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

Abstract The current Internet of Things solutions for simple measurement and monitoring tasks are evolving into ubiquitous sensor networks that are constantly observing both our well being and the conditions of our living environment. The oncoming omnipresent wireless infrastructure is expected to feature artificial intelligence capabilities that can interpret human actions, gestures and even needs. All of this will require processing power on a par with and energy efficiency far beyond that of the current mobile devices. The current Internet of Things devices rely mostly on commercial low power off-the-shelf micro-controllers. Optimized solely for low power, while paying little attention to computing performance, the present solutions are far from achieving the energy efficiency, let alone, the compute capability requirements of the future Internet of Things solutions. Since this domain is application specific by nature, the use of general purpose processors for signal processing tasks is counterintuitive. Instead, dedicated accelerator based solutions are more likely to be able to meet these strict demands. This thesis proposes one potential solution for achieving the necessary low energy, as well as the flexibility and performance requirements of the Internet of Things domain in a cost effective manner using reconfigurable heterogeneous processing solutions. A novel graphics processing unit-style accelerator for the Internet of Things application domain is presented. Since the accelerator can be reconfigured, it can be used for most applications of the Internet of Things domain, as well as other application domains. The solution is assessed using two computer vision applications, and is demonstrated to achieve an excellent combination of performance and energy efficiency. The accelerator is designed using an efficient and rapid co-design flow of software and hardware, featuring ease of development characteristics close to commercial off-the-shelf solutions, which also enables cost-efficient design flow. / Tiivistelmä Esineiden internet tulee muuttamaan tulevaisuudessa elinympäristömme täysin. Se tulee mahdollistamaan interaktiiviset ympäristöt nykyisten passiivisten ympäristöjen sijaan. Lisäksi elinympäristömme tulee reagoimaan tekoihimme ja puheeseemme sekä myös tunteisiimme. Tämä kaikkialla läsnä olevan langaton infrastruktuuri tulee vaatimaan ennennäkemätöntä laskentatehokkuutta yhdistettynä äärimmäiseen energiatehokkuuteen. Nykyiset esineiden internet ratkaisut nojaavat lähes täysin kaupallisiin "suoraan hyllyltä" saataviin yleiskäyttöisiin mikrokontrollereihin. Ne ovat kuitenkin optimoituja pelkästään matalan tehonkulutuksen näkökulmasta, eivätkä niinkään energiatehokkuuden, saati tulevaisuuden esineiden internetin vaatiman laskentatehon suhteen. Kuitenkin esineiden internet on lähtökohtaisesti sovelluskohtaista laskentaa vaativa, joten yleiskäyttöisten prosessoreiden käyttö signaalinkäsittelytehtäviin on epäloogista. Sen sijaan sovelluskohtaisten kiihdyttimien käyttö laskentaan, todennäköisesti mahdollistaisi tavoitellun vaatimustason saavuttamisen. Tämä väitöskirja esittelee yhden mahdollisen ratkaisun matalan energian kulutuksen, korkean suorituskyvyn ja joustavuuden yhdenaikaiseen saavuttamiseen kustannustehokkaalla tavalla, käyttäen uudelleenkonfiguroitavia heterogeenisiä prosessoriratkaisuja. Työssä esitellään uusi grafiikkaprosessori-tyylinen uudelleen konfiguroitava kiihdytin esineiden internet sovellusalueelle, jota pystytään hyödyntämään useimpien laskentatehoa vaativien sovellusten kanssa. Ehdotetun kiihdyttimen ominaisuuksia arvioidaan kahta konenäkösovellusta esimerkkinä käyttäen ja osoitetaan sen saavuttavan loistavan yhdistelmän energia tehokkuutta ja suorituskykyä. Kiihdytin suunnitellaan käyttäen tehokasta ja nopeaa ohjelmiston ja laitteiston yhteissuunnitteluketjua, jolla voidaan saavuttaa lähestulkoon kaupallisten "suoraan hyllyltä" saatavien prosessoreiden kehitystyön helppous, joka puolestaan mahdollistaa kustannustehokkaan kehitys- ja suunnittelutyön.

Abstract At the heart of the smart space vision is the idea that devices interoperate with each other autonomously to assist people in their everyday activities. In order to make this vision a reality, it is important to achieve semantic-level interoperability between devices. The goal of this dissertation is to enable Semantic Web technology-based interoperability in smart spaces. There are many challenges that need to be solved before this goal can be achieved. In this dissertation, the focus has been on the following four challenges: The first challenge is that the Semantic Web technologies have neither been designed for sharing real-time data nor large packets of data such as video and audio files. This makes it challenging to apply them in smart spaces, where it is typical that devices produce and consume this type of data. The second challenge is the verbose syntax and encoding formats of Semantic Web technologies that make it difficult to utilise them in resource-constrained devices and networks. The third challenge is the heterogeneity of smart space communication technologies that makes it difficult to achieve interoperability even at the connectivity level. The fourth challenge is to provide users with simple means to interact with and configure smart spaces where device interoperability is based on Semantic Web technologies. Even though autonomous operation of devices is a core idea in smart spaces, this is still important in order to achieve successful end-user adoption. The main result of this dissertation is a semantic interoperability framework, which consists of following individual contributions: 1) a semantic-level interoperability architecture for smart spaces, 2) a knowledge sharing protocol for resource-constrained devices and networks, and 3) an approach to configuring Semantic Web-based smart spaces. The architecture, protocol and smart space configuration approach are evaluated with several reference implementations of the framework components and proof-of-concept smart spaces that are also key contributions of this dissertation. / Tiivistelmä Älytilavision ydinajatuksena on, että erilaiset laitteet tuottavat yhteistyössä ihmisten elämää helpottavia palveluita. Vision toteutumisen kannalta on tärkeää saavuttaa semanttisen tason yhteentoimivuus laitteiden välillä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on mahdollistaa semanttisen webin teknologioihin pohjautuva yhteentoimivuus älytilan laitteiden välillä. Monenlaisia haasteita täytyy ratkaista, ennen kuin tämä tavoite voidaan saavuttaa. Tässä työssä keskityttiin seuraaviin neljään haasteeseen: Ensimmäinen haaste on, että semanttisen webin teknologioita ei ole suunniteltu reaaliaikaiseen kommunikaatioon, eivätkä ne sovellu isojen tiedostojen jakamiseen. Tämän vuoksi on haasteellista hyödyntää niitä älytiloissa, joissa laitteet tyypillisesti jakavat tällaista tietoa. Toinen haaste on, että semanttisen webin teknologiat perustuvat syntakseihin ja koodausformaatteihin, jotka tuottavat laitteiden kannalta tarpeettoman pitkiä viestejä. Tämä tekee niiden hyödyntämisestä hankalaa resurssirajoittuneissa laitteissa ja verkoissa. Kolmas haaste on, että älytiloissa hyödynnetään hyvin erilaisia kommunikaatioteknologioita, minkä vuoksi jopa tiedonsiirto laitteiden välillä on haasteellista. Neljäs haaste on tarjota loppukäyttäjälle helppoja menetelmiä sekä vuorovaikutukseen semanttiseen webiin pohjautuvien älytilojen kanssa että tällaisen älytilan muokkaamiseen käyttäjän tarpeiden mukaiseksi. Vaikka laitteiden itsenäinen toiminta onkin älytilojen perusajatuksia, tämä on kuitenkin tärkeää teknologian hyväksymisen ja käyttöönoton kannalta. Väitöskirjan päätulos on laitteiden semanttisen yhteentoimivuuden viitekehys, joka koostuu seuraavista itsenäisistä kontribuutioista: 1) semanttisen tason yhteentoimivuusarkkitehtuuri älytiloille, 2) tiedonjakoprotokolla resurssirajoittuneille laitteille ja verkoille sekä 3) menetelmä semanttiseen webiin pohjautuvien älytilojen konfigurointiin. Näiden kontribuutioiden evaluointi suoritettiin erilaisten järjestelmäkomponenttien referenssitoteutuksilla ja prototyyppiälytiloilla, jotka kuuluvat myös väitöskirjan keskeisiin kontribuutioihin.

Abstract The concept of the Internet of Things (IoT) is driven by advancements of the Internet with the interconnection of heterogeneous smart objects using different networking and communication technologies. Among many underlying networking technologies for the IoT, Wireless Sensor Network (WSN) technology has become an integral building block. IoT enabled sensor networks provide a wide range of application areas such as smart homes, connected healthcare, smart cities and various solutions for the manufacturing industry. The integration of WSNs in IoT will also create new security challenges for establishing secure channels between low power sensor nodes and Internet hosts. This will lead to many challenges in designing new key establishment and authentication protocols and redefining the existing ones. This dissertation addresses how to integrate lightweight key management and authentication solutions in the resource constrained sensor networks deployed in IoT domains. Firstly, this thesis elaborates how to exploit the implicit certificates to initiate secure End-to-End (E2E) communication channels between the resource constrained sensor nodes in IoT networks. Implicit certificates are used for authentication and key establishment purposes. The compliance of the security schemes is proven through performance evaluations and by discussing the security properties. Secondly, this dissertation presents the design of two lightweight group key establishment protocols for securing group communications between resource-constrained IoT devices. Finally, the thesis explores promising approaches on how to tailor the existing security protocols in accordance with IoT device and network characteristics. In particular, variants of Host Identity Protocol (HIP) are adopted for constructing dynamic and secure E2E connections between the heterogeneous network devices with imbalanced resource profiles and less or no previous knowledge about each other. A solutions called Collaborative HIP (CHIP) is proposed with an efficient key establishment component for the high resource-constrained devices on the IoT. The applicability of the keying mechanism is demonstrated with the implementation and the performance measurements results. / Tiivistelmä Esineiden internet (IoT) on viime aikoina yleistynyt konsepti älykkäiden objektien (smart objects) liittämiseksi internetiin käyttämällä erilaisia verkko- ja kommunikaatioteknologioita. Olennaisimpia esineiden internetin pohjalla toimivia teknologioita ovat langattomat sensoriverkot (WSN), jotka ovat esineiden internetin perusrakennuspalikoita. Esineiden internetiin kytketyt langattomat sensoriverkot mahdollistavat laajan joukon erilaisia sovelluksia, kuten älykodit, etäterveydenhuollon, älykkäät kaupungit sekä älykkäät teollisuuden sovellukset. Langattomien sensoriverkkojen ja esineiden internetin yhdistäminen tuo mukanaan myös tietoturvaan liittyviä haasteita, sillä laskentateholtaan yleensä heikot anturit ja toimilaitteet eivät kykene kovin vaativiin tietoturvaoperaatioihin, joihin lukeutuvat mm. tietoturva-avaimen muodostus ja käyttäjäntunnistus. Tässä väitöskirjassa pyritään vastaamaan haasteeseen käyttämällä kevyitä avaimenmuodostus- ja käyttäjäntunnistusratkaisuja esineiden internetiin kytketyissä resurssirajoitetuissa sensoriverkoissa. Väitöstutkimuksessa keskitytään aluksi implisiittisten sertifikaattien käyttöön tietoturvallisten end-to-end-kommunikaatiokanavien alustamisessa resurssirajoitettujen sensori- ja muiden IoT-laitteiden välillä. Implisiittisiä sertifikaatteja käytetään käyttäjäntunnistuksessa sekä avaimenmuodostuksessa. Kehitettyjen ratkaisujen soveltuvuus tarkoitukseen osoitetaan suorituskykymittauksilla sekä vertaamalla niiden tietoturvaomi- naisuuksia. Seuraavaksi väitöskirjassa esitellään kaksi kevyttä ryhmäavaimenmuodostus- protokollaa tietoturvalliseen ryhmäkommunikaatioon resurssirajoitettujen IoT-laitteiden välillä. Lopuksi väitöskirjassa tarkastellaan lupaavia lähestymistapoja olemassa olevien tietoturvaprotokollien räätäläintiin IoT-laitteiden ja -verkkojen ominaisuuksille sopiviksi. Erityistä huomiota kiinnitetään Host Identity -protokollan (HIP) eri versioiden käyttöön dynaamisten ja tietoturvallisten end-to-end-yhteyksien luomiseen toisilleen ennestään tuntemattomien erityyppisten IoT-laitteiden välillä, joiden laitteistoresurssiprofiilit voivat olla hyvin erilaiset. Väitöskirjan keskeinen tulos on väitöskirjatyössä kehitetty Colla- borative HIP (CHIP) -protokolla, joka on resurssitehokas avaimenmuodostusteknologia resurssirajoitetuille IoT-laitteille. Kehitetyn teknologian soveltuvuutta tarkoitukseensa demonstroidaan prototyyppitoteutuksella tehtyjen suorituskykymittausten avulla.

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.