Diss. -- Espoo -- Teknillinen korkeakoulu. / Myös verkkojulkaisuna. Also available on the World Wide Web.

Abstract The current Internet of Things solutions for simple measurement and monitoring tasks are evolving into ubiquitous sensor networks that are constantly observing both our well being and the conditions of our living environment. The oncoming omnipresent wireless infrastructure is expected to feature artificial intelligence capabilities that can interpret human actions, gestures and even needs. All of this will require processing power on a par with and energy efficiency far beyond that of the current mobile devices. The current Internet of Things devices rely mostly on commercial low power off-the-shelf micro-controllers. Optimized solely for low power, while paying little attention to computing performance, the present solutions are far from achieving the energy efficiency, let alone, the compute capability requirements of the future Internet of Things solutions. Since this domain is application specific by nature, the use of general purpose processors for signal processing tasks is counterintuitive. Instead, dedicated accelerator based solutions are more likely to be able to meet these strict demands. This thesis proposes one potential solution for achieving the necessary low energy, as well as the flexibility and performance requirements of the Internet of Things domain in a cost effective manner using reconfigurable heterogeneous processing solutions. A novel graphics processing unit-style accelerator for the Internet of Things application domain is presented. Since the accelerator can be reconfigured, it can be used for most applications of the Internet of Things domain, as well as other application domains. The solution is assessed using two computer vision applications, and is demonstrated to achieve an excellent combination of performance and energy efficiency. The accelerator is designed using an efficient and rapid co-design flow of software and hardware, featuring ease of development characteristics close to commercial off-the-shelf solutions, which also enables cost-efficient design flow. / Tiivistelmä Esineiden internet tulee muuttamaan tulevaisuudessa elinympäristömme täysin. Se tulee mahdollistamaan interaktiiviset ympäristöt nykyisten passiivisten ympäristöjen sijaan. Lisäksi elinympäristömme tulee reagoimaan tekoihimme ja puheeseemme sekä myös tunteisiimme. Tämä kaikkialla läsnä olevan langaton infrastruktuuri tulee vaatimaan ennennäkemätöntä laskentatehokkuutta yhdistettynä äärimmäiseen energiatehokkuuteen. Nykyiset esineiden internet ratkaisut nojaavat lähes täysin kaupallisiin "suoraan hyllyltä" saataviin yleiskäyttöisiin mikrokontrollereihin. Ne ovat kuitenkin optimoituja pelkästään matalan tehonkulutuksen näkökulmasta, eivätkä niinkään energiatehokkuuden, saati tulevaisuuden esineiden internetin vaatiman laskentatehon suhteen. Kuitenkin esineiden internet on lähtökohtaisesti sovelluskohtaista laskentaa vaativa, joten yleiskäyttöisten prosessoreiden käyttö signaalinkäsittelytehtäviin on epäloogista. Sen sijaan sovelluskohtaisten kiihdyttimien käyttö laskentaan, todennäköisesti mahdollistaisi tavoitellun vaatimustason saavuttamisen. Tämä väitöskirja esittelee yhden mahdollisen ratkaisun matalan energian kulutuksen, korkean suorituskyvyn ja joustavuuden yhdenaikaiseen saavuttamiseen kustannustehokkaalla tavalla, käyttäen uudelleenkonfiguroitavia heterogeenisiä prosessoriratkaisuja. Työssä esitellään uusi grafiikkaprosessori-tyylinen uudelleen konfiguroitava kiihdytin esineiden internet sovellusalueelle, jota pystytään hyödyntämään useimpien laskentatehoa vaativien sovellusten kanssa. Ehdotetun kiihdyttimen ominaisuuksia arvioidaan kahta konenäkösovellusta esimerkkinä käyttäen ja osoitetaan sen saavuttavan loistavan yhdistelmän energia tehokkuutta ja suorituskykyä. Kiihdytin suunnitellaan käyttäen tehokasta ja nopeaa ohjelmiston ja laitteiston yhteissuunnitteluketjua, jolla voidaan saavuttaa lähestulkoon kaupallisten "suoraan hyllyltä" saatavien prosessoreiden kehitystyön helppous, joka puolestaan mahdollistaa kustannustehokkaan kehitys- ja suunnittelutyön.

Abstract There are multiple factors simultaneously affecting speech perception in elderly people. These factors include hearing acuity, aging of the auditory system, and changes in both perception and cognitive processes, all of which can interfere with speech comprehension, especially in cognitively demanding situations. The aim of this study is to clarify which factors influence the use of an automatic phone service system designed for elderly (N = 36) people. More specifically, the aim is to investigate whether it is the factors connected to the system itself or the factors connected to the elderly users and their actions with the system that are the most crucial for using the system successfully. Both quantitative and qualitative methods are used in the study. There were four people who performed as speakers in the system. Analysis of the prosodic features of their speech was performed using acoustic analysis software. The variables connected to the elderly participants (n = 30) were investigated using interviews, pure-tone and speech audiometric tests, the Mini-Mental State Examination test (MMSE), and the Token Test for speech comprehension. Statistical analyses were used to explore whether there was a statistical connection between the acoustic measurements or the variables connected to participants themselves and their performance in usability test situation. In addition, the elderly participants’ actions in the test situation were observed using a material-based, qualitative video-analysis. The individuals who performed as speakers in the system were observed to use features of elderspeak in their speech. However, these speaker characteristics had little effect on the participants’ performance in the tasks. It was the voice-menu that contained the most semantically complex text structure that proved to be the most difficult for participants. Both low scores in the Token test and poor word recognition were connected to poor performance in the tasks. It was found based on the qualitative analysis that in addition to speech comprehension, there were other cognitive processes that were important for completing the tasks successfully, i.e. remembering the instructions given (memory), and the ability to direct, divide and maintain attention during the tasks. Poor performance in the tasks and in the Token Test, as well as problems in executive functions observed in the test situation, were found to be factors predicting dropping out of the next phase of the study the following year. Qualitative analysis of language use in cognitively demanding situations can be used in evaluation of high-level language performance. It may be useful for detecting mild changes in language skills that can be symptomatic of early stages of memory disorders. The results of this study can also be utilized when designing voice-based interfaces. In addition, it is important to consider both advantages and disadvantages of using elderspeak in the fields of nursing and speech therapy. / Tiivistelmä Ikääntyvien ihmisten puheen vastaanotossa vaikuttavat samanaikaisesti monet tekijät: kuulokyky, auditiivisen järjestelmän ikääntymismuutokset sekä havaintotoimintojen ja kognitiivisten toimintojen muutokset. Nämä voivat vaikeuttaa puheen ymmärtämistä erityisesti kognitiivisesti vaativassa tilanteessa. Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää ikääntyneille osallistujille (N = 36) suunnitellun automaattisen puhelinpalvelujärjestelmän käyttöön liittyviä tekijöitä. Tavoitteena on selvittää se, missä määrin toisaalta kokeiltuun järjestelmään liittyvät tekijät ja toisaalta käyttäjien ominaisuudet sekä heidän toimintansa tutkimustilanteessa olivat yhteydessä järjestelmän menestykselliseen käyttöön. Tutkimuksessa käytetään kvantitatiivisia ja kvalitatiivisia menetelmiä. Järjestelmässä kokeiltiin neljän eri puhujan äänillä nauhoitettuja toimintaohjeita. Heidän puheensa prosodisia piirteitä analysoitiin äänen ja puheen analyysiohjelmilla. Ikääntyneisiin osallistujiin (n = 30) liittyviä muuttujia tutkittiin haastattelulla, kuulon tutkimuksilla (äänesaudiometria ja puheaudiometria), kognitiivisella seulontatestillä (Mini-mental state examination = MMSE) ja puheen ymmärtämistä mittaavalla Token-testillä. Mittaustulosten ja muuttujien yhteyttä tehtävistä suoriutumiseen tarkasteltiin tilastollisesti. Osallistujien toimintaa havainnoitiin järjestelmän käyttötilanteessa aineistolähtöisellä laadullisella videoanalyysillä. Järjestelmän puhujilla havaittiin ikääntyneille suunnatun puheen piirteitä. Tehtävistä suoriutuminen oli kuitenkin hyvin samanlaista puhujasta riippumatta. Semanttisesti monimutkaisin tekstivalikko oli osallistujille vaikein äänite. Matala Token-testin pistemäärä ja heikko puheen tunnistuskyky liittyivät heikkoon tehtävistä suoriutumiseen. Laadullisen analyysin perusteella puheen ymmärtämisen ohella keskeisiä kognitiivisia prosesseja tehtävissä menestymisen kannalta olivat seuraavat: ohjeiden muistaminen, huomion suuntaaminen, jakaminen ja ylläpito. Heikko suoriutuminen tehtävissä ja Token-testissä sekä tutkimustilanteessa havaitut toiminnan ohjauksen ongelmat ennustivat toisesta tutkimusvaiheesta poisjääntiä seuraavana vuonna. Kognitiivisesti vaativista kielen käyttötilanteista tehtävillä laadullisilla analyyseilla voidaan arvioida monimutkaisia kielellis-kognitiivisia toimintoja ja löytää mahdollisesti alkaviin muistisairauksiin liittyviä lieviä kielellisiä muutoksia. Tuloksia voidaan hyödyntää ääneen perustuvien käyttöliittymien suunnittelussa. Ikääntyneille suunnatun puheen etuja ja haittoja on tärkeää pohtia myös hoitotyön ja puheterapian näkökulmasta.

Abstract Audio-oral speech and visuo-manual sign language as used by the Deaf community are two very different realizations of the human linguistic communication system. Sign language is not only used by the hearing impaired but also by different groups of hearing individuals. To date, there is a great discrepancy in scientific knowledge about signed and spoken languages. Particularly little is known about the integration of the two systems, even though the vast majority of deaf and hearing signers also have a command of some form of speech. This neurolinguistic study aimed to achieve basic knowledge about semantic integration mechanisms across speech and sign language in hearing native and non-native signers. Basic principles of sign processing as reflected in electrocortical brain activation and behavioral decisions were examined in three groups of study participants: Hearing native signers (children of deaf adults, CODAs), hearing late learned signers (professional sign language interpreters), and hearing non-signing controls. Event-related brain potentials (ERPs) and behavioral response frequencies were recorded while the participants performed a semantic decision task for priming lexeme pairs. The lexeme pairs were presented either within speech (spoken prime-spoken target) or across speech and sign language (spoken prime-signed target). Target-related ERP responses were subjected to temporal principal component analyses (tPCA). The neurocognitive basis of semantic integration processes were assessed by analyzing different ERP components (N170, N400, late positive complex) in response to the antonymic and unrelated targets. Behavioral decision sensitivity to the target lexemes is discussed in relation to the measured brain activity. Behaviorally, all three groups of study participants performed above chance level when making semantic decisions about the primed targets. Different result patterns, however, hinted at three different processing strategies. As the target-locked electrophysiological data was analyzed by PCA, for the first time in the context of sign language processing, objectively allocated ERP components of interest could be explored. A little surprisingly, the overall study results from the sign-naïve control group showed that they performed in a more content-guided way than expected. This suggested that even non-experts in the field of sign language were equipped with basic skills to process the cross-linguistically primed signs. Behavioral and electrophysiological study results together further brought up qualitative differences in processing between the native and late learned signers, which raised the question: can a unitary model of sign processing do justice to different groups of sign language users? / Tiivistelmä Kuuloaistiin ja ääntöelimistön motoriikkaan perustuva puhe ja kuurojen yhteisön käyttämä, näköaistiin ja käsien liikkeisiin perustuva viittomakieli ovat kaksi varsin erilaista ihmisen kielellisen viestintäjärjestelmän toteutumismuotoa. Viittomakieltä käyttävät kuulovammaisten ohella myös monet kuulevat ihmisryhmät. Tähänastinen tutkimustiedon määrä viittomakielistä ja puhutuista kielistä eroaa huomattavasti. Erityisen vähän on tiedetty näiden kahden järjestelmän yhdistämisestä, vaikka valtaosa kuuroista ja kuulevista viittomakielen käyttäjistä hallitsee myös puheen jossain muodossa. Tämän neurolingvistisen tutkimuksen tarkoituksena oli hankkia perustietoja puheen ja viittomakielen välisistä semanttisista yhdistämismekanismeista kuulevilla, viittomakieltä äidinkielenään tai muuna kielenä käyttävillä henkilöillä. Viittomien prosessoinnin perusperiaatteita, jotka ilmenevät aivojen sähköisen toiminnan muutoksina ja valintapäätöksinä, tutkittiin kolmessa koehenkilöryhmässä: kuulevilla viittomakieltä äidinkielenään käyttävillä henkilöillä (kuurojen aikuisten kuulevilla ns. CODA-lapsilla, engl. children of deaf adults), kuulevilla viittomakielen myöhemmin oppineilla henkilöillä (viittomakielen ammattitulkeilla) sekä kuulevilla viittomakieltä osaamattomilla verrokkihenkilöillä. Tapahtumasidonnaiset herätepotentiaalit (ERP:t) ja käyttäytymisvasteen frekvenssit rekisteröitiin koehenkilöiden tehdessä semanttisia valintoja viritetyistä (engl. primed) lekseemipareista. Lekseemiparit esitettiin joko puheena (puhuttu viritesana – puhuttu kohdesana) tai puheen ja viittomakielen välillä (puhuttu viritesana – viitottu kohdesana). Kohdesidonnaisille ERP-vasteille tehtiin temporaaliset pääkomponenttianalyysit (tPCA). Semanttisten yhdistämisprosessien neurokognitiivista perustaa arvioitiin analysoimalla erilaisia ERP-komponentteja (N170, N400, myöhäinen positiivinen kompleksi) vastineina antonyymisiin ja toisiinsa liittymättömiin kohteisiin. Käyttäytymispäätöksen herkkyyttä kohdelekseemeille tarkastellaan suhteessa mitattuun aivojen aktiviteettiin. Käyttäytymisen osalta kaikki kolme koehenkilöryhmää suoriutuivat satunnaistasoa paremmin tehdessään semanttisia valintoja viritetyistä kohdelekseemeistä. Erilaiset tulosmallit viittaavat kuitenkin kolmeen erilaiseen prosessointistrategiaan. Kun kohdelukittua elektrofysiologista dataa analysoitiin pääkomponenttianalyysin avulla ensimmäistä kertaa viittomakielen prosessoinnin yhteydessä, voitiin tutkia tarkkaavaisuuden objektiivisesti allokoituja ERP-komponentteja. Oli jossain määrin yllättävää, että viittomakielellisesti natiivin verrokkiryhmän tulokset osoittivat sen jäsenten toimivan odotettua sisältölähtöisemmin. Tämä viittaa siihen, että viittomakieleen perehtymättömilläkin henkilöillä on perustaidot lingvistisesti ristiin viritettyjen viittomien prosessointiin. Yhdessä käyttäytymisperäiset ja elektrofysiologiset tutkimustulokset toivat esiin laadullisia eroja prosessoinnissa viittomakieltä äidinkielenään puhuvien henkilöiden ja kielen myöhemmin oppineiden henkilöiden välillä. Tämä puolestaan johtaa kysymykseen, voiko yksi viittomien prosessointimalli soveltua erilaisille viittomakielen käyttäjäryhmille?

Abstract Wood powders are used in numerous applications such as thermoplastics and filters, and a lot of research effort has been put into developing novel ways of utilising them. The mechanical processing of wood powders, especially at particle sizes below 100 µm, has been reported in several studies, but they lack information on the effect of fine grinding conditions on the particle morphology and cellulose crystallinity, both of which are important parameters in the further processing of wood powders and in their various applications. This makes it very difficult to design and optimise fine grinding processes with different applications in mind. The aim of this thesis was to study the dry fine grinding of wood in several impact-based fine grinding mills in order to find out their effect on the properties of the wood and to study the energy required for the mechanical processing of the resulting powders. The effect of the main operational parameters on the properties of dried Norway spruce wood and the energy consumption was studied using three impact-based fine grinding mills that were capable of pulverising the wood down to a median particle size of less than 25 µm. It was found that the impact events occurring in media mills can be used for the production of very fine wood powders with lower cellulose crystallinity and rounder shaped particles having more uniform shape distribution than powders pulverised to a similar size range by means of impact events in non-media mills. A practical estimate was obtained for the minimum specific energy consumption in fine grinding in mills involving grinding media that could be utilised as a target for optimisation. Impact-based media milling under cryogenic conditions can be used to obtain different Norway spruce wood powders from those produced under ambient grinding conditions, i.e. without the freezing effect of nitrogen liquid. The energy efficiency of fine grinding can be enhanced by choosing cryogenic rather than ambient conditions. The moisture content of the wood has greater influence on the size and shape of the particles when milling is accomplished under ambient conditions. Torrefaction can reduce the energy consumption in impact-based media mills for median particle sizes over 17.4 µm (± 0.2 µm), while the shape and cellulose crystallinity of the particles are not significantly affected by torrefaction pretreatment as a function of energy consumption. / Tiivistelmä Puujauheita käytetään laajalti erilaisissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi biokomposiiteissa ja suodattimissa. Tämän lisäksi on olemassa paljon tutkimustietoa siitä, kuinka puujauheita voitaisiin hyödyntää laajemminkin. Puu voidaan mekaanisesti prosessoida alle 100 µm:n kokoluokkaan, mutta yksityiskohtaista tietoa kuivahienojauhatuksen olosuhteiden vaikutuksesta jauheiden morfologiaan ja selluloosan kiteisyyteen ei ole saatavilla. Puujauheen morfologialla ja selluloosan kiteisyydellä on kuitenkin merkittävä vaikutus sovelluksia ja jatkojalostusta ajatellen. Puun kuivahienojauhatuksen tiedon puute hankaloittaa merkittävästi prosessin suunnittelua ja optimointia erilaisia sovelluksia varten. Tämän väitöskirjan tavoitteena on selvittää iskuihin perustuvien hienojauhimien vaikutukset puun ominaisuuksiin ja tutkia mekaanisen prosessoinnin energiatehokkuutta hienojauhatuksessa. Tutkimuksessa selvitettiin kolmen erilaisen iskuun perustuvan hienojauhatusmyllyn pääasiallisten operointiparametrien vaikutusta kuivatun metsäkuusen ominaisuuksiin ja energiankulutukseen. Jokaisella hienojauhimella onnistuttiin tuottamaan puujauhoja, joiden mediaanikoko oli alle 25 µm. Iskuihin perustuvalla jauhinkappalemyllyllä saatiin tuotettua puujauhoa, jonka selluloosan kiteisyys on alhaisempi ja partikkelimuodot pyöreämpiä verrattuna samankokoisiin puujauhoihin, jotka on tuotettu iskuihin perustuvilla jauhinkappaleettomilla hienojauhatusmyllyillä. Työssä saatiin käytännöllinen arvio kuivatun metsäkuusen hienojauhatuksen minimienergiankulutukselle iskuihin perustuville jauhinkappalemyllyille, mitä voidaan käyttää kyseisten myllytyyppien optimoinnin tavoitteena. Työssä havaittiin lisäksi, että kryogeenisiä jauhatusolosuhteita käyttämällä voidaan tuottaa erilaisia puujauhoja verrattuna puujauhoihin, jotka prosessoidaan ilman nestetyppijäädytystä, kun jauhatus suoritetaan iskuihin perustuvalla jauhinkappalemyllyllä. Ilman nestetyppijäädytystä puun kosteuspitoisuudella on merkittävämpi vaikutus puujauhojen ominaisuuksiin kuin kryogeenisissä olosuhteissa jauhetuilla. Kryogeenisillä jauhatusolosuhteilla voidaan parantaa myös jauhatuksen energiatehokkuutta. Torrefioinnilla voidaan vähentää hienojauhatuksen energiankulutusta iskuihin perustuvilla jauhinkappalemyllyillä, kun tavoitekoon mediaani on yli 17,4 µm (± 0,2 µm). Torrefioinnilla ei ole vaikutusta selluloosan kiteisyyteen tai partikkeleiden muotoon energiankulutuksen funktiona.

Abstract This thesis focuses on transceiver optimization for heterogeneous multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications systems. The aim is to design decentralized beamforming methods with low signaling overhead for improved spatial spectrum utilization. A wide range of transceiver optimization techniques are covered, with particular consideration of decentralized optimization, fast convergence, computational complexity and signaling limitations. The proposed methods are shown to provide improved rate of convergence, when compared to the conventional weighted minimum MSE (WMMSE) approach. This makes them suitable for time-correlated channel conditions, in which the ability to follow the changing channel conditions is essential. Coordinated beamforming under quality of service (QoS) constraints is considered for interfering broadcast channel. Decomposition based decentralized processing approaches are shown to enable the weighted sum rate maximization (WSRMax) in time-correlated channel conditions. Pilot-aided decentralized WSRMax beamformer estimation is studied for coordinated multi-point (CoMP) joint processing (JP). In stream specific estimation (SSE), all effective channels are individually estimated. The beamformers are then constructed from the locally estimated channels. On the other hand, with direct estimation (DE) of the beamformers, only the intended signal needs to be separately estimated and the covariance matrices are implicitly estimated from the received pilot training matrices. This makes the pilot design more robust to pilot contamination. These methods show that CoMP JP is feasible even in relatively fading channel conditions and with limited backhaul capacity by employing decentralized beamformer processing. In the final part of the thesis, a relay-assisted cellular system with decentralized processing is considered, in which users are served either directly by the base stations or via relays for WSRMax or sum power minimization subject to rate constraints. Zero-forcing and coordinated beamforming provide a trade-off between complexity, in-band signaling and spectrum utilization. Relays are shown to be beneficial in many scenarios when the in-band signaling is accounted for. This thesis shows that decentralized downlink MIMO transceiver design with a reasonable computational complexity is feasible in various system architectures even when signaling resources are limited and channel conditions are moderately fast fading. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy lähetin- ja vastaanotinoptimointiin heterogeenisissä monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmissä. Tavoitteena on parantaa tilatason suorituskykyä tutkimalla hajautettuja keilanmuodostusmenetelmiä, joissa ohjaussignaloinnin tarve on alhainen. Erityisesti keskitytään hajautetun keilanmuodostuksen optimointiin, nopeaan konvergenssiin, laskennalliseen kompleksisuuteen sekä signaloinnin rajoitteisiin. Esitettyjen menetelmien osoitetaan parantavan konvergenssinopeutta ja vähentävän signaloinnin tarvetta, verrattaessa tunnettuun WMMSE-menetelmään. Nämä mahdollistavat lähetyksen aikajatkuvissa kanavissa, joissa kanavan muutosten seuraaminen on erityisen tärkeää. Näiden menetelmien osoitetaan mahdollistavan hajautetun ja priorisoidun tiedonsiirtonopeuden maksimoinnin monisolujärjestelmissä sekä aikajatkuvissa kanavissa käyttäjäkohtaisilla siirtonopeustakuilla. Pilottiavusteisten lähetys- ja vastaanotinkeilojen estimointia tutkitaan yhteislähetysjärjestelmissä. Yksittäisten lähetyskanavien estimoinnissa effektiiviset kanavat estimoidaan yksitellen, ja lähetys- ja vastaanotinkovarianssimatriisit muodostetaan summaamalla paikalliset kanavaestimaatit. Suoraestimoinnissa ainoastaan oman käyttäjän effektiivinen kanava estimoimaan erikseen. Tällöin kovarianssimatriisit saadaan suoraan vastaanotetuista pilottisignaaleista. Tämä tekee estimaateista vähemmän herkkiä häiriölle. Hajautetun yhteislähetyksen osoitetaan olevan mahdollista, jopa verrattain nopeasti muuttuvissa kanavissa sekä rajallisella verkkoyhteydellä lähettimien välillä. Viimeisessä osassa tutkitaan välittäjä-avusteisia järjestelmiä, joissa käyttäjiä palvellaan joko suoraan tukiasemasta tai välittäjä-aseman kautta. Optimointikriteereinä käytetään siirtonopeuden maksimointia sekä lähetystehon minimointia siirtonopeustakuilla. Nollaanpakottava sekä koordinoitu keilanmuodostus tarjoavat valinna laskennallisen kompleksisuuden, ohjaussignaloinnin sekä suorituskyvyn välillä. Välittäjä-avusteisen lähetyksen osoitetaan olevan hyödyllisiä useissa tilanteissa, kun radiorajanpinnan yli tapahtuvan signaloinnin tarve otetaan huomioon keilanmuodostuksessa. Tässä väitöskirjassa osoitetaan hajautetun keilanmuodostuksen olevan mahdollista verrattaen vähäisillä laskennallisilla resursseilla heterogeenisissä moniantennijärjestelmissä. Esitetyt menetelmät tarjoavat ratkaisuja järjestelmiin, joissa ohjaussignalointiresurssit ovat rajallisia ja radiokanava on jatkuvasti muuttuva.

Abstract The rapid increase of energy demand for transportation generates a rise of environmental pollution, stimulating the development of alternative sources of energy. Biomass is considered as the main organic carbon source of energy to substitute petroleum permitting sustainable production of chemicals and transportation fuels. Biowastes, residues and non-edible feedstock possess high potential resources avoiding food competition. This research aims to convert starch-based industrial waste, potato peels, into reducing sugars and platform molecules, such as glucose. These high added-value chemicals can further be transformed into chemicals and fuels. Catalytic conversion of starch, the main constituent of potato peels, was activated with non-conventional technologies to enhance the depolymerisation rate and to reduce energy consumption according to the principles of green chemistry. Depolymerisation of starch was first performed in acidic water as reaction medium assisted with ultrasonic and/or microwave irradiation. Ultrasonic irradiation enhanced mass transfer of heterogeneous system, whereas the use of microwaves improved heat transfer in the reaction medium. The frequency applied leads to different effects on heterogeneous systems: low frequencies irradiation (below 100 kHz) generates turbulences resulting in enhanced transport properties, whereas higher frequencies produce chemical effects. Catalytic conversion of starch into reducing sugars required more energy than individual irradiation could provide. Simultaneous irradiation, combining ultrasound and microwave or several ultrasonic frequencies, on potato peels led to 50% yield of sugars without former separation processes, at moderate temperature. A weak synergetic effect was only observed with potato peels. The second part of this research is dedicated to study the effect of catalytic reaction medium (acids, ionic liquids). More appropriate systems possess the ability to dissolve and hydrolyse carbohydrates: specific ionic liquids. A room-temperature ionic liquid and a task-specific ionic liquid were selected for their solvability properties to dissolve and depolymerise starch present in potato peels. The depolymerisation of starch in the task-specific ionic liquid generated a yield of 43% of sugars, without former separation process. / Tiivistelmä Liikenteen energiantarpeen nopea kasvu on johtanut päästöjen sekä ympäristösaasteiden lisääntymiseen. Biomassa on merkittävä raaka-ainevaihtoehto fossiiliselle hiilelle energian, kemikaalien ja liikenteen polttonesteiden tuotannossa. Erityisesti jätebiomassoilla on suuri merkitys biomassaraaka-aineena, koska ne eivät kilpaile ruoantuotannon kanssa. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena on tärkkelyspohjaisen teollisen jätteen, perunan kuorilietteen, katalyyttinen muuttaminen pelkistäviksi sokereiksi ja ns. platform-kemikaaleiksi, kuten glukoosiksi. Näistä korkean lisäarvon omaavista välituotteista voidaan edelleen valmistaa uusia biomassapohjaisia kemikaaleja ja polttoaineita. Tärkkelyksen, perunankuoren keskeisimmän aineosan, muuttaminen tehtiin tässä työssä mm. ultraääni- ja mikroaaltoavusteisella hajotuksella. Tavoitteena oli parantaa perunan kuorilietteen liukenemis- ja hajoamisnopeutta, lisätä saantoa sekä vähentää energian kulutusta vihreän kemian periaatteiden mukaisesti. Tärkkelyksen depolymerointi tehtiin ensin happokatalysoidussa liuoksessa ultraäänen ja/tai mikroaaltojen avulla. Ultraäänihajotus lisäsi aineensiirtoa heterogeenisessä reaktioväliaineessa, kun taas mikroaallot lisäsivät lämmönsiirtoa reaktioseoksessa. Eri ultraäänitaajuuksilla havaittiin olevan erilaisia vaikutuksia reaktioseokseen: alhaisilla taajuuksilla (alle 100 kHz) muodostuneet pyörteiset virtaukset edistivät aineensiirtoa ja korkeammat taajuudet kemiallisia ilmiöitä. Tärkkelyksen katalyyttinen depolymerointi vaatii enemmän energiaa kuin perinteisillä menetelmillä, kuten lämmittämällä, voidaan tuottaa. Yhdistämällä ultraäänen ja mikroaaltojen säteilytystä tai eri taajuuden omaavia ultraääniä, yli 50% perunajätteen tärkkelyksestä saadaan hajotettua pelkistyneiksi sokereiksi alhaisissa lämpötiloissa. Sen sijaan, ainoastaan perunankuorijätteellä havaittiin heikko synenerginen efekti mitä ei havaittu vertailunäytteellä (perunajauho). Toisena tavoitteena oli tutkia katalyyttisen reaktioseoksen (hapot, ioniset liuottimet) vaikutusta perunan kuorijätteen ja sen sisältämän tärkkelyksen liuottamiseen ja hajottamiseen. Erityisesti keskityttiin uusiin, spesifisiin ionisiin liuottimiin, jotka kykenevät samanaikaisesti sekä liuottamaan että hydrolysoimaan hiilihydraatteja. Huoneenlämpötilassa toimiva spesifinen ioninen liuotin valittiin sen katalyyttisten ominaisuuksien vuoksi. Tässä liuottimessa kuorilietteen sisältämästä tärkkelyksestä pelkistyneiden sokerien saanto oli 43%. / Résumé La forte demande en énergie, la conscience sociale sur les changements climatiques mondiaux et l'épuisement à moyen terme des réserves d’énergies fossiles stimulent le développement de ressources alternatives. Considérée comme la principale source de carbone organique renouvelable, la biomasse peut être utilisée pour remplacer les carburants d’origine fossile tout en étant plus respectueuse de l’environnement. Des déchets biosourcés ainsi que des végétaux d’origine agricole ou forestière, appelés biomasse végétale, possèdent de fort potentiels évitant la concurrence alimentaire. Cette recherche a pour objectif de convertir un déchet industriel amidonné, des pelures de pommes de terre, en sucres réducteurs et molécules plateformes, tels que le glucose, qui par la suite peuvent être transformées en carburants de transport. L’utilisation des ultrasons ainsi que des micro-ondes, méthodes non-conventionnelles, en milieu acide ont permis d’améliorer le rendement ainsi que de réduire la consommation énergétique en accord avec les principes de la chimie verte. L’irradiation ultrasonore améliore le transfert de masse de systèmes hétérogènes, alors que les micro-ondes renforcent le transfert de chaleur dans le milieu réactionnel. De plus, la fréquence ultrasonore appliquée induit différents effets sur le système : les ultrasons de basse fréquence (en dessous de 100 kHz) génèrent des turbulences améliorant les propriétés de transport de la matière, alors que les ultrasons de plus haute fréquence produisent des effets chimiques, tels que la formation de radicaux libres. L’apport énergétique fourni par les ultrasons et micro-ondes seuls étant insuffisant, l’utilisation d’irradiations simultanées et combinées a conduit à un rendement de 50% de sucres depuis l’amidon, ne nécessitant aucun procédé de séparation pré-réactionnel. Un faible effet synergique a pu être observé sur la dépolymérisation de la pelure de pommes de terre. L’étude d’un milieu réactionnel permettant simultanément la dissolution ainsi que l’hydrolyse des glucides présents dans la matière première est développée dans la seconde partie de ce mémoire. Certains liquides ioniques possèdent les propriétés recherchées. La dépolymérisation de l'amidon dans un liquide ionique à tâches spécifiques a permis d’obtenir un rendement de 43% de sucres, sans aucun procédé de séparation pré-réactionnel.

Abstract This thesis focuses on the design of coordinated downlink beamforming techniques for wireless multi-cell multi-user multi-antenna systems. In particular, cellular and cognitive radio networks are considered. In general, coordinated beamforming schemes aim to improve system performance, especially at the cell-edge area, by controlling inter-cell interference. In this work, special emphasis is put on practical coordinated beamforming designs that can be implemented in a decentralized manner by relying on local channel state information (CSI) and low-rate backhaul signaling. The network design objective is the sum power minimization (SPMin) of base stations (BSs) while providing the guaranteed minimum rate for each user. Decentralized coordinated beamforming techniques are developed for cellular multi-user multiple-input single-output (MISO) systems. The proposed iterative algorithms are based on classical primal and dual decomposition methods. The SPMin problem is decomposed into two optimization levels, i.e., BS-specific subproblems for the beamforming design and a network-wide master problem for the inter-cell interference coordination. After the acquisition of local CSI, each BS can independently compute its transmit beamformers by solving the subproblem via standard convex optimization techniques. Interference coordination is managed by solving the master problem via a traditional subgradient method that requires scalar information exchange between the BSs. The algorithms make it possible to satisfy the user-specific rate constraints for any iteration. Hence, delay and signaling overhead can be reduced by limiting the number of performed iterations. In this respect, the proposed algorithms are applicable to practical implementations unlike most of the existing decentralized approaches. The numerical results demonstrate that the algorithms provide significant performance gains over zero-forcing beamforming strategies. Coordinated beamforming is also studied in cellular multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The corresponding non-convex SPMin problem is divided into transmit and receive beamforming optimization steps that are alternately solved via successive convex approximation method and the linear minimum mean square error criterion, respectively, until the desired level of convergence is attained. In addition to centralized design, two decentralized primal decomposition-based algorithms are proposed wherein the transmit and receive beamforming designs are facilitated by a combination of pilot and backhaul signaling. The results show that the proposed MIMO algorithms notably outperform the MISO ones. Finally, cellular coordinated beamforming strategies are extended to multi-user MISO cognitive radio systems, where primary and secondary networks share the same spectrum. Here, network optimization is performed for the secondary system with additional interference constraints imposed for the primary users. Decentralized algorithms are proposed based on primal decomposition and an alternating direction method of multipliers. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy yhteistoiminnallisten keilanmuodostustekniikoiden suunnitteluun langattomissa monisolu- ja moniantennijärjestelmissä, erityisesti solukko- ja kognitiiviradioverkoissa. Yhteistoiminnalliset keilanmuodostustekniikat pyrkivät parantamaan verkkojen suorituskykyä kontrolloimalla monisoluhäiriötä, erityisesti tukiasemasolujen reuna-alueilla. Tässä työssä painotetaan erityisesti käytännöllisten yhteistoiminnallisten keilanmuodostustekniikoiden suunnittelua, joka voidaan toteuttaa hajautetusti perustuen paikalliseen kanavatietoon ja tukiasemien väliseen informaationvaihtoon. Verkon suunnittelutavoite on minimoida tukiasemien kokonaislähetysteho samalla, kun jokaiselle käyttäjälle taataan tietty vähimmäistiedonsiirtonopeus. Hajautettuja yhteistoiminnallisia keilanmuodostustekniikoita kehitetään moni-tulo yksi-lähtö -solukkoverkoille. Oletuksena on, että tukiasemat ovat varustettuja monilla lähetysantenneilla, kun taas päätelaitteissa on vain yksi vastaanotinantenni. Ehdotetut iteratiiviset algoritmit perustuvat klassisiin primaali- ja duaalihajotelmiin. Lähetystehon minimointiongelma hajotetaan kahteen optimointitasoon: tukiasemakohtaisiin aliongelmiin keilanmuodostusta varten ja verkkotason pääongelmaan monisoluhäiriön hallintaa varten. Paikallisen kanavatiedon hankkimisen jälkeen jokainen tukiasema laskee itsenäisesti lähetyskeilansa ratkaisemalla aliongelmansa käyttäen apunaan standardeja konveksioptimointitekniikoita. Monisoluhäiriötä kontrolloidaan ratkaisemalla pääongelma käyttäen perinteistä aligradienttimenetelmää. Tämä vaatii tukiasemien välistä informaationvaihtoa. Ehdotetut algoritmit takaavat käyttäjäkohtaiset tiedonsiirtonopeustavoitteet jokaisella iterointikierroksella. Tämä mahdollistaa viiveen pienentämisen ja tukiasemien välisen informaatiovaihdon kontrolloimisen. Tästä syystä ehdotetut algoritmit soveltuvat käytännön toteutuksiin toisin kuin useimmat aiemmin ehdotetut hajautetut algoritmit. Numeeriset tulokset osoittavat, että väitöskirjassa ehdotetut algoritmit tuovat merkittävää verkon suorituskyvyn parannusta verrattaessa aiempiin nollaanpakotus -menetelmiin. Yhteistoiminnallista keilanmuodostusta tutkitaan myös moni-tulo moni-lähtö -solukkoverkoissa, joissa tukiasemat sekä päätelaitteet ovat varustettuja monilla antenneilla. Tällaisessa verkossa lähetystehon minimointiongelma on ei-konveksi. Optimointiongelma jaetaan lähetys- ja vastaanottokeilanmuodostukseen, jotka toistetaan vuorotellen, kunnes algoritmi konvergoituu. Lähetyskeilanmuodostusongelma ratkaistaan peräkkäisillä konvekseilla approksimaatioilla. Vastaanottimen keilanmuodostus toteutetaan summaneliövirheen minimoinnin kautta. Keskitetyn algoritmin lisäksi tässä työssä kehitetään myös kaksi hajautettua algoritmia, jotka perustuvat primaalihajotelmaan. Hajautettua toteutusta helpotetaan pilottisignaloinnilla ja tukiasemien välisellä informaationvaihdolla. Numeeriset tulokset osoittavat, että moni-tulo moni-lähtö -tekniikoilla on merkittävästi parempi suorituskyky kuin moni-tulo yksi-lähtö -tekniikoilla. Lopuksi yhteistoiminnallista keilanmuodostusta tarkastellaan kognitiiviradioverkoissa, joissa primaari- ja sekundaarijärjestelmät jakavat saman taajuuskaistan. Lähetystehon optimointi suoritetaan sekundaariverkolle samalla minimoiden primaarikäyttäjille aiheuttamaa häiriötä. Väitöskirjassa kehitetään kaksi hajautettua algoritmia, joista toinen perustuu primaalihajotelmaan ja toinen kerrointen vaihtelevan suunnan menetelmään.