Abstract The aim of this 11-year retrospective study was to evaluate the impact of two spending patterns in glaucoma care on patient outcomes. Two cities were selected to the study because the statistics of Finnish Social Insurance Institution have repeatedly shown a difference in their mean costs of glaucoma medications per patient, i.e. Oulu spending more and Turku less than the national average. Patients with newly diagnosed open angle in 1994–96 were identified from the national register for reimbursement of medication costs. Patients were 45–74 years old when treatment was initiated after which they had consistently used glaucoma medication ≥ 10 years. For availability of cost data, their place of residence was required to remain unchanged during 1994–2006. In 2006 Social Insurance Institution sent invitations to 360 patients of whom 168 patients (47%) participated and completed the protocol (85 in Oulu and 83 patients in Turku). All patients underwent an ophthalmic examination (visual acuity, intraocular pressure, visual field test, retinal nerve fiber layer and optic disc photography). In addition, patients filled out the 15D health related quality of life questionnaire. All costs of glaucoma care during 11 years were collected for each patient individually. For each follow up year, the total cost was added up including medications, physician visits, diagnostic and follow-up tests as well as laser or surgical procedures. The total 11-year costs of glaucoma care per patient were 35% higher in Oulu (6010 €) compared to Turku (4452 €). Total costs increased with worsening of the disease. After 11 years on treatment, 40% of patients did not show any structural or functional damage. Medication costs accounted up to 73% of total costs. In addition to 29% higher medication costs in Oulu, other than medication costs were also 46% higher in Oulu. In different stages of glaucoma, more treatments (medication, laser and surgery) and more tests (photographs and visual fields) were taken in Oulu. In spite of the higher resource consumption, the 15D instrument did not indicate better quality of life in patients living in Oulu. There was actually a statistically significant counterintuitive difference in the early glaucoma group, i.e. patients using more resources reported worse quality of life. This is the first study evaluating the impact of high resource utilization on quality of life and reporting 15D utility values in different stages of glaucoma. Results from this study indicate that the higher resource allocation may not always lead to measurable benefits to the patients or society in terms of less glaucoma-induced visual disability and/or better quality of life. Further data from randomized trials with both unselected populations as well pragmatic randomized trials of ‘usual patients’ with large sample sizes are required. / Tiivistelmä Tämän 11 vuoden retrospektiivisen tutkimuksen tavoite oli arvioida kahta eri kuluttamismallia glaukooman hoidossa ja niiden vaikutusta hoitotuloksiin. Tutkimusalueiksi valitut kaksi kaupunkia ovat vuosia erottuneet toisistaan Kansaneläkelaitoksen (Kelan) tilastoissa glaukoomapotilaiden keskimääräisten vuosittaisten lääkekustannusten osalta. Oulussa kustannukset potilasta kohden vuodessa ovat olleet korkeammat kuin Turussa. Turussa vuosittaiset lääkekustannukset ovat vuosia jääneet alle kansallisen keskiarvon. Kelan lääkekorvausrekisteristä poimittiin potilaita, joilla oli todettu tuore avokulmaglaukooma ja aloitettu hoito vuosien 1994–96 välillä. Potilaat olivat 45–74-vuotiaita lääkityksen alkaessa. Tämän jälkeen he olivat käyttäneet lääkitystä yhtäjaksoisesti yli 10 vuotta. Kustannustietojen saatavuuden vuoksi potilaiden tuli olla asunut samalla paikkakunnalla 1994–2006 välisen ajan. Vuonna 2006 Kela lähetti kutsun tutkimukseen 360 potilaalle, joista 168 (47 %) osallistui (85 Oulusta ja 83 Turusta). Kaikki potilaat kävivät silmätutkimuksessa (näöntarkkuus, silmänpaine, näkökentät, hermosäie- ja näköhermonpään valokuvaus). Lisäksi potilaat täyttivät 15D-kyselykaavakkeen elämänlaadusta. Kaikki glaukooman hoidosta aiheutuneet suorat kustannukset kerättiin potilaskohtaisesti 11 vuoden ajalta. Jokaisen seurantavuoden osalta määritettiin kokonaiskustannukset, sisältäen lääkityksen, lääkärikäynnit, näkökentät, valokuvat, laser- ja kirurgiset toimenpiteet. Kokonaiskustannukset 11 vuoden seurantajaksolla olivat 35 % korkeammat Oulussa (6010 €) verrattuna Turkuun (4452 €). Kokonaiskustannukset nousivat glaukooman vaikeusasteen kasvaessa. 11 vuoden lääkehoidon jälkeen 40 %:lla potilaista ei ollut glaukoomaan viittaavia vaurioita silmissään. Lääkekulujen osuus kokonaiskuluista oli jopa 73 %. Oulussa lääkekustannukset olivat 29 % ja muut hoitokustannukset 46 % korkeammat kuin Turussa. Jokaisella glaukooman vaikeusasteella hoitoresursseja käytettiin Oulussa Turkua enemmän. 15D-mittarilla tutkittuna Oulussa elämänlaatu ei ollut parempi kuin Turussa suuremmasta resurssikulutuksesta huolimatta. Tutkimuksessa todettiin yhden alaryhmän (varhainen glaukooma) kohdalla jopa viitteitä siitä, että elämänlaatu on huonompi suuremman resurssikulutuksen alueella. Tämä on ensimmäinen tutkimus, joka arvioi suuremman resurssikulutuksen vaikutusta elämänlaatuun. Tutkimus myös raportoi 15D-arvot eri glaukooman vaikeusasteilla. Tulokset viittaavat siihen, että suurempi resurssikulutus ei aina johda mitattaviin hyötyihin potilaan tai yhteiskunnan kannalta, kun päätetapahtumana on glaukooman aiheuttama näkövammaisuus tai parempi elämänlaatu. Tarvitsemme lisää suuremmalla potilasmäärällä tehtyjä satunnaistettuja tutkimuksia.

Abstract Recent advances in wireless communications coupled with the widespread of bandwidthhungry and high-power consuming wireless services as well as the rapid penetration of multimedia-enabled smart handheld devices generate a drastic growth in mobile traffic volume. With these trends, the goals of 5G and beyond wireless communications include energy efficiency, low latency, and low service cost from the user’ perspective as well as spectrum efficiency, revenue increasing, and lower capital and operational cost from the network operators’ point of view. This thesis studies the potential of mobile clouds for improving energy, spectral, and cost efficiency towards the primary goals of 5G networks. Mobile clouds define a promising 5G integrated technology which combines the conventional cellular and shortrange networks into a novel and powerful communication architecture. Mobile clouds can be seen as a flexible and efficient platform for cooperative content delivery, cooperation, resource sharing, and social networks. Research work in this thesis is conducted in two main areas, namely fundamental and applied research on mobile clouds. Fundamental research focuses on cloud formation strategies and cloud maintenance mechanisms. In the applied area, the potential of mobile clouds for content distribution is investigated in both licensed and unlicensed bands. For content distribution using unlicensed band, several cooperative strategies are designed and their efficiency is compared to traditional multicast strategy in terms of energy efficiency, content distribution latency, and users’ quality of experience (QoE). In content distribution over licensed band, spectrum sharing and resource allocation algorithms are considered for multi pair and full-duplex device-to-device (D2D) communications, aiming at improving spectral efficiency and network performance as well as quality of service (QoS) provisioning. In addition, a business model is designed to consider how mobile clouds can reduce the cost of users and operators while improving revenue of operators and increasing users’ satisfaction. The results of this thesis show that mobile clouds technology creates a flexible and efficient platform which can efficiently enhance spectral efficiency, significantly improve energy efficiency and network performance while guaranteeing cost efficiency for users and network operators simultaneously. / Tiivistelmä Langattomassa viestinnässä on viime aikoina saavutettu useita edistysaskeleita samalla kun suurta kaistanleveyttä edellyttävien ja paljon tehoa kuluttavien langattomien palveluiden käyttö on yleistynyt ja multimediatoiminnoilla varustetut älylaitteet ovat vallanneet nopeasti markkinoita. Tämän seurauksena mobiililiikenne on lisääntynyt huomattavasti. Näiden suuntausten valossa langattoman 5G-viestinnän ja sitä seuraavien sukupolvien langattoman viestinnän kehitystavoitteita ovat muun muassa seuraavat: käyttäjän näkökulmasta energiatehokkuus, mahdollisimman lyhyet viiveajat ja palvelun käytöstä aiheutuvien kustannusten edullisuus sekä verkko-operaattorin näkökulmasta spektritehokkuus, tulojen kasvattaminen ja aiempaa matalammat pääoma- ja käyttökustannukset. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan millaisia mahdollisuuksia mobiilipilvet tarjoavat energia-, spektri- ja kustannustehokkuuden parantamiseen ja siten 5G-verkkojen päätavoitteiden saavuttamiseen. Mobiilipilvi on lupaava osa 5G-teknologiaa, jossa perinteiset solukkoverkot ja lyhyen kantaman verkot yhdistyvät aivan uudenlaiseen ja tehokkaaseen tietoliikennearkkitehtuuriin. Mobiilipilvet voidaan nähdä joustavana ja tehokkaana alustana sisällön yhteisjakelulle, yhteistyölle, resurssien jakamiselle ja toiminnalle sosiaalisissa verkoissa. Tätä väitöskirjaa varten on tehty tutkimusta sekä mobiilipilviä koskevan perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen parissa. Perustutkimuksessa keskitytään tarkastelemaan pilvien muodostamisessa käytettäviä strategioita ja pilvien ylläpidossa käytettäviä mekanismeja. Soveltavan tutkimuksen alueella mobiilipilvien tarjoamia sisällön jakelun mahdollisuuksia tarkastellaan sekä luvanvaraisilla että vapaasti käytettävillä kaistoilla. Vapaasti käytettävillä kaistoilla toteutettavaa jakelua varten työssä kehitetään useita yhteistoimintastrategioita, joiden tehokkuutta verrataan perinteiseen monilähetysstrategiaan energiatehokkuuden, sisällön jakelun viiveiden ja käyttäjien kokemuksen laadun (Quality of Experience, QoE) osalta. Luvanvaraisilla kaistoilla toteutettavan sisällön jakelun osalta tarkastellaan moniparisessa ja samanaikaisessa molemminsuuntaisessa laitteiden välisessä viestinnässä (D2D-kommunikaatiossa) käytettäviä spektrin jakamisen ja resurssien allokoimisen algoritmeja, jotta spektritehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä palvelun laatua (Quality of Service, QoS) pystyttäisiin parantamaan. Tämän lisäksi työssä kehitellään liiketoimintamallia, jonka avulla voidaan pohtia, miten mobiilipilvillä voidaan vähentää käyttäjien ja operaattorien kustannuksia ja samalla kasvattaa operaattorien tuloja ja parantaa käyttäjien tyytyväisyyttä. Tämän työn tulokset osoittavat, että mobiilipilviteknologia on joustava ja tehokas alusta, jolla voidaan lisätä olennaisesti spektritehokkuutta, parantaa merkittävästi energiatehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä taata kustannustehokkuus sekä käyttäjien että verkko-operaattorien näkökulmasta.

Abstract Uplink resource allocation strategies in modern cellular networks are studied in this thesis. With the presence of multiple antenna transmission, multiple base station (BS) coordination and multicarrier techniques, the resource allocation problem is reformulated and jointly optimized over a large set of variables. The focus is on the sum power minimization with per user rate constraints. A centralized multicarrier coordinated cellular network with multiple antennas implemented at the BS side is considered, where BSs can be adaptively clustered to detect signals from one mobile station (MS). The power, subcarrier, beamforming vector and BS cluster (BSC) are the design variables to be jointly optimized to satisfy the rate constraint per user. The first considered scenario is a simple single carrier multicell system. The power control problem with per user rate constraint can be optimally solved by the proposed algorithm, where power vector, BSC and beamforming vectors are separately updated until the sum power converges. The scenario is extended to more complicated multicarrier systems. The resource allocation problem is non-deterministic polynomial-time hard (NP-hard). Suboptimal algorithms are proposed to tackle the problem. To get more insights to the performance gap between the proposed algorithms and the capacity achieving bound, the scenario is specified to a single cell system with nonlinear receiver so that the calculation of the lower bound is possible. Efficient geometric aided fast converging power minimization algorithms are proposed to calculate the power bound of the multiple access channel (MAC) with per user rate constraint. By comparing the capacity achieving lower bound with the proposed algorithm, the BSW that starts from full rate allocation looks promising to have a good tradeoff between the convergence speed and the sum power consumption. Besides the resource allocation algorithms in the cellular network, the physical modeling and corresponding design of the network itself are also considered. The radio propagation in the elevation domain is modeled and considered. The diversity gain from the elevation domain is achieved by extra degree of freedom of beamforming in elevation domain. The antenna array can be either a uniform linear array or a uniform planar array with elements placed horizontally. The proposed power control algorithms are simulated in the 3D network scenarios. The effects of antenna array design in different propagation scenarios are compared. / Tiivistelmä Työssä tutkitaan ylälinkin resurssien kohdentamisstrategioita matkapuhelinverkoissa. Olettaen koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien (BS) välillä, resurssien kohdentamisongelma muotoillaan uudelleen ja optimoidaan yli suuren joukon optimointimuuttujia. Erityisesti keskitytään yhteenlasketun tehon minimointiongelmaan käyttäjäkohtaisien siirtonopeusrajoitteiden kanssa. Työssä oletetaan keskitetty koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien välillä, joten tukiasemat voidaan adaptiivisesti ryhmitellä yhden matkaviestimen signaalin havannointia varten. Lähetysteho, kantoaaltoallokaatio, keilanmuodostus ja tukiasemaklusterointi ovat ongelman muuttujia, jotka optimoidaan yhdessä siten, että käyttäjäkohtaiset siirtonopeusrajoitteet täyttyvät. Ensimmäinen käsitelty tapaus on yksinkertainen yhden operaattorin monisolujärjestelmä. Tehonsäätöongelma käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa voidaan optimaalisesti ratkaista ehdotetulla algoritmilla, jossa lähetysteho, keilanmuodostusvektorit ja tukiasemaklusterointi päivitetään erikseen, kunnes yhteenlaskettu teho suppenee. Tarkastelu laajennetaan monimutkaisempaan monikantoaaltojärjestelmään. Kun käyttäjäkohtainen siirtonopeustavoite kiinnitetään, ongelma voidaan vastaavasti hajottaa osittaisiksi alikantoaaltokohtaisiksi osaongelmiksi, jossa kukin osaongelma voidaan optimaalisesti ratkaista. Jos alikantoaaltokohtaista siirtonopeustavoitetta ei ole kiinnitetty, tehonsäätöongelmasta tulee ei-polynomisesti monimutkainen. Optimaalisia algoritmeja ehdotetaan ongelman ratkaisemiseksi. Jotta voitaisiin saada tietoa todellisesta suorituskykyerosta ehdotettujen algoritmien ja kapasiteettioptimaalisen rajan välillä, vertailu tehdään yhden solun simulointimallissa epälineaarisen vastaanottimen kanssa siten, että kapasiteettioptimaalisen alarajan laskeminen on mahdollista. Tätä varten kehitetään tehokas geometria-avusteinen ja nopeasti konvergoituva algoritmi tehon minimointia varten käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa. Vertaamalla kapasiteettioptimaalista alarajaa ehdotettujen algoritmien suorituskykyyn huomataan, että ehdotettu BSW algoritmi on hyvä kompromissi konvergoitumisnopeuden ja tehonkulutuksen välillä. Matkapuhelinverkkojen resurssienkohdentamisalgoritmien lisäksi työssä huomioidaan myös verkon fyysinen mallintaminen ja vastaava suunnittelu. Työssä mallinnetaan radiokanavan ominaisuudet myös korkeustasossa, joka mahdollistaa diversiteetin hyödyntämisen korkeustason keilanmuodostuksessa. Antenniryhmä voi olla joko yhtenäinen lineaarinen ryhmä tai yhtenäinen tasoryhmä, jossa antennielementit on sijoitettu tasoon. Ehdotettuja tehonsäätöalgoritmeja simuloidaan kolmiulotteisessa verkkoskenaarioissa, jossa verrataan antenniryhmäsuunnittelun vaikutuksia eri radiokanavaskenaarioissa.

Abstract For a small and medium size firm (SME), expansion into new foreign markets is a remarkable milestone, requiring specific resources and capabilities. The purpose of this study is to explore how management in internationalizing small and medium-size firms allocate their limited resources between key functions, in particular, between marketing and R&D. This thesis builds on a resource-based view of the firm, a dynamic capabilities perspective, and the SME internationalization literature, and therefore assumes that a firm’s success in foreign markets is closely related to its internal resource and capability configurations. The findings of this study suggest that SMEs need a capability portfolio in which the relative importance of key capabilities varies as international expansion proceeds. It appears that throughout the international expansion process, investments in developing R&D capabilities do not notably decrease, not even at the time when SMEs need to begin to develop other activities, such as marketing. Closer examination reveals that investments in the capabilities’ underlying microfoundations, rather than the resource allocation between the key functions per se, determine the nature of the resulting competitive advantage. Cross-border mergers are specific situations that reveal the strong influence of function-specific microfoundations on functional capabilities and thus, on an SME’s dynamic capabilities. The results of this study show that in merger deals, each firm comes with distinctive cross-functional structures, processes, routines, and skills. Synergies might not be capitalized if management is not able to effectively align merging firms’ underlying microfoundations. The results in this thesis underline the invaluable role of SMEs’ management. The findings show that even if the different phases of international expansion require diverse managerial capabilities, unanimity among the top management team executives is needed (surprisingly) only when these SMEs are making substantial resource commitments. Such adoption to changing conditions is an illustration of dynamic managerial capabilities that partly determines success in international markets. / Tiivistelmä Pienelle yritykselle kansainvälistyminen on merkittävä virstanpylväs, joka edellyttää erityisiä resursseja ja kyvykkyyksiä. Tässä työssä on tarkoitus tutkia, kuinka pienen kansainvälistyvän yrityksen johto kohdentaa yrityksen rajallisia resursseja tuotekehitys- ja markkinointifunktioihin. Väitöskirjassa oletetaan, että pienten ja keskisuurten yritysten menestyminen kansainvälisillä markkinoilla liittyy olennaisesti yritysten käytössä oleviin resursseihin ja kyvykkyyksiin, ja tästä johtuen väitöskirjan teoreettinen osa rakennetaan resurssiteorian, dynaamisten kyvykkyyksien teorian sekä pienten yritysten kansainvälistymistä koskevien tutkimuksien yhdistelmänä. Työn tulokset osoittavat, että pienet yritykset tarvitsevat erityisen kyvykkyysportfolion, jossa eri kyvykkyyksien suhteellinen osuus muuttuu yrityksen kansainvälistymisen edetessä. Näyttäisi siltä, että yritysten investoinnit tuotekehitykseen eivät juuri pienene silloinkaan, kun yritykset aloittavat markkinointiin panostamisen. Lähempi tarkastelu kuitenkin osoittaa, että investoinnit eri funktioihin eivät sinänsä määrää syntyvää kilpailuetua, vaan edun luonne määräytyy sen mukaan, kuinka resurssit kohdennetaan taustalla oleviin kyvykkyyksien (mikro)rakenteisiin. Kansainväliset yrityskaupat ovat erityisiä tapahtumia jotka paljastavat funktiokohtaisten mikrorakenteiden merkittävän vaikutuksen. Työn tulokset osoittavat, että kussakin yksittäisessä fuusioituvassa yrityksessä on omanlaisensa, ajan myötä funktioiden välille muotoutuneet rakenteet, prosessit ja käytänteet. Yrityskauppojen hyödyt voivat jäädä saavuttamatta ellei näitä fuusioituvien yritysten funktioiden välisiä mikrorakenteita saada sujuvasti sulautettua yhteen. Tutkimustulokset korostavat pienen yrityksen johdon merkitystä. Kasvu kansainvälisillä markkinoilla vaatii johdolta erityistä kyvykkyyttä, mutta hieman yllättäen tulokset osoittavat, että johtoryhmän jäsenten yksimielisyys on tärkeää vain niissä kasvun vaiheissa, jotka edellyttävät erityisen merkittäviä sitoumuksia. Tällainen muuttuviin olosuhteisiin sopeutuminen on hyvä osoitus johdon dynaamisista kyvykkyyksistä, jotka osaltaan määräävät yrityksen menestymisen kansainvälisillä markkinoilla.

Abstract Optimizing the use of resources plays an important role in today’s modern manufacturing and service organizations. Scheduling, involving setup times and costs, leads to better allocation of resources over time to perform a collection of required tasks. This compilation dissertation examines how the learning effect of workers and a combination of setup activities can be used to optimize resource utilization in manufacturing systems and maintenance services. The learning effect is a technique that can model improvement in worker’s ability as a result of repeating similar tasks. By considering the learning effect, setup times will be reduced, and a schedule can be determined to place jobs that share similar tools and fixtures next to each other. The purpose is to schedule a set of jobs in a hybrid flow shop environment while minimizing two criteria that represent the manufacturers’ and consumers’ concerns: namely maximum completion time (makespan) and total tardiness. Combining setup activities can also reduce setup times and costs. In the maintenance of systems consisting of multiple components, costs can be saved when several components are jointly maintained. By using this technique, a schedule can be determined to minimize the total cost of maintenance and renewal projects for various components and their relevant setup activities. Mathematical programming models that incorporate these aspects of the problem are developed in this research and the performance of the proposed models are tested on a set of problem instances. The results of this work show that the proposed techniques perform well in reducing setup times and costs and eliminate the need for setups through scheduling. This work proposes several exact, heuristic, and meta-heuristic methods to solve the developed models and compare their efficiency. This study contributes to the theoretical discussion of multi-criteria production and maintenance scheduling. For practitioners, this dissertation work provides optimization techniques and tools through scheduling that can help keep costs down and allow companies to operate according to time and budget constraints. / Tiivistelmä Resurssien käytön optimoinnilla on tärkeä rooli nykypäivän tuotanto- ja palveluympäristöissä. Joukko tehtäviä voidaan toteuttaa resurssitehokkaammin niille varatussa ajassa huomioimalla aikataulutuksessa asetusajat ja –kustannukset. Tämä kokoomaväitöskirja tarkastelee, kuinka työntekijöiden oppimisefektin mallinnus ja asetustoimien yhdistäminen tukevat resurssien optimointia tuotantojärjestelmissä ja kunnossapitopalveluissa. Oppimisefekti on tekniikka, jolla voidaan mallintaa työntekijän osaamisen kehittymistä samankaltaisia työtehtäviä toistettaessa. Huomioimalla oppimisefekti asetusaikoja voidaan pienentää, ja töille luoda aikataulu jossa samankaltaiset työkalut ja laitteet ovat lähellä toisiaan. Osana väitöskirjaa esitetään työerän aikataulutus tietyssä yksittäistuotantoympäristössä minimoiden kahta kriteeriä: valmistajan tavoite kokonaisläpimenoaika ja asiakkaan tavoite yksittäisten töiden aikataulussa valmistuminen. Toinen väitöskirjassa esitetty tekniikka asetusaikojen ja –kustannusten pienentämiseen on asetustöiden yhdistely. Useista komponenteista koostuvassa systeemissä kustannussäästöjä voidaan saavuttaa huoltamalla useita komponentteja yhtä aikaa. Tämän yhdistelyn avulla voidaan luoda aikataulu, joka minimoi useiden komponenttien ylläpidon, uusimisen, ja asetuskustannusten kokonaiskustannuksen. Työssä mallinnetaan näitä tekniikoita matemaattisen ohjelmoinnin keinoin, ja luotuja malleja testataan joukolla esimerkkiongelmia. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että ehdotetuilla tekniikoilla voidaan vähentää asetusaikoja ja –kustannuksia, tai poistaa asetustöistä aiheutuvia kustannuksia kokonaan. Siinä esitetään useita eksakteja, heuristisia ja metaheuristisia menetelmiä kehitettyjen mallien ratkaisuun ja niiden suorituskyvyn vertailuun. Työn tulokset edistävät tieteellistä keskustelua monikriteeriskeduloinnin alalla, erityisesti liittyen tuotanto- ja kunnossapitosysteemeihin. Käytännön toimijoille väitöskirja tarjoaa optimointitekniikoita- ja työkaluja aikataulutukseen ja sen kautta taloudellisissa ja ajallisissa rajoitteissa toiminnan mahdollistamiseen.

Abstract This thesis concentrates on evaluating and improving the throughput performances of mobile users in high speed vehicles. In particular, high speed train (HST) scenarios are considered. Emphasis is placed on practical designs and methods that take into account distinctive HST characteristics. A two-hop communication link, i.e., base station (BS)-to-HST and HST-to-onboard users (OBUs) is adopted. The main target is to improve the throughput performance on the BS-to-HST communication link, which is assumed to be the main bottleneck in the whole communication link, since the HST-to-OBU communication link is assumed to have good channel quality due to the short link distance with relatively stationary OBUs. The algorithms developed are assessed through link and system level simulations. A theoretical and practical study of the throughput maximization problem in a single and multi-cell multiple-input multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) train scenario are considered with and without cooperation between train carriages. Two low-complexity transmission schemes based on simple antenna selection (AS) methods with spatial multiplexing (SM) are proposed. The simulation results demonstrate that large antenna arrays with AS and SM transmission strategies have the potential to significantly improve the throughput of the BS-to-train link in HST scenarios. Resource sharing methodologies between the moving relay nodes (MRNs) on the HST and ground macro users (GMUs) were also studied in a multi-cell MIMO-OFDM train scenario. Direct application of existing resource scheduling methods will not be appropriate to efficiently and fairly share resources, since the MRNs and the GMUs have different processing capabilities. Hence, two hybrid resource scheduling methods are analyzed in conjunction with joint and disjoint resource management. The tradeoff between the number of MRNs and receive antennas that should be installed on an HST was also examined in the context of throughput performance and capital expenditure. Results show that joint scheduling does not provide the best overall performance and there is a need to schedule each group of mobile terminals (MTs) separately. Finally, the feasibility of the use of higher frequency bands (HFBs) was examined in HST scenarios. A timer-based beam selection scheme for HST, which does not require any training time to select the appropriate beam is also proposed. The proposed beam selection scheme (PBSS) displays a close performance to the ideal singular value decomposition (SVD) scheme. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy mobiilikäyttäjien tiedonsiirtonopeuksien arviointiin ja parantamiseen nopeasti liikkuvissa kulkuneuvoissa. Työ käsittelee erityisesti tiedonsiirtoa suurnopeusjunissa. Työssä korostetaan käytännön menetelmiä, jotka ottavat huomioon nopeasti liikkuvien junien tiedonsiirron erityispiirteet. Työssä käytetään kahden hypyn linkkimallia, jossa tiedonsiirto kulkee tukiasemalta junaan ja junasta käyttäjälle, joka on junassa. Päätavoite on parantaa datanopeuksia tukiaseman ja junan välisessä tiedonsiirtolinkissä, jonka uskotaan olevan suurin pullonkaula koko tiedonsiirtolinkissä, koska junan ja lähes paikallaan olevan käyttäjän välinen kanava voidaan olettaa hyvälaatuiseksi linkin lyhyyden vuoksi. Kehitettyjen algoritmien suorituskykyä arvioidaan linkki- ja järjestelmätason simulaatioilla. Työssä tutkitaan tiedonsiirtonopeuden maksimointiongelmaa teoreettisella ja käytännön tasolla yhden ja usean solun MIMO OFDM junaskenaarioissa, joissa junan vaunut tekevät tai eivät tee yhteistyötä. Työssä esitetään kaksi alhaisen kompleksisuuden lähetysmenetelmää, jotka hyödyntävät yksinkertaista antennin valintamenetelmää ja tilatason multipleksointia. Simulointitulokset osoittavat, että suuret antenniryhmät, jotka hyödyntävät näitä lähetysmenetelmiä, voivat parantaa merkittävästi tiedonsiirtonopeutta tukiasemalta junaan päin. Työssä tutkitaan myös resurssien jakomenetelmiä liikkuvien junassa olevien releiden ja maatason makrokäyttäjien välillä monen solun MIMO-OFDM junaskenaariossa. Nykyisten resurssinhallintamenetelmien käyttö ei ole suoraan mahdollista tehokasta ja oikeudenmukaista resurssien jakoa, koska releillä ja makrokäyttäjillä on erilaiset prosessointikyvyt. Tämän vuoksi työssä analysoidaan kahta hybridimenetelmään resurssien skeduloinnille. Tutkimukset selventävät tasapainoa releiden lukumäärän ja junaan asennettavien vastaanotinantennien välillä tiedonsiirtonopeuden ja kustannusten osalta. Tulokset osoittavat, että yhteinen resurssien jako ei saavuta parasta suorituskykyä, eikä ole tarvetta ajoittaa jokaista matkaviestinterminaaliryhmää erikseen. Lopuksi työssä tutkitaan korkeampien taajuusalueiden soveltuvuutta tiedonsiirtoon suurnopeusjunissa. Työssä ehdotetaan ajastinpohjaista keilanvalintamenetelmää, joka ei vaadi opetusjaksoa sopivan keilan valintaan. Ehdotetun menetelmän saavuttama suorituskyky on lähellä ideaalisen singulaariarvohajotelmaa hyödyntävän menetelmän suorituskykyä.

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