Abstract In this thesis integrated receiver channel techniques and circuit implementations for a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder are developed with the aim to achieve centimetre level accuracy within the dynamic range of > 1:10 000 of the input pulse amplitudes. The receiver channel converts the input current pulses produced by the photo detector to voltage pulses and produces a logic-level timing pulse for the time interval measurement. In addition to the minimization of noise, the main design challenge is the minimization of the timing walk error resulting from the varying amplitude of the received optical echo. In automotive perception laser radar application, which was the target application of this work, the input amplitude of the received echo varies in a range of 1:10 000 or even more due to changes in the measured distance and reflectivity and orientation of the target. Two receiver channel and timing discriminator architectures were developed and realized as integrated circuits in 0.35 μm BiCMOS technology, and finally verified by measurements. One of the receiver channels is based on the detection of the zero-crossing of the timing pulse produced with a unipolar-to-bipolar conversion at the input of the receiver. It achieved a timing walk error of ±8 mm in a dynamic range of 1:3000. Another receiver channel is based on the leading edge timing discrimination, in which the timing walk error is being compensated for in time domain by measuring the width of the timing pulse simultaneously with its leading edge time position. An important feature of this technique, suggested in this thesis, is that it is operative also beyond the linear range of the receiver channel, which is typically limited to < 1:100. The receiver channel with leading edge detection and pulse width compensation achieved a compensated walk error of ± 2–3 mm in a dynamic range of ~ 1:100 000. The bandwidth and input referred current noise of the channel were 230 MHz and <100 nArms, respectively. The single-shot timing precision was 120 ps (20 mm in distance) at the SNR of 10. The feasibility of the receiver electronics was verified by two laser radar prototypes. An accuracy of < ± 5 mm was measured in a measurement range from 1 to 55 m, which corresponds to the receiver dynamic range of > 1:10 000 taking into consideration the varying reflectivity of the target materials used. / Tiivistelmä Väitöskirjatyössä on suunniteltu integroituja vastaanotintekniikoita ja –piirejä valopulssin kulkuaikamittaustekniikkaan perustuvaan laseretäisyysmittaukseen. Tavoitteena on ollut saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus laajalla tulopulssin amplitudin dynaamisella alueella > 1:10 000. Vastaanotinkanava muuntaa valoilmaisimelta saadun tulovirtapulssin jännitepulssiksi ja muodostaa siitä logiikkatasoisen ajoituspulssin aikavälimittauspiirille. Kohinan minimoimisen lisäksi toinen suuri suunnitteluhaaste on minimoida ajoitusvirhe, jota syntyy vastaanotetun optisen tulosignaalin amplitudin vaihdellessa laajalla alueella. Työssä kehitettyjen vastaanotinkanavien yksi sovelluskohdetavoitteista on ollut autoteollisuudessa käytettävät etäisyysmittarit. Näissä tulosignaalin taso vaihtelee erittäin laajalla dynaamisella alueella, joka voi olla > 1:10 000, johtuen laajasta etäisyysmittausalueesta sekä kohteen heijastavuuden ja orientaation vaihteluista. Väitöskirjatyössä kehitettiin ja valmistettiin kaksi vastaanotin- ja ajoitusilmaisurakennetta. Piirit valmistettiin 0,35 μm BiCMOS- teknologialla, ja niiden toiminta varmistettiin mittauksilla. Ensimmäinen vastaanotinkanava-arkkitehtuuri perustuu kanavan tulossa tapahtuvaan unipolaari-bipolaari muutokseen ja sen jälkeiseen nollaylityskohdan ilmaisuun. Piirillä saavutettiin ±8 mm ajoitusvirhe 1:3000 dynaamisella alueella. Toinen vastaanotinkanava-arkkitehtuuri perustuu etureunanilmaisuun, jossa ajoitusvirhe korjataan aikatasossa mittaamalla samanaikaisesti ajoituspulssin paikka ja leveys. Ajoitusvirheenkorjausmenetelmän tärkeä ominaisuus on, että se toimii laajemmalla kuin vastaanottimen lineaarisella alueella (< 1:100). Etureunanilmaisuun ja pulssinleveyden korjaukseen perustuvalla vastaanotinkanavalla saavutettiin korjattu ajoitusvirhe ± 2–3 mm 1:100 000 dynaamisella alueella. Kanavan kaistanleveys oli 230 MHz ja tulon redusoitu virtakohina < 100 nArms. Signaalikohinasuhteella 10 laseretäisyysmittauksen kertamittaustarkkuudeksi mitattiin 120 ps (20 mm etäisyydessä). Väitöskirjatyön yhteydessä valmistettiin lisäksi kaksi prototyyppilasertutkaa, joilla varmistettiin vastaanotinelektroniikan toiminta laajalla > 1:10 000 dynaamisella tulopulssin amplitudin vaihtelualueella. Lasertutkan ajoitusvirheeksi mitattiin < ± 5 mm 1–55 m:n mittausalueella.

Abstract Several companies work in shared workplaces and each company has different requirements for health (H), safety (S), environment (E) and quality (Q). Many globally operating companies have defined their own corporate requirements. Requirements in local national legislation and insurance policies are creating more challenges. The various requirements affect how HSEQ management is implemented in changing, complex, and heterogeneous working environments. The aim of the thesis was to describe HSEQ management development in Northern Finnish process industry companies (N = 6) and their company network in the shared workplaces context during the past 20 years. The study also describes the current state of HS and partly EQ [HS(EQ)] management practices and tools in a global steel company. An important objective was to make recommendations on how to continuously improve and develop HS(EQ) issues. A mixed methods approach (interview, document study, questionnaire, benchmarking and -learning, SWOT analysis) were used in the case study. HSEQ Assessment Procedure―a type of integrated management system tool―was developed to evaluate supplying companies’ HSEQ performance in shared workplaces. It was selected as the main method on one site of the global steel company. The global steel company’s HS management system was based on OHSAS 18001 with HS vision and principles, development plan, internal standards and performance indicators. Lost time injury frequency rate (LTIFR) and HSEQ AP performance showed positive trends. Both corporate HS requirements and local HS(EQ) practices provided adequate tools for a safety culture and HS(EQ) performance development. Recommendations were made regarding HS(EQ) management tools, practices and indicators in shared workplaces operating globally. The focus should be on preventive actions, such as leading performance indicators and creating a uniform safety culture for shared workplaces with a sustainable foundation. The development should be supported by the commitment and participative development of every organisational level. Learning from internal good practices and external benchmarking are valuable methods for this purpose. HSEQ management, change management, internal and external standardisation and information technology systems should be exploited to support this goal. / Tiivistelmä Yhteisellä työpaikalla työskentelee useita yrityksiä, jotka ovat määrittäneet omat vaatimuksensa työterveydelle (H), työturvallisuudelle (S), ympäristölle (E) ja laadulle (Q). Lisäksi kansainvälisillä yrityksillä, kansallisessa lainsäädännössä ja vakuutusyhtiöillä on omat vaatimuksensa, jotka luovat entistä haasteellisemman työympäristön. Monenlaiset vaatimukset vaikuttavat siihen, kuinka HSEQ-johtaminen on toteutettu muuttuvassa, monimutkaisessa ja epäyhtenäisessä työympäristössä. Tutkimuksessa kuvattiin HSEQ-johtamisen kehittymistä pohjoissuomalaisissa prosessiteollisuuden yrityksissä (N=6) ja niiden yritysverkostossa, yhteisellä työpaikalla, viimeisen 20 vuoden aikana. Lisäksi kuvattiin HS ja osittain myös EQ [HS(EQ)] -johtamisen menetelmien ja työkalujen nykytilaa kansainvälisessä terästeollisuuden yrityksessä, sekä kehitystarpeita tavoiteltaessa HS(EQ)-johtamisen huippuosaamista. Tutkimus toteutettiin monimenetelmällisenä tapaustutkimuksena: haastattelu, dokumenttien tutkimus, kysely, esikuva-analyysi, SWOT-analyysi. HSEQ-arviointi on kehitetty yhteisille työpaikoille toimittajayritysten HSEQ-suorituskyvyn arviointiin hyödyntäen integroidun johtamisjärjestelmän periaatetta, ja se valittiin yhdeksi päämenetelmäksi tutkimuksen kohteena olevalle yhteiselle työpaikalle. Tutkimuksen kohteena olevan terästeollisuuden alan yrityksen HS-johtaminen perustui OHSAS 18001-järjestelmään. Visio, periaatteet, toimintasuunnitelma, sisäiset standardit ja suorituskyvyn mittarit muodostivat konsernin HS-järjestelmän. Tapaturmataajuuden ja HSEQ-arvioinnin tulosten perustella kehitys on ollut positiivista. Konsernin HS-vaatimukset ja paikalliset HS(EQ)-käytännöt antoivat kohtuulliset työkalut turvallisuuskulttuurin ja HS(EQ)-suorituskyvyn kehittämiselle. Suositukset koskivat yhteisillä työpaikoilla ja kansainvälisessä työympäristössä toimivien organisaatioiden HS(EQ)-johtamisen työkaluja, käytäntöjä ja mittareita. Pitäisi keskittyä ennakointiin, kuten ennakoiviin turvallisuusmittareihin ja luomaan yhtenäinen kestävä turvallisuuskulttuuri yhteiselle työpaikalle. Jokaisen organisaatiotason tulisi sitoutua kehittämiseen hyödyntäen osallistuvaa kehittämistä. Sisäisillä hyvillä käytännöillä ja ulkoisella esikuva-analyysilla voidaan tukea kehittämistä. HSEQ-johtamista, muutoksenhallintaa, sisäistä ja ulkoista standardointia sekä tietoteknisiä järjestelmiä pitäisi hyödyntää.

Abstract With the unprecedented growth in mobile data traffic and network densification, the emerging fifth-generation (5G) wireless network warrants a paradigm shift with respect to system design and technological enablers. In this regard, the prime motivation of this thesis is to propose an integrated access-backhaul (IAB) framework to dynamically schedule users, while efficiently providing a wireless backhaul to dense small cells and mitigating interference. In addition, joint resource allocation and interference mitigation solutions are proposed for two-hop and multi-hop self-backhauled millimeter wave (mmWave) networks. The first contribution of this thesis focuses on a multi-user two-hop relay cellular system in which a massive antenna array enabled macro base station (BS) simultaneously provides high beamforming gains to outdoor users, and wireless backhauling to outdoor small cells. Moreover, a hierarchical interference mitigation scheme is applied to efficiently mitigate cross-tier and co-tier interference. In the second contribution, a multi-hop self-backhauled mmWave communication scenario is studied whereby a joint multi-hop multi-path selection and rate allocation framework is proposed to enable Gbps data rates with reliable communications. Using reinforcement learning techniques, a dynamic and efficient re-routing solution is proposed to cope with blockage and latency constraints. Finally, a risk-sensitive learning solution is leveraged to provide high-reliability and low-latency communications. In summary, the dissertation analyses key trade-offs between (i) capacity and latency, (ii) reliability and network density. Extensive simulation results were carried out to verify the performance gains of the proposed algorithms compared to several baselines and for different network settings. Key findings show significant improvements in terms of higher data rates, lower latency, and reliable communications with some trade-offs. / Tiivistelmä Liikkuvan dataliikenteen ennennäkemättömän kasvun ja verkkojen tihentymisen seurauksena pian käyttöön tulevien viidennen sukupolven (5G) langattomien verkkojen järjestelmäsuunnittelua ja teknologisten mahdollistajien käyttöä on täytynyt lähestyä kokonaan uudesta näkökulmasta. Niinpä tämän väitöstyön johtavana ajatuksena on ehdottaa integroitua verkkoon pääsyn ja runkoverkkoyhteyden muodostamismallia, jossa käyttäjät resursoidaan dynaamisesti ja samalla muodostetaan tehokkaat runkoverkkoyhteydet piensoluille. Tätä varten tutkitaan resurssiallokaation ja häiriöiden lieventämisen yhteisratkaisuja, jotka tukevat kahden tai useamman hypyn yhteyksiä ja samanaikaista runkoverkkoyhteyden luomista millimetriaaltoalueen verkoissa. Työn alkuosa keskittyy usean käyttäjän välitinavusteiseen kahden hypyn solukkoverkkoon, jossa makrotukiasemassa käytetään suurta antenniryhmää muodostamaan samanaikaisesti suuren vahvistuksen antennikeiloja käyttäjälinkeille ja langattomalle runkoyhteysosuudelle. Lisäksi sovelletaan hierarkkista häiriönvaimennusmenetelmää saman kerroksen ja kerrosten välisen häiriön tehokkaaseen vähentämiseen. Työn seuraavassa osassa arvioidaan usean hypyn runkoverkkoyhteyden muodostuksen tutkimusongelmaa millimetrialueen kommunikaatiossa kehittämällä yhdistetty menetelmä usean hypyn monipolkuvalinnalle ja tiedonsiirtoresurssien allokoinnille. Tällä tähdätään gigabittiluokan datanopeuksiin ja luotettavaan tietoliikenteeseen millimetrialueella. Vahvistavan oppimisen tekniikan avulla esitellään dynaaminen ja tehokas uudelleenreitityskonsepti toimimaan esto- ja viiverajoitusten kanssa. Lopuksi hyödynnetään riskisensitiivistä oppimista ja antennidiversiteettitekniikoita suuren luotettavuuden ja pienen latenssin saavuttamiseksi millimetrialueen tiedonsiirrossa. Näiden avulla analysoidaan kaupankäyntiä esimerkiksi (i) kapasiteetin ja latenssin sekä (ii) luotettavuuden ja verkon tiheyden/kuormituksen välillä. Mittavien suoritettujen simulointien avulla osoitetaan ehdotettujen algoritmien suorituskykyedut suhteessa tunnettuihin verrokkeihin useissa eri skenaarioissa. Tulosten perusteella saavutetaan merkittäviä kustannussäästöjä infrastruktuurin ja runkoverkon osalta sekä päästään suuriin datanopeuksiin ja parannuksiin pienen latenssin luotettavassa tietoliikenteessä.