Abstract Knowledge discovery (KD) technology is used to extract knowledge from large quantities of digital data in an automated fashion. The established process model represents the KD process in a linear and technology-centered manner, as a sequence of transformations that refine raw data into more and more abstract and distilled representations. Any actual KD process, however, has aspects that are not adequately covered by this model. In particular, some of the most important actors in the process are not technological but human, and the operations associated with these actors are interactive rather than sequential in nature. This thesis proposes an augmentation of the established model that addresses this neglected dimension of the KD process. The proposed process model is composed of three sub-models: a data model, a workflow model, and an architectural model. Each sub-model views the KD process from a different angle: the data model examines the process from the perspective of different states of data and transformations that convert data from one state to another, the workflow model describes the actors of the process and the interactions between them, and the architectural model guides the design of software for the execution of the process. For each of the sub-models, the thesis first defines a set of requirements, then presents the solution designed to satisfy the requirements, and finally, re-examines the requirements to show how they are accounted for by the solution. The principal contribution of the thesis is a broader perspective on the KD process than what is currently the mainstream view. The augmented KD process model proposed by the thesis makes use of the established model, but expands it by gathering data management and knowledge representation, KD workflow and software architecture under a single unified model. Furthermore, the proposed model considers issues that are usually either overlooked or treated as separate from the KD process, such as the philosophical aspect of KD. The thesis also discusses a number of technical solutions to individual sub-problems of the KD process, including two software frameworks and four case-study applications that serve as concrete implementations and illustrations of several key features of the proposed process model. / Tiivistelmä Tiedonlouhintateknologialla etsitään automoidusti tietoa suurista määristä digitaalista dataa. Vakiintunut prosessimalli kuvaa tiedonlouhintaprosessia lineaarisesti ja teknologiakeskeisesti sarjana muunnoksia, jotka jalostavat raakadataa yhä abstraktimpiin ja tiivistetympiin esitysmuotoihin. Todellisissa tiedonlouhintaprosesseissa on kuitenkin aina osa-alueita, joita tällainen malli ei kata riittävän hyvin. Erityisesti on huomattava, että eräät prosessin tärkeimmistä toimijoista ovat ihmisiä, eivät teknologiaa, ja että heidän toimintansa prosessissa on luonteeltaan vuorovaikutteista eikä sarjallista. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan vakiintuneen mallin täydentämistä siten, että tämä tiedonlouhintaprosessin laiminlyöty ulottuvuus otetaan huomioon. Ehdotettu prosessimalli koostuu kolmesta osamallista, jotka ovat tietomalli, työnkulkumalli ja arkkitehtuurimalli. Kukin osamalli tarkastelee tiedonlouhintaprosessia eri näkökulmasta: tietomallin näkökulma käsittää tiedon eri olomuodot sekä muunnokset olomuotojen välillä, työnkulkumalli kuvaa prosessin toimijat sekä niiden väliset vuorovaikutukset, ja arkkitehtuurimalli ohjaa prosessin suorittamista tukevien ohjelmistojen suunnittelua. Väitöskirjassa määritellään aluksi kullekin osamallille joukko vaatimuksia, minkä jälkeen esitetään vaatimusten täyttämiseksi suunniteltu ratkaisu. Lopuksi palataan tarkastelemaan vaatimuksia ja osoitetaan, kuinka ne on otettu ratkaisussa huomioon. Väitöskirjan pääasiallinen kontribuutio on se, että se avaa tiedonlouhintaprosessiin valtavirran käsityksiä laajemman tarkastelukulman. Väitöskirjan sisältämä täydennetty prosessimalli hyödyntää vakiintunutta mallia, mutta laajentaa sitä kokoamalla tiedonhallinnan ja tietämyksen esittämisen, tiedon louhinnan työnkulun sekä ohjelmistoarkkitehtuurin osatekijöiksi yhdistettyyn malliin. Lisäksi malli kattaa aiheita, joita tavallisesti ei oteta huomioon tai joiden ei katsota kuuluvan osaksi tiedonlouhintaprosessia; tällaisia ovat esimerkiksi tiedon louhintaan liittyvät filosofiset kysymykset. Väitöskirjassa käsitellään myös kahta ohjelmistokehystä ja neljää tapaustutkimuksena esiteltävää sovellusta, jotka edustavat teknisiä ratkaisuja eräisiin yksittäisiin tiedonlouhintaprosessin osaongelmiin. Kehykset ja sovellukset toteuttavat ja havainnollistavat useita ehdotetun prosessimallin merkittävimpiä ominaisuuksia.

Abstract The Finnish notion of academic, scientific, research-based teacher education has become a frequently referred to idea within the Finnish educational discourses of research, policy, curriculum and practice. This study examines the current discourse of research based teacher education since its emergence during the 1970s reform that ‘scientized’ teacher education. Drawing on Foucauldian approaches of genealogy and governmentality studies, the purpose of this study is to explore the current presence of ‘research’ in Finnish teacher education and consider the effects of the ways in which the notion of research is mobilised in the discourse. The research questions are: 1. How are teacher subjectivities and notions of research constructed, assembled and mobilised in the discourse of research-based teacher education in Finland? 2. What social ideals circumscribe the aspirations for teachers as researchers and research-based teacher education in Finland? The analysis is carried out on academic publications that have been published on Finnish research-based teacher education. The findings, first, point to the discursive insertion of research into Finnish teacher education as a strategy through which to fabricate the teacher as autonomous and as emancipated from tradition. Secondly, the analysis addresses how an array of different significations of research are mobilised in the governing of the teacher as researcher. Thirdly, the analysis draws attention to the Lutheran Protestant legacy of the tradition of Bildung that has influenced the weak incentive for social and political orientations in Finnish teacher education. The effects of a scientific approach to teacher education are visible in the ways research-based teacher education comes to evoke specific teacher inner qualities and dispositions that are aligned with humanist aspirations and ideals for education and social progress. The study provides an alternative way for perceiving of and problematizing research-based teacher education as well as of the often uneasy relationship between teacher training and the university. In this way, the study attempts to complicate conversations and open up alternative ways of engaging with academic knowledge and practices in teacher education curriculum and research. / Tiivistelmä Suomalaista kasvatusta koskevissa tutkimuksen, poliittisten linjausten, opetussuunnitelmien ja käytänteiden diskursseissa viitataan usein akateemiseen, tieteelliseen, tutkimusperustaiseen opettajankoulutukseen. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan 1970-luvun tieteellistämisuudistuksen käynnistämää, nykymuotoisen tutkimusperustaisen opettajankoulutuksen diskurssia. Tutkimus ammentaa foucault’laisista genealogian ja hallinnan tutkimuksen lähestymistavoista. Tutkimustehtävänä on tarkastella “tutkimuksen” ilmenemismuotoja nykyisessä suomalaisessa opettajankoulutuksessa sekä näiden diskursiivisia vaikutuksia. Tutkimuskysymykset ovat: 1. Millä tavoin opettajasubjektiviteetit ja käsitykset “tutkimuksesta” rakentuvat, mobilisoituvat ja asettuvat toisiinsa nähden tutkimusperustaisen opettajankoulutuksen diskurssissa Suomessa? 2. Millaiset yhteiskunnalliset ihanteet määrittävät suomalaisen opettajankoulutuksen pyrkimyksiä kohti tutkivaa opettajuutta ja tutkimusperustaista opettajankoulutusta? Tutkimuksessa analysoidaan akateemisia julkaisuja suomalaisesta tutkimusperustaisesta opettajankoulutuksesta. Tutkimustulokset osoittavat “tutkimuksen” ilmentymisen suomalaisessa opettajankoulutuksessa strategiana, jonka kautta tuotetaan autonomisia opettajasubjekteja ja emansipoidaan opettaja tradition vallasta. Toiseksi analyysi tuo näkyviin, millä tavoin “tutkimuksen” eri merkitykset tulevat valjastetuiksi tutkivan opettajan hallinnassa. Kolmanneksi analyysi kiinnittää huomiota luterilaisen protestantismin vaikutuksiin sivistysajattelussa, mikä selittää suomalaisen opettajankoulutuksen heikkoa yhteiskunnallista ja poliittista orientaatiota. Tieteellisen lähestymistavan vaikutukset opettajankoulutukseen ilmenevät siinä, miten tutkimusperustainen opettajankoulutus tulee herättäneeksi opettajan sisäisiä ominaisuuksia ja mielenlaatuja, joita määrittävät humanistiset ideaalit kasvatuksesta ja yhteiskunnallisesta edistyksestä. Tutkimus tarjoaa vaihtoehtoisen tavan hahmottaa ja kyseenalaistaa tutkimusperustaista opettajankoulutusta sekä opettajankoulutuksen ja yliopiston usein ongelmallista suhdetta. Näinollen tutkimus pyrkii syventämään keskusteluja ja avaamaan vaihtoehtoisia tapoja tarkastella akateemista tietoa ja käytänteitä niin opettajankoulutuksen opetussuunnitelman kuin tutkimuksen osalta.

Abstract During the past few decades in Finland, the growth of wolf (Canis lupus) and wild forest reindeer (Rangifer tarandus fennicus lönnb.) populations has created modern human-wildlife conflicts, of which the wolf conflict has expanded from a local to the EU level. The conflicts have emerged between local people and species but also between different stakeholders concerning methods of management and especially concerning the role of hunting in wolf management. The aim of this thesis is to make such conflicts more transparent and understandable. This thesis also provides suggestions regarding the governance of the conflicts. Wolf conflict data is based on a semi-structured questionnaire distributed among interest groups and open hearings among local people throughout Finland during 2004. The data of the wild forest reindeer conflict is based on a questionnaire answered by farmers in the Suomenselkä area. Methodologically, qualitative as well as quantitative tools are used. The scientific approach of this thesis is animal geography. The conflict in wild forest reindeer management is predicted by biology of species, by damages occurring in farming though also social predictors can be found. However, the conflict is solvable in nature. The wolf conflict is an example of one of the multifaceted human-wildlife conflicts where complex socioeconomical challenges are connected to each other at a local level. The specific biological abilities, the negative image of wolves and fear among people are of concern in this matter. In the society the conflict appears mostly trough stakeholders’ contradictory goals. However, the predictors of conflict between stakeholders became better understood through spatial and cultural contexts. Especially hunting developed by local elements and conservation having a non-local background, have clashed with the wolf being the major bone of contention. The wolf conflict can be defined as insolvable by nature, where the understanding of this is the key of management and mitigation processes. Because no final solution is in sight, despite constant management efforts, adaptive and learning processes are needed. / Tiivistelmä Susi on palannut Suomen eri maakuntiin 1990-luvun aikana ja muodostanut kehittyvän populaation. Sen kannan hoito on muuttunut ristiriitaiseksi kannan kasvun myötä. Konflikti siirtyi 2000-luvun alussa erilaisten intressiryhmien ja myös hallinnollisten tasojen väliseksi kamppailuksi ulottuen Suomen valtion ja EU:n väliseksi. Myös metsäpeura on palannut Suomen luontoon viime vuosikymmenien aikana. Sen kannan hoidossa koettiin ristiriitoja 1990-luvulla lähinnä sen viljelylle aiheuttamien vahinkojen vuoksi. Molemmille lajeille laadittiin 2000-luvun puolivälissä hoitosuunnitelmat, joiden tarkoituksena oli linjata näiden kannan hoitoa ja suojelua. Tämä tutkimus perustuu hoitosuunnitelmien valmistelua varten kerättyyn aineistoon, jossa pääpaino on susikonfliktissa. Metsäpeurakonfliktin roolina on tarjota vertailupohja. Tutkimusotteen voidaan määritellä kuuluvaksi eläinmaantieteen alaan, jossa tarkastellaan ihmisen ja eläinlajin välistä vuorovaikutusta pääasiassa paikallisesta ja sosioekonomisesta kontekstista. Työssä myös verrataan suomalaista susikonfliktia Yellowstonen kansallispuiston suden palautusohjelman toteutuksesta seuranneeseen kamppailuun. Siitä johdetussa teoriassa konflikti kytketään luonnonsuojelun ja sen käytön aate- ja arvopohjaan. Tutkimuksessa käytetyssä aineistossa on sekä laadullisia että määrällisiä osioita, jotka esitellään neljässä erillisessä artikkelissa. Susikonflikti on esimerkki moniulotteisesta luonnonsuojelun ja -hoidon konfliktista, johon kytkeytyy niin historia, lajin biologia, ihmisen paikallisesti kehittyneet traditiot ja kulttuuriset piirteet kuin institutionaaliset rakenteet mukaan lukien EU-jäsenyys. Tästä kokonaisuudesta on rakentunut paikallisten tahojen ja sen ulkopuolisen kokemusmaailman välinen kamppailu, jossa erilaisista intressiryhmistä ovat aktiivisimpina näkyneet metsästäjä- ja luonnonsuojelutahot. Sekä metsästykseen että lajien suojeluun liittyy useita paradoksaalisia piirteitä, jotka tekevät lajien ja suojelun kentän jännitteelliseksi. Metsäpeurakannan hoidossa esiintyneet konfliktit ovat hallittavissa, koska metsäpeuraan liittyy merkittävästi hyödyn tunne, sen ja ihmisen välille ei muodostu paikallisesti ekologista kilpailutilannetta ja myös sen aiheuttamat vahingot ovat hallittavissa. Susi kantaa mukanaan historiallista ja emotionaalista painolastia, eikä siihen liity paikallisesta näkökulmasta hyödyn tunnetta vaan lähinnä haastava asetelma. Nykyisellä suomalaisen maaseudun elinkeinorakenteella ja luonnon käytön kulttuurilla susikonfliktin hoidossa joudutaan sietämään jatkossakin ratkaisemattomia kysymyksiä. Susikonfliktin hallinnassa onkin keskeistä jatkuvasti avoin, sopeutuva ja oppiva toimintapolitiikka.

Abstract The ability to generate creative new ideas to develop innovative products and optimize processes has become crucially important for organizations’ survival in the competitive and turbulent market environment. The objective of this dissertation was to examine the value creation of systematic idea generation in a quantitative fashion by defining a new evaluation methodology. This called for designing a set of quantitative value creation metrics for creative idea generation. This study aims to enhance current knowledge of idea generation measurement that has so far mainly focused on human judgment-based methods. The goals of this exploratory study were formulated into two research questions. The first addressed the subject from a conceptual viewpoint, while the second involved a single-case study in the automotive industry. Documentation-based approaches were used as the primary means of data collection to maximize the quantitative accuracy of the measurement. Single-case study was selected as the research method because of the deep-level data access required to thoroughly assess an idea generation process. Patent information-based measures were adopted in the case organization to gain insights into the effectiveness of its idea generation process. The research data was collected from the case organization’s management information systems. Data analysis allowed for a fact-based evaluation of the idea generation process, which would not have been possible with traditional qualitative measures. The results demonstrate that idea generation can be measured rigorously like most other processes when proper metrics are in place. Nevertheless, several limitations were identified that must be considered when discussing further applications of the proposed measures in other organizations. This thesis proposes a new analysis method for the creative phase of the product creation process. Future studies could build on this model, for example, by experimenting with the indicators proposed by this study in other contexts or designing a set of “rival” value creation metrics for idea generation. / Tiivistelmä Kyky luoda uusia ideoita innovatiivisten tuotteiden kehitystä ja prosessien optimointia varten on elintärkeää organisaatioiden selviytymisen kannalta vahvasti kilpailluilla markkinoilla. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia arvonluontia systemaattisessa ideoiden luonnissa määrällisin menetelmin kehittämällä uusi arviointimenetelmä. Tässä yhteydessä oli määritettävä joukko määrällisiä arvonluontimittareita luovalle ideoiden luonnille. Tutkimus pyrkii täydentämään olemassa olevaa tietämystä ideoiden luonnin mittaamisesta, joka on tähän asti pääasiassa keskittynyt laadullisiin menetelmiin. Tutkimuksen tavoitteista johdettiin kaksi tutkimuskysymystä. Ensimmäinen kysymys käsitteli aihepiiriä teoreettisesta näkökulmasta, ja toinen liittyi autoteollisuudessa tehtävään tapaustutkimukseen. Empiirisen aineiston keruussa hyödynnettiin ensisijaisesti asiakirjapohjaisia lähestymistapoja määrällisen mittauksen tarkkuuden maksimoimiseksi. Tutkimusmenetelmäksi valittiin yhden tapauksen tutkimus, koska ideoidenluontiprosessin syvällinen analyysi vaatii pääsyä yksityiskohtaiseen yritysaineistoon, mikä ei monitapaustutkimuksessa olisi ollut mahdollista. Ideoiden luontiprosessin tehokkuuden arviointia varten tapausorganisaatiossa otettiin käyttöön patenttitietoon pohjautuvia indikaattoreita. Aineisto kerättiin organisaation tietojärjestelmissä. Aineiston tarkastelu mahdollisti ideoiden luonti-prosessissa tapahtuvan arvonluonnin konkreettisen havainnollistamisen, mikä ei olisi ollut mahdollista perinteisten laadullisten mittarien avulla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että luovaa ideoiden luontia pystytään mittaamaan useimpien muiden yritysprosessien tapaan täsmällisesti, mikäli sovelletaan asianmukaisia indikaattoreita. Tutkimus nosti kuitenkin esiin tiettyjä tekijöitä, jotka rajoittavat tässä työssä esiteltyjen tehokkuuden mittarien käyttöä muissa organisaatioissa. Tämä työ esittää uuden arviointimenetelmän, jota voidaan soveltaa tuotekehitysprosessin luovassa vaiheessa. Aihetta käsittelevät jatkotutkimukset voisivat laajentaa tässä työssä kehitettyä mallia esimerkiksi kokeilemalla esiteltyjen indikaattorien käyttöönottoa muissa konteksteissa tai määrittelemällä vaihtoehtoiset arvonluontimittarit, jotka eivät jaa samoja rajoitteita.

Abstract Data is becoming more critical success factor as business processes rely increasingly on information systems. Product data is required to produce, sell, deliver, and invoice a product in information systems. Traditionally, product data and product data management (PDM) studies have focused on product development and related activities, with less attention being paid to PDM in other lifecycle phases. The purpose of this doctoral dissertation is to clarify challenges and prerequisites for company-wide PDM. The study covers the entire product lifecycle and provides potential solutions for developing company-wide PDM and enhancing PDM understanding as a company-wide action. The study was realised by collecting and analysing data from those ICT companies that are seeking for better ways to manage a wide product-range, technologically complex products and comprehensive solutions by enhancing their data management practices. The empirical practitioner’s experiences and perceptions are seen to have increased the knowledge in company-wide PDM. This study adopted a case study approach and utilises interviews as the main data collection method. This study indicates that company managers have already realised that successful business operations require a higher-level understanding of products and related product data. In practice, however, several challenges hinder the ability to achieve the goal of higher-level business-driven PDM. These challenges include product harmonisation, PDM process development requirements and information systems development requirements. The results of this research indicate that product harmonisation is required to better support efficient product data management. Understanding the true nature of product data, that is combination of product master data and other general product data, and the content of product data from different stakeholder perspectives are prerequisites for functional company-wide PDM. Higher-level product decisions have a significant impact on product data management. Extensive product ranges require general guidelines in order to be manageable, especially as even single products are complex. The results of this study indicate that companies should follow a top-down approach when developing their PDM practices. The results also indicate that companies require a generic product structure in order to support unified product management. The main implication of this dissertation is the support it provides for managers in terms of developing true company-wide product data management practices. / Tiivistelmä Tiedosta on tullut tärkeä liiketoiminnan menestystekijä liiketoimintaprosessien hyödyntäessä yhä vahvemmin tietojärjestelmiä. Tuotteisiin liittyvä tieto on olennaista, jotta tuote voidaan valmistaa, myydä, toimittaa ja laskuttaa. Tuotetietoa ja sen hallintaa on perinteisesti tarkastelu tuotekehityslähtöisesti kun tämä tutkimus pyrkii ymmärtämään tuotetiedon hallintaa kattaen myös edellä mainitut yrityksen toiminnot. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tunnistaa haasteita ja perusedellytyksiä yrityksenlaajuisten tuotetiedonhallinnan käytäntöjen kehittämiseksi. Tuotetiedon hallinta yrityksen laajuisena toimintona vaatii ymmärrystä eri toimijoista, jotka käyttävät tuotetietoa; tiedon luonteesta sekä tiedon hyödyntämisestä eri prosesseissa. Tutkimus toteutettiin ICT yrityksissä, joissa tuotetiedon käytäntöjä tehostamalla haetaan keinoja hallita laajaa tuotteistoa, teknologisesti monimutkaisten tuotteita sekä kokonaisratkaisuja. Käytännön toimijoiden kokemukset ja käsitykset ovat ensiarvoisen tärkeitä lisätessä tietoa yrityksen laajuisesta tuotetiedonhallinnasta. Tutkimus toteutettiin tapaustutkimuksen menetelmin, joissa pääasiallisena tiedonkeruu menetelmänä hyödynnettiin haastatteluja. Tämä tutkimus osoittaa, että liiketoimintalähtöisen tuotetiedon hallinan kehittäminen on ajankohtaista yrityksissä. Tutkimuksessa tunnistetaan lukuisia haasteita, jotka ovat estäneet liiketoimintalähtöisen tuotetiedonhallinnan saavuttamisen. Näitä haasteita ovat: tuotteen harmonisointi yrityksen eri toiminnoissa, tuotetiedon hallinnan prosessien kehittämisen vaatimukset sekä tietojärjestelmien kehittämisen vaatimukset. Tutkimustulosten mukaan tuotteiston harmonisointi on yksi perusedellityksistä tehokkaalle tuotetiedon hallinnalle. Yrityksen kattava tuotetiedoen hallinta vaatii myös tuotetiedon todellisen luonteen ymmärtämistä, joka koostuu tuotteen master datasta sekä muusta tuotetiedosta. Lisäksi on olennaista ymmrättää tuotetiedon sisältö sen todellisten käyttäjien näkökulmasta käsin. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat myös, että tuotetiedon hallinnan kehittäminen pitäisi edetä ”top-down” eli ylhäältä-alas periaatteen mukaan. Tulokset myös viittaavat siihen, että geneerinen tuoterakenne tukee yhdenmukaisia tuotehallinta käytäntöjä. Nämä tulokset tarjoavat työssä esitettyjen kuvausten ja mallien ohella tukea tuotetiedon hallinnan käytäntöjen kehittämiseen yrityksen laajuisesti.

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 Developments in information technology have had a big impact in healthcare, producing vast amounts of data and increasing demands associated with their secure transfer, storage and analysis. To serve them, biomedical data need to carry patient information and records or even extra biomedical images or signals required for multimodal applications. The proposed solution is to host this information in data using data hiding algorithms through the introduction of imperceptible modifications achieving two main purposes: increasing data management efficiency and enhancing the security aspects of confidentiality, reliability and availability. Data hiding achieve this by embedding the payload in objects, including components such as authentication tags, without requirements in extra space or modifications in repositories. The proposed methods satisfy two research problems. The first is the hospital-centric problem of providing efficient and secure management of data in hospital networks. This includes combinations of multimodal data in single objects. The host data were biomedical images and sequences intended for diagnoses meaning that even non-visible modifications can cause errors. Thus, a determining restriction was reversibility. Reversible data hiding methods remove the introduced modifications upon extraction of the payload. Embedding capacity was another priority that determined the proposed algorithms. To meet those demands, the algorithms were based on the Least Significant Bit Substitution and Histogram Shifting approaches. The second was the patient-centric problem, including user authentication and issues of secure and efficient data transfer in eHealth systems. Two novel solutions were proposed. The first method uses data hiding to increase the robustness of face biometrics in photos, where due to the high robustness requirements, a periodic pattern embedding approach was used. The second method protects sensitive user data collected by smartphones. In this case, to meet the low computational cost requirements, the method was based on Least Significant Bit Substitution. Concluding, the proposed algorithms introduced novel data hiding applications and demonstrated competitive embedding properties in existing applications. / Tiivistelmä Modernit terveydenhuoltojärjestelmät tuottavat suuria määriä tietoa, mikä korostaa tiedon turvalliseen siirtämiseen, tallentamiseen ja analysointiin liittyviä vaatimuksia. Täyttääkseen nämä vaatimukset, biolääketieteellisen tiedon täytyy sisältää potilastietoja ja -kertomusta, jopa biolääketieteellisiä lisäkuvia ja -signaaleja, joita tarvitaan multimodaalisissa sovelluksissa. Esitetty ratkaisu on upottaa tämä informaatio tietoon käyttäen tiedonpiilotusmenetelmiä, joissa näkymättömiä muutoksia tehden saavutetaan kaksi päämäärää: tiedonhallinnan tehokkuuden nostaminen ja luottamuksellisuuteen, luotettavuuteen ja saatavuuteen liittyvien turvallisuusnäkökulmien parantaminen. Tiedonpiilotus saavuttaa tämän upottamalla hyötykuorman, sisältäen komponentteja, kuten todentamismerkinnät, ilman lisätilavaatimuksia tai muutoksia tietokantoihin. Esitetyt menetelmät ratkaisevat kaksi tutkimusongelmaa. Ensimmäinen on sairaalakeskeinen ongelma tehokkaan ja turvallisen tiedonhallinnan tarjoamiseen sairaaloiden verkoissa. Tämä sisältää multimodaalisen tiedon yhdistämisen yhdeksi kokonaisuudeksi. Tiedon kantajana olivat biolääketieteelliset kuvat ja sekvenssit, jotka on tarkoitettu diagnosointiin, missä jopa näkymättömät muutokset voivat aiheuttaa virheitä. Siispä määrittävin rajoite oli palautettavuus. Palauttavat tiedonpiilotus-menetelmät poistavat lisätyt muutokset, kun hyötykuorma irrotetaan. Upotuskapasiteetti oli toinen tavoite, joka määritteli esitettyjä algoritmeja. Saavuttaakseen nämä vaatimukset, algoritmit perustuivat vähiten merkitsevän bitin korvaamiseen ja histogrammin siirtämiseen. Toisena oli potilaskeskeinen ongelma, joka sisältää käyttäjän henkilöllisyyden todentamisen sekä turvalliseen ja tehokkaaseen tiedonsiirtoon liittyvät haasteet eHealth-järjestelmissä. Työssä ehdotettiin kahta uutta ratkaisua. Ensimmäinen niistä käyttää tiedonpiilotusta parantamaan kasvojen biometriikan kestävyyttä valokuvissa. Korkeasta kestävyysvaatimuksesta johtuen käytettiin periodisen kuvion upottamismenetelmää. Toinen menetelmä suojelee älypuhelimien keräämää arkaluontoista käyttäjätietoa. Tässä tapauksessa, jotta matala laskennallinen kustannus saavutetaan, menetelmä perustui vähiten merkitsevän bitin korvaamiseen. Yhteenvetona ehdotetut algoritmit esittelivät uusia tiedonpiilotussovelluksia ja osoittivat kilpailukykyisiä upotusominaisuuksia olemassa olevissa sovelluksissa.

The differences between legacy and 5G networks in both capability, and their increasingly dynamic nature and complexity warrant searching for new kinds of ways to manage networks. This thesis work explored different options for interaction and interfaces for a declarative, intent-based control (IBC) based 5G network management system. IBC has not been previously applied on the transport layer and in addition to drafting interface concepts, this work also maps existing definitions and implementations of IBC and intents. The functioning of IBC on the transport layer was envisioned through these existing solutions. The work was done as an iterative codesign project following a user-centered design process. Concepts were both drafted and evaluated together with a group of domain experts. Special attention was paid to the forming of trust towards automation. A tentative task path for issuing an intent to the system was mapped and the drafted concepts approached the steps involved in the task path with varying levels of automation and different visual representations for the information the user needs and the functions of the system. No prior body research exists on IBC on the transport layer and trust towards automation in network management and the topics are novel. The envisioned application of IBC on the transport layer, and the drafted concepts on user interaction with the system are tentative in nature and more research is required to determine the feasibility of applying IBC on the transport layer, as well as the effectiveness of the presented concepts in promoting trust among users. / Skillnaderna mellan äldre och 5G-nätverk i båda funktionerna, och deras alltmer dynamiska karaktär och komplexitet motiverar sökning efter nya typer av sätt att hantera nätverk. Detta avhandlingsarbete undersöktes olika alternativ för interaktion och gränssnitt för en deklarativ, avsiktsbaserad kontroll (intent-based control, IBC) 5G-nätverkshanteringssystem. IBC har inte tidigare applicerats på transportskiktet och förutom utarbetande av gränssnittskoncept, kartlägger detta arbete också befintliga definitioner och implementeringar av IBC och avsikter. Funktion av IBC på transportskiktet förutsågs genom dessa befintliga lösningar. Arbetet gjordes som ett iterativt samdesignprojekt efter den användarcentrerad designprocess. Begrepp utarbetades och utvärderades tillsammans med en grupp domenexperter. Särskild uppmärksamhet ägnas åt bildandet av förtroende för automatisering. En preliminär arbetsväg för att utfärda en avsikt till systemet kartlades och de utarbetade koncepten närmade sig stegen i uppgiftsvägen med varierande nivåer av automatisering och olika visuella representationer för informationen användarens behov och systemets funktioner. Ingen tidigare undersökning finns på IBC på transportskit och förtroendet mot automatisering i nätverkshantering och ämnena är nya. De förutsåg tillämpning av IBC på transportlagret och utkastet begrepp om användarinteraktion med systemet är preliminära och mer forskning krävs för att bestämma genomförbarheten av att tillämpa IBC på transportskiktet, liksom effektiviteten på det presenterade begrepp för att främja förtroende bland användare. / 5G verkkojen eroavaisuudet aikaisempiin verkkoihin niin dynaamisuuden, kuin uusien kyvykkyyksien ja verkkojen monimutkaisuus vaativat uudenlaisia tapoja hallita verkkoja. Työssä konseptoitiin eri vuorovaikutus- ja käyttöliittymämalleja aiepohjaiselle- (intent-based control, IBC), deklaratiiviselle hallintamallille 5G-verkkojen hallintaan. IBC:ia ei ole aikaisemmin sovellettu kuljetusverkkotasolla ja käyttöliittymämallien lisäksi työssä kartoitettiin myös IBC:in ja aikeen (intent) olemassa olevia määritelmiä ja toteutustapoja sovellustasolla, joiden pohjalta hahmoteltiin, miten IBC toimisi kuljetusverkkotasolla. Työ toteutettiin osallistavana, iteratiivisena muotoiluprojektina seuraten käyttäjäkeskeistä suunnitteluprosessia. Konseptit luotiin, sekä arvioitiin pienessä ryhmässä alan asiantuntijoiden kanssa. Luottamuksen muodostamiseen automaatiota kohtaan kiinnitettiin erityistä huomiota. Työstetyissä konsepteissa käyttäjän toimintopolun eri askeleita aikeen antamiseksi järjestelmälle lähestyttiin eri kanteilta vaihdellen toimintopolun automatisaation tasoa, sekä verkon ja aikeen tilan ja toimintojen käyttäjälle näkyvää visuaalista esitystä. IBC:n soveltaminen kuljetusverkkotasolla ja luottamus automaatiota kohtaan verkonhallinnassa ovat aiheina uusia, eikä aiheista löydy aikaisempaa tutkimusmateriaalia. Työn hahmotelma IBC:ista kuljetusverkkotasolla, sekä työn aikana tuotetut konseptit käyttäjän vuorovaikutuksesta järjestelmän kanssa ovat luonteeltaan alustavia ja lisää tutkimustyötä vaaditaan mm. IBC:n käytön realistisuudesta kuljetusverkkotasolla, sekä hahmoteltujen konseptien toimivuudesta käyttäjän luottamuksen vahvistamisessa.

Abstract This thesis focuses on two important challenges in wireless downlink transmission: multi-user (MU) precoder design and scheduling of users over time, frequency, and spatial resources at any given instant. Data streams intended for different users are transmitted by a multiple-input multiple-output (MIMO) multi-antenna orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. The transmit precoders are designed jointly across space-frequency resources to minimize the number of backlogged packets waiting at the coordinating base stations (BSs), thereby implicitly performing user scheduling. Then the problem of multicast beamformer design is considered wherein a subset of users belonging to a multicasting group are served by a common group-specific data. The design objective is to either minimize the transmit power for a guaranteed quality-of-service, or to maximize the minimum achievable rate among users for a given transmit power. Unlike existing techniques, the proposed design utilizes both the spatial and frequency resources jointly while designing multi-group beamformers. As an extension to coordinated precoding, the problem of beamformer design for cloud radio access network is considered wherein beamformers are designed centrally, quantized and sent along with data to the respective BSs via backhaul. Since the users can be served by multiple BSs, beamformer design becomes a nonconvex combinatorial problem. Unlike existing solutions, beamformer overhead is also included in the backhaul utilization along with the associated data. As the number of antennas increases, backhaul utilization is dominated by the beamformers. Thus, to reduce the overhead, two techniques are proposed: varying the quantization precision, and reducing the number of active antennas used for transmission. Finally, to reduce the complexity involved in the design of joint space- frequency approach, a two-step procedure is proposed, where a MU-MIMO scheduling algorithm is employed to find a subset of users for each scheduling block. The precoders are then designed only for the chosen users, thus reducing the complexity without compromising much on the throughput. In contrast to the null-space-based existing techniques, a low-complexity scheduling algorithm is proposed based on vector projections. The real-time performance of all the schedulers are evaluated by implementing them on both Xilinx ZYNQ-ZC702 system-on-chip (SoC) and TI TCI6636K2H multi-core SoC. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään kahteen tärkeään langattoman tiedonsiirron haasteeseen alalinkkilähetyksissä: usean käyttäjän (MU) esikooderisuunnitteluun ja käyttäjien skedulointiin aika-, taajuus- ja tilaresurssien yli. Eri käyttäjille tarkoitettuja datavirtoja lähetetään käyttämällä monitulo-monilähtötekniikkaa (MIMO) yhdistettynä monikantoaaltomodulointiin (OFDM). Lähettimien esikooderit suunnitellaan yhteisesti tila- ja taajuusresurssien yli, jotta keskenään yhteistoiminnallisten tukiasemien jonossa olevien pakettien määrää voitaisiin minimoida samalla kun tehdään epäsuorasti käyttäjien skedulointia. Tämän jälkeen työssä paneudutaan monilähetysten (multicast) keilanmuodostussuunnitteluun, jossa monilähetysryhmään kuuluvien käyttäjien alijoukolle lähetetään yhteistä ryhmäspesifistä dataa. Suunnittelun päämääränä on joko minimoida kokonaislähetysteho tietyllä palvelunlaatuvaatimuksella tai maksimoida pienin saavutettavissa oleva siirtonopeus käyttäjien joukossa tietyllä lähetysteholla. Toisin kuin olemassa olevat menetelmät, ehdotetussa mallissa käytetään yhteisesti sekä aika- että taajuusresursseja usean ryhmän keilanmuodostusta suunniteltaessa. Laajennuksena yhteistoiminnalliselle esikoodaukselle, väitöskirjassa käsitellään myös keilanmuodostusta pilvipohjaisessa radioliityntäverkkoarkkitehtuurissa. Keilanmuodostajat suunnitellaan keskitetysti, kvantisoidaan ja lähetetään datan mukana tukiasemille käyttäen runkoverkkoyhteyttä. Koska käyttäjiä voidaan palvella usealta tukiasemalta, keilanmuodostussuunnittelu muuttuu ei-konveksiksi kombinatoriseksi ongelmaksi. Toisin kuin olemassa olevissa ratkaisuissa, ehdotettu malli sisällyttää käyttäjien datan lisäksi keilanmuodostajien resursoinnin tarpeen runkoverkkoon. Tukiaseman antennien määrän lisääntyessä, keilanmuodostajien osuus runkoverkon käyttöasteesta kasvaa suureksi. Jotta keilanmuodostajien aiheuttamaa ylimääräistä tiedonsiirtotarvetta voitaisiin minimoida, esitellään kaksi tekniikkaa: kvantisointitarkkuuden muunteleminen sekä lähetykseen käytettävien aktiivisten antennien määrän vähentäminen. Lopuksi, jotta yhdistetyn tila-taajuussuunnittelun aiheuttamaa kompleksisuutta saataisiin vähennettyä, ehdotetaan kaksivaiheista menetelmää. MU-MIMO skedulointialgoritmin avulla etsitään ensin alijoukko käyttäjiä jokaiselle skedulointilohkolle. Esikooderit suunnitellaan vain valituille käyttäjille, mikä vähentää kompleksisuutta, heikentämättä suorituskykyä kuitenkaan olennaisesti. Poiketen nolla-avaruuteen perustuvista tekniikoista, esitetään yksinkertainen vektoriprojektioihin perustuva skeduleri. Kaikkien skedulerien reaaliaikasuorituskykyä on arvioitu toteuttamalla ne ohjelmoitavilla Xilinx ZYNQ-ZC702 system-on-chip (SoC) ja TI TCI6636K2H moniydinalustoilla.

Abstract Groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are aquatic or terrestrial ecosystems that rely directly or indirectly on groundwater (GW). Recent European and Finnish legislation requires better consideration of these systems in GW management. The main aim of this thesis was to develop new methods for GDE classification and management, by testing environmental tracer methods in different environments. New information about GW-surface water interactions was obtained and novel methods for GDE classification and management were developed for lakes, peatlands, streams, and springs. Stable water isotopes proved to be an efficient tool for determining the GW dependence of lakes. An iterative isotope mass balance method was applied for 67 lakes situated in the Rokua esker aquifer area. Stable water isotopes also showed potential in determining the GW dependence of a peatland surface horizon. A study conducted in peatlands adjacent to Viinivaara esker aquifer indicated that the GW dependence of peatlands can vary significantly and that GW-dependent areas can extend outside current GW protection areas. Thermal images proved useful in pinpointing clear GW seepage locations in peatlands. For streams, a novel stream tracer index method was developed to evaluate GW dependence based on GW volume in streams, thermal properties of streams, and stream water quality. The method was tested in three streams discharging from Viinivaara and Rokua aquifers and was found to efficiently capture spatial variations in GW dependence. In Oulanka region, hydrological and chemical characterization and statistical methods were used to classify springs into different types. Spring altitude and δ2H value were identified as useful proxies for spring water chemistry. The methods developed in this thesis can be helpful when classifying and studying GDEs and applying environmental tracer methods in various environments. Knowing the GW dependence of an ecosystem, the impacts of possible GW table decline caused by e.g., GW abstraction, drainage, and/or climate change can be evaluated. For large-scale applications, GDE classification methods have to be practical, effective, and low-cost. Combined use of stable water isotopes and other tracers can be especially effective for characterizing ecosystem hydrology on different temporal and spatial scales. / Tiivistelmä Pohjavedestä riippuvat ekosysteemit (GDE) ovat vesi- tai maaekosysteemejä, jotka ovat suoraan tai epäsuorasti riippuvaisia pohjavedestä. Euroopan Unionin ja Suomen lainsäädännön mukaan pohjavesien hallinnassa tulisi ottaa paremmin huomioon GDEt. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusia menetelmiä näiden ekosysteemien luokitteluun ja hallintaan. Luonnollisia merkkiainemenetelmiä soveltaen saatiin uutta tietoa pohjavesi-pintavesi vuorovaikutuksesta ja kehitettiin uusia menetelmiä GDE-luokitteluun järville, soille, puroille ja lähteille. Veden stabiilit isotoopit osoittautuivat tehokkaaksi työkaluksi järvien pohjavesiriippuvuuden määrittämisessä. Iteratiivista isotooppimassatase-menetelmää käytettiin 67 Rokuan järven pohjavesiriippuvuuden selvittämiseen. Veden stabiileilla isotoopeilla pystyttiin myös määrittämään suon pinnan pohjavesiriippuvuus. Viinivaaran harjun viereisen suoalueen tutkimus näytti, että suon pohjavesiriippuvuus voi vaihdella merkittävästi ja pohjavedestä riippuvia alueita löytyy myös nykyisten pohjavesirajojen ulkopuolelta. Lisäksi soilla havaittiin selkeitä pohjavedenpurkupaikkoja lämpökamerakuvauksen avulla. Puroille kehitettiin uusi menetelmä, jolla niiden pohjavesiriippuvuutta voidaan arvioida perustuen pohjaveden määrään puroissa, puroveden lämpötilaominaisuuksiin ja puroveden laatuun. Menetelmää testattiin Viinivaaran ja Rokuan harjuista purkautuville puroille ja sillä havaittiin pohjavesiriippuvuuden vaihtelevan purojen eri osissa. Oulangan lähteitä luokiteltiin eri tyyppeihin hydrologisen ja kemiallisen karakterisoinnin ja tilastollisten menetelmien avulla. Lähteiden altitudin ja δ2H-arvon havaittiin ennustavan lähdeveden kemiallista koostumusta. Tässä tutkimuksessa kehitetyt menetelmät voivat olla hyödyllisiä GDE-luokittelussa, eri ekosysteemien tutkimisessa ja luonnollisten merkkiainemenetelmien soveltamisessa eri ympäristöissä. Kun ekosysteemin pohjavesiriippuvuus tiedetään, voidaan arvioida pohjavedenotosta, ojituksesta ja/tai ilmaston muutoksesta mahdollisesti aiheutuvan pohjavedenpinnan laskun vaikutuksia. Suuressa mittakaavassa, GDE-luokittelumenetelmien tulee olla käytännöllisiä, tehokkaita ja halpoja. Veden stabiilien isotooppien ja muiden merkkiaineiden yhdistetty käyttö vaikuttaa olevan tähän erityisen tehokas työkalu, jolla voidaan ymmärtää ekosysteemien hydrologiaa eri temporaalisissa ja spatiaalisissa mittakaavoissa.