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 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 According to industry estimates, monthly global mobile data traffic will surpass 30.6 exabytes by 2020 and global mobile data traffic will increase nearly eightfold between 2015 and 2020. Most of the mobile data traffic is generated by smartphones, and the total number of smartphones is expected to continue growing by 2020, which results in rapid traffic growth. In addition, the upcoming 5G networks and Internet of Things based communication are estimated to involve a large amount of network traffic. The increase in mobile data traffic and in the number of connected devices poses a challenge to network operators, service providers, and data center operators. If the transmission capacity of the network and the amount of data traffic are not in line with each other, congestion may occur and ultimately the quality of experience degrades. Mobile networks are also becoming more reliant on data centers that provide efficient computing power. However, the energy consumption of data centers has grown in recent years, which is a problem for data center operators. A traditional strategy to overcome these problems is to scale up the resources or by providing more efficient hardware. Resource over-provisioning increases operating and capital expenditures without a guarantee of increased average revenue per user. In addition, the growing complexity and dynamics of communication systems is a challenge for efficient resource management. Intelligent and resilient methods that can efficiently use existing resources by making autonomous decisions without intervention from human administrators are thus needed. The goal of this research is to implement, develop, model, and test algorithms that can enable efficient and energy-aware network resource management in autonomous communications systems. First, an energy-aware algorithm is introduced for high-performance computing data centers to reduce the energy consumption within a single data center and across a federation of data centers. For network access selection in heterogeneous wireless networks, two algorithms are proposed, a client side algorithm that tries to optimize users' quality of experience and a network side algorithm that focuses on optimizing the global resource usage of the network. Finally, for a video service, an algorithm is presented that can enhance the video content delivery in a controllable and resource-efficient way without major changes in the mobile network infrastructure. / Tiivistelmä Langattoman tietoliikenteen nopean kasvun ennustetaan jatkuvan edelleen lähivuosinakin ja alan teollisuuden arvioiden mukaan matkapuhelinliikenteen määrä ylittäisi globaalisti 30,6 eksatavua vuoteen 2020 mennessä. Tämä tarkoittaisi liikennemäärän kahdeksankertaistumista ajanjaksolla 2015–2020. Älypuhelimet tuottavat suurimman osan matkapuhelinliikenteestä, ja älypuhelimien lukumäärän arvioidaan jatkavan kasvuaan vuoteen 2020 saakka, mikä johtaa nopeaan liikenteen kasvuun. Tämän lisäksi arvioidaan, että 5G verkot ja esineiden Internet tuottavat suuren määrän verkkoliikennettä. Matkapuhelinliikenteen ja laitteiden määrän kasvu tuo haasteita verkko-operaattoreille, palvelun tarjoajille, ja datakeskusoperaattoreille. Mikäli verkossa ei ole tarpeeksi siirtokapasiteettia dataliikenteen määrää varten, verkko ruuhkautuu ja lopulta palvelukokemus kärsii. Matkapuhelinverkot tulevat myös tulevaisuudessa tarvitsemaan datakeskusten laskentakapasiteettia. Datakeskusten energiankulutus on kuitenkin kasvanut viime vuosina, mikä on ongelma datakeskusoperaattoreille. Perinteinen strategia ongelmien ratkaisemiseksi on lisätä resurssien määrää tai tarjota tehokkaampaa laitteistoa. Resurssien liiallinen lisääminen kasvattaa kuitenkin sekä käyttö- että pääomakustannuksia ilman takuuta siitä, että keskimääräinen myyntitulo per käyttäjä kasvaisi. Tämän lisäksi tietoliikennejärjestelmät ovat monimutkaisia ja dynaamisia järjestelmiä, minkä vuoksi tehokas resurssienhallinta on haastavaa. Tämän vuoksi tarvitaan älykkäitä ja kestäviä metodeja, jotka pystyvät käyttämään olemassa olevia resursseja tehokkaasti tekemällä autonomisia päätöksiä ilman ylläpitäjän väliintuloa. Tämän tutkimuksen tavoitteena on toteuttaa, kehittää, mallintaa, ja testata algoritmeja, jotka mahdollistavat tehokkaan ja energiatietoisen verkkoresurssien hallinnan autonomisissa tietoliikennejärjestelmissä. Tutkimus esittää aluksi supertietokonedatakeskuksiin energiatietoisen algoritmin, jonka avulla voidaan vähentää energiankulutusta yhden datakeskuksen sisällä sekä usean eri datakeskuksen välillä. Verkkoyhteyden valintaan heterogeenisissä langattomissa verkoissa esitetään kaksi algoritmia. Ensimmäinen on käyttäjäkohtainen algoritmi, joka pyrkii optimoimaan yksittäisen käyttäjän palvelukokemusta. Toinen on verkon puolen algoritmi, joka keskittyy optimoimaan verkon kokonaisresurssien käyttöä. Lopuksi esitetään videopalvelulle algoritmi, joka parantaa videosisällön jakoa kontrolloidusti ja resurssitehokkaasti ilman että matkapuhelinverkon infrastruktuurille tarvitaan muutoksia.

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 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.

Abstract Wireless sensors play a bigger and bigger role in our everyday life and they have become a part of our life in homes, vehicles, traffic, food production and healthcare, monitoring and controlling our activities. Low-cost and resource-efficient solutions are an essential part of this development. The aim of the study was to develop solutions, which improve the energy efficiency of wireless sensor networks yet still fulfil the requirements of monitoring applications. In the study, five new solutions were developed to save energy in wireless sensor networks and all the solutions were studied and verified with test bed implementations. The developed solutions are: 1. Energy-efficient medium access control (MAC), namely revive MAC (R-MAC) for duty-cycling networks with a long sampling interval (many minutes) 2. Wake-up radio solution for on-demand sampling networks, which uses the main radio as the wake-up transmitter 3. Energy-efficient internet of things (IoT) routing solution for wake-up routing with a routing protocol for low-Power and lossy networks (RPL) 4. Energy-efficient IoT compression solution: robust header compression (ROHC) compression with constrained application protocol (CoAP) 5. Data analysis solution based on an energy-efficient sensor node, where filter clogging is forecast from analysis of the vibration data at the node. All the developed solutions were promising and can be utilized in many domain areas. The solutions can be considered as proofs of concept, which need to be developed further for use in final products. / Tiivistelmä Langattomat sensoreilla on yhä suurempi osuus jokapäiväisessä arjessa, jossa langattomat sensorit ovat tulleet osaksi kodin, autojen, ruuantuotannon sekä terveyden valvonta- ja seurantajärjestelmiä. Oleellisena osana tätä kehitystä ovat sekä edulliset että energia- ja resurssitehokkaat ratkaisut. Työn päämääränä oli kehittää ratkaisuja, jotka parantavat langattoman sensoriverkon energia tehokkuutta niin, että edelleen täytetään monitorointi sovellutusten asettamat vaatimukset. Työssä kehitettiin viisi uutta ratkaisua säästää energiaa langattomissa sensoriverkoissa ja kaikki ratkaisut tutkittiin ja varmennetiin työssä tehdyillä testi alustoilla. Kehitetyt ratkaisut ovat: 1. Energiatehokas alempi siirtoyhteyskerroksen protokolla (medium access control, MAC), nimittäin heräävä MAC (Revive MAC, R-MAC) jaksoittain toimiville (duty-cycling) verkoille, joissa on pitkät mittausvälit (useita minuutteja). 2. Heräteradioratkaisu (wake-up) pyynnöstä toimiville (on-demand) verkoille, joissa pääradiota käytetään heräte signaalin lähettämiseen. 3. Energiatehokas esineiden internetin (Internet of Things, IoT) reititysratkaisu herätereititykseen käyttäen matalatehoisille ja häviöllisille verkoille suunniteltua reititysprotokollaa (Routing protocol for low-Power and Lossy networks, RPL). 4. Energiatehokas IoT-pakkausratkaisu: varmatoiminen otsakkeen pakkausprotokolla (Robust Header Compression, ROHC) yhdessä rajoitettujen sovellusten protokollan (Constrained Application Protocol, CoAP) kanssa. 5. Energiatehokas sensorilaite perusteinen data prosessointi ratkaisu suodattimen tukkeutumisen ennustamiseen värähtelymittauksia käyttäen. Kaikki kehitetyt ratkaisut olivat lupaavia ja niitä voidaan käyttää useilla sovellutusalueilla. Ratkaisut ovat soveltuvuusselvityksiä (proof of concept), joita pitää kehittää edelleen loppu tuotteiden käyttöön.

Detta arbete beskriver en examensuppsats i datateknik på Linnéuniversitetet. Röntgenavdelningen på SUS, Skånes Universitetssjukhus i Lund, använder en lättviktig flyttbar röntgenmaskin som väger endast cirka 90 kg, för röntgenundersökningar ute på äldreboenden. Bilderna överförs till sjukhusets PACS när maskinen är tillbaka på sjukhuset, genom att man kopplar in Dragon via kabel till sjukhusets nätverk. Målsättningen är att förbättra den trådlösa kommunikationen som för närvarande är för långsam och opålitlig, så att bilderna kan överföras till sjukhusets PACS direkt efter undersökningen. I detta arbete beskrivs vilka alternativ som kan användas. Samt om de mobila bredbandstjänster som finns tillgängliga i Region Skåne är bra nog för att kunna användas för uppgiften. Slutsatsen är att ett 3G HSDPA/HSUPA abonnemang kan vara tillförlitligt nog. Framför allt om extra redundans tillförs med dubbla SIM-kort som använder separata nät och att signalen förstärks med antenn placerad utomhus på transportfordonet. Transportfordonet används som brygga mellan Wifi och mobilt nätverk. Röntgenmaskinen kommunicerar med transportfordonet via Wifi. För de fall Wifi inte fungerar på grund av byggnader och omgivande miljö arbetades ett reservalternativ fram. Jag har också undersökt och jämfört DICOM protokollet mot FTP. Detta för att se om DICOM har en overhead som skulle motivera användet av FTP istället för sändning av bilder. Resultatet av jämförelsen visade att DICOM har 5-10 % overhead jämfört med FTP. / This abstract describes a degree project in computer engineering at Linnaeus University. The Department of Radiology at SUS, Skåne University Hospital in Lund, is using a lightweight portable x-ray machine that weights about 90 kg, for radiography services in nursing homes for elders. The images are transferred to hospital PACS when the machine returns to the hospital, this is done with Dragon connecting to hospital network via wire. The goal is to improve the currently too slow and unreliable wireless communication, so the images can be transferred to hospital PACS directly after examination. This report describes what alternatives can be used and investigates whether the mobile broadband services currently available in Skåne County are good enough to be relied on for the task. The conclusion is that a 3G HSDPA/HSUPA subscription can be used reliably enough, if extra redundancy is added via dual SIM cards using separate mobile networks and the signal is strengthen by an antenna placed outdoors on the transport vehicle. The transport vehicle is used as a bridge between Wifi and mobile networks. The mobile x-ray machine communicates with the transport vehicle via Wifi. In those cases Wifi does not work due to difficult building environments, a backup solution was worked out to be used. I also investigated and compared the DICOM protocol against FTP. This was to find out if DICOM has an overhead that would motivate using FTP instead for the transmission of the images, the result of the comparison showed that DICOM has an 5-10 % overhead compared with FTP. / Mobil röntgen Skånes Universitetssjukhus Lund

Abstract The aim of this thesis is to propose an array of novel cooperative content delivery (CCD) methods and related incentive mechanisms for future fifth-generation (5G) and beyond networks. CCD using multiple air interfaces is a powerful solution to mitigate the problem of congestion in wireless networks, in which the available multiple air interfaces on smart devices are utilized intelligently to distribute data content among a group of users that are in the vicinity of one another. The requirements for higher capacity, reliability, and energy efficiency in the 5G networks have warranted the development of methods focusing on CCD. Moreover, critical to the efficiency of a CCD process are incentive mechanisms to induce cooperation among the mobile users engaged in CCD. The first part of the thesis studies an ideal condition of reliable and error-free distribution of content using cellular and short-range links. The main contribution is to introduce different device selection CCD methods that take into account only the link quality of the devices’ primary (cellular) interfaces. The proposed methods provide frequency carrier savings for the operator while allowing users to enjoy higher downlink rates. The second part of the thesis studies a more realistic CCD situation where users with low data rate wireless links can be a bottleneck in terms of CCD performance. The main contribution is to propose a novel device selection CCD method that considers the link quality of both primary (cellular) and secondary (short-range) interfaces of the devices. Additionally, a carrier aggregation-based incentive mechanism for the proposed method is introduced to address the challenge of selfish deviating users. The proposed mechanism maximizes individual and network payoffs, and is an equilibrium against unilateral selfish deviations. The third part of the thesis addresses the adverse selection problem in CCD scenarios. The operator is assumed to have incomplete information about the willingness of the users to participate in CCD. The main contribution is to introduce contract-based methods through which the operator could motivate users to reveal their true willingness towards participation. The proposed methods incentivize users according to their willingness and improve system performance in terms of the utility of the operator and the users. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää menetelmiä yhteistyössä tapahtuvaan sisällön jakamiseen (cooperative content delivery, CCD) sekä siihen liittyviä kannustinmekanismeja viidennen sukupolven (5G) ja sen jälkeisille matkaviestinverkoille. CCD:n käyttö hyödyntämällä älylaitteessa olevia useita ilmarajapintoja on tehokas ratkaisu välttää langattomien verkkojen ruuhkautumista. CCD-menetelmissä laiteen ilmarajapintoja käytetään älykkäästi datan jakamiseen käyttäjäryhmälle, kun käyttäjät ovat lähellä toisiaan. 5G-verkkojen vaatimukset korkeammalle kapasiteetille, luotettavuudelle ja energiatehokkuudelle ovat motivoineet CCD-menetelmien kehitystyötä. Erityisen tärkeää CCD-menetelmien tehokkuudelle on kannustinmekanismien kehittäminen mahdollistamaan yhteistyö mobiilikäyttäjien välillä. Väitöskirjatyön ensimmäinen osuus käsittelee ideaalista tilannetta luotettavalle ja virheettömälle sisällön jakamiselle hyödyntämällä solukkoverkkoa ja lyhyen kantaman linkkejä. Tässä osuudessa päätuloksena on kehitetty käyttäjien valinnalle menetelmiä, jotka huomioivat linkin laadun solukkoverkon ilmarajapinnassa. Ehdotetut menetelmät tuovat operaattorille säästöjä taajuusresurssien käytön osalta ja käyttäjät saavuttavat korkeampia laskevan siirtotien datanopeuksia. Työn toinen osuus tutkii todenmukaisempaa CCD-tilannetta, jossa alhaisen datanopeuden linkkien käyttäjät voivat olla pullonkaula CCD:n suorituskyvylle. Päätulos tässä on uusi käyttäjien valintamenetelmä, joka ottaa huomioon linkkien laadun sekä solukkoverkossa että lyhyen kantaman linkeissä. Lisäksi esitellään eri taajuuksien yhdistämistä hyödyntävä kannustinmenetelmä, joka ottaa huomioon itsekkäiden käyttäjien aiheuttamat ongelmat. Ehdotettu mekanismi maksimoi yksittäisen käyttäjän ja verkon hyödyt ja saavuttaa tasapainotilan käyttäjien yksipuolista itsekkyyttä vastaan. Väitöskirjan kolmannessa osuudessa tutkitaan haitallisen valikoitumisen mahdollisuutta CCD:ssä. Operaattorilla oletetaan olevan epätäydellistä tietoa käyttäjien halukkuudesta osallistua yhteistyöhön CCD:ssä. Tämän osuuden päätulos on esitellä sopimuksiin perustuvia kannustinmenetelmiä, joiden avulla operaattori voi motivoida käyttäjiä paljastamaan heidän todellinen tahtotilansa osallistua yhteistyöhön. Ehdotetut menetelmä kannustavat käyttäjiä heidän todellisen tahtotilan perusteella ja parantavat järjestelmän suorituskykyä operaattorin ja käyttäjien saavuttamien hyötyjen osalta.

Abstract This thesis focuses on the timely problem of energy-efficient transmission for wireless multiantenna cellular systems. The emphasis is on transmit beamforming (BF) and active antenna set optimization to maximize the network-wide energy efficiency (EE) metric, i.e., the number of transmitted bits per energy unit. The fundamental novelty of EE optimization is that it incorporates the transceivers' processing power in addition to the actual transmit power in the BF design. The key features of the thesis are that it focuses on sophisticated power consumption models (PCMs), giving useful insights into the EE of current cellular systems in particular, and provides mathematical tools for EE optimization in future wireless networks generally. The BF problem is first studied in a multiuser multiple-input single-output system by using a PCM scaling with transmit power and the number of active radio frequency (RF) chains. To find the best performance, a globally optimal solution based on a branch-reduce-and-bound (BRB) method is proposed, and two efficient designs based on zero-forcing and successive convex approximation (SCA) are derived for practical applications. Next, joint BF and antenna selection (JBAS) is studied, which can switch off some RF chains for further EE improvements. An optimal BRB method and efficient SCA-based algorithms exploiting continuous relaxation (CR) or sparse BF are proposed to solve the resulting mixed-Boolean nonconvex problem (MBNP). In a multi-cell system, energy-efficient coordinated BF is explored under two optimization targets: 1) the network EE maximization and 2) the weighted sum EEmax (WsumEEmax). A more sophisticated PCM scaling also with the data rate and the associated computational complexity is assumed. The SCA-based methods are derived to solve these problems in a centralized manner, and distributed algorithms relying only on the local channel state information and limited backhaul signaling are then proposed. The WsumEEmax problem is solved using SCA combined with an alternating direction method of multipliers, and iterative closed-form algorithms having easily derivable computational complexity are developed to solve both problems. The work is subsequently extended to a multi-cell multigroup multicasting system, where user groups request multicasting data. For the MBNP, a modeling method to improve the performance of the SCA for solving the CR is proposed, aiming at encouraging the relaxed Boolean variables to converge at the binary values. A second approach based on sparse BF, which introduces no Boolean variables, is also derived. The methods are then modified to solve the EE and sum rate trade-off problem. Finally, the BF design with multiantenna receivers is considered, where the users can receive both unicasting and multicasting data simultaneously. The performances of the developed algorithms are assessed via thorough computer simulations. The results show that the proposed algorithms provide 30-300% EE improvements over various conventional methods in the BF optimization, and that JBAS techniques can offer further gains of more than 100%. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy ajankohtaiseen energiatehokkaaseen lähetinsuunnitteluun langattomissa solukkoverkoissa, joissa suorituskykymittarina käytetään energiatehokkuuden (energy efficiency (EE)) maksimointia, eli kuinka monta bittiä pystytään lähettämään yhtä energiayksikköä kohti. Työn painopiste on lähettimien keilanmuodostuksen (beamforming (BF)) ja aktiivisten lähetinantennien optimoinnissa. EE-optimoinnin uutuusarvo on ottaa lähettimien prosessoinnin tehonkulutus huomioon keilanmuodostuksen suunnittelussa, varsinaisen lähetystehon lisäksi. Työ antaa hyvän käsityksen erityisesti tämänhetkisten solukkoverkkojen energiatehokkuudesta, ja luo työkaluja EE-optimointiin tulevaisuuden järjestelmissä. Ensin suunnitellaan keilanmuodostus yksisolumallissa, jossa tehonkulutus kasvaa lähetystehon ja aktiivisten radiotaajuusketjujen lukumäärän mukana. Ongelmaan johdetaan optimaalinen ratkaisu, ja kaksi käytännöllistä menetelmää perustuen nollaanpakotukseen tai peräkkäinen konveksi approksimaatio (successive convex approximation (SCA)) -ideaan. Seuraavaksi keskitytään keilanmuodostuksen ja antenninvalinnan yhteisoptimointiin (joint beamforming and antenna selection (JBAS)), jossa radiotaajuusketjuja voidaan sulkea EE:n parantamiseksi. Tähän ehdotetaan optimaalinen menetelmä ja kaksi käytännöllistä SCA-menetelmää perustuen binääristen ja jatkuvien muuttujien yhteisoptimointiongelman relaksaatioon, tai harvan vektorin optimointiin. Monisoluverkon EE-optimoinnissa käytetään yksityiskohtaisempaa tehonkulutusmallia, joka skaalautuu myös datanopeuden ja prosessoinnin monimutkaisuuden mukaan. Työssä käytetään kahta suorituskyvyn mittaria: 1) koko verkon energiatehokkuuden, ja 2) painotettujen energiatehokkuuksien summien maksimointia (weighted sum EEmax (WsumEEmax)). Ensin johdetaan keskitetyt ratkaisut SCA-ideaa käyttäen. Tämän jälkeen keskitytään hajautettuun optimointiin, joka pystytään toteuttamaan paikallisen kanavatiedon avulla, kun matalanopeuksinen skalaariarvojen jako on käytettävissä tukiasemien välillä. Ensin WsumEEmax-ongelma ratkaistaan yhdistämällä SCA ja kerrointen vaihtelevan suunnan menetelmä, ja lisäksi ehdotetaan iteratiivinen suljetun muodon ratkaisu molempiin ongelmiin, joka mahdollistaa tarkan laskennallisen monimutkaisuuden määrityksen. Lopussa työ laajennetaan monisoluverkkoon, jossa tukiasemat palvelevat käyttäjäryhmiä ryhmälähetyksenä. Keskittymällä JBAS-ongelmaan, ensin ehdotetaan lähestymistapa parantaa SCA-menetelmän suorituskykyä yhteisoptimointiongelman relaksaation ratkaisemisessa. Toinen yksinkertaisempi lähestymistapa perustuu harvan vektorin optimointiin, joka ei vaadi binäärisiä muuttujia. Lisäksi menetelmiä muunnellaan myös energiatehokkuuden ja summadatanopeuden kompromissin optimointiin. Lopussa työ ottaa huomioon vielä moniantennivastaanottimet, joka mahdollistaa sekä täsmälähetyksen että ryhmälähetyksen samanaikaisesti. Menetelmien suorituskykyä arvioidaan laajamittaisilla tietokonesimulaatioilla. Tulokset näyttävät väitöskirjan menetelmien lisäävän energiatehokkuutta 30-300% verrattuna lukuisiin perinteisiin menetelmiin BF-optimoinnissa, ja JBAS-menetelmät antavat vielä yli 100% lisää suorituskykyä.

Abstract The last decade was marked by a set of harmful events ranging from economical crises to organized crime, acts of terror and natural catastrophes. This has led to a paradigm transformation concerning security. Millions of surveillance cameras have been deployed, which led to new challenges, as the systems and operations behind those cameras could not cope with the rapid growth in number of video cameras and systems. Looking at today’s control rooms, often hundreds or even thousands of cameras are displayed, overloading security officers with irrelevant information. The purpose of this research was the creation of a novel video surveillance system with automated analysis mechanisms which enable security authorities and their operators to cope with this information flood. By automating the process, video surveillance was transformed into a proactive information system. The progress in technology as well as the ever increasing demand in security have proven to be an enormous driver for security technology research, such as this study. This work shall contribute to the protection of our personal freedom, our lives, our property and our society by aiding the prevention of crime and terrorist attacks that diminish our personal freedom. In this study, design science research methodology was utilized in order to ensure scientific rigor while constructing and evaluating artifacts. The requirements for this research were sought in close cooperation with high-level security authorities and prior research was studied in detail. The created construct, the “Intelligent Video Surveillance System”, is a distributed, highly-scalable software framework, that can function as a basis for any kind of high-performance video surveillance system, from installations focusing on high-availability to flexible cloud-based installation that scale across multiple locations and tens of thousands of cameras. First, in order to provide a strong foundation, a modular, distributed system architecture was created, which was then augmented by a multi-sensor analysis process. Thus, the analysis of data from multiple sources, combining video and other sensors in order to automatically detect critical events, was enabled. Further, an intelligent mobile client, the video surveillance local control, which addressed remote access applications, was created. Finally, a wireless self-contained surveillance system was introduced, a novel smart camera concept that enabled ad hoc and mobile surveillance. The value of the created artifacts was proven by evaluation at two real-world sites: An international airport, which has a large-scale installation with high-security requirements, and a security service provider, offering a multitude of video-based services by operating a video control center with thousands of cameras connected. / Tiivistelmä Viime vuosikymmen tunnetaan vahingollisista tapahtumista alkaen talouskriiseistä ja ulottuen järjestelmälliseen rikollisuuteen, terrori-iskuihin ja luonnonkatastrofeihin. Tämä tilanne on muuttanut suhtautumista turvallisuuteen. Miljoonia valvontakameroita on otettu käyttöön, mikä on johtanut uusiin haasteisiin, koska kameroihin liittyvät järjestelmät ja toiminnot eivät pysty toimimaan yhdessä lukuisien uusien videokameroiden ja järjestelmien kanssa. Nykyajan valvontahuoneissa voidaan nähdä satojen tai tuhansien kameroiden tuottavan kuvaa ja samalla runsaasti tarpeetonta informaatiota turvallisuusvirkailijoiden katsottavaksi. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli luoda uusi videovalvontajärjestelmä, jossa on automaattiset analyysimekanismit, jotka mahdollistavat turva-alan toimijoiden ja niiden operaattoreiden suoriutuvan informaatiotulvasta. Automaattisen videovalvontaprosessin avulla videovalvonta muokattiin proaktiiviseksi tietojärjestelmäksi. Teknologian kehitys ja kasvanut turvallisuusvaatimus osoittautuivat olevan merkittävä ajuri turvallisuusteknologian tutkimukselle, kuten tämä tutkimus oli. Tämä tutkimus hyödyttää yksittäisen ihmisen henkilökohtaista vapautta, elämää ja omaisuutta sekä yhteisöä estämällä rikoksia ja terroristihyökkäyksiä. Tässä tutkimuksessa suunnittelutiedettä sovellettiin varmistamaan tieteellinen kurinalaisuus, kun artefakteja luotiin ja arvioitiin. Tutkimuksen vaatimukset perustuivat läheiseen yhteistyöhön korkeatasoisten turva-alan viranomaisten kanssa, ja lisäksi aiempi tutkimus analysoitiin yksityiskohtaisesti. Luotu artefakti - ’älykäs videovalvontajärjestelmä’ - on hajautettu, skaalautuva ohjelmistoviitekehys, joka voi toimia perustana monenlaiselle huipputehokkaalle videovalvontajärjestelmälle alkaen toteutuksista, jotka keskittyvät saatavuuteen, ja päättyen joustaviin pilviperustaisiin toteutuksiin, jotka skaalautuvat useisiin sijainteihin ja kymmeniin tuhansiin kameroihin. Järjestelmän tukevaksi perustaksi luotiin hajautettu järjestelmäarkkitehtuuri, jota laajennettiin monisensorianalyysiprosessilla. Siten mahdollistettiin monista lähteistä peräisin olevan datan analysointi, videokuvan ja muiden sensorien datan yhdistäminen ja automaattinen kriittisten tapahtumien tunnistaminen. Lisäksi tässä työssä luotiin älykäs kännykkäsovellus, videovalvonnan paikallinen kontrolloija, joka ohjaa sovelluksen etäkäyttöä. Viimeksi tuotettiin langaton itsenäinen valvontajärjestelmä – uudenlainen älykäs kamerakonsepti – joka mahdollistaa ad hoc -tyyppisen ja mobiilin valvonnan. Luotujen artefaktien arvo voitiin todentaa arvioimalla ne kahdessa reaalimaailman ympäristössä: kansainvälinen lentokenttä, jonka laajamittaisessa toteutuksessa on korkeat turvavaatimukset, ja turvallisuuspalveluntuottaja, joka tarjoaa moninaisia videopohjaisia palveluja videovalvontakeskuksen avulla käyttäen tuhansia kameroita.