Abstract The value of wearable market is booming, especially in the healthcare application segment. This segment is driven by an increasing need for regular monitoring and early diagnosis of patients with growing prevalence of chronic diseases. Wireless communications worn in the close proximity of the body, the variety of applications, and their requirements set design considerations and challenges. In addition to the technical requirements, coexistence with adjacent wireless body area networks (WBANs) and other wireless systems need to be taken into account. A WBAN system needs to be highly reliable, low power, fast, and interference-immune. This thesis studies the performance of two different PHY layer implementations in interfered fading channels. The systems are the frequency modulated ultra wideband (FM-UWB), defined in the IEEE 802.15.6 standard, and narrowband SmartBAN physical layer. The performance of the systems was analyzed by using software simulators developed in Matlab. The author developed the SmartBAN simulator for the ETSI Technical Committee (TC) SmartBAN to study the performance of the new SmartBAN system. This is the first physical layer performance study of the SmartBAN system. In addition, the open literature does not offer similar results on the FM-UWB as presented in this thesis. Based on the results, it can be concluded that the FM-UWB is performing well in situations where high reliability and high interference tolerance is needed. In addition, the simplicity of the FM-UWB transceiver makes it more suitable than the direct sequence UWB (DS-UWB) for applications with data rates of hundreds of kbps. SmartBAN has the best performance in cases where more relaxed requirements for reliability and interference tolerance can be applied. Nevertheless, it became obvious that both systems need proper coexistence and interference mitigation mechanisms to ensure reliability in all scenarios. / Tiivistelmä Puettavien laitteiden markkina-arvo on voimakkaassa kasvussa erityisesti terveydenhuollon sovellusalueella. Tämän sovellusalueen kiihdyttimenä toimii yhä suurempi tarve potilaiden kunnon jatkuvalle tarkkailulle sekä kroonisille taudeille alttiimpien potilaiden varhaiselle diagnosoinnille. Langattoman kehoverkon (WBAN) suunnittelun suurimpia haasteita ovat langaton tiedonsiirto kehon läheisyydessä, erilaiset sovellustyypit sekä niiden vaatimukset. Teknisten vaatimusten lisäksi on myös huomioitava rinnakkaiset kehoverkot sekä muut langattomat järjestelmät. Kehoverkkojärjestelmän on oltava todella luotettava, matalatehoinen, nopea ja häiriösietoinen. Väitöskirjassa tutkitaan kahta kehoverkon fyysisen kerroksen toteutusta häipyvissä ja häirityissä kanavissa. Nämä toteutukset ovat IEEE 802.15.6 -standardissa määritelty taajuusmoduloitu ultralaajakaista (FM-UWB) sekä kapeakaistainen SmartBAN. Järjestelmien suorituskykyä analysoitiin Matlab-ohjelmistosimulaattoreiden avulla. Työssä kehitettiin SmartBAN-simulaattori ETSI Technical Committee (TC) SmartBAN -työryhmälle järjestelmän suorityskykytutkimukseen. Tässä työssä esitetään SmartBAN-järjestelmän fyysisen kerroksen suorituskykytulokset, jotka ovat ensimmäiset laatuaan. Lisäksi kirjallisuudesta ei löydy vastaavia tuloksia FM-UWB:n osalta, kuten tässä työssä on esitetty. Tuloksien pohjalta voidaan päätellä, että FM-UWB suoriutuu hyvin tilanteissa, joissa vaaditaan suurta luotettavuutta sekä suurta häiriönsietokykyä. Lisäksi yksinkertainen lähetin-vastaanotinrakenne tekee siitä kiinnostavamman vaihtoehdon kuin suorahajotettu UWB (DS-UWB) sovelluksille, jotka vaativat satojen kbps:n tiedonsiirtonopeutta. SmartBAN toimii hyvin tilanteissa, joissa näistä vaatimuksista voidaan hieman joustaa. Kuitenkin on selvää, että molemmat järjestelmät tarvitsevat sopivan rinnakkais- ja häiriönvaimennustekniikan taatakseen luotettavuuden kaikissa tapauksissa.

Abstract This thesis proposes cross-layer approaches which enable to improve energy efficiency of wireless sensor networks and wireless body area networks (WSN & WBAN). The focus is on the physical (PHY) and medium access control (MAC) layers of communication protocol stack and exploiting their interdependencies. In the analysis of the PHY and MAC layers, their relevant characteristics are taken into account, and cross-layer models are developed to study the effect of these layers on energy efficiency. In addition, cross-layer analysis is applied at the network level by addressing hierarchical networks' energy efficiency. The objective is to improve energy efficiency by taking into account that substantial modifications to current standards and techniques are not required to take advantage of the proposed methods. The studied scenarios of WSN take advantage of the wake-up radio (WUR). A generic WUR-based MAC (GWR-MAC) protocol with objective to improve energy efficiency by avoiding idle listening is proposed. First, the proposed cross-layer model is developed at a general level and applied to study the forward error correction (FEC) code rate selection effect on the length of the transmission period and energy efficiency in a star topology network. Then an energy efficiency model for intelligent hierarchical architecture based on GWR-MAC is proposed and performance comparison with a duty-cycle radio (DCR) approach is performed. Interactions between different layers' devices are taken into account, and the WUR and DCR approaches are compared as a function of event frequency. The third cross-layer model focuses on the effect of the FEC code rate and data packet payload length on the energy efficiency of the IEEE Std 802.15.6-based WBANs using IR-UWB PHY. The results acquired by using analytical modelling and simulations with the Matlab software clearly illustrates the potential energy gains that can be achieved with the proposed cross-layer approaches. The developed WUR-based MAC protocol, analytical models and achieved results can be exploited by other researchers in the WSN and WBAN field. The contribution of this thesis is also to stimulate further research on these timely topics and foster development of short-range communication, which has a crucial role in future converging networks such as the Internet of Things. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa ehdotetaan protokollakerrosten välistä tietoa hyödyntäviä (cross-layer) lähestymistapoja, jotka mahdollistavat energiatehokkuuden parantamisen langattomissa sensori- ja kehoverkoissa. Työ kohdistuu fyysisen- ja kanavanhallintakerroksen välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen. Fyysisen- ja kanavanhallintakerrosten analyysissä huomioidaan niiden tärkeimmät ominaisuudet ja tutkitaan kerrosten yhteistä energiatehokkuutta. Lisäksi kerrosten välistä analyysiä sovelletaan verkkotasolle tutkimalla hierarkkisen verkon energiatehokkuutta. Tavoitteena on energiatehokkuuden parantamisen mahdollistaminen siten, että merkittäviä muutoksia nykyisiin standardeihin ja tekniikoihin ei tarvitse tehdä hyödyntääkseen ehdotettuja menetelmiä. Tutkitut sensoriverkkoskenaariot hyödyntävät heräteradiota. Väitöskirjassa ehdotetaan geneerinen heräteradiopohjainen kanavanhallintaprotokolla (GWR-MAC), jolla parannetaan energiatehokkuutta vähentämällä turhaa kanavan kuuntelua. Kerrosten välinen malli kehitetään ensin yleisellä tasolla ja sen avulla tutkitaan virheenkorjauskoodisuhteen valinnan vaikutusta lähetysperiodin pituuteen ja energiatehokkuuteen tähtitopologiaan pohjautuvissa sensoriverkoissa. Sitten väitöskirjassa ehdotetaan energiatehokkuusmalli älykkäälle GWR-MAC -protokollaan perustuvalle hierarkkiselle arkkitehtuurille ja sen suorituskykyä vertaillaan toimintajaksoperiaatteella toimivaan lähestymistapaan. Eri kerroksilla olevien laitteiden väliset vuorovaikutukset huomioidaan heräteradio- ja toimintajaksoperiaatteella toimivien verkkojen suorituskykyvertailussa tapahtumatiheyden funktiona. Kolmas malli kohdistuu virheenkorjauskoodisuhteen ja datapaketin hyötykuorman pituuden energiatehokkuusvaikutuksen tutkimiseen IEEE 802.15.6 -standardiin perustuvissa langattomissa kehoverkoissa. Analyyttinen mallinnus ja Matlab-ohjelmiston avulla tuotetut simulointitulokset osoittavat selvästi energiatehokkuushyödyt, jotka saavutetaan ehdotettuja menetelmiä käyttämällä. Kehitetty GWR-MAC -protokolla, analyyttiset mallit ja tulokset ovat hyödynnettävissä sensori- ja kehoverkkotutkijoiden toimesta. Tämän väitöskirjan tavoitteena on myös näiden ajankohtaisten aiheiden jatkotutkimuksen stimulointi sekä lyhyen kantaman viestinnän kehityksen vauhdittaminen, sillä niillä on erittäin merkittävä rooli tulevaisuuden yhteen liittyvissä verkoissa, kuten esineiden ja asioiden Internetissä.

Abstract Impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technology, due to its baseband signaling, potentially offers a low cost, low complexity and low power consumption option for different short range sensor network applications. These sensor networks can be applied to many kinds of future implementations, including the Internet of Things (IoT) applications. In the medical and healthcare context, the term wireless body area network (WBAN) is often used, but, as mentioned, the wireless technology itself can be applied to any kind of body, e.g., to car or robot body networks. This thesis studies IR-UWB receivers’ performances in different hospital environment channel models by means of computer simulation. The main focus is on receivers that are capable of detecting the signals specified either in the IEEE 802.15.4-2015 or in the IEEE 802.15.6-2012 standards. The used channel models from two independent research groups include both on-body to on-body and on-body to off-body scenarios in different hospital environments. The evaluations and comparisons of various receivers include energy detector (ED) and rake receivers, the latter with both selective- and partial-rake structures. One of the studied receiver structures is further analyzed as it was noticed that the simulation results did not correspond to the assumed theoretical bit error probability (BEP) curves. Along the standards based studies, some modifications are also suggested for the two existing IR-UWB standards for increased compatibility and improved performance. One of the propositions resulted a Patent Cooperation Treaty (PCT) patent application. Additionally, an extensive survey is provided offering a compilation which includes presentations of IR-UWB research by other researchers, existing standards’ IR-UWB physical layer (PHY) specifications and the main global regulations concerning UWB. / Tiivistelmä Erittäin laajakaistainen impulssiradioteknologia (IR-UWB) tarjoaa potentiaalisen vaihtoehdon yksinkertaisille, edullisille ja matalan tehonkulutuksen omaaville lähetin-vastaanotin-ratkaisuille, jotka soveltuvat lyhyen kantaman sensoriverkkoihin. Nämä sensoriverkot ovat monikäyttöisiä soveltuen esimerkiksi tulevaisuuden esineiden internetin (IoT) tiedonsiirtoratkaisuiksi. Esimerkiksi sairaanhoidon ja terveydenhuollon asiayhteyksissä käytetään monesti termiä langaton kehoverkko (WBAN), joka voidaan asentaa monenlaisiin eri sovelluskohteisiin kuten autoon tai vaikkapa robotin "keholle". Tässä väitöskirjassa on tutkittu tietokonesimulaatioiden avulla erilaisten IR-UWB vastaanotinrakenteiden suorituskykyä sairaalaympäristöä mallintavissa radiokanavissa. Tutkimuksen painopiste on vastaanottimissa, jotka kykenevät vastaanottamaan joko IEEE 802.15.4-2015- tai IEEE 802.15.6-2012-standardeissa määritellyn signaalin. Sairaalaympäristöä mallintavat radiokanavat perustuvat kahden toisistaan riippumattoman tutkijaryhmän mallinnuksiin, jotka sisältävät sekä keholta-keholle että keholta-kehon ulkopuolelle -radiokanavamallit. Energiailmaisin (ED) ja erilaiset harava-vastaanottimet ovat niitä vastaanotinrakenteita, joita tähän väitöskirjaan kuuluvissa artikkeleissa on arvioitu ja vertailtu. Yhtä vastaanotinrakennetta on myös analysoitu tarkemmin, kun havaittiin, etteivät kyseistä rakennetta koskevat simulaatiotulokset vastanneet oletettuja teoreettisia bittivirhetodennäköisyyksiä. Tutkimuksessa kehitettiin lisäksi olemassa olevien standardien ratkaisuihin liittyviä parannusehdotuksia, joita esitettiin muutamissa tähän väitöskirjaan sisällytetyissä artikkeleissa. Yhdestä ehdotuksesta tehtiin myös PCT-sopimuksen alainen patentointihakemus. Lisäksi yhdessä tähän väitöskirjaan sisällytetyssä artikkelissa on paitsi laaja kirjallisuuskatsaus sisältäen katsauksen muiden tekemiin IR-UWB- tutkimuksiin, myös olemassa olevien standardien fyysisten kerroksien määritykset koskien IR-UWB-teknologiaa ja tärkeimmät maailmanlaajuiset UWB-tekniikkaa koskevat signaalin tehotiheysmääräykset.

Abstract The Internet of Things (IoT) is already providing solutions to various tasks related to monitoring the environment and controlling devices over wired and wireless networks. It is estimated by several well-known research facilities that the number of IoT devices will be in the order of tens of billions by 2020. This inevitably brings challenges and costs in deployment, management, and maintenance of networks. The focus of this thesis is to provide solutions that mainly help in the deployment and maintenance of various wireless IoT networks. Different applications have different requirements for a wireless link coverage. It is important to utilize suitable radio technology for a particular application in order, e.g., to maximize the lifetime of a device. A wireless body area network (WBAN) typically consists of devices that are within couple of meters from each other. The WBAN is suitable for, e.g., measuring muscle activity and transferring data to a storage for processing. The wireless link can use air as a medium, or alternatively, an induced electric field to a body can be used. In this thesis, it is shown that a location of the electrodes in the body have impact to the attenuation. Home automation IoT applications are typically implemented with mid-range wireless technologies, known as wireless personal area networks (WPAN). In order to minimize and get rid of battery change operations, a wake-up receiver could be utilized in order to improve the device’s energy efficiency. The concept is introduced and performance of the current state-of-the-art works are presented. In addition, a control loop enabling a passive device to have control over an energy source is proposed. Applications that have low bandwidth requirements can be implemented with low-power wide area networks (LPWAN). One technology – LoRaWAN – is evaluated, and it is recommended as based on the results to use it in non-critical applications. / Tiivistelmä Esineiden internet (Internet of Things, IoT) mahdollistaa jo laajan kirjon erilaisia ratkaisuja ympäristön monitorointiin ja laitteiden hallintaan hyödyntäen sekä langattomia että langallisia verkkoja. Usea hyvin tunnettu tutkimusorganisaatio on arvioinut, että vuonna 2020 IoT laitteiden määrä tulee olemaan kymmenissä miljardeissa. Se luo väistämättä haasteita laitteiden sijoittamisessa, hallinnassa ja kunnossapidossa. Tämä väitöskirja keskittyy tarjoamaan ratkaisuja, jotka voivat helpottaa langattomien IoT laitteiden sijoittamisessa ja kunnossapidossa. IoT sovellusten laaja kirjo vaatii erilaisia langattomia radioteknologioita, jotta sovellukset voitaisiin toteuttaa, muun muassa, mahdollisimman energiatehokkaasti. Langattomassa kehoverkossa (wireless body area network, WBAN) käytetään usein hyvin lyhyitä langattomia linkkejä. WBAN on soveltuva esimerkiksi lihasten aktiivisuus mittauksessa ja mittaustiedon siirtämisessä talteen varastointia ja prosessointia varten. Linkki voidaan toteuttaa käyttäen ilmaa rajapintana, tai vaihtoehtoisesti, kehoa. Tässä työssä on näytetty, että käytettäessä kehoa siirtotienä, elektrodien sijainnilla on merkitystä signaalin vaimennuksen kannalta. Kotiautomaatio IoT sovellukset ovat tyypillisesti toteutettu käyttäen langatonta likiverkkoa, jossa linkin pituus sisätiloissa on alle 30 metriä. Jotta päästäisiin eroon pariston vaihto-operaatiosta tai ainakin vähennettyä niiden määrää, herätevastaanotinta käyttämällä olisi mahdollista parantaa laitteiden energiatehokkuutta. Herätevastaanotin konsepti ja tämänhetkistä huipputasoa edustavien vastaanottimien suorituskyky ovat esitetty. Lisäksi, on ehdotettu menetelmä joka takaa energian saannin passiiviselle IoT laitteelle. IoT sovellukset jotka tyytyvät vähäiseen kaistanleveyteen voidaan toteuttaa matalatehoisella laajan alueen verkolla (low-power wide area network, LPWAN). Yhden LPWAN teknologian, nimeltään LoRaWAN, suorituskykyä on evaluoitu. Tulosten perusteella suositus on hyödyntää kyseistä teknologiaa ei-kriittisissä sovelluksissa.