Abstract Substantially growing data traffic over wireless networks poses increased challenges for mobile network operators in deploying sufficient network resources and managing user mobility. This dissertation considers these challenges to providing satisfactory Quality of Service (QoS) for end-users and studies solutions for better utilization of the heterogeneous network environment. First, the dissertation examines what solutions mobile devices and network management entities can use to dynamically collect valid cross-layer information from different network entities. Cross-layer information allows monitoring of the condition of the network in multiple layers on a user and application basis. The second research topic considers the techniques the network management entities can use to improve resource usage in wireless networks based on the collected cross-layer information. The IEEE 802.21 standard, specified to facilitate handovers between heterogeneous networks, is used as the basis for cross-layer information delivery. This dissertation also focuses on utilization of the standard beyond the inter-access technology handovers. In order to improve resource usage in wireless networks dynamically, event delivery enhancements are proposed for the standard so that it better applies to the requirements of different techniques. Such techniques are traffic priority adjustment, traffic adaptation, packet aggregation, and network protocol header compression. The results show that when a handover is not feasible, these techniques effectively allow sharing of the limited radio resources for the user data according to applications’ importance and type. Mobility management is studied in terms of network information service, one of the main services of IEEE 802.21. The thesis proposes enhancing the information service with a base station cell coverage area database. The database provides significant improvements for the selection of a handover target in a dense base station environment. With all the results taken together, the dissertation provides mobile network operators various means to improve the usage of wireless networks on the basis of applications’ varying QoS requirements. / Tiivistelmä Voimakkaasti kasvava langattomien tietoverkkojen dataliikenne aiheuttaa verkko-operaattoreille haasteita tarjota riittävät verkkoresurssit ja hallita käyttäjien liikkuvuutta. Väitöskirja huomioi nämä haasteet tarjota loppukäyttäjille tyydyttävä palvelunlaatu (QoS) ja tutkii ratkaisuja, joilla heterogeenistä verkkoympäristöä voidaan hyödyntää tehokkaammin. Aluksi väitöskirja tutkii, mitä ratkaisuja päätelaitteet ja verkkohallintatoimijat voivat käyttää keräämään protokollakerrosten välistä (cross-layer) tietoa eri verkkotoimijoilta. Protokollakerrosten välinen tieto mahdollistaa verkon tilan seuraamisen usealla eri kerroksella käyttäjä- ja sovelluskohtaisesti. Toinen tutkimusaihe tarkastelee protokollakerrosten välistä tietoa hyödyntäviä tekniikoita, joita verkonhallintatoimijat voivat käyttää tehostamaan resurssien käyttöä langattomissa verkoissa. IEEE 802.21-standardia, joka on määritetty helpottamaan verkonvaihtoja heterogeenisten verkkojen välillä, käytetään pohjana protokollakerrosten välisen tiedon jakelulle. Väitöskirjassa keskitytään standardin hyödyntämiseen myös muussa kuin verkkoteknologioiden välisen verkonvaihdon yhteydessä. Väitöskirja ehdottaa parannuksia standardin tapahtumatietovälitykseen, jotta se täyttäisi paremmin eri tekniikoiden asettamat vaatimukset dynaamisesti toteutettavista toimista langattomien verkkojen resurssikäytön tehostamiseksi. Nämä tekniikat ovat liikenteen prioriteetin muutokset, liikenteen adaptointi, pakettien yhdistäminen ja verkkoprotokollaotsikoiden pakkaus. Tulokset osoittavat, että kun tukiasema- tai verkonvaihto ei ole mahdollinen, nämä tekniikat mahdollistavat rajattujen verkkoresurssien jakamisen tehokkaasti sovellusten tärkeyden ja tyypin mukaan. Liikkuvuudenhallintaa tutkitaan verkkoinformaatiopalvelun, joka on myös yksi IEEE 802.21-standardin pääpalveluista, kautta. Väitöskirja ehdottaa, että informaatiopalvelua tehostetaan liittämällä siihen tietokanta tukiasemasolujen peittoalueista. Tietokanta tehostaa huomattavasti verkonvaihdon kohteen valintaa tiheissä tukiasemaympäristöissä. Kun väitöskirjan tulokset huomioidaan kokonaisuutena, väitöskirja tarjoaa verkko-operaattoreille useita tapoja tehostaa langattomien verkkojen käyttöä sovellusten vaihtelevien palvelunlaatuvaatimusten perusteella.

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.