Abstract This thesis describes the development of a personal machine-to-machine (M2M) healthcare system that is both flexible and scalable. Based on the IPv6 protocol, the system can be used over a low-power wireless personal area network (6LoWPAN). Since a hierarchical network structure offers excellent accessibility, the system is applicable both to local and international healthcare services. To further enhance scalability and reliability, the proposed system combines 6LoWPAN with mobile techniques, depending on whether the sensor is located inside or outside the range of a wireless sensor network (WSN). Employing wearable low-power sensors, the system measures health parameters dynamically. For wireless transmission, these sensors are connected to an M2M node either through the internet or through an external IPv4/IPv6-enabled network. The applicability of the IEEE 802.15.4 and 6LoWPAN protocols to wide area networks were verified in practical tests using an M2M gateway. To assess the physical health of an individual, the system uses heart rate variability analysis in time and frequency domains. Acquired data are first stored on a server for analysis. Results of the analysis are then automatically sent to Android-based mobile devices carried by the individual or appointed healthcare providers. In this way, mobile techniques are used to support remote health monitoring services. This personal M2M healthcare system has the capacity to accurately process a large amount of biomedical signals. Moreover, due to its ability to use mobile technology, the system allows patients to conveniently monitor their own health status, regardless of location. / Tiivistelmä Tutkimuksessa kehitetään henkilökohtainen mobiililaitteden välillä toimiva (M2M) terveydenhoitojärjestelmä, joka mahdollistaa joustavan ja skaalautuvan potilaan terveyden monitoroinnin. Perustuen IPv6-protokollaan, sovellusta voidaan käyttää matalatehoisen langattoman 6LowPAN-verkon yli. Koska hierarkkinen verkkorakenne tarjoaa erinomaisen saavutettavuuden, järjestelmän kapasiteetti riittää paitsi kaupungin sisäisten myös kansainvälisten terveyspalvelujen järjestämiseen. Skaalattavuuden ja luotettavuuden vuoksi ehdotettu järjestelmä yhdistelee 6LowPAN-tekniikkaa mobiiliteknologiaan riippuen siitä onko sensori langattoman sensoriverkon kuuluvuusalueella vai sen ulkopuolella. Puettavia matalatehoisia sensoreita käyttävä järjestelmä kykenee mittaamaan terveysparametreja dynaamisesti. Langatonta siirtoa varten nämä sensorit on kytketty M2M-solmuun joko internetin tai ulkoisen IPv4/IPv6-verkon kautta. Käytännön testeissä IEEE802.15.4- ja 6LowPAN-protokollien soveltaminen laajaverkossa mahdollistettiin tähän soveltuvalla M2M-yhdyskäytävällä. Yksilöiden fyysisen terveyden arvioinnissa järjestelmä käyttää sydämen sykevaihtelun analysointia aika- ja taajuustasossa. Data tallennetaan palvelimelle analysointia varten. Analyysin tulokset lähetetään automaattisesti henkilöiden omiin tai heidän lääkäriensä mobiililaitteisiin. Näin mobiiliteknologiaa käytetään tukemaan terveyden etämonitorointipalveluja. Tämä henkilökohtainen M2M-kommunikointiin perustuva terveydenhoitojärjestelmä kykenee käsittelemään tarkkaan suuriakin määriä 6LowPAN-verkon ja internetin kautta tulevia biolääketieteellisiä signaaleja. Lisäksi kyky käyttää mobiiliteknologiaa tekee järjestelmästä potilaille miellyttävän tavan monitoroida omaa terveydentilaansa sijaintipaikasta riippumatta.

Abstract This thesis examines radio resource management techniques for multicell multi-input single-output (MISO) downlink networks. Specifically, the thesis focuses on developing linear transmit beamforming techniques by optimizing certain quality-of-service (QoS) features, including, spectral efficiency, fairness, and throughput. The problem of weighted sum-rate-maximization (WSRMax) has been identified as a central problem to many network optimization methods, and it is known to be NP-hard. An algorithm based on a branch and bound (BB) technique which globally solves the WSRMax problem with an optimality certificate is proposed. Novel bounding techniques via conic optimization are introduced and their efficiency is illustrated by numerical simulations. The proposed BB based algorithm is not limited to WSRMax only; it can be easily extended to maximize any system performance metric that can be expressed as a Lipschitz continuous and increasing function of the signal-to-interference-plus-noise (SINR) ratio. Beamforming techniques can provide higher spectral efficiency, only when the channel state information (CSI) of users is accurately known. However, in practice the CSI is not perfect. By using an ellipsoidal uncertainty model for CSI errors, both optimal and suboptimal robust beamforming techniques for the worst-case WSRMax problem are proposed. The optimal method is based on a BB technique. The suboptimal algorithm is derived using alternating optimization and sequential convex programming. Through a numerical example it is also shown how the proposed algorithms can be applied to a scenario with statistical channel errors. Next two decentralized algorithms for multicell MISO networks are proposed. The optimization problems considered are: P1) minimization of the total transmission power subject to minimum SINR constraints of each user, and P2) SINR balancing subject to the total transmit power constraint of the base stations. Problem P1 is of great interest for obtaining a transmission strategy with minimal transmission power that can guarantee QoS for users. In a system where the power constraint is a strict system restriction, problem P2 is useful in providing fairness among the users. Decentralized algorithms for both problems are derived by using a consensus based alternating direction method of multipliers. Finally, the problem of spectrum sharing between two wireless operators in a dynamic MISO network environment is investigated. The notion of a two-person bargaining problem is used to model the spectrum sharing problem, and it is cast as a stochastic optimization. For this problem, both centralized and distributed dynamic resource allocation algorithms are proposed. The proposed distributed algorithm is more suitable for sharing the spectrum between the operators, as it requires a lower signaling overhead, compared with centralized one. Numerical results show that the proposed distributed algorithm achieves almost the same performance as the centralized one. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tarkastellaan monisoluisten laskevan siirtotien moniantennilähetystä käyttävien verkkojen radioresurssien hallintatekniikoita. Väitöskirjassa keskitytään erityisesti kehittämään lineaarisia siirron keilanmuodostustekniikoita optimoimalla tiettyjä palvelun laadun ominaisuuksia, kuten spektritehokkuutta, tasapuolisuutta ja välityskykyä. Painotetun summadatanopeuden maksimoinnin (WSRMax) ongelma on tunnistettu keskeiseksi monissa verkon optimointitavoissa ja sen tiedetään olevan NP-kova. Tässä työssä esitetään yleinen branch and bound (BB) -tekniikkaan perustuva algoritmi, joka ratkaisee WSRMax-ongelman globaalisti ja tuottaa todistuksen ratkaisun optimaalisuudesta. Samalla esitellään uusia conic-optimointia hyödyntäviä suorituskykyrajojen laskentatekniikoita, joiden tehokkuutta havainnollistetaan numeerisilla simuloinneilla. Ehdotettu BB-perusteinen algoritmi ei rajoitu pelkästään WSRMax-ongelmaan, vaan se voidaan helposti laajentaa maksimoimaan mikä tahansa järjestelmän suorituskykyarvo, joka voidaan ilmaista Lipschitz-jatkuvana ja signaali-(häiriö+kohina) -suhteen (SINR) kasvavana funktiona. Keilanmuodostustekniikat voivat tuottaa suuremman spektritehokkuuden vain, jos käyttäjien kanavien tilatiedot tiedetään tarkasti. Käytännössä kanavan tilatieto ei kuitenkaan ole täydellinen. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan WSRMax-ongelman ääritapauksiin sekä optimaalinen että alioptimaalinen keilanmuodostustekniikka soveltaen tilatietovirheisiin ellipsoidista epävarmuusmallia. Optimaalinen tapa perustuu BB-tekniikkaan. Alioptimaalinen algoritmi johdetaan peräkkäistä konveksiohjelmointia käyttäen. Numeerisen esimerkin avulla näytetään, miten ehdotettuja algoritmeja voidaan soveltaa skenaarioon, jossa on tilastollisia kanavavirheitä. Seuraavaksi ehdotetaan kahta hajautettua algoritmia monisoluisiin moniantennilähetyksellä toimiviin verkkoihin. Tarkastelun kohteena olevat optimointiongelmat ovat: P1) lähetyksen kokonaistehon minimointi käyttäjäkohtaisten minimi-SINR-rajoitteiden mukaan ja P2) SINR:n tasapainottaminen tukiasemien kokonaislähetystehorajoitusten mukaisesti. Ongelma P1 on erittäin kiinnostava, kun pyritään kehittämään mahdollisimman pienen lähetystehon vaativa lähetysstrategia, joka pystyy takaamaan käyttäjien palvelun laadun. Ongelma P2 on hyödyllinen tiukasti tehorajoitetussa järjestelmässä, koska se tarjoaa tasapuolisuutta käyttäjien välillä. Molempien ongelmien hajautetut algoritmit johdetaan konsensusperusteisen vuorottelevan kertoimien suuntaustavan avulla. Lopuksi tarkastellaan kahden langattoman operaattorin välisen spektrinjaon ongelmaa dynaamisessa moniantennilähetystä käyttävässä verkkoympäristössä. Spektrinjako-ongelmaa mallinnetaan käyttämällä kahden osapuolen välistä neuvottelua stokastisen optimoinnin näkökulmasta. Tähän ongelmaan ehdotetaan ratkaisuksi sekä keskitettyä että hajautettua resurssien allokoinnin algoritmia. Hajautettu algoritmi sopii paremmin spektrin jakamiseen operaattorien välillä, koska se vaatii vähemmän kontrollisignalointia. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetulla hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes sama suorituskyky kuin keskitetyllä algoritmillakin.

Abstract This thesis explored innovative ways to improve estimation of material footprint-type indicators in application of Input-Output (IO) analysis to Material Flow Accounting. The following six research questions were addressed: 1) What is the potential impact of sector aggregation in IO modelling of raw material flows? Modelling errors due to aggregation of industries with dissimilar material requirements and trade structures into a single sector in IO models when calculating the material footprint were empirically analysed relative to greenhouse gas emissions. Significant biases emerged for raw material flows, which suggests that care should be taken when aggregating extractive sectors in IO models. 2) Can bottom-up approaches, such as LCA (Life Cycle Assessment), improve estimation of the raw materials embodied in trade products? and 3) What are the implications of integration of country-specific information from high geographical coverage IO models into LCA approaches for calculation of raw material embodied in trade products? An approach for combining country-specific production blueprints with LCA based on regional averages was developed. This approach proved useful in refining estimates of upstream raw materials embodied in trade products, although care is needed during its application since new biases may arise. 4) Can further perspectives be gained with a new allocation method, the ‘value added-based material footprint’, which assigns supply chain-wide raw material extractions to each participating economic actor according to its added value generation, contributing to discussions on the distribution of mitigation costs? Certain countries and sectors were found to be more material-intensive with this new accounting approach than in other widely known allocation methods, e.g. consumer footprint. 5) Are there unequal exchanges between high-income economies and middle- and lower-income countries when measured in terms of raw material and value added flows? and 6) Could integration of local and global IO data provide useful insights to study presence/absence of unequal material exchange at sub-national level? A study of material flows at inter- and intra-national level demonstrated that a regional economy can play a twofold role, both as sink or source of raw materials and in value added, depending on its position in the global economic hierarchy. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkittiin innovatiivisia tapoja, joilla voitaisiin parantaa materiaalijalanjälki -tyyppisten indikaattoreiden käytettävyyttä panos-tuotos (Input-Output, IO) -analyysissa, kun niitä sovelletaan Materiaalivirta-analyysi (Material Flow Accounting, MFA) -metodiin. Seuraaviin tutkimuskysymyksiin haettiin vastauksia: 1) Mikä on sektorien yhdistämisen potentiaalinen vaikutus raaka-ainevirtojen IO-mallintamisessa ja miten poikkeamia voidaan estää? Tämän puitteissa tarkasteltiin mallinnusvirheitä, jotka johtuvat erilaisten toimialojen yhdistämisistä yhdeksi sektoriksi. 2) Voivatko alhaalta ylöspäin suuntautuvat lähestymistavat, kuten elinkaariarviointi parantaa tuotteisiin sisältyvien raaka-ainevirtojen arviointia? ja 3) Mitä vaikutuksia on laajan maantieteellisen kattavuuden IO-malleihin sisältyvien maakohtaisten tietojen yhdistämisestä LCA-pohjaisiin lähestymistapoihin, kun tavoitteena on laskea tuotteisiin sisältyviä raaka-ainemääriä? Tämän tutkimista varten kehitettiin lähestymistapa, joka yhdisti maakohtaiset tuotantosuunnitelmat ja elinkaariarvioinnin. Tämä lähestymistapa osoittautui hyödylliseksi tarkentamalla arvioita tuotteissa olevista raaka-aineista, vaikkakin sen soveltaminen edellyttää varovaisuutta, koska uusia vääristymiä voi syntyä. 4) Voidaanko uusia näkökulmia löytää uudella arvonlisäykseen perustuvalla allokointimenetelmällä, joka jakaa raaka-aineen louhinnan kullekin toimintaketjun osallistuvalle taloudelliselle toimijalle lisäarvon tuotannon mukaan? Tämän uuden kirjanpitomenetelmän mukaan jotkut maat ja alat ovat materiaali-intensiivisempiä kuin niitä on pidetty kulutuksen jalanjälkiallokointimenetelmien perusteella. 5) Onko korkean tulotason talouksien ja keskitasoiselle ja alhaiselle tulotasolle asettuvien maiden välillä epätasaisia vaihtoja, kun raaka-ainekulutusta ja arvonlisäystä mitataan? ja 6) Voisiko paikallisten ja globaalien IO-tietojen integrointi antaa hyödyllisiä näkökulmia tutkimukseen, joka tarkastelee epätasaisen aineenvaihdon esiintymistä tai puuttumista alueellisella tasolla? Materiaalivirtojen tutkiminen kansainvälisellä ja kansallisella tasolla, jossa yhdistettiin IO-tietokannat erilaisella maantieteellisellä resoluutiolla osoitti, että alueellisella taloudella voi olla kaksoisrooli sekä raaka-aineiden että arvonlisäyksen lähteenä tai nieluna riippuen sen asemasta globaalissa taloushierarkiassa.