Abstract About one third of home-dwelling older people suffer a fall ech year. The most consuming falls occur when the person is alone and unable to get up, resulting in long lies which are associated with institutionalisation and high morbidity-mortality rate. Even though personal emergency response systems provide applications to call for help, older people are not always able or willing to activate them. Hence, an automatic fall detection system is an important setting. Even though pilot applications and commercial fall detection systems exist, the real-life validation of these systems is scant. The aim of this study was to develop a validated acceleration-based method for fall detection to be adapted for real-life applications among older people. Methods capable of discriminating between falls and activities of daily living (ADL) were determined based on laboratory tests. The threshold-based algorithms were validated with intentional falls in 20 middle-aged test persons and ADL in 20 middle-aged and 21 older people. The algorithm for the waist with impact and end posture detection was able to discriminate falls from ADL with 97% sensitivity and 100% specificity. In order to validate the fall detection system, a field test was performed with 16 residents in elderly care units wearing a wireless sensor. During the 6-month test period, acceleration data from five real-life falls were collected. One of the falls resulted in a hip fracture. These falls showed similar features as intentional falls. However, high pre impact velocity was detected in the case with a fracture, but not in all falls with preventative actions. The system had a fall detection sensitivity of 71.4% with a false alarm rate of 1.1 alarms over a 24-hour time period in this real-life pilot test. The data from real-life falls provide important material for further development of fall detection and studies on fall mechanism and fall prevention. / Tiivistelmä Kotona asuvista yli 65-vuotiaista kaatuu vuosittain kolmannes. Mikäli kaatunut ei kykene nousemaan omin neuvoin, avun saaminen saattaa viivästyä. Tämä suurentaa sekä laitoshoitoon joutumisen todennäköisyyttä että kuoleman riskiä. Erilaisia hälytysjärjestelmiä on kyllä saatavilla, mutta ikääntyneet eivät aina kykene käyttämään niitä tai eivät jostain syystä halua tehdä hälytystä. Tämän vuoksi automaattiselle kaatumishälyttimelle on tarvetta. Tässä tutkimuksessa kehitettiin ja testattiin ikääntyneiden tarpeisiin soveltuva kiihtyvyysanturiin perustuva kaatumisen tunnistumenetelmä. Aineisto koottiin laboratorio-olosuhteissa kokeilla, joihin osallistui sekä nuoria että keski-ikäisiä. Raja-arvoon perustuvia tunnistusalgoritmeja testattiin 20 keski-ikäisen ohjeistettujen testikaatumisten sekä 20 keski-ikäisen ja 21 ikääntyneen arkisten askareiden tuottamalla datalla. Kaatumistapahtuman impaktin ja loppuasennon tunnistaminen vyötäröltä mitatuista kiihtyvyysarvoista erotteli kaatumisen muusta liikkeestä 95 % sensitiivisyydellä ja 100 % spesifisyydellä. Tunnistusmenetelmää testattiin kenttäkokeessa, jossa 16 ikääntynyttä hoitokodin asukasta piti vyötäröllään mittauslaitetta. Kuuden kuukauden aikana kiihtyvyyssignaali saatiin viidestä kaatumisesta. Yksi niistä aiheutti lonkkamurtuman. Analyysin mukaan näiden todellisten kaatumisten kiihtyvyyssignaalit muistuttivat testikaatumisia. Lonkkamurtumatapauksessa ennen impaktia mitattu nopeus oli erittäin korkea. Vastaavaa ei havaittu tapauksissa, joissa oli merkkejä siitä, että kaatumista oli yritetty estää. Kenttäkokeessa kaatumishälytysjärjestelmän sensitiivisyys oli 71.4 % ja vääriä hälytyksiä oli 1.1 vuorokaudessa. Tutkimuksessa saatua tietoa tosielämän kaatumistapahtumista voidaan käyttää hyväksi kehitettäessä kaatumisten ehkäisyä, niiden mekanismin tutkimista sekä kaatumisen tunnistusta kiihtyvyysanturien avulla.

Abstract In the last few years, location-awareness has emerged as a key technology for the future development of mobile, ad hoc and sensor networks. Thanks to location information, several network optimization strategies as well as services can be developed. However, the problem of determining accurate location, i.e. positioning, is still a challenge and robust algorithms are yet to be developed. In this thesis, we focus on the development of distance-based non-cooperative and cooperative algorithms, which is derived based on a non-parametric non- Bayesian framework, specifically with a Weighted Least Square (WLS) optimization. From a theoretic perspective, we study the WLS problem and establish the optimality through the relationship with a Maximum Likelihood (ML) estimator. We investigate the fundamental limits and derive the consistency conditions by creating a connection between Euclidean geometry and inference theory. Furthermore, we derive the closed-form expression of a distance-model based Cramér-Rao Lower Bound (CRLB), as well as the formulas, that characterize information coupling in the Fisher information matrix. Non-cooperative positioning is addressed as follows. We propose a novel framework, namely the Distance Contraction, to develop robust non-cooperative positioning techniques. We prove that distance contraction can mitigate the global minimum problem and structured distance contraction yields nearly optimal performance in severe channel conditions. Based on these results, we show how classic algorithms such as the Weighted Centroid (WC) and the Non-Linear Least Square (NLS) can be modified to cope with biased ranging. For cooperative positioning, we derive a novel, low complexity and nearly optimal global optimization algorithm, namely the Range-Global Distance Continuation method, to use in centralized and distributed positioning schemes. We propose an effective weighting strategy to cope with biased measurements, which consists of a dispersion weight that captures the effect of noise while maximizing the diversity of the information, and a geometric-based penalty weight, that penalizes the assumption of bias-free measurements. Finally, we show the results of a positioning test where we employ the proposed algorithms and utilize commercial Ultra-Wideband (UWB) devices. / Tiivistelmä Viime vuosina paikkatietoisuudesta on tullut eräs merkittävä avainteknologia mobiili- ja sensoriverkkojen tulevaisuuden kehitykselle. Paikkatieto mahdollistaa useiden verkko-optimointistrategioiden sekä palveluiden kehittämisen. Kuitenkin tarkan paikkatiedon määrittäminen, esimerkiksi kohteen koordinaattien, on edelleen vaativa tehtävä ja robustit algoritmit vaativat kehittämistä. Tässä väitöskirjassa keskitytään etäisyyspohjaisten, yhteistoiminnallisten sekä ei-yhteistoiminnallisten, algoritmien kehittämiseen. Algoritmit pohjautuvat parametrittömään ei-bayesilaiseen viitekehykseen, erityisesti painotetun pienimmän neliösumman (WLS) optimointimenetelmään. Väitöskirjassa tutkitaan WLS ongelmaa teoreettisesti ja osoitetaan sen optimaalisuus todeksi tarkastelemalla sen suhdetta suurimman todennäköisyyden (ML) estimaattoriin. Lisäksi tässä työssä tutkitaan perustavanlaatuisia raja-arvoja sekä johdetaan yhtäpitävyysehdot luomalla yhteys euklidisen geometrian ja inferenssiteorian välille. Väitöskirjassa myös johdetaan suljettu ilmaisu etäisyyspohjaiselle Cramér-Rao -alarajalle (CRLB) sekä esitetään yhtälöt, jotka karakterisoivat informaation liittämisen Fisherin informaatiomatriisiin. Väitöskirjassa ehdotetaan uutta viitekehystä, nimeltään etäisyyden supistaminen, robustin ei-yhteistoiminnallisen paikannustekniikan perustaksi. Tässä työssä todistetaan, että etäisyyden supistaminen pienentää globaali minimi -ongelmaa ja jäsennetty etäisyyden supistaminen johtaa lähes optimaaliseen suorituskykyyn vaikeissa radiokanavan olosuhteissa. Näiden tulosten pohjalta väitöskirjassa esitetään, kuinka klassiset algoritmit, kuten painotetun keskipisteen (WC) sekä epälineaarinen pienimmän neliösumman (NLS) menetelmät, voidaan muokata ottamaan huomioon etäisyysmittauksen harha. Yhteistoiminnalliseksi paikannusmenetelmäksi johdetaan uusi, lähes optimaalinen algoritmi, joka on kompleksisuudeltaan matala. Algoritmi on etäisyyspohjainen globaalin optimoinnin menetelmä ja sitä käytetään keskitetyissä ja hajautetuissa paikannusjärjestelmissä. Lisäksi tässä työssä ehdotetaan tehokasta painotusstrategiaa ottamaan huomioon mittausharha. Strategia pitää sisällään dispersiopainon, joka tallentaa häiriön aiheuttaman vaikutuksen maksimoiden samalla informaation hajonnan, sekä geometrisen sakkokertoimen, joka rankaisee harhattomuuden ennakko-oletuksesta. Lopuksi väitöskirjassa esitetään tulokset kokeellisista mittauksista, joissa ehdotettuja algoritmeja käytettiin kaupallisissa erittäin laajakaistaisissa (UWB) laitteissa.

Abstract Sharing is emerging as one of the megatrends influencing future business opportunities, and wireless communications is no exception to this development. Future mobile broadband networks will operate on different types of spectrum bands including shared spectrum, which calls for changes in the operation and management of the networks. The creation and capture of value by the different players in the mobile broadband ecosystem is expected to change due to regulation, technology, and business landscape related drivers that concern not only spectrum sharing, but also sharing of other resources such as infrastructure, technologies, or data. This thesis examines the key business and technology enablers needed to exploit spectrum sharing in mobile broadband networks, and presents the business model characteristics and strategic choices that spectrum sharing concepts support. Action research and integral scenarios methodologies were applied for strategic and business analysis utilizing the capacity and expertise of the policy, business and technology research communities. The thesis introduces a new approach to analyze the scalability of the spectrum sharing concepts and their business model elements utilizing sharing economy antecedent factors. The results indicate that all analyzed sharing concepts meet basic requirements to scale. The Licensed Shared Access (LSA) leverages existing assets and capabilities of the mobile network operator domain, the Citizens Broadband Radio Service (CBRS) extends the business model dynamics from connectivity to content, context and commerce, and the hybrid usage of Ultra High Frequency (UHF) band by Digital Terrestrial TV (DTT) and downlink Long Term Evolution (LTE) (HUHF) enables new collaborative opportunities between converging communication, Internet and media domains. The thesis validates the feasibility of spectrum sharing between mobile broadband networks and other types of incumbent spectrum users utilizing Finnish cognitive radio field trial environment (CORE), and expands the notion of spectrum sharing beyond the mobile broadband domain to be applied to other wireless systems including the media and broadcasting. The presented results can be used in developing the future mobile broadband systems enhanced with innovative spectrum sharing enabled business models to cope with the growing demand for capacity and new services by humans and machines. / Tiivistelmä Jakamistalous on yksi suurista tulevaisuuden liiketoimintamahdollisuuksiin vaikuttavista trendeistä, eikä langaton tietoliikenne ole tässä poikkeus. Tulevaisuuden laajakaistaiset matkapuhelinverkot tulevat hyödyntämään erityyppisiä radiotaajuuksia, kuten jaettuja taajuuskaistoja, mikä vaatii muutoksia verkkojen toimintoihin ja hallintaan. Eri toimijoiden arvonluonti- ja ansaintamahdollisuuksien odotetaan muuttuvan näissä liikkuvan laajakaistan ekosysteemeissä regulaation, teknologian ja liiketoimintaympäristön kehittyessä, ei vain taajuuksien jakamisessa, vaan myös kun kyseessä on muiden resurssien kuten infrastruktuurin, teknologioiden tai tiedon jakaminen. Väitöskirja tutkii teknologia- ja liiketoimintaedellytyksiä taajuusjakomenetelmille matkapuhelinverkoissa, sekä esittelee ja analysoi menetelmien mahdollistamia liiketoimintamalleja ja strategisia valintoja. Strategia- ja liiketoiminta-analyyseissä käytettiin toimintatutkimus- ja skenaariomenetelmiä poikkitieteellisissä tutkimusprojekteissa yhteistyössä reguloinnin, liiketoiminnan ja tekniikan tutkimusyhteisöjen kanssa. Tutkimus esittelee uuden lähestymistavan taajuusjakotekniikoiden liiketoimintamallien skaalautuvuuden analysointiin jakamistalouden määritelmiä hyödyntäen. Tulokset osoittavat, että kaikki tutkitut tekniikat täyttävät perusedellytykset skaalautuvuudelle; Licensed Shared Access (LSA) hyödyntäen matkapuhelinoperaattorin olemassa olevia resursseja ja kyvykkyyksiä, Citizens Broadband Radio Service (CBRS) laajentaen liiketoimintamalleja tietoliikenteestä sisältöön, kontekstiin ja kaupankäyntialustoihin, sekä digitaalitelevision ja langattoman LTE-tekniikan hybridikäyttö UHF-taajuuskaistalla (HUHF) mahdollistaen uusia liiketoimintamahdollisuuksia lähentyvien tietoliikenne-, Internet- ja mediaekosysteemien välillä. Väitöskirja tulokset vahvistivat taajuuden jakamisen soveltuvuuden liikkuvan laajakaistaverkon ja saman taajuusalueen eri teollisuudenalan haltijan välillä suomalaisessa CORE kenttätestausympäristössä, ja laajensivat taajuusjakotekniikan sovellettavuutta myös muihin langattomiin järjestelmiin sisältö- ja mediajakelussa. Esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää tulevaisuuden langattomien laajakaistaverkkojen kehitystyössä vastaamaan ihmisten ja koneiden kasvaviin tietoliikennepalveluiden ja -kapasiteetin tarpeisiin hyödyntäen tehokkaita taajuusjakotekniikoita ja niiden mahdollistamia innovatiivisia liiketoimintamalleja.