dynamic features of these theories and Kurt Lewin’s conception of tension system. The ontological philosophy of relationships is briefly reviewed. This helps to formulate the main problem of the research – how is a nonlinear phenomenological model of human relationships possible? In the third chapter, a new nonlinear dynamic model of human relationships is elaborated. Several conceptions from Lewin’s dynamic psychology and Gestalt-therapy are further developed in the model. A number of examples are analyzed. Video-data on children’s pretend play is analyzed in the fourth chapter. In the subsequent discussions some advantages and shortcomings of the suggested dynamic nonlinear model are examined. / Tiivistelmä Tämä tutkimus pyrkii vastaamaan kysymykseen miten inhimilliset suhteet voivat johtaa laadullisiin muutoksiin. Työssä paneudutaan ihmisten välisten suhteiden psykologisiin perusteisiin. Siinä kehitellään ihmisten välisten suhteiden ei-lineaarinen dynaaminen malli käyttäen kehityspsykologian ja auttamissuhteiden teorioita. Analyysi pohjautuu Kurt Lewinin ja hahmoterapian teoreettisiin oivalluksiin. Kehitellyn mallin selitysvoiman ja laadullisen analyysin mahdollisuuksien osoittamiseksi mallia sovelletaan lasten juonellisen roolileikin erittelyyn. Ensimmäisessä luvussa pohditaan esimerkkien avulla ihmisten välisten kontaktien perusluonnetta. Erityisesti keskitytään suhteiden teorioihin ja niiden sovelluksiin suhteiden jatkumon rakentamiseksi. Toinen luku paneutuu näiden teorioiden kuvaamien suhteiden dynaamisten piirteiden yksityiskohtaiseen tarkasteluun ja Kurt Lewinin ”tension system” käsitteeseen. Siinä esitellään myöskin lyhyesti suhteiden yksilökehityksen filosofiaa. Tältä pohjalta muotoillaan tutkimuksen pääongelma: Kuinka inhimillisten suhteiden ei-lineaarinen fenomenologinen malli on mahdollinen? Kolmannessa luvussa kehitellään uusi ei-lineaarinen inhimillisten suhteiden malli. Mallissa on kehitelty ja annettu uusi tulkinta useille Lewinin dynaamisen psykologian ja hahmoterapian käsitteille. Kehittelyä on tuettu käytännön esimerkein. Neljännessä luvussa on analysoitu lasten juonellisen roolileikin videotallenteita mallia käyttäen. Pohdinta tuo esille joitakin uuden mallin etuja ja jatkokehittelyn tarpeita.

Abstract Image description plays an important role in representing inherent properties of entities and scenes in static images. Within the last few decades, it has become a fundamental issue of many practical vision tasks, such as texture classification, face recognition, material categorization, and medical image processing. The study of static image analysis can also be extended to video analysis, such as dynamic texture recognition, classification and synthesis. This thesis contributes to the research and development of image and video analysis from two aspects. In the first part of this work, two image description methods are presented to provide discriminative representations for image classification. They are designed in unsupervised (i.e., class labels of texture images are not available) and supervised (i.e., class labels of texture images are available) manner, respectively. First, a supervised model is developed to learn discriminative local patterns, which formulates the image description as an integrated three-layered model to estimate an optimal pattern subset of interest by simultaneously considering the robustness, discriminative power and representation capability of features. Second, in the case that class labels of training images are unavailable, a linear configuration model is presented to describe microscopic image structures in an unsupervised manner, which is subsequently combined together with a local descriptor: local binary pattern (LBP). This description is theoretically verified to be rotation invariant and is able to provide a discriminative complement to the conventional LBPs. In the second part of the thesis, based on static image description and deformable image registration, video analysis is studied for the applications of dynamic texture description, synthesis and recognition. First, a dynamic texture synthesis model is proposed to create a continuous and infinitely varying stream of images given a finite input video, which stitches video clips in the time domain by selecting proper matching frames and organizing them into a logical order. Second, a method for the application of facial expression recognition, which formulates the dynamic facial expression recognition problem as the construction of longitudinal atlases and groupwise image registration problem, is proposed. / Tiivistelmä Kuvan deskriptiolla on tärkeä rooli staattisissa kuvissa esiintyvien luontaisten kokonaisuuksien ja näkymien kuvaamisessa. Viime vuosikymmeninä se on tullut perustavaa laatua olevaksi ongelmaksi monissa käytännön konenäön tehtävissä, kuten tekstuurien luokittelu, kasvojen tunnistaminen, materiaalien luokittelu ja lääketieteellisten kuvien analysointi. Staattisen kuva-analyysin tutkimusala voidaan myös laajentaa videoanalyysiin, kuten dynaamisten tekstuurien tunnistukseen, luokitteluun ja synteesiin. Tämä väitöskirjatutkimus myötävaikuttaa kuva- ja videoanalyysin tutkimukseen ja kehittymiseen kahdesta näkökulmasta. Työn ensimmäisessä osassa esitetään kaksi kuvan deskriptiomenetelmää erottelukykyisten esitystapojen luomiseksi kuvien luokitteluun. Ne suunnitellaan ohjaamattomiksi (eli tekstuurikuvien luokkien leimoja ei ole käytettävissä) tai ohjatuiksi (eli luokkien leimat ovat saatavilla). Aluksi kehitetään ohjattu malli oppimaan erottelukykyisiä paikallisia kuvioita, mikä formuloi kuvan deskriptiomenetelmän integroituna kolmikerroksisena mallina - tavoitteena estimoida optimaalinen kiinnostavien kuvioiden alijoukko ottamalla samanaikaisesti huomioon piirteiden robustisuus, erottelukyky ja esityskapasiteetti. Seuraavaksi, sellaisia tapauksia varten, joissa luokkaleimoja ei ole saatavilla, esitetään työssä lineaarinen konfiguraatiomalli kuvaamaan kuvan mikroskooppisia rakenteita ohjaamattomalla tavalla. Tätä käytetään sitten yhdessä paikallisen kuvaajan, eli local binary pattern (LBP) –operaattorin kanssa. Teoreettisella tarkastelulla osoitetaan kehitetyn kuvaajan olevan rotaatioinvariantti ja kykenevän tuottamaan erottelukykyistä, täydentävää informaatiota perinteiselle LBP-menetelmälle. Työn toisessa osassa tutkitaan videoanalyysiä, perustuen staattisen kuvan deskriptioon ja deformoituvaan kuvien rekisteröintiin – sovellusaloina dynaamisten tekstuurien kuvaaminen, synteesi ja tunnistaminen. Aluksi ehdotetaan sellainen malli dynaamisten tekstuurien synteesiin, joka luo jatkuvan ja äärettömän kuvien virran annetusta äärellisen mittaisesta videosta. Menetelmä liittää yhteen videon pätkiä aika-avaruudessa valitsemalla keskenään yhteensopivia kuvakehyksiä videosta ja järjestämällä ne loogiseen järjestykseen. Seuraavaksi työssä esitetään sellainen uusi menetelmä kasvojen ilmeiden tunnistukseen, joka formuloi dynaamisen kasvojen ilmeiden tunnistusongelman pitkittäissuuntaisten kartastojen rakentamisen ja ryhmäkohtaisen kuvien rekisteröinnin ongelmana.

Abstract The purpose of this study is to explore the role of dynamic capability in business model change in Internet-based business start-ups and Internet-based business enterprises. This study reviews the literature on business models, business model change, and dynamic capability, and defines business model change as a dynamic capability that is expected to lead to increased speed of business change and competitive advantages over the long term. This empirical study of business model change is accomplished by the case study method. The study is based on field data of four case companies regarding entrepreneurs’, business developers’, and business leaders’ behavior and actions while they are utilizing the business model concept for the purpose of business change. This study approaches business model change as a dynamic capability from three dynamic capability cluster perspectives. It explores how businesses can use the concept of business model for business decisions as well as how they can use the concept of business model to improve the speed of business change after new business opportunities or threats are found. The analysis identifies the process of business model change and factors that affect business model change, and the outcomes are results from three dynamic capability clusters that Internet-based companies are able to follow in a fast-changing business environment. This study develops a posteriori model proposing that a dynamically capable business model change consists of sensing, seizing, and transforming activities to obtain successful business and competitive advantages over the long term. A posteriori model of business model change as a dynamic capability creates a framework to support a quick business model change, especially in a fast-changing business environment. This study adds a dynamic capability viewpoint to the business model literature pertaining to business modeling and business model change. Regarding the managerial implications, this study shows how entrepreneurs and business owners can utilize the concept of business model in order to support a quick business change and possibly gain a competitive advantage in the long term. The study results indicate that internal and external factors for business model change are company-specific and those vary between the start-up and enterprise. And thus, a successful business model change can be achieved through analyzing and further developing these company-specific factors. These factors can be seen as a micro foundation of dynamic capability, and development of these factors can improve competitive advantage. / Tiivistelmä Tässä tutkimuksessa tarkastellaan nuoreen Internet liiketoimintaan pohjautuvaan kasvuyritykseen ja kypsiin Internet liiketoimintaan pohjautuviin yrityksiin tehtyjä liiketoimintamallimuutoksia dynaamisten kyvykkyyksien näkökulmasta. Tutkimuksen aihetta lähestytään nuoren kasvuyrityksen sekä kypsien yritysten kannalta ja työn teoreettinen viitekehys rakennetaan liiketoimintamallin, liiketoimintamallimuutoksen sekä dynaamisen kyvykkyyden tutkimusjulkaisujen kautta. Työssä liiketoimintamallimuutos määritellään dynaamiseksi kyvykkyydeksi joka kehittyy eri toimintojen avulla. Tämä dynaaminen kyvykkyys voi mahdollistaa nopeamman liiketoimintamuutoksen ja pitkällä aikavälillä se voi vaikuttaa myös kilpailuedun saavuttamiseen. Työn empiirisessä osassa liiketoimintamallimuutosta tutkitaan tapaustutkimusmenetelmällä neljässä yrityksessä. Yrittäjien, liiketoimintakehittäjien, sekä johtajien käyttäytymistä ja toimenpiteitä tutkitaan liiketoimintamallikonseptin kautta muutostilanteessa. Yrittäjien, liiketoimintakehittäjien, sekä johtajien käyttäytymistä ja toimenpiteitä tutkitaan liiketoimintamallikonseptin kautta muutostilanteessa. Työssä dynaamista liiketoimintamallimuutosta lähestytään kolmen dynaamiselle kyvykkyydelle määritellyn klusterin kautta (havaitseminen, tarttuminen, sekä uhkien hallinta ja muuntautuminen). Nämä klusterit toimivat erityisesti silloin kun yritysten tulee tehdä nopeita liiketoimintapäätöksiä ja liiketoimintamuutoksia. Analyysissa tunnistetaan liiketoimintamallin muutosprosessi, sekä sisäiset ja ulkoiset tekijät joilla on vaikutusta liiketoimintamallimuutokseen. Lopputulokset ovat seuraus kolmesta dynaamisen ominaisuuden klusterista joita organisaatioiden tulisi huomioida nopeasti muuttuvassa ympäristössä. Tutkimuksessa kehitetään jälkikäteismalli jossa liiketoimintamallimuutos dynaamisena kyvykkyytenä synnytetään dynaamisen kyvykkyyden klustereissa esiintyvien toimenpiteiden kautta. Näiden toimenpiteiden avulla on mahdollista saavuttaa pitkällä aikavälillä menestystä ja mahdollisesti myös kilpailuetua. Jälkikäteismalli tukee dynaamista liiketoimintamallimuutosta nopeasti muuttuvassa liiketoimintaympäristössä. Työn teoreettinen kontribuutio on erityisesti dynaamisen kyvykkyyden näkökulma liiketoimintamallintamiseen ja liiketoimintamallimuutokseen. Työssä osoitetaan myös kuinka yrittäjät ja liiketoimintaomistajat voivat käytännössä hyödyntää liiketoimintamallikonseptia nopeasti tehtävään liiketoimintamuutokseen. Tutkimustulokset osoittavat, että sisäisillä ja ulkoisilla tekijöillä on vaikutusta liiketoimintamallimuutokseen. Nämä tekijät ovat yrityskohtaisia, ja nuoren kasvuyrityksen ja kypsien yritysten väliltä löytyy eroja. Sen vuoksi onnistunut liiketoimintamallimuutos voidaan tehdä näitä tekijöitä analysoimalla ja kehittämällä.

Abstract The use of multiple antennas is a fundamental requirement in future wireless networks as it helps to increase the reliability and spectral efficiency of mobile radio links. In this thesis, we study convex optimization based radio resource allocation methods for the downlink of multi-antenna systems. First, the problem of admission control in the downlink of a multicell multiple-input single-output (MISO) system has been considered. The objective is to maximize the number of admitted users subject to a signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraint at each admitted user and a transmit power constraint at each base station (BS). We have cast the admission control problem as an ℓ0 minimization problem; it is known to be combinatorial, NP-hard. Centralized and distributed algorithms to solve this problem have been proposed. To develop the centralized algorithm, we have used sequential convex programming (SCP). The distributed algorithm has been derived by using the consensus-based alternating direction method of multipliers in conjunction with SCP. We have shown numerically that the proposed admission control algorithms achieve a near-to-optimal performance. Next, we have extended the admission control problem to provide fairness, where long-term fairness among the users has been guaranteed. We have focused on proportional and max-min fairness, and proposed dynamic control algorithms via Lyapunov optimization. Results show that these proposed algorithms guarantee fairness. Then, the problem of admission control for the downlink of a MISO heterogeneous networks (hetnet) has been considered, and the proposed centralized and distributed algorithms have been adapted to find a solution. Numerically, we have illustrated that the centralized algorithm achieves a near-to-optimal performance, and the distributed algorithm’s performance is closer to the optimal value. Finally, an algorithm to obtain the set of all achievable power-rate tuples for a multiple-input multiple-output hetnet has been provided. The setup consists of a single macrocell and a set of femtocells. The interference power to the macro users from the femto BSs has been kept below a threshold. To find the set of all achievable power-rate tuples, a two-dimensional vector optimization problem is formulated, where we have considered maximizing the sum-rate while minimizing the sum-power, subject to maximum power and interference threshold constraints. This problem is known to be NP-hard. A solution method is provided by using the relationship between the weighted sum-rate maximization and weighted-sum-mean-squared-error minimization problems. The proposed algorithm was used to evaluate the impact of imposing interference threshold constraints and the co-channel deployments in a hetnet. / Tiivistelmä Monen antennin käyttö on perusvaatimus tulevissa langattomissa verkoissa, koska se auttaa lisäämään matkaviestinyhteyksien luotettavuutta ja spektritehokkuutta. Tässä väitöskirjassa tutkitaan konveksiin optimointiin perustuvia radioresurssien allokointimenetelmiä moniantennijärjestelmien alalinkin suunnassa. Ensiksi on käsitelty pääsynvalvonnan ongelmaa alalinkin suuntaan monen solun moni-tulo yksi-lähtö (MISO) -verkoissa. Tavoitteena on maksimoida hyväksyttyjen käyttäjien määrä, kun hyväksytyille käyttäjille on asetettu signaali-häiriö-kohinasuhteen (SINR) rajoitus, ja tukiasemille lähetystehon rajoitus. Pääsynvalvonnan ongelma on muotoiltu ℓ0-minimointiongelmana, jonka tiedetään olevan kombinatorinen, NP-vaikea ongelma. Ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja. Keskitetty optimointialgoritmi perustuu sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Hajautettu algoritmi pohjautuu konsensusoptimointimenetelmään ja sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Ehdotettujen pääsynvalvonta-algoritmien on numeerisesti osoitettu saavuttavan lähes optimaalinen suorituskyky. Lisäksi pääsynvalvontaongelma on laajennettu takaamaan pitkän aikavälin oikeudenmukaisuus käyttäjien välillä. Työssä käytetään erilaisia määritelmiä oikeudenmukaisuuden takaamiseen, ja ehdotetaan dynaamisia algoritmeja pohjautuen Lyapunov-optimointiin. Tulokset osoittavat, että ehdotetuilla algoritmeilla taataan käyttäjien välinen oikeudenmukaisuus. Tämän jälkeen käsitellään heterogeenisen langattoman MISO-verkon pääsynvalvonnan ongelmaa. Edellä ehdotettuja keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja on muokattu tämän ongelman ratkaisemiseksi. Työssä osoitetaan numeerisesti, että sekä keskitetyllä että hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes optimaalinen suorituskyky. Lopuksi on laadittu algoritmi, jolla löydetään kaikki saavutettavissa olevat teho-datanopeusparit heterogeenisessä langattomassa moni-tulo moni-lähtö (MIMO) -verkossa. Verkko koostuu yhdestä makrosolusta ja useasta piensolusta. Piensolutukiasemista makrokäyttäjiin kohdistuvan häiriön teho on pidetty tietyn rajan alapuolella. Kaikkien saavutettavien teho-datanopeusparien löytämiseksi on laadittu kaksiulotteinen vektorioptimointiongelma, jossa maksimoidaan summadatanopeus pyrkien minimoimaan kokonaisteho, kun enimmäisteholle ja häiriökynnykselle on asetettu rajoitukset. Tämän ongelman tiedetään olevan NP-vaikea. Ongelman ratkaisemiseksi käytetään painotetun summadatanopeuden maksimointiongelman, ja painotetun keskineliövirheen minimointiongelman välistä suhdetta. Ehdotettua algoritmia käytettiin arvioimaan häiriörajoitusten ja saman kanavan käyttöönoton vaikutusta heterogeenisessä langattomassa verkossa.

Abstract The next-generation networks are set to support a high data rate, low latency, high reliability, and diverse types of services and use cases. These requirements come at the expense of a more complex network management, and asymmetric and time-varying traffic dynamics. Accordingly, future networks will operate at different duplexing modes and with multiple access techniques. This thesis proposes novel transmission strategies and methodologies to dynamically optimize the duplexing modes and allocate resources for small cell based cellular networks. The first part of the thesis studies dynamic time-division-duplex (TDD) operation in dynamic and asymmetric uplink (UL) and downlink (DL) traffic conditions. In this regard, we propose a dynamic TDD framework that optimizes the UL and DL frame configuration and power allocation. Due to the high interference coupling between neighboring small cells, we propose a load-aware clustering method that groups the small cell base stations (SBSs) based on their spatial and load similarities. To balance the UL and DL loads within each cluster, we study the potential of load-based UL/DL decoupled user association in balancing the traffic loads within clusters. In the second part, we study the problem of half-duplex (HD)/full-duplex (FD) mode selection and UL/DL resource and power optimization in small cell networks. Therein, SBSs operate in non-orthogonal multiple access (NOMA) in both UL and DL to schedule multiple users at the same time-frequency resource. The goal of the study is therefore to select the optimal duplexing and multiple access scheme, based on the traffic load and interference conditions, such that users’ data rates are maximized, while stabilizing traffic queues. Finally, the last part of the thesis looks beyond rate maximization and focuses on ensuring low latency and high reliability in small cell networks providing edge computing services. The problem of distributing wireless resources to users requesting edge computing tasks is cast as a delay minimization problem under stringent reliability constraints. The study investigates the role of proactive computing in ensuring low latency edge computing, while the concept of hedged requests is presented as an enabler for computing service reliability. / Tiivistelmä Seuraavan sukupolven verkot suunnitellaan tukemaan suuria tiedonsiirtonopeuksia, pientä latenssia, erinomaista luotettavuutta ja monentyyppisiä palveluja ja käyttötapauksia. Näiden vaatimusten täyttämisen kääntöpuolena ovat entistä monimutkaisemmat verkonhallintatoiminnot sekä epäsymmetrinen ja ajallisesti muuttuva dataliikenteen dynamiikka. Verkot toimivat tulevaisuudessa eri dupleksointitiloissa hyödyntämällä useita eri liittymätekniikoita. Tässä tutkielmassa ehdotetaan uusia siirtostrategioita ja menetelmiä dupleksointitilojen dynaamista optimointia ja resurssien allokointia varten piensoluperustaisissa solukkoverkoissa. Tutkielman alkuosassa tarkastellaan dynaamisen aikajakodupleksin (TDD) toimintaa dataliikenneympäristöissä, joissa on käytössä dynaaminen ja epäsymmetrinen lähetysyhteys (UL) ja laskeva siirtotie (DL). Ehdotamme tältä osin dynaamista TDD-kehystä, joka optimoi UL- ja DL-kehyksen konfiguroinnin ja tehon allokoinnin. Vierekkäisten pienten solujen välisten kytkösten suuren interferenssin takia ehdotamme kuormituksen huomioivaa klusterointimenetelmää, jossa piensolutukiasemat (SBS) ryhmitellään niiden tilallisten ja kuormitusominaisuuksien yhteneväisyyden perusteella. Tutkimme UL- ja DL-kuormitusten tasapainottamista kussakin klusterissa tarkastelemalla UL/DL-yhteyksistä irti kytketyn, kuormitukseen perustuvan käyttäjän yhdistämisen mahdollisuuksia dataliikennekuormituksen tasapainottamisessa. Tutkielman toisessa osassa tarkastellaan puolidupleksi (HD)- ja kaksisuuntaisen (FD) -tilan valinnan ongelmaa ja UL-/DL-resurssien ja tehon optimointia piensoluverkoissa. Siinä piensolutukiasemat toimivat ei-ortogonaalisessa moniliittymässä (NOMA) sekä UL- että DL-yhteyksissä useiden käyttäjien ajoittamiseksi samalle aika-taajuusresurssille. Tutkielman tavoitteena on siten valita optimaalinen dupleksointi- ja moniliittymäkaavio dataliikenteen kuormituksen ja interferenssin perusteella siten, että käyttäjän tiedonsiirtonopeudet voidaan maksimoida ja dataliikennejonot tasata. Lopuksi tutkielman viimeisessä osassa tarkastellaan tiedonsiirtonopeuden maksimoinnin lisäksi pienen latenssin ja suuren luotettavuuden varmistamista piensoluverkoissa, jotka tuottavat reunalaskentapalveluja. Langattomien resurssien jakelemista käyttäjille, jotka vaativat reunalaskentatehtäviä, käsitellään viiveen minimoinnin ongelmana soveltamalla tiukkoja luotettavuusrajoituksia. Tutkielmassa tarkastellaan proaktiivisen tietojenkäsittelyn roolia pienen latenssin reunalaskennassa.

Abstract With the current technological advancements, stage is being set for new ultra-responsive and robust 5G-enabled applications (e.g., virtual reality, Tactile Internet,…) to deliver critical real-time traffic. The emergence of such critical applications requires new networking models that can handle more connected devices with super high reliability and low latency communications. In the view of these research challenges, this thesis aims to propose new techno-economic models and networking paradigms needed in the redesign of wireless network architectures and protocols to support the connectivity requirements by which operators and users effectively benefit from new opportunities introduced by 5G-enabled applications. In this thesis, new paradigms in wireless network access are presented and analyzed. First, dynamic network architecture (DNA) is introduced, where certain classes of wireless terminals can be turned temporarily into an access point (AP) anytime while connected to the Internet. In this concept, a framework is proposed to optimize different aspects of this architecture. Furthermore, to dynamically reconfigure an optimum topology and adjust it to the traffic variations, a new specific encoding of genetic algorithm (GA) is presented. Then, a distributed user-centric spectrum sharing is developed based on DNA networks to enable user-provided access points pervasively share the unused resources. Next, a flexible cloud-based radio access network (FRAN) is proposed to offload traffic to DNA networks in order to provide low latency communications. In the sequel of the thesis, as a new paradigm, a context-aware resource allocation scheme based on adaptive spatial beamforming and reinforcement learning is proposed. In addition, semi-cognitive radio network (SCRN) as a new spectrum sharing model is developed to improve the utility of primary and secondary owners. / Tiivistelmä Nykyaikaisilla teknologisilla edistysaskeleilla mahdollistetaan uusien 5G-pohjaisien erittäin lyhyen vasteajan ja suuren luotettavuuden sovelluksien ilmestyminen kriittisen reaaliaikaisen informaation välittämiseen (esim. taktiiliset ja virtuaalitodellisuus-sovellukset). Näiden kaltaiset sovellukset vaativat uudenlaisia verkottumismalleja, jotka kykenevät käsittelemään enemmän laitteita suurella toimintavarmuudella ja matalalla latenssilla. Tämä väitöskirja ehdottaa näiden haasteiden valossa uusia teknis-taloudellisia malleja ja verkottumisparadigmoja, joita tarvitaan verkkoarkkitehtuurien ja -protokollien uudelleensuunnittelussa tulevaisuuden sovelluksien tarpeet huomioiden, joiden kautta operaattorit ja käyttäjät voivat hyödyntää tulevien 5G-sovelluksien tuomat mahdollisuudet. Tässä väitöskirjassa esitetään ja analysoidaan uusia paradigmoja langattomaan verkkoliityntään. Ensimmäisenä esitellään dynaaminen verkkoarkkitehtuuri (dynamic network architecture, DNA), missä tietyt langattomat terminaalit voidaan väliaikaisesti muuttaa liityntäpisteiksi milloin vain internetyhteyden ollessa käytettävissä. Tämän konseptin puitteissa ehdotetaan viitekehys sen eri osa-alueiden optimoimiseksi. Tämän lisäksi esitetään uusi spesifinen geneettisen algoritmin (GA) koodaus optimaalisen topologian dynaamiseen konfigurointiin ja sen säätämiseen tietoliikenteen määrän mukaan. Tämän jälkeen esitellään kehitetty hajautettu käyttäjäkeskeinen spektrinjako, joka perustuu DNA-verkkoihin ja joka mahdollistaa käyttämättömien resurssien kokonaisvaltaisen jakamisen käyttäjien kautta. Seuraavaksi työssä ehdotetaan joustavaa pilvipalvelu-pohjaista liityntäverkkoa (flexible cloud-based radio access network, FRAN) käyttäjädatan purkamiseksi DNA-verkoille matalalatenssisen tietoliikenteen tarjoamiseksi. Edellä mainittujen menetelmien seurauksena ehdotetaan uutta paradigmaa: Kontekstiriippuvaista resurssien allokointia perustuen adaptiiviseen spatiaaliseen keilanmuodostukseen ja vahvistusoppimiseen. Näiden lisäksi kehitetään uusi spektrinjakomalli puolikognitiivisille radioverkoille (semi-cognitive radio network, SCRN) ensisijaisien ja toissijaisien käyttäjien utiliteetin parantamiseksi.

Abstract This thesis deals with the pump schedule optimisation of regional water distribution systems. The aims and the possible applications of the presented methods differ from each other; all of them are intended to solve a particular but realistic problem. The developed techniques use the capacity of the water reservoirs in order to find the optimal pump-schedule of the system. The optimisation task is always deterministic and discrete in time; the stochastic behaviour of the water consumptions is approximated by expected values. A so-called neutral genetic algorithm equipped with new constraint handling is presented first. The method is able to solve the scheduling problems of real-size and complex networks, e.g. the network of Budapest with coupled hydraulic simulations where both variable and fixed speed pumps are in the network. The results are compared to other ones obtained by widely used genetic algorithms and state-of-the-art general purpose optimisation solvers. A dynamic programming based method was also carried out which provides the global optimum of the so-called ’combinatorial’ pump scheduling problems. This modelling type is very common in the industry, which can be used if the operation points of the pumps take discrete values. The basic idea of the method is exploiting the ’permutational invariance’ of the model which results in a perfect discretisation of the state space without any loss of information. An approximate dynamic programming technique is also presented which solves the same type of problems as the formerly mentioned genetic algorithm does. The technique splits the water network model into smaller units, namely into the so-called well fields and the main distribution system. The state space of the main distribution system was further decreased while the quality of the results does not decay. A part of the test examples is the same as in the case of the former presented genetic algorithm; thus, the two methods can be compared. Finally, a small water network fed by a single variable speed pump was investigated. The presented methods are based on the minimisation of the specific energy consumption. The gained results are compared to ones obtained using a high-resolution discrete dynamic program. Novel optimisation techniques for water distribution network pump scheduling were developed in this work. A particular focus was put on the dynamics between pumping, water reservoirs, and water use. The work shows the applicability of the approach via numerous realistic simulation case studies. / Tiivistelmä Työ käsittelee alueellisten vedenjakelujärjestelmien pumppauksen aikataulutuksen optimointia. Esitettyjen menetelmien tavoitteet ja mahdolliset sovellukset poikkeavat toisistaan. Kaikki on kuitenkin tarkoitettu tiettyjen todellisten ongelmien ratkaisemiseen. Kehitetyt tekniikat käyttävät vesivarastojen kapasiteettia optimaalisen pumppausohjelman löytämiseksi. Jokainen optimointitehtävä on aikadiskreetti ja deterministinen, vedenkulutuksen stokastista käyttäytymistä on approksimoitu odotusarvoilla. Ensimmäiseksi työssä esitetään ns. neutraaleja geneettisiä algoritmeja varustettuna rajoitusten käsittelyllä. Menetelmällä voidaan ratkaista skedulointiohjelmia reaalimittakaavaisille ja monimutkaisille verkostoille (esim. Budapestin verkosto varustettuna hydraulisilla simuloinneilla, sekä muuttuvanopeuksisilla että vakionopeuksisilla verkoston pumpuilla). Tuloksia verrataan toisiin yleisesti käytössä olevilla geneettisillä algoritmeilla saatuihin, sekä johtavilla yleiskäyttöisillä optimointitekniikoilla saatuihin tuloksiin. Työssä käytettiin myös dynaamiseen ohjelmointiin pohjaavaa menetelmää, jolla saadaan globaali optimi ns. "kombinatoorisille" pumppauksen aikataulutusongelmille. Tällainen mallinnustapa on hyvin yleistä teollisuudessa. Sitä voidaan käyttää, jos pumppujen toimintapisteet saavat diskreettejä arvoja. Menetelmän perusajatuksena on "permutationaalisen invarianssin" hyväksikäyttäminen, josta seuraa tila-avaruuden virheetön diskretointi ilman informaation häviämistä. Työssä esitellään myös approksimoidun dynaamisen ohjelmoinnin tekniikka, jonka avulla voidaan ratkaista samantyyppisiä ongelmia kuin yllämainituilla geneettisillä algoritmeilla. Tämä tekniikka jakaa vesijohtoverkoston mallin pienempiin yksiköihin: lähdekenttiin ja pääjakeluverkostoon. Pääjakeluverkoston tila-avaruutta voitiin edelleen pienentää ilman, että tulosten laatu heikkeni. Osa käsitellyistä esimerkkitapauksista on samoja kuin edellämainittujen geneettisten algoritmien osalla, joten tuloksia voidaan verrata. Lopuksi tutkittiin pienen muuttuvanopeuksisella pumpulla syötetyn vesijohtoverkoston toimintaa. Esitetyt menetelmät perustuvat ominaisenergiankulutuksen minimointiin. Saatuja tuloksia verrataan korkearesoluutioisella diskreetillä dynaamisella ohjelmoinnilla saatuihin tuloksiin. Työssä kehitettiin uusia optimointitekniikoita vedenjakelujärjestelmien pumppauksen aikataulutuksen optimintiin. Erityisesti työssä keskityttiin pumppauksen, vesitornien ja kuluttajien käyttäytymisen väliseen dynamiikkaan. Työssä osoitettiin tekniikoiden toimivuus realististen esimerkkisimulointien avulla. / Kivonat Jelen doktori disszertáció regionális ivóvízellátó-hálózatok üzemvitel-optimalizációjával foglalkozik. A bemutatott módszerek alkalmazhatósági köre rendszerint eltér egymástól, mindegyik egy-egy speciális, de a való életben is előforduló problémára kíván megoldást nyújtani. A kidolgozott módszerek a medencék tárolókapacitását kihasználva, az optimális szivattyú-menetrendet keresve kívánják megtalálni az adott vízműhálózat üzemviteloptimumát. Az optimalizáció egy időben diszkrét, ugyanakkor determinisztikus feladat megoldását igényli, a vízfogyasztások sztochasztikus viselkedését a várható értékekkel közelítettem. Elsőként egy új mellékfeltétel-kezeléssel ellátott, ún. neutrális genetikus algoritmus bemutatása a cél. A kidolgozott módszer alkalmas nagy, valós méretű (pl. Budapest) és bonyolultságú (kapcsolt hidraulikai szimulációk, frekvenciaváltós és direkt szivattyúk a hálózatban) ivóvízhálózatok napi üzemvitel optimalizálására. Az eredményeket más genetikus algoritmusokkal és a világ élvonalába tartozó, de általános célú optimalizációs módszerekkel hasonlítottam össze. Kidolgozásra került egy dinamikus programozás alapú, a valós, globális optimumot adó módszer is. Az algoritmus a gyakorlatban elterjedt, ún. "kombinációs" hálózatként modellezhető vízműhálózat típusokra alkalmazható, ahol a szivattyúk munkapontjai diszkrét értékek. A megoldás alapját az ún. "permutációs invariancia" jelensége adja, mely lehetővé teszi az állapottér információveszteség nélküli, tökéletes diszkretizációját. Egy, a korábban bemutatott genetikus algoritmuséhoz hasonló problémakört megoldó, de közelítő dinamikus programozás alapú módszer is bemutatásra kerül. Az algoritmus a hálózat kisebb részegységekre (víztermelő területekre és fő elosztó hálózatra) való felbontásával és a fő elosztó hálózat állapotterének önkényes, de a megoldás jóságán jelentősen nem rontó csökkentésével éri el a program futtatásához szükséges számítási igény csökkentését. A tesztfeladatok egy része megegyezik a genetikus algoritmus tesztfeladataival, így azok közvetlenül összehasonlíthatóak. Végül bemutatásra kerül egy kisméretű, mindössze egy darab változtatható fordulat- számú szivattyúval táplált rendszer energetikai vizsgálata. Az itt bemutatott módszerek mind a fajlagos energiafelhasználás minimalizálásán alapulnak. Az eredményeket egy nagyfelbontású dinamikus programozás alapú módszerhez hasonlítottam.

Abstract Fading in wireless channels, the limited battery energy available in wireless handsets, the changing user demands and the increasing demand for high data rate and low delay pose serious design challenges in the future generations of mobile communication systems. It is necessary to develop efficient transmission policies that adapt to changes in network conditions and achieve the target delay and rate with minimum power consumption. In this thesis, a number of new paradigms in wireless networks are presented. Dynamic programming tools are used to provide dynamic network stabilizing resource allocation solutions for virtualized data centers with clouds, cooperative networks and heterogeneous networks. Exact dynamic programming is used to develop optimal resource allocation and topology control policies for these networks with queues and time varying channels. In addition, approximate dynamic programming is also considered to provide new sub-optimal solutions. Unified system models and unified control problems are also provided for both secondary service provider and primary service provider cognitive networks and for conventional wireless networks. The results show that by adapting to the changes in queue lengths and channel states, the dynamic policy mitigates the effects of primary service provider and secondary service provider cognitive networks on each other. We investigate the network stability and provide new unified stability regions for primary service provider and secondary service provider cognitive networks as well as for conventional wireless networks. The K-step Lyapunov drift is used to analyse the performance and stability of the proposed dynamic control policies, and new unified stability analysis and queuing bound are provided for both primary service provider and secondary service provider cognitive networks and for conventional wireless networks. By adapting to the changes in network conditions, the dynamic control policies are shown to stabilize the network and to minimize the bound for the average queue length. In addition, we prove that the previously proposed frame based does not minimize the bound for the average delay, when there are shared resources between the terminals with queues. / Tiivistelmä Langattomien kanavien häipyminen, langattomien laitteiden akkujen rajallinen koko, käyttäjien käyttötarpeiden muutokset sekä lisääntyvän tiedonsiirron ja lyhyemmän viiveen vaatimukset luovat suuria haasteita tulevaisuuden langattomien verkkojen suunnitteluun. On välttämätöntä kehittää tehokkaita resurssien allokointialgoritmeja, jotka sopeutuvat verkkojen muutoksiin ja saavuttavat sekä tavoiteviiveen että tavoitedatanopeuden mahdollisimman pienellä tehon kulutuksella. Tässä väitöskirjassa esitetään uusia paradigmoja langattomille tietoliikenneverkoille. Dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään luomaan dynaamisia verkon stabiloivia resurssien allokointiratkaisuja virtuaalisille pilvipalveludatakeskuksille, käyttäjien yhteistyöverkoille ja heterogeenisille verkoille. Tarkkoja dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään kehittämään optimaalisia resurssien allokointi ja topologian kontrollointialgoritmeja näille jonojen ja häipyvien kanavien verkoille. Tämän lisäksi, estimoituja dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään luomaan uusia alioptimaalisia ratkaisuja. Yhtenäisiä systeemimalleja ja yhtenäisiä kontrollointiongelmia luodaan sekä toissijaisen ja ensisijaisen palvelun tuottajan kognitiivisille verkoille että tavallisille langattomille verkoille. Tulokset osoittavat että sopeutumalla jonojen pituuksien ja kanavien muutoksiin dynaaminen tekniikka vaimentaa ensisijaisen ja toissijaisen palvelun tuottajien kognitiivisten verkkojen vaikutusta toisiinsa. Tutkimme myös verkon stabiiliutta ja luomme uusia stabiilisuusalueita sekä ensisijaisen ja toissijaisen palveluntuottajan kognitiivisille verkoille että tavallisille langattomille verkoille. K:n askeleen Lyapunovin driftiä käytetään analysoimaan dynaamisen kontrollointitekniikan suorituskykyä ja stabiiliutta. Lisäksi uusi yhtenäinen stabiiliusanalyysi ja jonon yläraja luodaan ensisijaisen ja toissijaisen palveluntuottajan kognitiivisille verkoille ja tavallisille langattomille verkoille. Dynaamisen algoritmin näytetään stabiloivan verkko ja minimoivan keskimääräisen jonon pituuden yläraja sopeutumalla verkon olosuhteiden muutoksiin. Tämän lisäksi todistamme että aiemmin esitetty frame-algoritmi ei minimoi keskimääräisen viiveen ylärajaa, kun käyttäjät jakavat keskenään resursseja.