Abstract The aim of this thesis is to devise coordination and adaptation techniques that enable the wireless devices operating in a cognitive network to utilize their available resources efficiently. The first part of this thesis considers the case where multiple autonomous devices sense the frequency channels sequentially in some sensing order for spectrum opportunities. In particular, the first part is interested in the scenario where devices with false alarms autonomously select the sensing orders in which they visit channels, without coordination from a centralized entity. An adaptive persistent sensing order selection strategy that allows autonomous adaptations to collision-free sensing orders is proposed and evaluated. It is shown that the proposed strategy converges and maximizes cognitive network throughput compared to a random selection of sensing orders. The second part of this thesis considers the case where distributed devices interact with one another to cooperate to fulfill tasks or to improve the efficiency of network resource usage. Tools from coalition formation game theory are adopted to devise dynamic cooperative strategies for distributed devices. Dynamic coalition formation methods, are proposed for two different network scenarios: 1) Distributed devices operating in an interference channel; 2) Distributed devices performing spectrum sensing. It is observed that in distributed spectrum sensing if the devices pursue their goals selfishly then coalition formation may lead to a suboptimal equilibrium where devices, through their interactions, reach an undesirable coalition structure from a network point of view. The proposed selfish model of dynamic coalition formation is then extended to determine whether and how the coalitional behavior of devices will change if coalition formation is ''not entirely selfish''. It is observed that for the problem of distributed spectrum sensing, average throughput per device is increased when devices cooperate to maximize the overall gains of the group as compared to when they cooperate to increase their individual gains. Finally, in the last part of the thesis, to reduce spectrum sensing overhead and total energy consumption of a cognitive radio network, the problem of sensor selection is considered. Different techniques for selecting devices with the best detection performance are proposed, and it is shown that the proposed device selection methods are able to offer significant gains in terms of system performance as compared to a random selection of devices. / Tiivistelmä Tämän työn tavoitteena oli kehittää koordinointi- ja adaptointimenetelmiä, jotka mahdollistavat langattomien laitteiden toiminnan kognitiivisessa verkossa ja tarjolla olevien resurssien tehokkaan käytön. Työn ensimmäisessä osassa käsitellään tapausta, jossa useat itsenäiset laitteet havainnoivat taajuuskanavien spektriominaisuuksia sekventiaalisesti jossakin järjestyksessä. Ensimmäisessä osassa ollaan erityisesti kiinnostuneita skenaariosta, jossa virheellisen hälytyksen antava laite automaattisesti valitsee kanavien havainnointijärjestyksen, joka tapahtuu ilman keskusyksikön koordinointia. Tässä työssä ehdotetaan ja evaluoidaan adaptiivinen jatkuva havainnointijärjestyksen valintastrategia, joka sallii itsenäisen sopeutumisen törmäysvapaaseen havainnointijärjestykseen. Osoitetaan, että ehdotettu strategia suppenee ja maksimoi kognitiivisen verkon kapasiteetin verrattuna satunnaiseen havainnointijärjestysten valintaan. Työn toisessa osassa pohditaan tilannetta, jossa hajautetut laitteet vuorovaikuttavat keskenään yhteistyössä suorittaakseen tehtäviään tai parantaakseen verkon resurssien käytön tehokkuutta. Peliteoreettisia työkaluja koalitioiden muodostamiseen mukautetaan dynaamisten yhteistoiminnallisten strategioiden laatimiseen hajautetuille laitteille. Dynaamisia koalitioiden muodostamismenetelmiä ehdotetaan kahteen erilaiseen verkkoskenaarioon: 1) hajautetut laitteet toimivat häiriöllisessä kanavassa, 2) hajautetut laitteet suorittavat spektrin havainnointia. Havaitaan, että jos hajautetussa spektrin havainnoinnissa laitteet tavoittelevat päämääriään itsekkäästi, niin koalitioiden muodostaminen voi johtaa alioptimaaliseen tasapainotilaan, jossa laitteet keskinäisen vaikutuksensa kautta saavuttavat verkon näkökulmasta epätoivotun koalitiorakenteen. Ehdotettua itsekästä mallia dynaamiseen koalitioiden muodostamiseen laajennetaan ottamaan selville, miten laitteiden koalitiokäyttäytyminen muuttuu, jos koalitioiden muodostaminen ei ole täydellisen itsekästä. Havaitaan, että hajautetun spektrin havainnoinnin probleemassa, keskimääräinen laitekohtainen kapasiteetti kasvaa kun laitteet tekevät yhteistyötä maksimoidakseen ryhmän kokonaishyödyn verrattuna siihen, jos ne tekevät yhteistyötä lisätäkseen yksittäisiä etujaan. Työn viimeisessä osassa pohditaan sensorien valintaongelmaa. Siinä ehdotetaan erilaisia menetelmiä, jotka valitsevat parhaan suorituskyvyn omaavat laitteet ja näytetään, että ehdotetut laitteiden valintamenetelmät pystyvät tarjoamaan merkittäviä suorituskykyetuja verrattuna satunnaiseen laitteiden valintaan.

Abstract Pervasive environments are physical spaces saturated with devices collecting data, controlling the environment, and interacting with users. These environments support human users in their everyday tasks so that the users can focus on their own tasks and access services and resources whenever and wherever they want. Such environments are also called smart spaces. Knowledge-based systems would enable realizing a variety of intelligent applications for pervasive environments. Generally, such systems recognize the situation in the environment from sensor data and utilize automated reasoning techniques to respond to the situation and the needs of the users. However, building knowledge-based systems for pervasive environments presents challenges. This dissertation focuses on the challenge of data and knowledge representations. Knowledge-based systems utilize expressive knowledge representations that are verbose and require sufficient resources in order to use them. Most devices in pervasive environments cannot handle these representations as the devices have limited resources for computation, storage, and communication. The main aim of this dissertation is to tackle this challenge. That is, on the one hand, pervasive environments demand data and knowledge representations that do not require many resources from the resource-constrained devices; and on the other hand, the representations should be compatible with the knowledge-based systems. Specifically, a general solution is required that enables many applications to use the same data with minimal effort from application developers. This dissertation presents a novel representation, Entity Notation (EN), to tackle these challenges. EN is designed as a general lightweight representation for data and knowledge. EN expresses entities, their properties, and property values. This structure resembles the triple structure of Resource Description Framework (RDF) and Web Ontology Language (OWL). Hence, sensor data in EN syntax can be transformed into common knowledge models in a straightforward manner and utilized with ease by knowledge-based systems. EN Schema is designed for transferring advanced knowledge models. Moreover, EN also offers an approach to shorten the format with templates and prefixes. This way, EN can be utilized by resource-constrained devices and environments. Our evaluation verifies that small devices can utilize EN to transfer data and knowledge to devices realizing intelligent functions, such as inference. Moreover, the expressive power of EN is comparable with the alternative representations. Finally, resource consumption is verified by prototypes. Based on the evaluation, we can conclude that EN can facilitate harnessing the full potential of pervasive environments. / Tiivistelmä Kaikkialla läsnäolevat ympäristöt ovat fyysisiä tiloja täynnä laitteita, jotka keräävät dataa, ohjaavat ympäristöä ja ovat vuorovaikutuksessa käyttäjien kanssa. Nämä ympäristöt tukevat ihmisiä päivittäisissä tehtävissä siten, että ihmiset voivat keskittyä tehtäviinsä sekä käyttää erilaisia palveluja ja resursseja ajanhetkestä ja paikasta riippumatta. Tällaisia ympäristöjä kutsutaan myös älykkäiksi tiloiksi. Tietämysjärjestelmät mahdollistavat monia sovellusskenaarioita näihin ympäristöihin. Nämä järjestelmät tunnistavat ympäristössä vallitsevan tilanteen sensoridatan avulla ja hyödyntävät automaattista päättelyä reagoidakseen tilanteeseen ja käyttäjien tarpeisiin. Tietämysjärjestelmien kehitys näihin ympäristöihin on kuitenkin haasteellista. Tämä väitöskirja keskittyy datan ja tiedon esitystavan haasteisiin. Tietämysjärjestelmät käyttävät ilmaisuvoimaisia tietämyksen esitysmalleja, joiden monimuotoisuus puolestaan edellyttää riittäviä resursseja. Monet laitteet eivät pysty käsittelemään näitä esitysmalleja koska niillä ei ole riittäviä laskenta-, kommunikaatio- ja tallennusresursseja. Väitöskirjan päätavoite on ratkaista tämä haaste: Toisaalta dataa ja tietämyksen esitysmalleja on voitava käsitellä niukoilla resursseilla; toisaalta esitysmallien on oltava yhteensopivia erilaisten tietämysjärjestelmien kanssa. Erityisesti tarvitaan yleisratkaisu, joka voidaan yhdistää useaan sovellukseen vähäisellä sovelluskehitystyöllä. Tämä väitöskirja esittää ratkaisuksi uuden datan ja tietämyksen esitystavan, Entity Notation -mallin (EN). EN on suunniteltu yleiseksi ja kevyeksi tiedon ja tietämyksen esitystavaksi. EN ilmaisee entiteettejä sekä niiden ominaisuus-arvopareja. Tämä rakenne muistuttaa RDF-kuvauskieltä sekä OWL-ontologiakieltä. Täten sensoridata EN-kielessä voidaan muuttaa suoraviivaisesti yleisiksi tietämysmalleiksi ja hyödyntää helposti tietämysjärjestelmissä. EN Schema on suunniteltu tietämysmallien siirtämiseen. EN tarjoaa myös tavan lyhentää muotoa mallineilla ja etuliitteillä. Näin EN-esitystapaa voidaan hyödyntää resurssirajoitteisissa laitteissa ja ympäristöissä. Tehdyt kokeet osoittavat, että pienet laitteet voivat käyttää EN-esitystapaa tiedon ja tietämyksen siirtämiseen älykkäitä toimintoja toteuttaviin laitteisiin. Lisäksi EN-esitystavan ilmaisuvoimaisuus on verrattavissa vaihtoehtoisiin esitystapoihin. Prototyyppien avulla tarkistettiin resurssien tehokas käyttö. Kokeiden perusteella voidaan todeta, että EN-esitystapa helpottaa läsnäolevien ympäristöjen täyden potentiaalin hyödyntämistä.

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 The concept of the Internet of Things (IoT) is driven by advancements of the Internet with the interconnection of heterogeneous smart objects using different networking and communication technologies. Among many underlying networking technologies for the IoT, Wireless Sensor Network (WSN) technology has become an integral building block. IoT enabled sensor networks provide a wide range of application areas such as smart homes, connected healthcare, smart cities and various solutions for the manufacturing industry. The integration of WSNs in IoT will also create new security challenges for establishing secure channels between low power sensor nodes and Internet hosts. This will lead to many challenges in designing new key establishment and authentication protocols and redefining the existing ones. This dissertation addresses how to integrate lightweight key management and authentication solutions in the resource constrained sensor networks deployed in IoT domains. Firstly, this thesis elaborates how to exploit the implicit certificates to initiate secure End-to-End (E2E) communication channels between the resource constrained sensor nodes in IoT networks. Implicit certificates are used for authentication and key establishment purposes. The compliance of the security schemes is proven through performance evaluations and by discussing the security properties. Secondly, this dissertation presents the design of two lightweight group key establishment protocols for securing group communications between resource-constrained IoT devices. Finally, the thesis explores promising approaches on how to tailor the existing security protocols in accordance with IoT device and network characteristics. In particular, variants of Host Identity Protocol (HIP) are adopted for constructing dynamic and secure E2E connections between the heterogeneous network devices with imbalanced resource profiles and less or no previous knowledge about each other. A solutions called Collaborative HIP (CHIP) is proposed with an efficient key establishment component for the high resource-constrained devices on the IoT. The applicability of the keying mechanism is demonstrated with the implementation and the performance measurements results. / Tiivistelmä Esineiden internet (IoT) on viime aikoina yleistynyt konsepti älykkäiden objektien (smart objects) liittämiseksi internetiin käyttämällä erilaisia verkko- ja kommunikaatioteknologioita. Olennaisimpia esineiden internetin pohjalla toimivia teknologioita ovat langattomat sensoriverkot (WSN), jotka ovat esineiden internetin perusrakennuspalikoita. Esineiden internetiin kytketyt langattomat sensoriverkot mahdollistavat laajan joukon erilaisia sovelluksia, kuten älykodit, etäterveydenhuollon, älykkäät kaupungit sekä älykkäät teollisuuden sovellukset. Langattomien sensoriverkkojen ja esineiden internetin yhdistäminen tuo mukanaan myös tietoturvaan liittyviä haasteita, sillä laskentateholtaan yleensä heikot anturit ja toimilaitteet eivät kykene kovin vaativiin tietoturvaoperaatioihin, joihin lukeutuvat mm. tietoturva-avaimen muodostus ja käyttäjäntunnistus. Tässä väitöskirjassa pyritään vastaamaan haasteeseen käyttämällä kevyitä avaimenmuodostus- ja käyttäjäntunnistusratkaisuja esineiden internetiin kytketyissä resurssirajoitetuissa sensoriverkoissa. Väitöstutkimuksessa keskitytään aluksi implisiittisten sertifikaattien käyttöön tietoturvallisten end-to-end-kommunikaatiokanavien alustamisessa resurssirajoitettujen sensori- ja muiden IoT-laitteiden välillä. Implisiittisiä sertifikaatteja käytetään käyttäjäntunnistuksessa sekä avaimenmuodostuksessa. Kehitettyjen ratkaisujen soveltuvuus tarkoitukseen osoitetaan suorituskykymittauksilla sekä vertaamalla niiden tietoturvaomi- naisuuksia. Seuraavaksi väitöskirjassa esitellään kaksi kevyttä ryhmäavaimenmuodostus- protokollaa tietoturvalliseen ryhmäkommunikaatioon resurssirajoitettujen IoT-laitteiden välillä. Lopuksi väitöskirjassa tarkastellaan lupaavia lähestymistapoja olemassa olevien tietoturvaprotokollien räätäläintiin IoT-laitteiden ja -verkkojen ominaisuuksille sopiviksi. Erityistä huomiota kiinnitetään Host Identity -protokollan (HIP) eri versioiden käyttöön dynaamisten ja tietoturvallisten end-to-end-yhteyksien luomiseen toisilleen ennestään tuntemattomien erityyppisten IoT-laitteiden välillä, joiden laitteistoresurssiprofiilit voivat olla hyvin erilaiset. Väitöskirjan keskeinen tulos on väitöskirjatyössä kehitetty Colla- borative HIP (CHIP) -protokolla, joka on resurssitehokas avaimenmuodostusteknologia resurssirajoitetuille IoT-laitteille. Kehitetyn teknologian soveltuvuutta tarkoitukseensa demonstroidaan prototyyppitoteutuksella tehtyjen suorituskykymittausten avulla.

Abstract Energy efficiency is a powerful measure for promoting sustainability in technological evolution and ensuring feasible battery life of end-user devices in mobile computing. Peer-to-peer technology provides decentralized and self-organizing architecture for distributing content between devices in networks that scale up almost infinitely. However, peer-to-peer networking may require lots of resources from peer nodes, which in turn may lead to increased energy consumption on mobile devices. For this reason, peer-to-peer networking has so far been considered unfeasible for mobile environment. This thesis makes several contributions towards enabling energy-aware peer-to-peer networking in mobile environments. First, an empirical study is conducted to understand the energy consumption characteristics of radio interfaces and typical composition of traffic in structured peer-to-peer networks. This is done in order to identify the most essential obstacles for utilizing peer-to-peer technology in mobile environments. Second, the e-Aware model for estimating the energy consumption of a mobile device is developed and empirically verified to achieve 3-21% error in comparison to real-life measurements. Third, the e-Mon model for the energy-aware load monitoring of peer nodes is developed and demonstrated to improve the battery life of mobile peer nodes up to 470%. Fourth, the ADHT concept of mobile agent based virtual peers is proposed for sharing the peer responsibilities between peer nodes in a subnet so that they can participate in a peer-to-peer overlay without compromising their battery life. The results give valuable insight into implementing energy-efficient peer-to-peer systems in mobile environments. The e-Aware energy consumption model accelerates the development of energy-efficient networking solutions by reducing the need for time-consuming iterations between system development and evaluations with real-life networks and devices. The e-Mon load monitoring model facilitates the participation of battery-powered devices in peer-to-peer and other distributed networks by enabling energy-aware load balancing where energy-critical mobile nodes carry less load than other nodes. The ADHT facilitates the participation of constrained-capacity wireless devices, such as machine-to-machine nodes, in a peer-to-peer network by allowing them to sleep for most of their time. / Tiivistelmä Energiatehokkuus on kustannustehokas tapa vähentää päätelaitteiden käytön aiheuttamia kasvihuonepäästöjä sekä parantaa niiden akunkestoa. Vertaisverkkoteknologia tarjoaa hajautetun, itseorganisoituvan, sekä lähes rajattomasti skaalautuvan verkkoarkkitehtuurin päätelaitteiden väliseen tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin suorajakamiseen. Vertaisverkkojen suurin heikkous mobiilikäytön näkökulmasta on niiden päätelaitteille aiheuttama ylimääräinen kuormitus, mikä näkyy lisääntyneenä energiankulutuksena. Tässä väitöskirjassa on tutkittu mekanismeja vertaisverkon päätelaitteiden energiatehokkuuden parantamiseksi, tavoitteena riittävä akunkesto mobiilikäytössä. Aluksi työssä tutkittiin empiirisesti langattomien verkkojen mobiilipäätelaitteille aiheuttamaa energiankulutusta sekä rakenteellisten vertaisverkkojen vertaispäätelaitteille aiheuttamaa liikennekuormitusta. Tavoitteena oli muodostaa käsitys suurimmista haasteista mobiililaitteiden käytölle vertaisverkoissa. Seuraavaksi mobiiliverkkojen energiankulutusta koskevasta havaintoaineistosta muodostettiin energiankulutusmalli, e-Aware, jolla voitiin arvioida mobiilipäätelaitteen energiankulutusta erilaisilla verkon liikenneprofiileilla. Mallilla saavutettiin parhaimmillaan kolmen prosentin keskimääräinen virhe. Kolmannessa vaiheessa kehitettiin energiatietoinen kuormanseurantamalli, e-Mon, jota käyttäen saavutettiin jopa 470 % lisäys mobiilin vertaispäätelaitteen akunkestoon. Viimeisessä vaiheessa kehitettiin ADHT-konsepti, joka on uudentyyppinen tapa jakaa vertaispäätelaitteiden kuormaa usean saman verkkoklusterin päätelaitteen kesken käyttäen laitteesta toiseen kiertävää mobiiliagenttia. Väitöskirjan tulokset osoittavat että mobiililaitteiden energiatehokkuutta vertaisverkoissa pystytään olennaisesti parantamaan energiatietoisia kuormanjakomekanismeja käyttäen. Työssä kehitetty e-Aware nopeuttaa energiatehokkaiden hajautettujen järjestelmien kehitystyötä tarjoamalla tehokkaan työkalun järjestelmän energiankulutuksen arvioimiseen jo kehitysvaiheessa. e-Mon mahdollistaa energiatietoisen kuormanjaon vertaisverkoissa tarjoamalla tarvittavan kuormanseurantamallin. ADHT puolestaan tarjoaa uudenlaisen tavan vähentää vertaisverkkojen aiheuttamaa päätelaitekuormitusta hyödyntäen maksimaalisesti rajoitetun kapasiteetin laitteiden unitilojen käyttöön perustuvaa energiankulutusoptimointia.