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

Abstract Radio communication is used in increasingly diversified device typologies. Telecommunications with a reduced detrimental impact on health and environment, and an improved cost-efficiency and working lifetime are expected by institutions, end-users, operators and manufacturers. Moreover, with more networks present or more articulated systems, dependability of the entirety is to be ensured. The related need of efficiency in various compartments – such as in the use energy or the radio spectrum – and of effectiveness in adapting to changing operating conditions can be achieved with cognitive features. This dissertation addresses network reconfiguration and dependability by cognitive measures from multiple perspectives – each covered by a respective part of this work – providing guidelines for cognitive networks design. A rationalising view on cognitive networks with related taxonomies and models includes a discussion on the dynamics and interactions in networks operating closely and simultaneously (here, concurrent networks). While cognitive domains are specified for cognitive functions, with a more generic scope control functions are assigned to topological domains. This allows a flexible exploitation of the system design by decoupling the specification of system functions from their mapping onto network devices that will host them. As interaction plays an important role in many topical scenarios, a model for networked engineered cognitive entities comprising four categories (observation, interworking, consolidation, operation) and two levels (a cognitive frontier and a metacognitive hub) is presented here. Its cognitive phases are considered with regard to the other architectural elements. Moving the focus down to the levers for exploitation of context awareness, are presented solutions for efficient use of resources and dependability in general, considering the network dynamics. For communication link and network adaptation, the effective capacity is captured by a compact-form expression also considering imperfections, while learning is exploited for reducing overhead, and collaboration for fairly maximising energy save. / Tiivistelmä Käyttäjät, operaattorit ja laitevalmistajat toivovat tulevilta tietoliikennejärjestelmiltä sekä aiempaa pienempiä haitallisia vaikutuksia terveyteen ja ympäristöön että parannettua kustannustehokkuutta ja toiminta-aikaa. Lisäksi olisi varmistettava useiden verkkojen ja niiden muodostamien monimutkaisten järjestelmien kokonaisuuden luotettava toiminta. Tarvittava tehokkuus energian ja radioresurssien käytössä, samoin kuin kyky sopeutua muuttuviin käyttötilanteisiin, voidaan saavuttaa kognitiivisilla radioteknikoilla. Tämä väitöskirja käsittelee kognitiivisten menetelmien tuomaa radioverkkojen mukauttamista ja luotettavuutta eri näkökulmista. Samalla esitetään kognitiivisten verkkojen suunnittelun periaatteita ja lähtökohtia. Väitöskirja sisältää katsauksen kognitiivisiin radioverkkoihin niihin liittyvine luokitteluineen ja malleineen, sekä tarkastelee samanaikaisesti ja läheisesti toimivien verkkojen (rinnakkaisten verkkojen) dynamiikkaa ja vuorovaikutuksia. Työssä määritetään kognitiiviset lohkot kognitiivisine toimintoineen, kun taas topologiset tasot hallintatoimintoineen määritetään yleisemmin. Tämä mahdollistaa järjestelmäsuunnittelun joustavan hyödyntämisen erottamalla järjestelmän toimintojen määrittelyn toteuttavista verkkolaitteista. Koska vuorovaikutus on merkittävä tekijä useissa sovellusskenaarioissa, verkottuneille keinotekoisille kognitiivisille yksiköille ehdotetaan tässä neljä luokkaa (havainnointi, yhteistoiminta, vakauttaminen, toiminta) sekä kaksi vyöhykettä (kognitiivinen raja-alue ja metakognitiivinen keskus) sisältävää mallia. Mallin kognitiiviset vaiheet käsitellään suhteessa muihin arkkitehtuurin elementteihin. Järjestelmän kontekstitietoisuuden hyväksikäyttöön liittyen esitetään ratkaisuja resurssien tehokkaaseen käyttöön ja yleisemmin luotettavuuteen ottaen huomioon verkkojen dynamiikkaa. Yhteyksien ja verkkojen mukauttamisesta esitetään analyyttinen ratkaisu saavutettavan tehollisen kapasiteetin määrittämiseksi, huomioiden mahdolliset epäideaalisuudet. Kognitiivista oppimista hyödynnetään hallintalikenteen vähentämiseksi ja yhteistyötä energiansäästön maksimoimiseksi verkon alueella tasapuolisesti.

Abstract The last decade was marked by a set of harmful events ranging from economical crises to organized crime, acts of terror and natural catastrophes. This has led to a paradigm transformation concerning security. Millions of surveillance cameras have been deployed, which led to new challenges, as the systems and operations behind those cameras could not cope with the rapid growth in number of video cameras and systems. Looking at today’s control rooms, often hundreds or even thousands of cameras are displayed, overloading security officers with irrelevant information. The purpose of this research was the creation of a novel video surveillance system with automated analysis mechanisms which enable security authorities and their operators to cope with this information flood. By automating the process, video surveillance was transformed into a proactive information system. The progress in technology as well as the ever increasing demand in security have proven to be an enormous driver for security technology research, such as this study. This work shall contribute to the protection of our personal freedom, our lives, our property and our society by aiding the prevention of crime and terrorist attacks that diminish our personal freedom. In this study, design science research methodology was utilized in order to ensure scientific rigor while constructing and evaluating artifacts. The requirements for this research were sought in close cooperation with high-level security authorities and prior research was studied in detail. The created construct, the “Intelligent Video Surveillance System”, is a distributed, highly-scalable software framework, that can function as a basis for any kind of high-performance video surveillance system, from installations focusing on high-availability to flexible cloud-based installation that scale across multiple locations and tens of thousands of cameras. First, in order to provide a strong foundation, a modular, distributed system architecture was created, which was then augmented by a multi-sensor analysis process. Thus, the analysis of data from multiple sources, combining video and other sensors in order to automatically detect critical events, was enabled. Further, an intelligent mobile client, the video surveillance local control, which addressed remote access applications, was created. Finally, a wireless self-contained surveillance system was introduced, a novel smart camera concept that enabled ad hoc and mobile surveillance. The value of the created artifacts was proven by evaluation at two real-world sites: An international airport, which has a large-scale installation with high-security requirements, and a security service provider, offering a multitude of video-based services by operating a video control center with thousands of cameras connected. / Tiivistelmä Viime vuosikymmen tunnetaan vahingollisista tapahtumista alkaen talouskriiseistä ja ulottuen järjestelmälliseen rikollisuuteen, terrori-iskuihin ja luonnonkatastrofeihin. Tämä tilanne on muuttanut suhtautumista turvallisuuteen. Miljoonia valvontakameroita on otettu käyttöön, mikä on johtanut uusiin haasteisiin, koska kameroihin liittyvät järjestelmät ja toiminnot eivät pysty toimimaan yhdessä lukuisien uusien videokameroiden ja järjestelmien kanssa. Nykyajan valvontahuoneissa voidaan nähdä satojen tai tuhansien kameroiden tuottavan kuvaa ja samalla runsaasti tarpeetonta informaatiota turvallisuusvirkailijoiden katsottavaksi. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli luoda uusi videovalvontajärjestelmä, jossa on automaattiset analyysimekanismit, jotka mahdollistavat turva-alan toimijoiden ja niiden operaattoreiden suoriutuvan informaatiotulvasta. Automaattisen videovalvontaprosessin avulla videovalvonta muokattiin proaktiiviseksi tietojärjestelmäksi. Teknologian kehitys ja kasvanut turvallisuusvaatimus osoittautuivat olevan merkittävä ajuri turvallisuusteknologian tutkimukselle, kuten tämä tutkimus oli. Tämä tutkimus hyödyttää yksittäisen ihmisen henkilökohtaista vapautta, elämää ja omaisuutta sekä yhteisöä estämällä rikoksia ja terroristihyökkäyksiä. Tässä tutkimuksessa suunnittelutiedettä sovellettiin varmistamaan tieteellinen kurinalaisuus, kun artefakteja luotiin ja arvioitiin. Tutkimuksen vaatimukset perustuivat läheiseen yhteistyöhön korkeatasoisten turva-alan viranomaisten kanssa, ja lisäksi aiempi tutkimus analysoitiin yksityiskohtaisesti. Luotu artefakti - ’älykäs videovalvontajärjestelmä’ - on hajautettu, skaalautuva ohjelmistoviitekehys, joka voi toimia perustana monenlaiselle huipputehokkaalle videovalvontajärjestelmälle alkaen toteutuksista, jotka keskittyvät saatavuuteen, ja päättyen joustaviin pilviperustaisiin toteutuksiin, jotka skaalautuvat useisiin sijainteihin ja kymmeniin tuhansiin kameroihin. Järjestelmän tukevaksi perustaksi luotiin hajautettu järjestelmäarkkitehtuuri, jota laajennettiin monisensorianalyysiprosessilla. Siten mahdollistettiin monista lähteistä peräisin olevan datan analysointi, videokuvan ja muiden sensorien datan yhdistäminen ja automaattinen kriittisten tapahtumien tunnistaminen. Lisäksi tässä työssä luotiin älykäs kännykkäsovellus, videovalvonnan paikallinen kontrolloija, joka ohjaa sovelluksen etäkäyttöä. Viimeksi tuotettiin langaton itsenäinen valvontajärjestelmä – uudenlainen älykäs kamerakonsepti – joka mahdollistaa ad hoc -tyyppisen ja mobiilin valvonnan. Luotujen artefaktien arvo voitiin todentaa arvioimalla ne kahdessa reaalimaailman ympäristössä: kansainvälinen lentokenttä, jonka laajamittaisessa toteutuksessa on korkeat turvavaatimukset, ja turvallisuuspalveluntuottaja, joka tarjoaa moninaisia videopohjaisia palveluja videovalvontakeskuksen avulla käyttäen tuhansia kameroita.