Abstract This thesis explores different ways of leveraging mobile sensing to understand how end users use and interact with their smart technologies, namely smartphones and smartwatches. These topics are extensively explored in other parallel research; however, numerous gaps still exist within the literature. The use of mobile sensing to collect quantified ground-truth information of device use in-the-wild is critical to collect unbiased experiences and usage traces. This thesis covers three main themes: (a) the way our affect influences our smartphone use, and how our smartphone usage can also be analysed from our usage habits; (b) revealing quantified exploration of smartwatch usage traits, and how these relate to smartphone use, and (c) novel ways to mitigate interruptions during smartphone or smartwatch use. The thesis begins by explaining the related work and the overall theme of mobile sensing and how device usage influences attention; it then proceeds to elaborate on the contribution of each included article to the overall scope of the thesis. The thesis then concludes with a summary of how the presented articles tie together in a broader scope. Considering the vast amount of research in this field by this thesis’ author as well as other researchers, this type of work can potentially improve the use of novel wearable technologies in the future. By the end of the thesis, the reader should have a broad understanding of what mobile sensing is, and how it can be applied to comprehensively uncover technology use as well as leveraging mobile sensing to enhance the use of technology. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tarkastellaan erilaisia tapoja hyödyntää mobiilikäytön tunnistamista ymmärtääkseen, miten loppukäyttäjät käyttävät ja ovat vuorovaikutuksessa älykkäiden teknologioidensa, esimerkiksi älypuhelimien ja älykellojen kanssa. Näitä aiheita tutkitaan laajasti muissa rinnakkaisissa tutkimuksissa, mutta kirjallisuudessa on vielä lukuisia aukkoja. Matkaviestinnän käytöstä kerätään kvantitatiiviset tiedot, jotka koskevat laitteen käyttöä luonnossa. Tämän tiedon kerääminen on kriittistä jotta voidaan kerätä puolueettomia kokemuksia ja käyttöjälkiä. Tässä työssä käsitellään kolmea pääteemaa; i) miten älypuhelinkäyttöömme vaikuttaa meidän mielialamme ja miten älypuhelinkäyttöämme voidaan analysoida käyttötapojen perusteella, ii) paljastaa älykellon käyttöominaisuuksien määrälliset tutkimukset ja miten nämä tulokset heijastuvat älypuhelimen käyttöön ja iii) uusia tapoja lieventää katkoksia älypuhelimen tai älykellon käytön aikana. Työ aloittaa selittämällä siihen liittyvää työtä ja mobiilin tunnistamisen yleistä teemaa ja sitä, miten laitteen käyttö vaikuttaa huomiokykyyn, ja jatkuu sitten yksityiskohtaisesti jokaisen mukana tulevan artikkelin osuuden yleiseen käsittelyyn. Työssä päädytään yhteenvetoon siitä, miten esitetyt artikkelit sitovat yhteen laajemman kokonaisuuden ja ottavat huomioon tämän alan tekijän ja muiden tutkijoiden tämän alan tutkimukset, ja miten tällaista työtä voitaisiin mahdollisesti parantaa edelleen tulevaisuudessa käyttämällä uusia tekniikoita. Työn päätyttyä lukijalla on laaja käsitys siitä, mitä mobiili-tunnistaminen on ja miten sitä voidaan soveltaa sekä teknologian käytön kattavaan paljastamiseen että mobiilidatan tunnistuksen hyödyntämiseen teknologian käytön tehostamiseksi.

Abstract Cognitive radio (CR) is becoming a promising tool for solving the problem of the scarce radio resource and spectrum inefficiency. Spectrum sensing (signal detection) enables real-time detection of spectrum holes by unlicensed secondary users (SUs) in cognitive radio networks (CRNs). In this thesis, performance analysis of CRNs and radio resource allocation are considered. A continuous time Markov chain (CTMC) based analytical model taking into account all relevant elements as well as addressing the issue of the false alarm rate (FAR) associated with the continuous sensing is developed. In some cases, the PU can be modeled as time-slotted with constant state (transmitting or not) in each slot. In this case, assuming SU can synchronize to the slots, its intuitive to use beginning of a slot for sensing and rest (possibly) for communication. For this model, M/D/1 priority queueing scheme has been applied in this thesis to find waiting time and queue length for PU and SU. Multiple access among SUs in a time-slotted channel is considered next. A conventional method is e.g. using a channel access probability ψ in each slot similar to the slotted ALOHA. A radically new idea is introduced in this thesis: why not increase the false alarm probability PFA of each SU and use it as a multiple access method? A game theoretic approach to radio resource allocation for the downlink capacity providing fair resource sharing among mobile nodes located along a multihop link is presented. Furthermore, the problem of resource allocations in heterogeneous wireless networks is also studied. Finally, device-to-device (D2D) communication - with localized distribution, where users tend to gather around some areas (clusters/hot-spots) within the cell such as buildings is studied. Theoretical analysis with two dimensional clustering is presented including cases with correlated clusters. Correlation in cluster selection is shown to significantly improve performance. / Tiivistelmä Kognitiivinen radio (CR) on nousemassa lupaavaksi työkaluksi niukkojen radioresurssien ja spektrin käytön tehottomuuden ratkaisemisessa. Spektrin nuuskiminen (signaalin ilmaisu) mahdollistaa spektriaukkojen reaaliaikaisen tunnistamisen toissijaisten käyttäjien (SU) toimesta kognitiivisissa radioverkoissa (CRN). Tässä väitöskirjassa painotus on CRN verkkojen suorituskykyanalyysissa ja radioresurssien hallinnassa. Työssä kehitetään jatkuva-aikaiseen Markov ketjuun (CTMC) perustuva analyyttinen malli joka ottaa huomioon kaikki olennaiset asiat mukaan lukien jatkuva-aikaiseen spektrin nuuskimiseen liittyvän väärien hälytysten tiheyden (FAR). Joissakin tapauksissa PU:ta voidaan mallintaa aikajaoteltuna siten että PU:n tila on vakio kussakin aikavälissä. Olettaen että SU voi synkronoitua aikaväleihin, on intuitiivista käyttää aikavälin alkua nuuskimiselle ja loppuosaa (mahdollisesti) viestintää varten. M/D/1:n ensisijaisuus-jonotus-suunnitelmaa soveltamalla tässä väitöskirjassa saadaan tuloksia odotusajalle ja jonon pituudelle sekä SU:lle että PU:lle. Seuraavaksi käsitellään monikäyttöä SU:den joukossa aikajaotellussa kanavassa. Tavanomainen menetelmä käyttää esimerkiksi kanavapääsytodennäköisyyttä ψ kussakin aikavälissä vastaten aikajaoteltua ALOHA protokollaa. Tässä väitöskirjassa esitetään radikaali uusi idea: miksei lisätä väärän hälytyksen todennäköisyyttä kussakin SU:ssa ja käytetä sitä moniliittymämenetelmänä? Työssä esitetään peliteoreettinen lähestymistapa radioresurssien allokointiin siten että resurssit jaetaan oikeudenmukaisesti monen yhteysvälin linkeissä. Lisäksi tutkitaan myös resursoinnin ongelmaa heterogeenisissa langattomissa verkoissa. Lopuksi tutkitaan laitteiden välistä suoraa viestintää (D2D) paikallisen jakauman kanssa, jossa käyttäjillä on tapana kasaantua solun sisällä esim. rakennuksiin. Esitetään teoreettinen analyysi kaksiulotteisella klusteroinnilla myös korreloitujen ryhmien kanssa. Osoitetaan että korrelaatio ryhmän valinnassa parantavaa merkittävästi suorituskykyä.

Abstract Peer-to-Peer (P2P) networks have been applied in many applications for sharing resources such as storage space, media files or network bandwidth. Their main benefits include decentralization, self-organization, and scalability. Moreover, P2P technologies are evolving towards hybrid systems, where P2P networks are used in those parts of a larger system to leverage the decentralization most efficiently. The examples include cloud computing, where P2P networks are used in sharing computing resources, and Machine-to-Machine communication, where P2P networks are used for resource discovery. In super-peer overlays, the nodes are either regular nodes or super nodes that are located higher in the node hierarchy. This type of overlay explores the heterogeneity of peers in the overlay network to enable applications to run more efficiently. Leveraging the advantage of a super-peer overlay for service provision is an important issue. This thesis contributes to the research and development of super-peer-based coordination service provision from three aspects. Firstly, a super-peer-based coordinated service provision framework is proposed to coordinate different service groups and service peers in resource sharing, aiming to enable service groups to adapt to dynamic service demands. The proposed framework is evaluated using the following performance metrics: service response time, scalability, robustness, and communication traffic, in comparison to related work. Secondly, an efficient algorithm for rapidly constructing a robust super-peer overlay is proposed. The algorithm introduces a super-peer candidate based method for super-peer selection and a two-hop search method for finding client peers. Performance evaluation takes into account the convergence time of building a super-peer overlay, communication overhead, scalability, robustness. A comparison to related work is also conducted. Thirdly, the architecture of distributed resource discovery based on P2P overlay for Machine-to-Machine service provision is proposed. The architecture supports heterogeneous devices using different communication protocols in resource registration and discovery for achieving interoperability. As a part of the thesis, a functional real-world prototype is implemented and verified with a simple demonstration. Preliminary evaluation on the prototype indicates that caching can improve the response time of resource lookup dramatically. / Tiivistelmä Vertaisverkkoja on hyödynnetty resurssien kuten tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin jakamisessa. Niiden etuja perinteisiin keskitettyihin järjestelmiin verrattuna ovat hajautettu arkkitehtuuri, itseorganisoituvuus ja skaalautuvuus. Vertaisverkkoja käytetään yhä useammin järjestelmän osien toteuttamisessa, joissa hajautettujen resurssien hyödyntämisellä saavutetaan suurimmat edut. Esimerkkeinä ovat pilvilaskenta, jossa vertaisverkkoa käytetään laskentaresurssien jakamiseen, sekä laitteidenvälinen kommunikaatio, jossa vertaisverkkoja käytetään resurssien löytämiseen. Hierarkkisissa vertaisverkoissa niihin kytkeytyneet laitteet jaotellaan laitteiden kapasiteetin mukaan tavallisiin noodeihin ja näiden yläpuolella hierarkiassa toimiviin ylinoodeihin. Ylinoodeihin perustuva vertaisverkon kuoriverkko hyödyntää yksittäisten verkon noodien eli laitteiden erilaisuutta, jotta verkko voisi toimia tehokkaammin. Tämän ominaisuuden hyödyntäminen on erityisen tärkeää palvelun tarjonnassa. Tässä työssä on tutkittu ylinoodeihin perustuvan vertaisverkon palvelun tarjontaa kolmesta näkökulmasta. Ensimmäiseksi, työssä ehdotetaan ylinoodien koordinoimaa palveluntarjonnan toimintamallia resurssien jakamisessa. Toimintamallissa palveluryhmät ja palvelunoodit adaptoituvat dynaamisesti palvelupyyntöjen tarpeisiin. Tämän ratkaisun suorituskykyä arvioidaan palvelun vasteajan, skaalautuvuuden, robustisuuden ja tietoliikennemäärän suhteen verrattuna aiempiin ratkaisuihin. Toiseksi, työssä esitellään tehokas algoritmi robustin ylinoodikuoriverkon nopeaan muodostamiseen. Algoritmi käyttää ylinoodiehdokasmenetelmää ja kahden hypyn hakumetodia asiakasnoodien etsimisessä. Suorituskyvyn arvioinnissa otetaan huomioon ylinoodikuoriverkon konvergoitumisaika, tietoliikenneviestinnän aiheuttama ylimääräinen kuormitus, sekä järjestelmän skaalautuvuus ja robustisuus. Esitetyn algoritmin tehokkuutta arvioidaan vertaamalla näitä suorituskykymittareita aiempiin ratkaisuihin. Kolmanneksi, työssä esitellään hajautettu resurssihakemiston arkkitehtuuri, joka perustuu laitteiden välisen kuoriverkon palveluntarjontaan. Arkkitehtuuri tukee erilaisten laitteiden ja niiden käyttämien protokollien resurssien rekisteröintiä ja löytämistä yhteensopivuuden saavuttamiseksi. Väitöskirjatyön osana on toteutettu toimiva prototyyppi, jonka toimivuus on todennettu demonstraation avulla. Prototyypillä tehdyt mittaukset antavat perustellun syyn olettaa, että esitetyn ratkaisun mukainen välimuistin käyttö voi merkittävästi lyhentää resurssien etsimisen vasteaikaa.