Thesis (doctoral)--Helsinki University of Technology, 2005. / Includes bibliographical references (p. 137-155). Also available on the World Wide Web. Myös verkkojulkaisuna.

Abstract Sheet and film forming processes such as paper manufacturing pose a challenging monitoring and control problem, where quality variations are classified into machine direction (MD), cross-machine direction (CD) and residual variation. The measurements are typically collected with a scanning sensor that covers only a small part of the paper web, and therefore provides a very limited view of the paper web, setting performance limitations on the online monitoring and control. The development of cameras, light sources and computation hardware enable the consideration of utilizing in-use web inspection systems in paper machines to measure the paper web variations with a considerably higher resolution, sampling rate and coverage. The light transmittance images captured with this kind of system need, however, to be converted into a controllable quality property, such as basis weight, in order to utilize the new measurement information for control purposes. In this thesis, computational methods are identified and developed that are capable of combining light transmittance and scanning measurements, and can efficiently utilize the combined information for control purposes. The possible benefits gained with these image-based measurements in paper machine online monitoring and profile control are evaluated in a simulation environment. In a real paper machine, the benefits are ultimately dependent on the machine configuration and the nature of paper variations therein. It was found that with a suitable estimation method, light transmittance could increase the awareness of basis weight variations such as fast MD variation, tilted waves and dynamic CD variation patterns, which are practically undetectable using scanner-based measurement. The enhanced basis weight estimation enables a considerable improvement in the dynamic performance of profile controls. CD control was able to handle fast variations earlier classified as uncontrollable residual variation. In MD control, enhanced estimation enabled the development of a control strategy that led to improved reference tracking and disturbance rejection properties. / Tiivistelmä Paperinvalmistus on yksi esimerkki levyjen tai kalvojen valmistusprosesseista, jotka ovat tyypillisesti haasteellisia prosessin monitoroinnin ja säädön kannalta. Laatuvaihtelut näissä prosesseissa luokitellaan koneensuuntaisiin (MD), poikkisuuntaisiin (CD) ja jäännösvaihteluihin. Paperikoneella mittaukset kerätään tavallisesti radan yli liikkuvalla skannaavalla sensorilla, joka tarjoaa vain hyvin rajoitetun määrän informaatiota paperiradasta, asettaen siten rajoituksia online monitoroinnin ja säädön suorituskyvylle. Kameroiden ja valonlähteiden kehitys sekä laskentakapasiteetin kasvu mahdollistavat paperiradan vaihteluiden mittaamisen huomattavasti korkeammalla resoluutiolla ja näytteenottovälillä jo käytössä olevilla vianilmaisujärjestelmillä. Vianilmaisujärjestelmän keräämä valon transmittanssitieto pitää kuitenkin muuntaa esimerkiksi neliömassatiedoksi, jotta uutta mittausinformaatiota voitaisiin hyödyntää myös prosessin online säädössä nykyisillä toimilaitteilla. Tässä työssä on identifioitu ja kehitetty laskennallisia menetelmiä, jotka kykenevät yhdistämään kuvantavan ja skannaavan mittauksen sekä käyttämään tätä yhdistettyä tietoa säätötarkoituksissa. Kuvapohjaisen mittauksen mahdollisia hyötyjä online monitoroinnissa ja profiilien säädössä on arvioitu simulointiympäristössä. Saavutettavat hyödyt paperikoneella ovat lopulta riippuvaisia myös koneen konfiguraatiosta ja koneella ilmenevien laatuvaihteluiden luonteesta. Tulokset osoittavat, että transmittanssimittauksen ja tehokkaan estimointimenetelmän avulla kyetään lisäämään tietämystä neliömassamuutoksista, joita ei käytännössä voida havaita pelkän skannaavan mittauksen avulla. Estimoinnin parempi suorituskyky mahdollistaa myös profiilisäätöjen dynaamisen suorituskyvyn kasvattamisen. CD-säätö voitiin laajentaa kattamaan myös nopeita vaihteluita, jotka ovat aiemmin luokiteltu jäännösvaihteluksi. MD-säädölle voitiin kehittää säätöstrategia, jonka avulla sekä asetusarvojen seurantaa että häiriöiden vaimennusta pystyttiin parantamaan.

Abstract Novel methods and tools are needed for the performance evaluation of future embedded systems due to the increasing system complexity. Systems accommodate a large number of on-terminal and or downloadable applications offering the users with numerous services related to telecommunication, audio and video, digital television, internet and navigation. More flexibility, scalability and modularity is expected from execution platforms to support applications. Digital processing architectures will evolve from the current system-on-chips to massively parallel computers consisting of heterogeneous subsystems connected by a network-on-chip. As a consequence, the overall complexity of system evaluation will increase by orders of magnitude. The ABSOLUT performance simulation approach presented in this thesis combats evaluation complexity by abstracting the functionality of the applications with workload models consisting of instruction-like primitives. Workload models can be created from application specifications, measurement results, execution traces, or the source code. Complexity of execution platform models is also reduced since the data paths of processing elements need not be modelled in detail and data transfers and storage are simulated only from the performance point of view. The modelling approach enables early evaluation since mature hardware or software is not required for the modelling or simulation of complete systems. ABSOLUT is applied to a number of case studies including mobile phone usage, MP3 playback, MPEG4 encoding and decoding, 3D gaming, virtual network computing, and parallel software-defined radio applications. The platforms used in the studies represent both embedded systems and personal computers, and at the same time both currently existing platforms and future designs. The results obtained from simulations are compared to measurements from real platforms, which reveals an average difference of 12% in the results. This exceeds the accuracy requirements expected from virtual system-based simulation approaches intended for early evaluation. / Tiivistelmä Sulautettujen tietokonejärjestelmien suorituskyvyn arviointi muuttuu yhä haastavammaksi järjestelmien kasvavan kompleksisuuden vuoksi. Järjestelmissä on suuri määrä sovelluksia, jotka tarjoavat käyttäjälle palveluita liittyen esimerkiksi telekommunikaatioon, äänen ja videokuvan toistoon, internet-selaukseen ja navigaatioon. Tästä johtuen suoritusalustoilta edellytetään yhä enemmän joustavuutta, skaalautuvuutta ja modulaarisuutta. Suoritusarkkitehtuurit kehittyvät nykyisistä System-on-Chip (SoC) -ratkaisuista Network-on-Chip (NoC) -rinnakkaistietokoneiksi, jotka koostuvat heterogeenisistä alijärjestelmistä. Sovellusten ja suoritusalustan muodostaman järjestelmän suorituskyvyn arviointiin tarvitaan uusia menetelmiä ja työkaluja, joilla kompleksisuutta voidaan hallita. Tässä väitöskirjassa esitettävä ABSOLUT-simulointimenetelmä pienentää suorituskyvyn arvioinnin kompleksisuutta abstrahoimalla sovelluksen toiminnallisuutta työkuormamalleilla, jotka koostuvat kuormaprimitiiveistä suorittimen käskyjen sijaan. Työkuormamalleja voidaan luoda sovellusten spesifikaatioista, mittaustuloksista, suoritusjäljistä tai sovellusten lähdekoodeista. Suoritusalustoista ABSOLUT-menetelmä käyttää yksinkertaisia kapasiteettimalleja toiminnallisten mallien sijaan: suoritinarkkitehtuurit mallinnetaan korkealla tasolla ja tiedonsiirto ja tiedon varastointi mallinnetaan vain suorituskyvyn näkökulmasta. Menetelmä mahdollistaa aikaisen suorituskyvyn arvioinnin, koska malleja voidaan luoda ja simuloida jo ennen valmiin sovelluksen tai suoritusalustan olemassaoloa. ABSOLUT-menetelmää on käytetty useissa erilaisissa kokeiluissa, jotka sisälsivät esimerkiksi matkapuhelimen käyttöä, äänen ja videokuvan toistoa ja tallennusta, 3D-pelin pelaamista ja digitaalista tiedonsiirtoa. Esimerkeissä käytetiin tyypillisiä suoritusalustoja sekä kotitietokoneiden että sulautettujen järjestelmien maailmasta. Lisäksi osa esimerkeistä pohjautui tuleviin tai keksittyihin suoritusalustoihin. Osa simuloinneista on varmennettu vertaamalla simulointituloksia todellisista järjestelmistä saatuihin mittaustuloksiin. Niiden välillä huomattiin keskimäärin 12 prosentin poikkeama, mikä ylittää aikaisen vaiheen suorituskyvyn simulointimenetelmiltä vaadittavan tarkkuuden.

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 Critical Infrastructures (CIs) are an integral part of our society and economy. Services like electricity supply or telecommunication services are expected to be available at all times and a service failure may have catastrophic consequences for society or economy. Current CI protection strategies are from a time when CIs or CI sectors could be operated more or less self-sufficient and interconnections among CIs or CI sectors, which may lead to cascading service failures to other CIs or CI sectors, where not as omnipresent as today. In this PhD thesis, a cross-sector CI model for on-line risk monitoring of CI services, called CI security model, is presented. The model allows to monitor a CI service risk and to notify services that depend on it of possible risks in order to reduce and mitigate possible cascading failures. The model estimates CI service risk by observing the CI service state as measured by base measurements (e.g. sensor or software states) within the CI service components and by observing the experienced service risk of CI services it depends on (CI service dependencies). CI service risk is estimated in a probabilistic way using a Bayesian network based approach. Furthermore, the model allows CI service risk prediction in the short-term, mid-term and long-term future, given a current CI service risk and it allows to model interdependencies (a CI service risk that loops back to the originating service via dependencies), a special case that is difficult to model using Bayesian networks. The representation of a CI as a CI security model requires analysis. In this PhD thesis, a CI analysis method based on the PROTOS-MATINE dependency analysis methodology is presented in order to analyse CIs and represent them as CI services, CI service dependencies and base measurements. Additional research presented in this PhD thesis is related to a study of assurance indicators able to perform an on-line evaluation of the correctness of risk estimates within a CI service, as well as for risk estimates received from dependencies. A tool that supports all steps of establishing a CI security model was implemented during this PhD research. The research on the CI security model and the assurance indicators was validated based on a case study and the initial results suggest its applicability to CI environments. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa esitellään läpileikkausmalli kriittisten infrastruktuurien jatkuvaan käytön riskimallinnukseen. Tämän mallin avulla voidaan tiedottaa toisistaan riippuvaisia palveluita mahdollisista vaaroista, ja siten pysäyttää tai hidastaa toisiinsa vaikuttavat ja kumuloituvat vikaantumiset. Malli analysoi kriittisen infrastruktuurin palveluriskiä tutkimalla kriittisen infrastruktuuripalvelun tilan, joka on mitattu perusmittauksella (esimerkiksi anturi- tai ohjelmistotiloina) kriittisen infrastruktuurin palvelukomponenttien välillä ja tarkkailemalla koetun kriittisen infrastruktuurin palveluriskiä, joista palvelut riippuvat (kriittisen infrastruktuurin palveluriippuvuudet). Kriittisen infrastruktuurin palveluriski arvioidaan todennäköisyyden avulla käyttämällä Bayes-verkkoja. Lisäksi malli mahdollistaa tulevien riskien ennustamisen lyhyellä, keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä, ja mahdollistaa niiden keskinäisten riippuvuuksien mallintamisen, joka on yleensä vaikea esittää Bayes-verkoissa. Kriittisen infrastruktuurin esittäminen kriittisen infrastruktuurin tietoturvamallina edellyttää analyysiä. Tässä väitöskirjassa esitellään kriittisen infrastruktuurin analyysimenetelmä, joka perustuu PROTOS-MATINE -riippuvuusanalyysimetodologiaan. Kriittiset infrastruktuurit esitetään kriittisen infrastruktuurin palveluina, palvelujen keskinäisinä riippuvuuksina ja perusmittauksina. Lisäksi tutkitaan varmuusindikaattoreita, joilla voidaan tutkia suoraan toiminnassa olevan kriittisen infrastruktuuripalvelun riskianalyysin oikeellisuutta, kuin myös riskiarvioita riippuvuuksista. Tutkimuksessa laadittiin työkalu, joka tukee kriittisen infrastruktuurin tietoturvamallin toteuttamisen kaikkia vaiheita. Kriittisen infrastruktuurin tietoturvamalli ja varmuusindikaattorien oikeellisuus vahvistettiin konseptitutkimuksella, ja alustavat tulokset osoittavat menetelmän toimivuuden. / Kurzfassung In dieser Doktorarbeit wird ein Sektorübergreifendes Modell für die kontinuierliche Risikoabschätzung von kritische Infrastrukturen im laufenden Betrieb vorgestellt. Das Modell erlaubt es, Dienstleistungen, die in Abhängigkeit einer anderen Dienstleistung stehen, über mögliche Gefahren zu informieren und damit die Gefahr des Übergriffs von Risiken in andere Teile zu stoppen oder zu minimieren. Mit dem Modell können Gefahren in einer Dienstleistung anhand der Überwachung von kontinuierlichen Messungen (zum Beispiel Sensoren oder Softwarestatus) sowie der Überwachung von Gefahren in Dienstleistungen, die eine Abhängigkeit darstellen, analysiert werden. Die Abschätzung von Gefahren erfolgt probabilistisch mittels eines Bayessches Netzwerks. Zusätzlich erlaubt dieses Modell die Voraussage von zukünftigen Risiken in der kurzfristigen, mittelfristigen und langfristigen Zukunft und es erlaubt die Modellierung von gegenseitigen Abhängigkeiten, die im Allgemeinen schwer mit Bayesschen Netzwerken darzustellen sind. Um eine kritische Infrastruktur als ein solches Modell darzustellen, muss eine Analyse der kritischen Infrastruktur durchgeführt werden. In dieser Doktorarbeit wird diese Analyse durch die PROTOS-MATINE Methode zur Analyse von Abhängigkeiten unterstützt. Zusätzlich zu dem vorgestellten Modell wird in dieser Doktorarbeit eine Studie über Indikatoren, die das Vertrauen in die Genauigkeit einer Risikoabschätzung evaluieren können, vorgestellt. Die Studie beschäftigt sich sowohl mit der Evaluierung von Risikoabschätzungen innerhalb von Dienstleistungen als auch mit der Evaluierung von Risikoabschätzungen, die von Dienstleistungen erhalten wurden, die eine Abhängigkeiten darstellen. Eine Software, die alle Aspekte der Erstellung des vorgestellten Modells unterstützt, wurde entwickelt. Sowohl das präsentierte Modell zur Abschätzung von Risiken in kritischen Infrastrukturen als auch die Indikatoren zur Uberprüfung der Risikoabschätzungen wurden anhand einer Machbarkeitsstudie validiert. Erste Ergebnisse suggerieren die Anwendbarkeit dieser Konzepte auf kritische Infrastrukturen.