Abstract Future multimodal mobile platforms are expected to require high interactivity in their applications and user interfaces. Until now, mobile devices have been designed to remain in a stand-by state until the user actively turns it on in the interaction sense. The motivation for this approach has been battery conservation. Imaging is a versatile sensing modality that can enable context recognition, unobtrusively predicting the user's interaction needs and directing the computational resources accordingly. However, vision-based always-on functionalities have been impractical in battery-powered devices, since their requirements of computational power and energy make their use unattainable for extended periods of time. Vision-based applications can benefit from the addition of interactive stages that, properly designed, can reduce the complexity of the methods utilizing user feedback and collaboration, resulting in a system that balances computational throughput and energy efficiency. The usability of user interfaces critically rests on their latency. However, an always-on sensing platform needs a careful balance with the power consumption demands. Improving reactiveness when designing for highly interactive vision-based interfaces can be achieved by reducing the number of operations that the application processor needs to execute, deriving the most expensive tasks to accelerators or specific processors. In this context, this thesis focuses on investigating and surveying enablers and solutions for vision-based interactivity on mobile devices. The thesis explores the development of new user interaction methods by analyzing and comparing means to reach interactivity, high performance, low latency and energy efficiency. The researched techniques, ranging from mobile GPGPU and dedicated sensor processing to reconfigurable image processors, provide understanding on designing for future mobile platforms. / Tiivistelmä Tulevaisuuden multimodaalisten mobiilialustojen sovellusten ja käyttöliittymien odotetaan vaativan käyttäjältä läheistä vuorovaikutusta. Tähän saakka mobiililaitteet on suunniteltu pysymään valveustilassa siihen asti kunnes käyttäjä aktivoi laitteen. Tällä lähestymistavalla on pyritty pidentämään akun kestoa. Kuvantaminen on monipuolinen aistimodaliteetti, joka mahdollistaa kontekstin tunnistuksen ennakoimalla huomaamattomasti käyttäjän vuorovaikutustarpeet ja suuntaamalla laskennalliset resurssit asianmukaisesti. Näköpohjaiset, jatkuvasti päällä olevat toiminnot ovat kuitenkin epäkäytännöllisiä akkukäyttöisissä laitteissa sillä niiden laskennallisen suoritustehokkuuden ja akun keston vaatimukset tekevät pidemmästä yhtäjaksoisesta käytöstä mahdotonta. Kamerapohjaiset sovellukset voivat hyötyä interaktiivisten vaiheiden lisäämisestä. Oikein suunniteltuina ne vähentävät käyttäjäpalautetta ja -yhteistyötä hyödyntävien menetelmien monimutkaisuutta, joka saattaa laskennallisen suoritustehokkuuden ja energiatehokkuuden tasapainoon. Käyttöliittymien käytettävyys on kriittisesti riippuvainen niiden viiveestä. Jatkuvasti päällä oleva aistiva alusta edellyttää kuitenkin tasapainottelua virrankulutuksen vaatimusten kanssa. Hyvin interaktiivisia kamerapohjaisia käyttöliittymiä suunniteltaessa reaktiivisuuden parantaminen saadaan aikaan vähentämällä prosessorin käsittelemien operaatioiden määrää, johtamalla kuormittavimmat tehtävät kiihdyttimille tai erillisille prosessoreille. Tässä kontekstissa, väitöskirjatutkimus keskittyy tutkimaan ja tarkastelemaan mahdollistajia ja ratkaisuja kamerapohjaiseen vuorovaikutukseen mobiililaitteissa. Väitöskirja tutkii uusien käyttäjäinteraktiomenetelmien kehittämistä vuorovaikutusta, suoritustehoa, alhaista viivettä ja energiatehokkuutta tuottavia keinoja analysoimalla ja vertaamalla. Tutkitut tekniikat mobiilista grafiikkaprosessoreista ja erillis sensoriprosessoinnista uudelleen konfiguroitaviin kuvaprosessoreihin tuovat ymmärrystä tulevaisuuden mobiilien alustojen suunnitteluun.

Abstract Recent advances in wireless communications coupled with the widespread of bandwidthhungry and high-power consuming wireless services as well as the rapid penetration of multimedia-enabled smart handheld devices generate a drastic growth in mobile traffic volume. With these trends, the goals of 5G and beyond wireless communications include energy efficiency, low latency, and low service cost from the user’ perspective as well as spectrum efficiency, revenue increasing, and lower capital and operational cost from the network operators’ point of view. This thesis studies the potential of mobile clouds for improving energy, spectral, and cost efficiency towards the primary goals of 5G networks. Mobile clouds define a promising 5G integrated technology which combines the conventional cellular and shortrange networks into a novel and powerful communication architecture. Mobile clouds can be seen as a flexible and efficient platform for cooperative content delivery, cooperation, resource sharing, and social networks. Research work in this thesis is conducted in two main areas, namely fundamental and applied research on mobile clouds. Fundamental research focuses on cloud formation strategies and cloud maintenance mechanisms. In the applied area, the potential of mobile clouds for content distribution is investigated in both licensed and unlicensed bands. For content distribution using unlicensed band, several cooperative strategies are designed and their efficiency is compared to traditional multicast strategy in terms of energy efficiency, content distribution latency, and users’ quality of experience (QoE). In content distribution over licensed band, spectrum sharing and resource allocation algorithms are considered for multi pair and full-duplex device-to-device (D2D) communications, aiming at improving spectral efficiency and network performance as well as quality of service (QoS) provisioning. In addition, a business model is designed to consider how mobile clouds can reduce the cost of users and operators while improving revenue of operators and increasing users’ satisfaction. The results of this thesis show that mobile clouds technology creates a flexible and efficient platform which can efficiently enhance spectral efficiency, significantly improve energy efficiency and network performance while guaranteeing cost efficiency for users and network operators simultaneously. / Tiivistelmä Langattomassa viestinnässä on viime aikoina saavutettu useita edistysaskeleita samalla kun suurta kaistanleveyttä edellyttävien ja paljon tehoa kuluttavien langattomien palveluiden käyttö on yleistynyt ja multimediatoiminnoilla varustetut älylaitteet ovat vallanneet nopeasti markkinoita. Tämän seurauksena mobiililiikenne on lisääntynyt huomattavasti. Näiden suuntausten valossa langattoman 5G-viestinnän ja sitä seuraavien sukupolvien langattoman viestinnän kehitystavoitteita ovat muun muassa seuraavat: käyttäjän näkökulmasta energiatehokkuus, mahdollisimman lyhyet viiveajat ja palvelun käytöstä aiheutuvien kustannusten edullisuus sekä verkko-operaattorin näkökulmasta spektritehokkuus, tulojen kasvattaminen ja aiempaa matalammat pääoma- ja käyttökustannukset. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan millaisia mahdollisuuksia mobiilipilvet tarjoavat energia-, spektri- ja kustannustehokkuuden parantamiseen ja siten 5G-verkkojen päätavoitteiden saavuttamiseen. Mobiilipilvi on lupaava osa 5G-teknologiaa, jossa perinteiset solukkoverkot ja lyhyen kantaman verkot yhdistyvät aivan uudenlaiseen ja tehokkaaseen tietoliikennearkkitehtuuriin. Mobiilipilvet voidaan nähdä joustavana ja tehokkaana alustana sisällön yhteisjakelulle, yhteistyölle, resurssien jakamiselle ja toiminnalle sosiaalisissa verkoissa. Tätä väitöskirjaa varten on tehty tutkimusta sekä mobiilipilviä koskevan perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen parissa. Perustutkimuksessa keskitytään tarkastelemaan pilvien muodostamisessa käytettäviä strategioita ja pilvien ylläpidossa käytettäviä mekanismeja. Soveltavan tutkimuksen alueella mobiilipilvien tarjoamia sisällön jakelun mahdollisuuksia tarkastellaan sekä luvanvaraisilla että vapaasti käytettävillä kaistoilla. Vapaasti käytettävillä kaistoilla toteutettavaa jakelua varten työssä kehitetään useita yhteistoimintastrategioita, joiden tehokkuutta verrataan perinteiseen monilähetysstrategiaan energiatehokkuuden, sisällön jakelun viiveiden ja käyttäjien kokemuksen laadun (Quality of Experience, QoE) osalta. Luvanvaraisilla kaistoilla toteutettavan sisällön jakelun osalta tarkastellaan moniparisessa ja samanaikaisessa molemminsuuntaisessa laitteiden välisessä viestinnässä (D2D-kommunikaatiossa) käytettäviä spektrin jakamisen ja resurssien allokoimisen algoritmeja, jotta spektritehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä palvelun laatua (Quality of Service, QoS) pystyttäisiin parantamaan. Tämän lisäksi työssä kehitellään liiketoimintamallia, jonka avulla voidaan pohtia, miten mobiilipilvillä voidaan vähentää käyttäjien ja operaattorien kustannuksia ja samalla kasvattaa operaattorien tuloja ja parantaa käyttäjien tyytyväisyyttä. Tämän työn tulokset osoittavat, että mobiilipilviteknologia on joustava ja tehokas alusta, jolla voidaan lisätä olennaisesti spektritehokkuutta, parantaa merkittävästi energiatehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä taata kustannustehokkuus sekä käyttäjien että verkko-operaattorien näkökulmasta.

Abstract Multimedia Internet of Things (MIoT) refers to IP-enabled Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSN) which are used to retrieve, not only scalar data, but also video and audio streams, and still images from the physical environment. Despite the prominent growth in demand of MIoT, several technical challenges still arise when dealing with practical deployments of WMSN. Most technical challenges in MIoT-and IoT in general-are, one way or another, related to the constrained nature of devices. This thesis provides novel contributions towards optimizing the most precious resource of wireless multimedia sensor nodeꟷthe energy. First, the dissertation proposes sleepyCAM power management model, which uses hierarchy in sensor-node architecture to minimize the idle power consumption of a camera node. Second, a prototype is developed to realize the energy saving potential of sleepyCAM in an event driven live video streaming application. Third, a heterogeneous multi-tier WMSN is developed to improve idle power consumption of camera nodes in large scale deployment. It applies hierarchy in sensor-network design, where low-power sensor nodes wake up more energy-consuming multimedia sensor nodes only when needed. A simple power consumption model is also formulated and applied to estimate the battery-life of MIoT devices. Finally, this thesis offers solutions to enhance manageability and service orchestration of WMSN software using container based virtualization, and study their energy implications. The measurement results show that both hierarchy in sensor-node and multi-tier network architecture significantly reduce the idle power consumption of WMSNs. Moreover, the empirical results also indicate that containers add fixed overhead during the boot-up and shutdown phase of the cameras, but nevertheless, have negligible impact during the video streaming session. / Tiivistelmä Multimediakyvykkäällä esineiden internetillä (Multimedia IoT, MIoT) viitataan IP-pohjaisiin langattomiin sensoriverkkoihin, jotka kykenevät perinteisen skalaarisen sensoridatan lisäksi tallentamaan ympäristöstään myös video- ja ääni- ja kuvadataa. Vaikka multimediakyvykkään esineiden internetin tarve kasvaa jatkuvasti useilla alueilla, teknologian kannattavan hyödyntämisen tiellä on vielä useita haasteita. Suurin osa näistä haasteista liittyy tavalla tai toisella esineiden internetin laitteiden rajoitettuun laitteisto- ja energiakapasiteettiin. Tämä väitöskirja esittelee uusia tapoja multimediakyvykkään esineiden internetin energiatehokkuuden parantamiseen, sillä esineiden internetin laitteiden käytettävissä oleva energiakapasiteetti on tyypillisesti erittäin rajallinen. Työn ensimmäisessä vaiheessa kehitettiin hierarkkinen sensorilaitearkkitehtuuri, sleepyCAM, joka tähtää kameralaitteen valmiustilan energiankulutuksen minimointiin herättämällä laitteen enemmän energiaa kuluttavat multimediasensoritoiminnot vain tarvittaessa. Työn seuraavassa vaiheessa sleepyCAM-mallista kehitettiin prototyyppi, jolla tutkittiin mallin energiansäästöpotentiaalia todellisen maailman videovalvontasovelluksessa. Kolmannessa vaiheessa kehitettiin hierarkkinen sensoriverkkoarkkitehtuuri, jossa matalamman energiatason sensorilaitteet herättävät enemmän energiaa kuluttavia multimediasensorilaitteita vain tarvittaessa, mikä parantaa valmiustilan energiatehokkuutta laajemmissa multimediasensoriverkoissa. Työssä kehitettiin myös yksinkertainen energiankulutusmalli multimediakyvykkäiden esineiden internetin laitteiden akunkeston arviointiin. Lopuksi väitöskirjassa tutkittiin multimediasensoriverkon palveluiden hallittavuuden parantamista konttipohjaisella orkestroidulla virtualisoinnilla sekä tutkittiin ratkaisun vaikutuksia energiankulutukseen. Prototyypeillä tehdyt todellisen maailman mittaukset osoittavat, että sekä sleepyCAM että hierarkkinen verkkoarkkitehtuuri vähentävät huomattavasti multimediasensorijärjestelmän kokonaisenergiankulutusta. Tulokset osoittavat myös, että virtualisoinnin käyttö lisää energiankulutusta videosensorilaitteen käynnistyksen ja sammutuksen yhteydessä, mutta videonsiirron aikana konttipohjaisen virtualisoinnin vaikutus energiankulutukseen on olematon.

Abstract High energy prices and new environmental policies have made geothermal energy increasingly popular. The EU, including Finland, aims to increase the use of renewable energy resources and reduce carbon emissions. Geothermal energy pile foundations, so-called energy piles, are considered a viable alternative technology for producing energy instead of traditional methods. Geothermal heat pump systems are economically efficient and renewable environmentally friendly energy production systems in which the ground acts as a heat source in winter and as a heat sink in summer. Energy piles are economical systems, as they act as dual-purpose structures in energy production and load transfer from buildings to the ground, avoiding extra expenses in ground boring solely for energy production. However, use of ground heat exchangers (GHE) for energy production in energy piles can result in temperature variations in the pile shaft and surrounding soil, in turn affecting the thermo-mechanical behaviour of pile shaft and soil in both structural and geotechnical terms. Despite large numbers of energy piles being installed, there is still a lack of reliable information and experience about the thermo-mechanical behaviour of these structures and their energy efficiency in cold climates. This thesis investigated the efficiency performance of energy pile foundations and their productivity in cold climates by considering different groundwater flow effects and short-term imbalanced seasonal thermal loadings. The structural and geotechnical bearing capacity of different types of energy piles fitted with GHEs were also evaluated, using numerical models, and the possibility of collapse due to use of thermal systems was examined. Use of the model to compare the performance of different GHEs in terms of their efficiency revealed that at a particular fluid flow rate, double U-tube systems had greater productivity than other systems tested. The results also indicated that using energy piles under medium groundwater flow can improve the productivity of systems by around 20% compared with saturated conditions with no groundwater flow. It was also concluded that in a design context, the structural bearing capacity of piles needs to be reduced due to the additional thermal stresses induced by heating/cooling pile operations. / Tiivistelmä Kasvaneet energiakustannukset ja kiristyneet ympäristösäädökset ovat lisänneet geotermisten energiaratkaisujen suosiota. EU, mukaan lukien Suomi, on asettanut tavoitteekseen lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä ja vähentää hiilidioksidipäästöjä. Geotermistä energiaa hyödyntävä paaluperustukset, niin kutsutut energiapaalut, tarjoavat uudenlaisen teknologian vähäpäästöisen energian tuottamiseen. Geotermiset lämpöpumppujärjestelmät, maalämpöpumput, ovat taloudellisia ja ympäristöystävällisiä energiantuotantomenetelmiä, jotka talviaikaan siirtävät maaperään varastoitunutta energiaa rakennuksen lämmittämiseen ja vastaavasti jäähdyttävät rakennusta kesällä siirtämällä lämpöä maaperään. Energiapaalujen taloudellisuus syntyy siitä, että ne pystyvät palvelemaan rakennusta kahdessa roolissa. Ne ovat osa rakennuksen energiajärjestelmää ja toimivat samalla myös kantavana rakenteena, joka siirtää rakennuksen kuormia perustuksilta maaperään. Lämpöpumppujärjestelmän kytkeminen paaluihin voi johtaa lämpötilan vaihteluun paaluissa sekä niitä ympäröivässä maaperässä, mikä puolestaan vaikuttaa paalujen ja maaperän lämpömekaanisiin, rakenteellisiin sekä geoteknisiin ominaisuuksiin. Vaikka energiapaaluja on asennettu jo paljon, ei paalujen lämpömekaanisesta käyttäytymisestä tai energiatehokkuudesta kylmien ilmastojen alueilla ole vielä paljoa tutkittua tietoa. Tässä väitöstutkimuksessa selvitettiin numeerisesti energiapaalujen rakennuspaikan pohjaolosuhteista riippuvaa tuottopotentiaalia Skandinaavisissa olosuhteissa ja ilmastossa. Tarkastelut kohdistuivat erityisesti pohjavesivirtauksen sekä vuodenaikojen ja ilman lämpötilan vaihtelun vaikutuksiin. Tutkimuksessa arvioitiin myös paalujen lämpötilan vaihtelujen vaikutuksia paalujen geoteknisiin ja rakenteellisiin ominaisuuksia sekä kestävyyteen. Numeeristen simulaatiotulosten perusteella betonipaaluun asennetun U-putkirakenteen avulla saavutetaan paras tuottopotentiaali. Tulokset osoittivat, että kohtalainen pohjaveden virtaus parantaa systeemin tuottoa noin 20 % verrattuna tilanteeseen, jossa vedellä kyllästetyssä maassa ei tapahdu pohjaveden virtausta. Analyysitulokset osoittavat myös, että paalujen lämpötilavaihteluista aiheutuvat lisäjännitykset vähentävät paalujen kantokykyä, mikä tulee ottaa huomioon paalujen mitoituksessa.

Abstract Wireless sensors play a bigger and bigger role in our everyday life and they have become a part of our life in homes, vehicles, traffic, food production and healthcare, monitoring and controlling our activities. Low-cost and resource-efficient solutions are an essential part of this development. The aim of the study was to develop solutions, which improve the energy efficiency of wireless sensor networks yet still fulfil the requirements of monitoring applications. In the study, five new solutions were developed to save energy in wireless sensor networks and all the solutions were studied and verified with test bed implementations. The developed solutions are: 1. Energy-efficient medium access control (MAC), namely revive MAC (R-MAC) for duty-cycling networks with a long sampling interval (many minutes) 2. Wake-up radio solution for on-demand sampling networks, which uses the main radio as the wake-up transmitter 3. Energy-efficient internet of things (IoT) routing solution for wake-up routing with a routing protocol for low-Power and lossy networks (RPL) 4. Energy-efficient IoT compression solution: robust header compression (ROHC) compression with constrained application protocol (CoAP) 5. Data analysis solution based on an energy-efficient sensor node, where filter clogging is forecast from analysis of the vibration data at the node. All the developed solutions were promising and can be utilized in many domain areas. The solutions can be considered as proofs of concept, which need to be developed further for use in final products. / Tiivistelmä Langattomat sensoreilla on yhä suurempi osuus jokapäiväisessä arjessa, jossa langattomat sensorit ovat tulleet osaksi kodin, autojen, ruuantuotannon sekä terveyden valvonta- ja seurantajärjestelmiä. Oleellisena osana tätä kehitystä ovat sekä edulliset että energia- ja resurssitehokkaat ratkaisut. Työn päämääränä oli kehittää ratkaisuja, jotka parantavat langattoman sensoriverkon energia tehokkuutta niin, että edelleen täytetään monitorointi sovellutusten asettamat vaatimukset. Työssä kehitettiin viisi uutta ratkaisua säästää energiaa langattomissa sensoriverkoissa ja kaikki ratkaisut tutkittiin ja varmennetiin työssä tehdyillä testi alustoilla. Kehitetyt ratkaisut ovat: 1. Energiatehokas alempi siirtoyhteyskerroksen protokolla (medium access control, MAC), nimittäin heräävä MAC (Revive MAC, R-MAC) jaksoittain toimiville (duty-cycling) verkoille, joissa on pitkät mittausvälit (useita minuutteja). 2. Heräteradioratkaisu (wake-up) pyynnöstä toimiville (on-demand) verkoille, joissa pääradiota käytetään heräte signaalin lähettämiseen. 3. Energiatehokas esineiden internetin (Internet of Things, IoT) reititysratkaisu herätereititykseen käyttäen matalatehoisille ja häviöllisille verkoille suunniteltua reititysprotokollaa (Routing protocol for low-Power and Lossy networks, RPL). 4. Energiatehokas IoT-pakkausratkaisu: varmatoiminen otsakkeen pakkausprotokolla (Robust Header Compression, ROHC) yhdessä rajoitettujen sovellusten protokollan (Constrained Application Protocol, CoAP) kanssa. 5. Energiatehokas sensorilaite perusteinen data prosessointi ratkaisu suodattimen tukkeutumisen ennustamiseen värähtelymittauksia käyttäen. Kaikki kehitetyt ratkaisut olivat lupaavia ja niitä voidaan käyttää useilla sovellutusalueilla. Ratkaisut ovat soveltuvuusselvityksiä (proof of concept), joita pitää kehittää edelleen loppu tuotteiden käyttöön.

Abstract The Internet of Things vision proposes a global platform in an unforeseen scale for distributed applications that rely on data provided by interconnected resource-constrained things. In such large-scale systems, centralized control of system operation by a single component through vertical interactions becomes unfeasible. Ideally, decentralized control in the proximity of things enables to take into account the local dynamic resource availability and environmental characteristics that are used to optimize the application execution. To realize decentralization, capabilities for horizontal interactions, that complement the vertical interactions, and for opportunistic participation of things are needed. This thesis explores mobile agent technology to implement distributed Internet of Things applications that benefit from both vertical and horizontal interactions of the application components. First, a resource-oriented reactive mobile agent architecture and a software framework are presented. The framework facilitates RESTful interactions between agents and other system components and provides a REST-based interface to build opportunistic agent-based applications. Two agent platforms are presented that integrate resource-constrained things into the framework as mobile agent hosts. Second, mobile agent based mobile crowdsensing and edge computing applications are evaluated with large-scale simulations and real-world experiments. The results show that energy consumption is decreased in the participating things, in comparison with the existing approaches, by agent-based in-network data processing and control of the thing operation. This thesis makes a valuable contribution by enabling mobile agent operations in a heterogeneous set of resource-constrained things. The presented empirical evidence shows how mobile agent technology increases energy efficiency in distributed application execution. The presented mobile agent architecture and software framework potentially accelerate the utilization of mobile agent technology in the Internet of Things. / Tiivistelmä Esineiden Internet liittää resurssirajoitteiset sulautetut laitteet laajamittaisesti Internet-verkkoon, jossa niiden tuottamaa tietoa hyödynnetään hajautettujen järjestelmien sovelluksissa. Esineiden Internetin järjestelmien odotetaan skaalautuvan niin laajoiksi, ettei keskitetty, vertikaaliseen vuorovaikutukseen perustuva järjestelmähallinta ole enää käyttökelpoinen ratkaisu. Hajautettu hallinta lähellä tietoa tuottavia laitteita tuo etuja, kun paikallisesti sovelluksen suorituksessa otetaan huomioon toimintaympäristön tila ja voidaan reagoida dynaamisesti resurssien saatavuuteen. Hajautus Esineiden Internetin sovellusalustoilla edellyttää menetelmiä sekä laitteiden vertikaaliseen ja horisontaaliseen vuorovaikutukseen, että niiden dynaamisen osallistumisen mahdollistamiseksi sovelluksen suorittamisessa. Tässä työssä tutkittiin mobiiliagentti-teknologiaa hajautettujen sovellusten toteuttamiseen Esineiden Internet-ympäristössä. Työssä esitettiin resurssisuuntautunut arkkitehtuuri reaktiivisille mobiiliagenteille sekä ohjelmistokehys, joita käyttäen voidaan toteuttaa agenttipohjaisia hajautettuja sovelluksia. Ohjelmistokehys perustuu REST-arkkitehtuurimalliin, jonka pohjalta esitettiin yhdenmukainen rajapinta agenttien ja järjestelmäkomponenttien väliseen vuorovaikutukseen. Ohjelmistokehyksen osana toteutettiin kaksi mobiiliagentti-ohjelmistoalustaa resurssirajoitteisille sulautetuille laitteille. Työssä tarkasteltiin mobiiliagentti-pohjaisten Esineiden Internet-sovellusten energiatehokkuutta simuloinneilla sekä tosielämän kokeilla. Tarkastelun kohteeksi valittiin joukkoistettu mobiilihavainnointi sekä reunalaskennan ulottaminen resurssirajoitteisiin laitteisiin. Saadut tulokset osoittavat, että laitteiden energiankulutusta voidaan pienentää verrattuna aiemmin esitettyihin ratkaisuihin hyödyntämällä mobiiliagentteja tiedonkäsittelyyn laitteessa sekä laitteen toiminnan ohjaamiseen. Työssä esitetty resurssisuuntautunut mobiiliagenttiarkkitehtuuri sekä ohjelmistokehys edesauttavat mobiiliagentti-teknologian hyödyntämistä resurssirajoitteisissa sulautetuissa laitteissa. Tosielämän kokeista saadut tulokset osoittavat mobiiliagenttiteknologian hyötyjä hajautettujen sovellusten toteuttamisessa Esineiden Internetiin.

Abstract Energy efficiency is a powerful measure for promoting sustainability in technological evolution and ensuring feasible battery life of end-user devices in mobile computing. Peer-to-peer technology provides decentralized and self-organizing architecture for distributing content between devices in networks that scale up almost infinitely. However, peer-to-peer networking may require lots of resources from peer nodes, which in turn may lead to increased energy consumption on mobile devices. For this reason, peer-to-peer networking has so far been considered unfeasible for mobile environment. This thesis makes several contributions towards enabling energy-aware peer-to-peer networking in mobile environments. First, an empirical study is conducted to understand the energy consumption characteristics of radio interfaces and typical composition of traffic in structured peer-to-peer networks. This is done in order to identify the most essential obstacles for utilizing peer-to-peer technology in mobile environments. Second, the e-Aware model for estimating the energy consumption of a mobile device is developed and empirically verified to achieve 3-21% error in comparison to real-life measurements. Third, the e-Mon model for the energy-aware load monitoring of peer nodes is developed and demonstrated to improve the battery life of mobile peer nodes up to 470%. Fourth, the ADHT concept of mobile agent based virtual peers is proposed for sharing the peer responsibilities between peer nodes in a subnet so that they can participate in a peer-to-peer overlay without compromising their battery life. The results give valuable insight into implementing energy-efficient peer-to-peer systems in mobile environments. The e-Aware energy consumption model accelerates the development of energy-efficient networking solutions by reducing the need for time-consuming iterations between system development and evaluations with real-life networks and devices. The e-Mon load monitoring model facilitates the participation of battery-powered devices in peer-to-peer and other distributed networks by enabling energy-aware load balancing where energy-critical mobile nodes carry less load than other nodes. The ADHT facilitates the participation of constrained-capacity wireless devices, such as machine-to-machine nodes, in a peer-to-peer network by allowing them to sleep for most of their time. / Tiivistelmä Energiatehokkuus on kustannustehokas tapa vähentää päätelaitteiden käytön aiheuttamia kasvihuonepäästöjä sekä parantaa niiden akunkestoa. Vertaisverkkoteknologia tarjoaa hajautetun, itseorganisoituvan, sekä lähes rajattomasti skaalautuvan verkkoarkkitehtuurin päätelaitteiden väliseen tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin suorajakamiseen. Vertaisverkkojen suurin heikkous mobiilikäytön näkökulmasta on niiden päätelaitteille aiheuttama ylimääräinen kuormitus, mikä näkyy lisääntyneenä energiankulutuksena. Tässä väitöskirjassa on tutkittu mekanismeja vertaisverkon päätelaitteiden energiatehokkuuden parantamiseksi, tavoitteena riittävä akunkesto mobiilikäytössä. Aluksi työssä tutkittiin empiirisesti langattomien verkkojen mobiilipäätelaitteille aiheuttamaa energiankulutusta sekä rakenteellisten vertaisverkkojen vertaispäätelaitteille aiheuttamaa liikennekuormitusta. Tavoitteena oli muodostaa käsitys suurimmista haasteista mobiililaitteiden käytölle vertaisverkoissa. Seuraavaksi mobiiliverkkojen energiankulutusta koskevasta havaintoaineistosta muodostettiin energiankulutusmalli, e-Aware, jolla voitiin arvioida mobiilipäätelaitteen energiankulutusta erilaisilla verkon liikenneprofiileilla. Mallilla saavutettiin parhaimmillaan kolmen prosentin keskimääräinen virhe. Kolmannessa vaiheessa kehitettiin energiatietoinen kuormanseurantamalli, e-Mon, jota käyttäen saavutettiin jopa 470 % lisäys mobiilin vertaispäätelaitteen akunkestoon. Viimeisessä vaiheessa kehitettiin ADHT-konsepti, joka on uudentyyppinen tapa jakaa vertaispäätelaitteiden kuormaa usean saman verkkoklusterin päätelaitteen kesken käyttäen laitteesta toiseen kiertävää mobiiliagenttia. Väitöskirjan tulokset osoittavat että mobiililaitteiden energiatehokkuutta vertaisverkoissa pystytään olennaisesti parantamaan energiatietoisia kuormanjakomekanismeja käyttäen. Työssä kehitetty e-Aware nopeuttaa energiatehokkaiden hajautettujen järjestelmien kehitystyötä tarjoamalla tehokkaan työkalun järjestelmän energiankulutuksen arvioimiseen jo kehitysvaiheessa. e-Mon mahdollistaa energiatietoisen kuormanjaon vertaisverkoissa tarjoamalla tarvittavan kuormanseurantamallin. ADHT puolestaan tarjoaa uudenlaisen tavan vähentää vertaisverkkojen aiheuttamaa päätelaitekuormitusta hyödyntäen maksimaalisesti rajoitetun kapasiteetin laitteiden unitilojen käyttöön perustuvaa energiankulutusoptimointia.

Abstract Radio communication is used in increasingly diversified device typologies. Telecommunications with a reduced detrimental impact on health and environment, and an improved cost-efficiency and working lifetime are expected by institutions, end-users, operators and manufacturers. Moreover, with more networks present or more articulated systems, dependability of the entirety is to be ensured. The related need of efficiency in various compartments – such as in the use energy or the radio spectrum – and of effectiveness in adapting to changing operating conditions can be achieved with cognitive features. This dissertation addresses network reconfiguration and dependability by cognitive measures from multiple perspectives – each covered by a respective part of this work – providing guidelines for cognitive networks design. A rationalising view on cognitive networks with related taxonomies and models includes a discussion on the dynamics and interactions in networks operating closely and simultaneously (here, concurrent networks). While cognitive domains are specified for cognitive functions, with a more generic scope control functions are assigned to topological domains. This allows a flexible exploitation of the system design by decoupling the specification of system functions from their mapping onto network devices that will host them. As interaction plays an important role in many topical scenarios, a model for networked engineered cognitive entities comprising four categories (observation, interworking, consolidation, operation) and two levels (a cognitive frontier and a metacognitive hub) is presented here. Its cognitive phases are considered with regard to the other architectural elements. Moving the focus down to the levers for exploitation of context awareness, are presented solutions for efficient use of resources and dependability in general, considering the network dynamics. For communication link and network adaptation, the effective capacity is captured by a compact-form expression also considering imperfections, while learning is exploited for reducing overhead, and collaboration for fairly maximising energy save. / Tiivistelmä Käyttäjät, operaattorit ja laitevalmistajat toivovat tulevilta tietoliikennejärjestelmiltä sekä aiempaa pienempiä haitallisia vaikutuksia terveyteen ja ympäristöön että parannettua kustannustehokkuutta ja toiminta-aikaa. Lisäksi olisi varmistettava useiden verkkojen ja niiden muodostamien monimutkaisten järjestelmien kokonaisuuden luotettava toiminta. Tarvittava tehokkuus energian ja radioresurssien käytössä, samoin kuin kyky sopeutua muuttuviin käyttötilanteisiin, voidaan saavuttaa kognitiivisilla radioteknikoilla. Tämä väitöskirja käsittelee kognitiivisten menetelmien tuomaa radioverkkojen mukauttamista ja luotettavuutta eri näkökulmista. Samalla esitetään kognitiivisten verkkojen suunnittelun periaatteita ja lähtökohtia. Väitöskirja sisältää katsauksen kognitiivisiin radioverkkoihin niihin liittyvine luokitteluineen ja malleineen, sekä tarkastelee samanaikaisesti ja läheisesti toimivien verkkojen (rinnakkaisten verkkojen) dynamiikkaa ja vuorovaikutuksia. Työssä määritetään kognitiiviset lohkot kognitiivisine toimintoineen, kun taas topologiset tasot hallintatoimintoineen määritetään yleisemmin. Tämä mahdollistaa järjestelmäsuunnittelun joustavan hyödyntämisen erottamalla järjestelmän toimintojen määrittelyn toteuttavista verkkolaitteista. Koska vuorovaikutus on merkittävä tekijä useissa sovellusskenaarioissa, verkottuneille keinotekoisille kognitiivisille yksiköille ehdotetaan tässä neljä luokkaa (havainnointi, yhteistoiminta, vakauttaminen, toiminta) sekä kaksi vyöhykettä (kognitiivinen raja-alue ja metakognitiivinen keskus) sisältävää mallia. Mallin kognitiiviset vaiheet käsitellään suhteessa muihin arkkitehtuurin elementteihin. Järjestelmän kontekstitietoisuuden hyväksikäyttöön liittyen esitetään ratkaisuja resurssien tehokkaaseen käyttöön ja yleisemmin luotettavuuteen ottaen huomioon verkkojen dynamiikkaa. Yhteyksien ja verkkojen mukauttamisesta esitetään analyyttinen ratkaisu saavutettavan tehollisen kapasiteetin määrittämiseksi, huomioiden mahdolliset epäideaalisuudet. Kognitiivista oppimista hyödynnetään hallintalikenteen vähentämiseksi ja yhteistyötä energiansäästön maksimoimiseksi verkon alueella tasapuolisesti.

Abstract This thesis considers data transmission in a full-duplex (FD) multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) system, where a FD capable base station (BS) bidirectionally communicates with multiple half-duplex (HD) users in downlink (DL) and uplink (UL) channels using the same radio resources. The main challenge in FD communications is how to deal with the self-interference (SI) between transmit and receive antennas at the BS. The work carried out in the thesis is motivated by recent advanced techniques in hardware design demonstrating that the SI can be suppressed to a degree that possibly allows for FD transmission in cellular networks. In particular, this thesis attempts to explore the potential gains in terms of the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) that can be brought by the FD MU-MIMO model. As the first of its kinds, the thesis aims to present a solid mathematical framework and report interesting results that foster research on wireless communications in general and FD communications in particular. For the FD system of interest the major challenge is due to the SI and co-channel interference from users in the UL channel to the ones in the DL channel, resulting in the coupling between the two channels. As a result we are concerned with the problem of joint transmit processing design to maximize the SE and EE subject to certain power constraints. Since the design problems are natually non-convex, it is difficult to find the globally optimal solutions or even when possible it is not practically appealing. Our contributions to solving these design problems are on the development of several iterative algorithms that can obtain locally optimal solutions. The proposed algorithms are built upon a framework of local optimization strategies such as the sequential parametric convex approximation and the Frank-Wolfe methods. In special cases closed-form designs are also presented. The reported results show that when the SI is sufficiently suppressed the considered FD MU-MIMO system with the proposed SE designs achieves a significantly better SE but consumes more energy, compared to the HD counterpart. In terms of EE the proposed EE scheme is superior to the proposed SE design. Moreover, in the low transmit power region, the EE design achieves a worse EE than the HD system but a better one in the high trasmit power regime when the SI power is low. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee datansiirtoa samanaikaisesti kaksisuuntaisessa (full-duplex, FD) usean käyttäjän moniantennijärjestelmässä (MU-MIMO), jossa FD-kykyinen tukiasema on yhtä aikaa yhteydessä vuorosuuntaisten (half-duplex, HD) käyttäjien kanssa laskevalla (DL) ja nousevalla (UL) siirtotiellä käyttäen samoja radioresursseja. FD-kommunikaation suurin haaste liittyy lähetys- ja vastaanottoantennien välisen omahäiriön (SI) hallintaan. Tässä työssä hyödynnetään tuoreita tutkimustuloksia, joissa edistyneillä häiriönvaimennustekniikoilla on kyetty vaimentamaan omahäiriö tasolle, jolla FD-lähetys solukkoverkoissa on toteutuskelpoista. Tässä työssä tutkitaan etenkin mahdollisia FD MU-MIMO –järjestelmän tuomia suorituskykyparannuksia spektrinkäytön tehokkuudessa (SE) ja energiatehokkuudessa (EE). Väitöskirjalla on uutuusarvoa matemaattisessa suorituskykyarvioinnissa ja työn mielenkiintoiset tulokset edistävät jatkotutkimusta aiheen ympärillä. Tutkittavan FD-järjestelmän merkittävänä haasteena on omahäiriön ja muiden käyttäjien siirtosuuntien välisen samankanavan häiriön yhteisvaikutus, jonka johdosta siirtosuunnat kytkeytyvät toisiinsa. Tämä johtaa lähetysprosessoinnin yhteisoptimointiin, jossa spektri- ja energiatehokkuus pyritään maksimoimaan määritetyillä tehorajoituksilla. Nämä suunnitteluongelmat eivät ole luonteeltaan konvekseja, joten niihin on vaikeaa löytää globaalisti optimaalisia ratkaisuja ja vaikka onnistuisikin niin ne eivät yleensä ole käytännöllisiä. Työssä esitetään useita iteratiivisia algoritmejä, joilla saavutetaan paikallisesti optimaalisia ratkaisuja. Ehdotetut algoritmit pohjautuvat paikallisten optimointistrategioiden viitekehykseen, jossa käytetään esimerkiksi peräkkäistä parametristä konveksiapproksimaatiota ja Frank-Wolfe –menetelmiä. Erityistapauksissa suljetun muodon ratkaisut on myös esitetty. Raportoidut tulokset osoittavat, että omahäiriön ollessa riittävästi vaimennettu mallinnetulla järjestelmällä saavutetaan spektrinkäytön optimointimielessä huomattavaa etua HD-verrokkiin lisääntyneen energian kulutuksen kustannuksella. Energiatehokkuuden optimointiin pohjautuvalla strategialla puolestaan päästään suurempiin suorituskykyetuihin. Pienillä lähetystehoilla energiatehokkuus voi kuitenkin olla HD-järjestelmää alempi, mutta vastaavasti suurten lähetystehojen alueella tilanne on päinvastainen kunhan omahäiriön teho on tarpeeksi alhainen.

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