Abstract As mobile Internet access traffic continues to grow at an explosive rate and wireless networks continue to diverge into multiple access technologies with partly overlapping sets of features, new solutions for efficient use of these networks are vital. Cognitive network management provides tools to tackle this challenge by automatically learning from past experience the characteristics and usage patterns of the connected devices, thus enabling autonomic optimization of those connections. Cognitive network management requires a vast amount of information in order to function effectively, making collaboration of the networked devices essential as the best sources of information are scattered throughout the network. This makes efficient information dissemination one of the key enablers for autonomic networking. This dissertation studies managing control information related to autonomic selection of access networks and adapting services in a heterogeneous wireless network environment. It presents a solution to simple and efficient information dissemination in the form of Distributed Decision Engine— a CEP-like system enabling the building of a highly scalable and dynamic messaging system enabling dissemination, analysis and control of the complex series of interrelated events in the network. The dissertation also presents results showing a clear benefit in using cross-layer and cross-domain information in a modern wireless environment and validates the final prototype implementation of DDE with laboratory measurements. Effective use of disseminated cross-layer information is another key element in autonomic wireless networking. This dissertation also focuses on intelligent decision-making based on cross-layer information by presenting test results which attest that the performance of an autonomic wireless networking system can be improved by using cognitive techniques in its management algorithms, and that hierarchy and coordination can be utilized to minimize the effect of conflicting decisions of the system. / Tiivistelmä Mobiilin Internet-liikenteen räjähdysmäinen kasvu ja langattomien verkkojen jatkuva jakautuminen useisiin tekniikoihin vaativat uusia ratkaisuja näiden verkkojen tehokkaaseen käyttöön. Kognitiivinen verkon hallinta mahdollistaa oppimisen, minkä avulla laitteiden yhteyksiä voidaan optimoida autonomisesti aiemman kokemuksen perusteella. Tällainen optimointi vaatii kuitenkin valtavan määrän verkosta ja laitteista kerättyä tietoa, mikä tekee tehokkaasta tiedonjakelusta keskeisen elementin autonomisessa verkon hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan verkon valintaan ja palveluiden sopeuttamiseen vaadittavan tiedon välittämistä ja hallintaa autonomisissa langattomissa verkoissa. Ratkaisuna yksinkertaiseen ja tehokkaaseen tiedonvälitykseen esitellään hajautettu Distributed Decision Engine -komponentti, joka mahdollistaa skaalautuvan tiedon jakelu-, analysointi- ja hallintajärjestelmän rakentamisen. Lisäksi väitöskirjassa kuvataan myös tuloksia, jotka osoittavat, että verkkokerrosten välisen tiedon käyttämisellä voidaan saavuttaa selvää etua, sekä tuloksia, jotka vahvistavat DDE-prototyyppitoteutuksen toimivuuden laboratoriomittauksin. Verkkokerrosten välisen tiedon tehokas hyödyntäminen on toinen keskeinen tekijä autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa. Väitöskirjassa käsitellään myös älykästä päätöksentekoa kyseisen informaation pohjalta sekä esitellään tuloksia, jotka osoittavat, että päätöksentekoa autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa voidaan parantaa kognitiivisilla tekniikoilla. Lisäksi esitetyt tulokset osoittavat, että hierarkialla sekä koordinoinnilla voidaan minimoida ristiriitaisten päätösten vaikutukset järjestelmään.

Abstract Cold is a very common physical risk factor in workplaces in circumpolar regions. Cold has many detrimental effects on human health and performance, and on the safety, quality and productivity of work. In this study a systematic general Cold Risk Management Model was developed, applied and evaluated. The model can be integrated in a company’s or an organization’s occupational safety, health, environment and quality (SHEQ) management systems and practices in workplaces. The Cold Risk Management Model and methods were later included in ISO 15743 Ergonomics of the thermal environment – Cold workplaces – Risk assessment and management. The Cold Risk Management Model and methods were applied in two case company’s SHEQ systems and practices in the fields of construction and maritime administration and services. Based on the case studies, the concrete cold risk management activities and the personnel training campaign resulted in immediate positive results and improved attitudes towards further development. At the national level, working in the cold was estimated to increase personnel costs in the construction industry annually by €50M, which is 3% of the industry’s annual personnel costs. This study also showed that the Cold Risk Management Model and methods are profitable. In the case construction company, the savings achieved by cold risk management activities at a construction site were 2.5 time the costs of those activities. A follow-up study in the case company in the field of maritime administration and services showed that implementation and dissemination of the Cold Risk Management Model and methods require systematic work also after the initial development process. The implementation process could and should be enhanced by early establishment of organization-wide guidelines, visible concrete actions, a training campaign and use of necessary external experts. This study also presents a Safety Management Matrix Model for analyzing development and implementation activities during the process time span. / Tiivistelmä Kylmä on yksi yleisimmistä työympäristön riskitekijöistä pohjoisissa oloissamme. Kylmästä aiheutuu haittaa ihmisen toimintakyvylle ja terveydelle sekä työn turvallisuudelle, laadulle ja tuottavuudelle. Tässä väitöstutkimuksessa kehitettiin systemaattinen kylmäriskien hallintamalli osaksi yrityksen työterveys- ja työturvallisuus-, ympäristö- ja laatujohtamisjärjestelmiä (SHEQ). Kehitetty kylmäriskien hallintamalli menetelmineen on nykyisin osa standardia ”SFS-EN ISO 15743 Lämpöolojen ergonomia. Kylmät työpaikat. riskin arviointi ja hallinta”. Kylmäriskien hallintamallia ja sen menetelmiä sovellettiin ja edelleen kehitettiin kahdessa tapausyrityksessä rakennusalalla sekä merenkulun tukipalveluissa. Konkreettisista kehittämistoimenpiteistä ja henkilöstön koulutuksesta koettiin tapausyrityksissä saadun välitöntä hyötyä, ja ne johtivat positiivisiin asenteisiin jatkokehittämistyötä kohtaan. Tutkimuksessa arvioitiin kylmätyön myös lisäävän rakennusalan henkilöstökustannuksia vuosittain 50 miljoonalla eurolla, mikä oli 3 % alan vuotuisista palkkakustannuksista. Tapaustutkimuksen avulla osoitettiin, että kylmänhaittojen hallinta on kannattavaa. 20 henkilön rakennustyömaalla kylmänhaittojen hallinnalla saavutettavat säästöt olivat 2,5-kertaiset toimenpiteistä aiheutuneisiin kuluihin verrattuina. Merenkulun tukipalvelujen alalla toimivassa tapausyrityksessä tehdyn seurantatutkimuksen mukaan kylmäriskien hallintamallin käyttöönotto ja levittäminen yrityksessä vaatii kuitenkin aikaa ja systemaattista työtä. Mallin käyttöönottoa ja levittämistä voidaan tutkimuksen perusteella nopeuttaa kehittämistyön näkyvyydellä ja konkreettisuudella, koulutuksella, organisaatiotasoisten ohjeiden laatimisella aikaisessa vaiheessa sekä erityisesti asiantuntijatuen saatavuudella koko implementointivaiheen ajan. Tutkimuksessa syntyi myös turvallisuusjohtamismatriisi työkaluksi kehittämistyön suunnitteluun ja arviointiin.

Abstract The infrastructure and construction industry has for decades suffered from problems such as cost overruns, delays, disputes and low productivity. To transform old adversarial practices and industrial culture into more collaborative and innovative ways of working, new operational models for project delivery have been introduced. A project alliance is among the models developed to improve infrastructure and construction project performance by addressing problems of fragmentation and lack of integration. However, the growing body of conceptual and empirical research on project alliances within the field of project management does not include any in-depth investigation of the capability requirements and relevant processes for managing alliance projects. The goal of this dissertation is to contribute to the project alliance literature within the field of project management by exploring the capabilities needed by an inter-organizational alliance project organization and participating organizations to manage project alliances in the infrastructure and construction context. The research adopts a qualitative approach, utilizing the case study method and in-depth interviews as research methods. The empirical results, which relate to the first project alliances in the Finnish infrastructure and construction industry, highlight the importance of the alliance project organization’s collective capabilities for managing project alliances. Among these capabilities, inter-organizational integration management, collaborative project identity formation and opportunity management are of particular importance. In addition, each participating organization requires specific project alliance capability, which comprises both the ability to implement key activities over the project life cycle and the skills required by project-based organizations and participating individuals. Together, these organizational and project network-level capabilities form the basis for managing such projects. / Tiivistelmä Infrastruktuuri- ja rakennusteollisuus on kärsinyt kustannusten ylityksistä, myöhästymisistä, erimielisyyksistä ja heikosta tuottavuudesta jo kymmenien vuosien ajan. Jotta vanhat, vastakkainasetteluun perustuvat käytännöt ja toimintakulttuuri voitaisiin muuttaa, uusia projektien toteutusmalleja on otettu käyttöön. Projektiallianssi on yksi yhteistoiminnallisista malleista, joka on kehitetty vähentämään toimialan sirpaloitumista ja edistämään integroitumista tavoitteena infrastruktuuri- ja rakennusalan projektien suorituskyvyn parantaminen. Lisääntyvästä konseptuaalisesta ja empiirisestä tutkimuksesta huolimatta, projektiallianssiin kohdistuva tutkimus ei ole tarkastellut organisaatioiden kyvykkyysvaatimuksia ja keskeisimpiä allianssin johtamiseen liittyviä prosesseja riittävän syvällisesti. Väitöskirjan tavoite on edistää projektiallianssin tutkimusta tuottamalla uutta tieto allianssihankkeisiin osallistuvien organisaatioiden kyvykkyysvaatimuksista sekä yhteisistä kyvykkyyksistä, joita projektiorganisaatio tarvitsee allianssiprojektin hallintaan infrastruktuuri- ja rakennusalalla. Tutkimus on toteutettu laadullisena tapaus- ja haastattelututkimuksena. Suomen ensimmäisistä infrastruktuuri- ja rakennusalan allianssihankkeista saadut empiiriset tulokset korostavat allianssiprojektiorganisaation yhteisten kyvykkyyksien merkitystä. Kyvykkyysvaatimukset kohdistuvat erityisesti organisaatioiden välisen integraation johtamiseen, yhteistyötä korostavan projekti-identiteetin muodostamiseen ja mahdollisuuksien hallintaan allianssiprojektissa. Näiden yhteisten kyvykkyyksien lisäksi jokainen organisaatio tarvitsee projektiallianssikyvykkyyden, joka koostuu allianssihankkeiden käynnistämiseen ja hallintaan tarvittavista taidoista ja kyvystä toteuttaa eri elinkaaren vaiheen kannalta keskeisiä toimintoja. Hankkeeseen osallistuvan organisaation projektiallianssikyvykkyys ja yhteiset projektiverkoston kyvykkyydet luovat perustan allianssihankkeen hallinnalle.

Abstract Requirements engineering (RE) is an important process in systems development. This research was carried out in the context of Very Large-Scale Requirements Engineering (VLSRE) within the scope of a requirement screening (RS) process. The RS process is defined as a front-end process for screening incoming requests, which are received in a constant flow. The goal of the RS process is to efficiently identify the most promising requests for further analysis, development and implementation while filtering out non-valuable ones as early as possible. The objective of this study was to understand the challenges related to the RS process and develop solutions to address those challenges. A qualitative research approach was utilised to achieve the research goals. The overall research process follows an action research method, in which each action research cycle includes at least one individually defined and executed case study. Action research and case studies are research methods that are well suited to studying real-life phenomena in their natural settings. This research was carried out in two case companies in the information and communication technology domain. Data from 45 interviews were analysed for preparing publications I–V, which are included in this thesis. In addition, during the longitudinal action research study described in this thesis, data from 26 interviews and 132 workshops were utilised to develop solutions for the RS process, which is an industrial implementation of the VLSRE process. The conducted action research contributes to the field of software engineering, in which such research efforts are currently lacking. This research has identified a number of significant challenges that different stakeholders face related to requirements processing and decision making in the VLSRE context. Examples of these challenges are the great number of incoming requirements, the lack of information for decision making and the feasibility of utilised tools. To address the identified challenges, a requirements architecting method was developed. The method includes a dynamic requirement template, which gathers structured information content for eliciting requests, documenting and communicating requirements and forming features while considering the needs of different stakeholders. The method was piloted, validated and deployed in industry. / Tiivistelmä Tutkimus toteutettiin laajamittaisen vaatimusmäärittelyprosessin kontekstissa keskittyen vaatimusten seulontaprosessiin. Vaatimusten seulontaprosessi määritellään tuotekehityksen alkuvaiheen prosessiksi, jossa käsitellään jatkuvana vuona tulevia kehityspyyntöjä. Vaatimusten seulontaprosessissa pyritään tunnistamaan tehokkaasti lupaavimmat pyynnöt jatkoanalyysiä, tuotekehitystä ja toteutusta ajatellen sekä suodattamaan pois niin aikaisessa vaiheessa, kun mahdollista ne pyynnöt, joilla ei ole arvontuotto-odotuksia. Tutkimuksen tavoite oli ymmärtää haasteita, jotka liittyvät vaatimusten seulontaprosessiin sekä kehittää ratkaisuja näihin haasteisiin. Tutkimuksessa käytettiin laadullisen tutkimuksen menetelmiä. Kokonaisuutena tutkimusprosessi noudattaa toimintatutkimuksen periaatteita siten, että jokainen sykli tai sen vaihe sisältää yhden tai useamman itsenäisesti määritellyn tapaustutkimuksen suunnittelun ja läpiviennin. Valitut tutkimusmenetelmät soveltuvat hyvin tilanteisiin, joissa tutkimuskohteina ovat reaalimaailman ilmiöt niiden luonnollisissa ympäristöissä havainnoituina. Tutkimusaineisto kerättiin kahdesta informaatio- ja kommunikaatioteknologia-alan kohdeorganisaatiosta. Väitöskirjaan sisällytettyihin julkaisuihin I-V on analysoitu 45 haastattelun aineisto. Näiden lisäksi väitöskirjassa kuvatun pitkäkestoisen toimintatutkimuksen aikana hyödynnettiin 26 haastattelun ja 132 työpajan aineistoa kehitettäessä ratkaisuja vaatimusten seulontaprosessin haasteisiin. Vaatimusten seulontaprosessi on laajamittaisen vaatimusmäärittelyprosessin teollinen toteutus. Tutkimuksessa tunnistettiin useita merkittäviä haasteta, joita eri sidosryhmillä on liittyen vaatimusten seulontaprosessiin ja päätöksentekoon laajamittaisessa vaatimusmäärittelyprosessissa. Vaatimusten suuri määrä, päätöksentekoon tarvittavan tiedon puute ja käytössä olevien työkalujen soveltumattomuus ovat esimerkkejä tunnistetuista haasteista. Ratkaisuna haasteisiin kehitettiin vaatimusten seulonta- ja analyysimenetelmä. Kehitetty menetelmä sisältää dynaamisen vaatimusdokumentin, jonka avulla voidaan kerätä kehityspyyntöjen tietosisältö jäsennellysti, dokumentoida ja kommunikoida vaatimukset sekä muodostaa niistä tuotteisiin toteutettavia ominaisuuksia ottaen huomioon eri sidosryhmien tarpeet. Kehitetty menetelmä on koestettu, validoitu ja soveltuvin osin otettu käyttöön teollisuudessa.

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.