Abstract This thesis focuses on integrating multipurpose public displays with online social networking services. Modern public displays are capable of much more than the early digital billboards used for promoting brand awareness in urban areas. Currently, smaller, interactive displays are proliferating and starting to offer a variety of services for their users. A network of such displays is located in the northern City of Oulu, Finland, for example, where it is used by the general public. As such, it forms a realistic test bed for studying novel public display services in an authentic urban setting. This thesis examines how to leverage online social networking services in creating services for interactive public displays. A key difference to most related research is that the displays simultaneously offer multiple services to their users. The thesis first provides general purpose software components, which together allow creating services that take advantage of online social networking services. These include a distributed user interface framework, a login mechanism for displays that relies on the developed framework, and a social networking service API for public displays, relying on the login mechanism. Then, the thesis presents a number of prototype services that use the developed components. The services are discussed in the contexts of user generated content, public displays for enabling communication between users, and the role of smart phones in enabling these services. The key findings of this thesis illustrate how consuming and producing user generated content directly on public displays provide compelling use cases. Also, while leveraging online social networking services can be useful in supporting casual communication between users, the anonymity of public display users is likely to cause problems in official communications. Mobile phones are found as suitable for enabling the integration of social networking services and public displays by de-anonymizing the users. However, we are still far from a situation in which mobile phones are a natural part of the interface between humans and public displays, and more research and development towards this vision are needed. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy monikäyttöisten julkisten näyttöjen ja yhteisöpalvelujen yhdistämiseen. Uudenaikaiset julkiset näytöt kykenevät paljon muuhunkin kuin ensimmäiset suuret mainostaulut joilla mainostettiin suuria tavaramerkkejä. Pienemmät, interaktiiviset näytöt yleistyvät ja alkavat tarjoamaan uudenlaisia palveluita. Yksi verkko tällaisia näyttöjä sijaitsee Oulussa, Suomessa, missä se on yhteisön käytössä. Se muodostaa aidon ja totuudenmukaisen testialustan julkisten näyttöjen palveluille aidossa kaupunkiympäristössä. Tämä väitöskirja tutkii Internetin yhteisöpalveluiden käyttämistä interaktiivisten julkisten näyttöjen palveluiden luomisessa. Yksi työn tärkeimmistä eroista olemassaolevaan kirjallisuuten on se, että käytetyt näytöt tarjoavat yhtäaikaa useita palveluita. Väitöskirja esittelee ensin yleiskäyttöisiä ohjelmistokomponentteja, joiden avulla voidaan luoda näytöille palveluita, jotka käyttävät hyväkseen Internetin yhteisöpalveluita. Nämä ovat hajautettu käyttöliittymäratkaisu, sisäänkirjautumismekanismi, mikä rakentuu kehitetyn käyttöliittymäratkaisun varaan sekä yhteisöpalvelurajapinta, mikä taas rakentuu sisäänkirjautumismekanismin varaan. Seuraavaksi väitöskirja esittelee prototyyppipalveluita, mitkä rakentuvat mainittujen komponenttien varaan. Nämä palvelut analysoidaan eri viitekehyksissä: käyttäjien luoma sisältö, julkisten näyttöjen mahdollistama kommunikaatio eri käyttäjien välillä sekä älypuhelinten rooli näiden palveluiden luomisessa. Väitöskirjan löydökset havainnollistavat, kuinka käyttäjien luoma sisältö sekä sen tuottaminen suoraan julkisella näytöllä ovat mieleisiä käyttötapoja. Lisäksi, vaikka yhteisöpalvelujen hyödyntäminen julkisilla näytöillä voikin tukea arkipäiväistä kommunikaatiota käyttäjien välillä, käytön anonymiteetti voi kuitenkin aiheuttaa ongelmia virallisemmassa kommunikaatiossa. Matkapuhelimet todetaan sopiviksi yhteisöpalvelujen ja julkisten näyttöjen yhdistämisessä etenkin käyttäjien tunnistamistuen vuoksi. Olemme kuitenkin vielä kaukana tilanteesta, missä matkapuhelimet ovat osa luonnollista käyttöliittymää ihmisten ja julkisten näyttöjen välillä, ja lisää tutkimusta on tehtävä tämän vision suuntaan.

Abstract The aim of this study was to follow 8 to 36- month old children's communicative development and its' associations with social-emotional skills (the Brief Infant Toddler Social-Emotional Assessment, BITSEA) and behavioural problems. This study is the first study using the Finnish version of the BITSEA. A total of 50 children participated in the Oulu region (first phases at year 2006 and 2007). At the age of 8 months (at year 2006, n =  31), child participants were grouped into two conditions: 1) children possibly needing support for deficiencies in communicative and interaction skills and 2) children without noted areas of need of support in communicative and interaction skills. Through random sampling, three groups were formed and included children from both the above mentioned conditions. The groups met fortnightly for five months for a directed song-play session (enrichment intervention). The sample size was increased at year 2007 (n =  19) and follow-up questionnaires were sent to all of the participating families (N =  50) at the child's age of 18, 24 and 36 months. The sample during the year 2007 did not receive any intervention. Results suggest, that the children's communicative and social-emotional development may be linked to each other. Children who scored higher in the assessments in communicative skills were also more successful on assessments measuring social interaction and social-emotional competence. Children with better communication skills demonstrated higher scores after enrichment-intervention. Scores on the BITSEA demonstrated an association with other indicators of children's development employed in the study suggesting the utility of the BITSEA as a follow-up assessment in Finnish sample. Mothers, who rated high maternal stress (measured at the child's age of 8 months) also rated higher levels of social-emotional and behavioural problems in their children, especially when a child was 18 months. This effect appeared to decrease over time. Results indicate the clinical importance of directly measuring not only a child's linguistic and social-emotional development, but also including assessment of a child's immediate environment, such as parents and siblings. / Tiivistelmä Tutkimuksen tarkoituksena oli seurata 8-36 kuukauden ikäisten lasten kielellistä kehitystä ja sen yhteyttä sosioemotionaaliseen kehitykseen (Brief Infant Toddler Social-Emotional Assessment, BITSEA-lomake) sekä käyttäytymisen ongelmiin. Tämä oli ensimmäinen tutkimus Suomessa, jossa käytettiin BITSEAn suomenkielistä versiota. Tutkimukseen osallistui 50 perhettä (aloitus vuosina 2006 ja 2007) Oulun alueelta. Kahdeksan kuukauden iässä täytettyjen lomakkeiden perusteella (vuonna 2006, n =  31) lapset luokiteltiin vuorovaikutus- ja kommunikaatiotaitojen mukaan kahteen joukkoon: 1) Vuorovaikutus- ja kommunikaatiotaitojen tukea mahdollisesti tarvitsevat lapset ja 2) Lapset, joilla ei todennäköisesti ollut tuen tarvetta vuorovaikutus- ja kommunikaatiotaidoissa. Satunnaisotannalla muodostettiin kolme pienryhmää (rikastuttamisryhmät), joihin kuului sekä mahdollista tukea tarvitsevia että tukea tarvitsemattomia lapsia. Ryhmät kokoontuivat joka toinen viikko viiden kuukauden ajan ohjattuun laulu-leikkituokioon. Tutkimusta laajennettiin syksyllä 2007 (n =  19) ja kaikille tutkimukseen osallistuneille perheille (N = 50) lähetettiin seurantalomakkeita, jotka vanhempien tuli täyttää lapsen ollessa 18, 24 ja 36 kuukauden ikäinen. Vuoden 2007 otoksen perheille ei tarjottu perheinterventiota. Tutkimuksessa kävi ilmi, että lapset, jotka saivat korkeat pisteet sosioemotionaalista kompetenssia kuvaavissa kartoituksissa, menestyivät paremmin myös vuorovaikutus- ja kommunikaatiotaitoja kuvaavissa arvioinneissa. Lapset, joilla oli jo ennestään korkeammat pisteet vuorovaikutus- ja kommunikaatiotaitoja kuvaavissa lomakkeissa, näyttivät saavan korkeammat pisteet myös intervention jälkeen. Tutkimuksessa tuli esiin, että BITSEA -lomake korreloi hyvin muiden lasten kehityksen seurannassa käytettyjen mittareiden kanssa ja soveltuu siten hyvin tutkimuslomakkeeksi suomalaisessakin aineistossa. Lisäksi äidit, jotka arvioivat stressitasonsa korkealle (lapsen ollessa kahdeksan kuukauden ikäinen), arvioivat myöhemmin myös korkeampia pisteitä lasten sosioemotionaalisten ja käyttäytymisen ongelmien kyselylomakkeissa lapsen ollessa 18 kuukauden ikäinen. Tämä vaikutus kuitenkin väheni lapsen kasvaessa. Tutkimustulokset osoittavat, että perhe- ja neuvolatyössä on lapsen kehityksen kannalta tärkeää huomioida myös hänen kasvuympäristönsä; vanhempien hyvinvointi ja sisarusten määrä vaikuttavat lapsen kielelliseen ja sosioemotionaaliseen kehitykseen.

Abstract Both genetic and biological and psychosocial environmental risk factors contribute to the aetiology of schizophrenia spectrum disorders. Among the much studied environmental risk indicators are parental Communication Deviance (CD) and the winter or spring birth of a child. Genetic and environmental risk factors do not function in isolation from each other, but gene-environment interactions play a major role in the aetiology of psychotic disorders. The aim of this doctoral thesis is to investigate the role of parental CD as a risk factor (together with other risk indicators) for thought disorders and schizophrenia spectrum disorders in an adoptive child. A systematised review was performed concerning the association between parental Communication Deviance and schizophrenia spectrum and thought disorders in offspring. A meta-analysis could only be performed for the association of parental CD with schizophrenia spectrum disorders in offspring. A large overall effect size was found (0.79, 95%CI 0.21–1.37). The studies included in the systematised review suggest that frequent parental CD and thought disorders in the offspring are connected with each other. The two original studies are based on the data derived from the total sample of the Finnish Adoptive Family Study (n=382). First, the association between parental Communication Deviance scored from individual and family Rorschach protocols and the characteristics of the adoptive child and the parents themselves was investigated. The variability of CD in the adoptive parents in individual and family Rorschach situations was most closely associated with the characteristics of the parents themselves. The association of an adoptive child’s thought and schizophrenia spectrum disorders with the child’s genetic risk for schizophrenia spectrum disorders, winter or spring birth, and parental Communication Deviance, and their interactions was also explored. The adoptive child’s thought disorders were associated only with parental CD. None of the risk indicators or their interactions predicted the adoptee’s schizophrenia spectrum diagnosis. In conclusion, the results indicate that the amount of Communication Deviance is a stable trait of an individual. It may be considered as a risk indicator for schizophrenia spectrum disorders in offspring and, with a lower level of confidence, also for thought disorders in offspring. / Tiivistelmä Skitsofreniaspektrin sairauksien varsinaisia syytekijöitä ei tunneta, mutta niillä on lukuisia sekä perimään että biologiseen ja psykososiaaliseen ympäristöön liittyviä riskitekijöitä. Nykytietämyksen mukaan riskitekijät eivät vaikuta sairauden syntyyn itsenäisesti, vaan perimän ja ympäristön vuorovaikutuksella on merkittävä osuus. Paljon tutkittuja ympäristöön liittyviä riskitekijöitä ovat lapsen talvi- tai kevätsyntymä ja vanhempien hajanainen kommunikaatio. Tässä väitöskirjassa tutkitaan vanhempien hajanaista kommunikaatiota adoptiolapsen ajatushäiriöiden ja skitsofreniaspektrin sairauksien riskitekijänä. Vanhempien hajanaisen kommunikaation ja lapsen skitsofreniaspektrin sairauksien ja ajatushäiriöiden yhteydestä laadittiin systemaattinen katsaus. Meta-analyysi voitiin tehdä vain skitsofreniaspektrin sairauksiin liittyen. Vanhempien hajanaisen kommunikaation ja lapsen skitsofreniaspektrin sairauksien välisellä yhteydellä havaittiin olevan suuri efektikoko (0,79, 95 % luottamusväli 0,21–1,37). Katsaukseen sisällytetyt tutkimukset viittaavat siihen, että vanhempien hajanaisella kommunikaatiolla ja lapsen ajatushäiriöillä on myös yhteys. Väitöskirjan alkuperäistutkimukset perustuvat Suomalaisen adoptiolapsiperhetutkimuksen aineistoon (n= 382). Aluksi tutkittiin vanhempien yksilö- ja perhe-Rorschach-tilanteissa mitatun hajanaisen kommunikaation määrän ja lapsen ja vanhempien ominaisuuksien välistä yhteyttä. Hajanaisen kommunikaation määrän vaihtelu selittyi pääosin vanhempien ominaisuuksilla. Seuraavaksi tutkittiin adoptiolapsen ajatushäiriöiden ja skitsofreniaspektrin sairauksien yhteyttä lapsen skitsofreniaspektrin sairauksille altistavan perimän, talvi- tai kevätsyntymän ja vanhempien hajanaisen kommunikaation kanssa. Huomioon otettiin myös riskitekijöiden yhteisvaikutukset. Mikään riskitekijä tai niiden yhteisvaikutus ei ollut yhteydessä lapsen skitsofreniaspektrin sairauteen. Lapsen ajatushäiriöt olivat yhteydessä ainoastaan vanhempien hajanaiseen kommunikaatioon. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että vanhempien hajanainen kommunikaatio on kohtalaisen muuttumaton piirre, joka on lapsen skitsofreniaspektrin sairauksien riskitekijä. Tulokset viittaavat myös siihen, että vanhempien hajanainen kommunikaatio voi olla lapsen ajatushäiriöiden riskitekijä.

Abstract The thesis concentrates on evaluating and improving performances of various multiple-input multiple-output (MIMO) relaying scenarios that are particularly relevant to future wireless systems. A greater emphasis is placed on important practical situations, considering relay deployments, availability of channel state information (CSI), limitations of spectrum, and information secrecy. Initially, the performance of a non-coherent amplify-and-forward (AF) MIMO relaying is analyzed when the relay is deployed with the relay-to-destination channel having a line-of-sight (LoS) path. The main attention is given to analyzing the performance of orthogonal space-time block coded based non-coherent AF MIMO system. Exact expressions of statistical parameters and performance metrics are derived considering the instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) received at the destination. These performance metrics reveal that a strong LoS component in relay-destination channel always limits the performance promised by MIMO scattering environment when both nodes have multiple antennas. The thesis also considers scenarios in MIMO two-way relaying (TWR) with physical layer network coding (PNC) mapping at the relay. PNC mapping becomes complex with multiple streams being combined at the relay node. Joint precoder-decoder schemes are considered to ease this, and various studies are carried out depending on the CSI. The zero-forcing criterion is used at the nodes when perfect CSI is available. For the imperfect CSI scenario, a robust joint precoder-decoder design is considered. The precoder and decoder matrices are obtained by solving optimization problems, which are formulated to maximize sum-rate and minimize weighted mean square error (WMSE) under transmit power constraints on the nodes. Next, a precoder-decoder scheme for MIMO underlay device-to-device (D2D) communication system is investigated by considering two D2D modes; PNC based D2D and direct D2D. The joint design is based on minimizing mean square error (MSE) which is useful to mitigate interference, and to improve the performance of both D2D and cellular communications. Distributed and centralized algorithms are proposed considering bi-directional communication in both D2D and cellular communications. System performance is discussed with two transmit mode selection schemes as dynamic and static selection schemes. The results show that the PNC based D2D mode extends the coverage area of D2D communication. Finally, secure beamforming schemes for the PNC based MIMO TWR systems are investigated when multiple eavesdroppers are attempting to intercept the user information. The CSI of the user-to-eavesdropper channels is imperfect at the users. The channel estimation errors are assumed with both ellipsoidal bound and Gaussian Markov uncertainty models. Robust optimization problems are formulated considering both scenarios to design beamforming vectors at the users and relay. Numerical results suggest that the proposed algorithms converge fast and provide higher security. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään arvioimaan ja parantamaan suorituskykyä useissa moniantennitoistinjärjestelmissä, jotka ovat ajankohtaisia tulevaisuuden langattomissa verkoissa. Erityisesti työssä analysoidaan tärkeitä käytännön tilanteita, sisältäen toistimien sijoittamisen, kanavatiedon saatavuuden, rajoitetun taajuuskaistan ja tiedon salauksen. Aluksi epäkoherentin, vahvistavan ja jatkolähettävän moniantennitoistimen suorituskykyä analysoidaan tilanteessa, jossa toistin on sijoitettu siten, että kohteeseen on suora yhteys. Suorituskyvyn arvioinnin pääkohteena on ortogonaalinen tila-aika-tason lohkokoodattu epäkoherentti vahvistava ja jatkolähettävä moniantennitoistin. Työssä johdetaan tarkat lausekkeet tilastollisille parametreille ja suorituskykymittareille ottaen huomioon hetkellinen signaalikohinasuhde vastaanottimessa. Nämä suorituskykymittarit ilmaisevat, että toistimen ja kohteen välillä oleva vahva suoran yhteyden komponentti rajoittaa sitä suorituskykyä, jota moniantennijärjestelmän hajontaympäristö ennustaa. Työssä tutkitaan myös kahdensuuntaisia moniantennitoistimia, jotka käyttävät fyysisen kerroksen verkkokoodausta. Koodauksesta tulee monimutkaista, kun monia datavirtoja yhdistetään toistimessa. Tämän helpottamiseksi käytetään yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää, jota tutkitaan erilaisten kanavatietojen tapauksissa. Täydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään nollaanpakotuskriteeriä. Epätäydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään robustia yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää. Esikoodaus- ja dekoodausmatriisit saadaan ratkaisemalla optimointiongelmat. Nämä ongelmat on muodostettu maksimoimaan summadatanopeus, ja minimoimaan painotettu keskineliövirhe, kun optimointirajoitteina ovat solmujen lähetystehot. Seuraavaksi esikoodaus-dekoodausmenetelmää tutkitaan moniantennijärjestelmässä, jossa käytetään kahdentyyppistä laitteesta-laitteeseen (D2D) kommunikaatiomenetelmää: fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvaa D2D- ja suoraa D2D-kommunikaatiota. Yhteissuunnittelu perustuu keskineliövirheen minimointiin, joka on hyödyllistä, kun halutaan vähentää häiriötä ja parantaa molempien verkkojen suorituskykyä. Työssä ehdotetaan hajautettuja ja keskitettyjä algoritmeja tilanteessa, jossa käytetään kaksisuuntaista kommunikaatiota molemmissa verkoissa. Järjestelmän suorituskykyä arvioidaan, kun käytetään kahta eri lähetystilan valintaa, dynaamista ja staattista. Tulokset osoittavat, että fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuva D2D kasvattaa D2D-kommunikaatiojärjestelmän kantamaa. Lopuksi, turvallisia keilanmuodostustekniikoita arvioidaan fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvassa kahdensuuntaisessa moniantennitoistinjärjestelmässä, kun useat salakuuntelijat yritävät siepata käyttäjätiedon. Käyttäjillä on epäideaalinen kanavatieto heidän ja salakuuntelijoiden välisten linkkien kanavista. Kanavatiedon estimointivirheitä arvioidaan ellipsoidisella ja Gauss-Markov-epävarmuusmallilla. Robustit optimointiongelmat, joissa suunnitellaan keilanmuodostusvektorit käyttäjän ja toistimen välille, muodostetaan molemmille malleille. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit konvergoituvat nopeasti ja tarjoavat korkeamman turvallisuuden.

Abstract Fading in wireless channels, the limited battery energy available in wireless handsets, the changing user demands and the increasing demand for high data rate and low delay pose serious design challenges in the future generations of mobile communication systems. It is necessary to develop efficient transmission policies that adapt to changes in network conditions and achieve the target delay and rate with minimum power consumption. In this thesis, a number of new paradigms in wireless networks are presented. Dynamic programming tools are used to provide dynamic network stabilizing resource allocation solutions for virtualized data centers with clouds, cooperative networks and heterogeneous networks. Exact dynamic programming is used to develop optimal resource allocation and topology control policies for these networks with queues and time varying channels. In addition, approximate dynamic programming is also considered to provide new sub-optimal solutions. Unified system models and unified control problems are also provided for both secondary service provider and primary service provider cognitive networks and for conventional wireless networks. The results show that by adapting to the changes in queue lengths and channel states, the dynamic policy mitigates the effects of primary service provider and secondary service provider cognitive networks on each other. We investigate the network stability and provide new unified stability regions for primary service provider and secondary service provider cognitive networks as well as for conventional wireless networks. The K-step Lyapunov drift is used to analyse the performance and stability of the proposed dynamic control policies, and new unified stability analysis and queuing bound are provided for both primary service provider and secondary service provider cognitive networks and for conventional wireless networks. By adapting to the changes in network conditions, the dynamic control policies are shown to stabilize the network and to minimize the bound for the average queue length. In addition, we prove that the previously proposed frame based does not minimize the bound for the average delay, when there are shared resources between the terminals with queues. / Tiivistelmä Langattomien kanavien häipyminen, langattomien laitteiden akkujen rajallinen koko, käyttäjien käyttötarpeiden muutokset sekä lisääntyvän tiedonsiirron ja lyhyemmän viiveen vaatimukset luovat suuria haasteita tulevaisuuden langattomien verkkojen suunnitteluun. On välttämätöntä kehittää tehokkaita resurssien allokointialgoritmeja, jotka sopeutuvat verkkojen muutoksiin ja saavuttavat sekä tavoiteviiveen että tavoitedatanopeuden mahdollisimman pienellä tehon kulutuksella. Tässä väitöskirjassa esitetään uusia paradigmoja langattomille tietoliikenneverkoille. Dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään luomaan dynaamisia verkon stabiloivia resurssien allokointiratkaisuja virtuaalisille pilvipalveludatakeskuksille, käyttäjien yhteistyöverkoille ja heterogeenisille verkoille. Tarkkoja dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään kehittämään optimaalisia resurssien allokointi ja topologian kontrollointialgoritmeja näille jonojen ja häipyvien kanavien verkoille. Tämän lisäksi, estimoituja dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään luomaan uusia alioptimaalisia ratkaisuja. Yhtenäisiä systeemimalleja ja yhtenäisiä kontrollointiongelmia luodaan sekä toissijaisen ja ensisijaisen palvelun tuottajan kognitiivisille verkoille että tavallisille langattomille verkoille. Tulokset osoittavat että sopeutumalla jonojen pituuksien ja kanavien muutoksiin dynaaminen tekniikka vaimentaa ensisijaisen ja toissijaisen palvelun tuottajien kognitiivisten verkkojen vaikutusta toisiinsa. Tutkimme myös verkon stabiiliutta ja luomme uusia stabiilisuusalueita sekä ensisijaisen ja toissijaisen palveluntuottajan kognitiivisille verkoille että tavallisille langattomille verkoille. K:n askeleen Lyapunovin driftiä käytetään analysoimaan dynaamisen kontrollointitekniikan suorituskykyä ja stabiiliutta. Lisäksi uusi yhtenäinen stabiiliusanalyysi ja jonon yläraja luodaan ensisijaisen ja toissijaisen palveluntuottajan kognitiivisille verkoille ja tavallisille langattomille verkoille. Dynaamisen algoritmin näytetään stabiloivan verkko ja minimoivan keskimääräisen jonon pituuden yläraja sopeutumalla verkon olosuhteiden muutoksiin. Tämän lisäksi todistamme että aiemmin esitetty frame-algoritmi ei minimoi keskimääräisen viiveen ylärajaa, kun käyttäjät jakavat keskenään resursseja.