Abstract Migration is a heterogeneous phenomenon in many senses. However, certain tendencies are emphasized. Most built-up areas lose their inhabitants and only few population centers increase their population, both in Finland and generally in Europe. Empty or less utilized structures remain after out-migration. The consequences are most evident in the housing sector. In this phenomenon there is a strong risk that the structures cannot function but they lose their function ability. The reasons are economic and functional. The point of departure for the study was to find the means to respond to this cumulating development. The different service structures also decrease or become thinner, while the population is aging, requiring additional attention. The theoretical framework of the study includes the development of new methods that correspond to the research problem and a new planning model for diminishing infrastructures. The stages of the planning model include the definition of the needs and prospects of planning, the management of changes of the functions and, finally, the making of integrated plans for the adjustment of the physical structures. The position of the dissertation in relation to its scientific background is explained by reviewing the tradition of infrastructure planning and related planning theory. The research work advanced, however, in real time - the tests of the contexts were so actual that they had to be updated many times during the research. Besides the actuality, another interesting feature were the comparative studies directed to the infrastructure contexts of five EU countries and their subject municipalities. The aim of the study was to examine whether the modelled planning of diminishing infrastructure is feasible and whether it aids the adjustment of structures. The research clearly revealed that planning of diminishing infrastructures is beneficial and even necessary in numerous built-up areas. An important achievement of the study is the principle to be followed in making adjustments to structures that have become oversized. The dissertation revealed that there are lots of opportunities to make adjustments within the physical structures. The dimensions of adjustment are numerous and dissimilar to each other. An important association was that the stages of negative growth of the infrastructure networks are similar, following the same logic and sequential order in different built-up areas. The changes in dwelling and other functions of buildings determine the development of other infrastructure networks. A comforting result of the study is the fact that there is seldom need for massive dismantling operations of infrastructures in Finland. The decremental, step by step adjustment of structures is, however, at any rate occasionally necessary in most built-up areas. The making of adjustments requires broad data and the use of a frequently up-dated monitoring system. The standards and norms of physical structures are also too general with disregard to differences in entropy, treating in a similar fashion the cases of both growth and decline. The overriding rule in diminishing areas may be the maintenance of the stability of infrastructure networks. Attention on the oversized structures is worthwhile, since, for all parties concerned, it is beneficial to adjust the size of physical structures to the level of their use. / Tiivistelmä Muuttoliike on monessa suhteessa heterogeeninen ilmiö. Tietyt muuttojen suuntaukset kuitenkin korostuvat. Useimmat taajamat menettävät asukkaitaan ja vain harvat väestökeskukset kasvattavat asukasmääräänsä sekä Suomessa että yleisesti Euroopassa. Muuton jälkeen jää tyhjiä tai vajaakäyttöisiä rakenteita. Selkeimmin seuraukset ilmenevät rakennuksissa. Ilmiön yhteydessä on muodostumassa riski, että rakenteet eivät voi toimia vaan menettävät toimintakykynsä. Syyt siihen ovat taloudellisia ja toiminnallisia. Vahva tutkimuksen käynnistävä peruste oli löytää keinot, joilla reagoida tähän kumuloituvaan kehitykseen. Myös erilaiset palvelujen rakenteet vähenevät tai tulevat ohuemmiksi. Samalla kertaa väestö vanhenee ja vaatii lisää huomiota. Tutkimuksen teoreettinen viitekehys sisältää tutkimusongelman käsittelyyn soveltuvien uusien erityisten menetelmien kehittämisen ja suunnitteluprosessin vaiheet sisältävän mallin kokoamisen. Vaiheina tarkastellaan suunnittelun tarpeet ja mahdollisuudet, toimintojen muutoksenhallinta ja lopulta rakenteiden sopeuttava fyysinen suunnittelu. Tutkimus asettuu sisälle tiedeympäristöönsä siten, että siinä tuodaan laajalti esille infrastruktuurin suunnitteluperinne. Tutkimus liikkui kuitenkin reaaliajassa - kontekstien testaukset olivat niin ajankohtaisia, että niitä päivitettiin monia kertoja tutkimuksen aikana. Ajankohtaisuuden ohella mielenkiintoisia piirteitä olivat myös kansainväliset kontekstit, kun tutkimus suuntautui viiteen EU- maahan ja niiden kohdekuntiin. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, onko pienenevän infrastruktuurin mallinnettu suunnittelu mahdollista ja edistääkö se rakenteiden sopeuttamista. Tutkimus toi selkeästi esille, että pienenevien rakenteiden suunnittelu on hyödyllistä ja jopa välttämätöntä lukuisissa taajamissa. Tärkeä tutkimuksen saavutus on nähdä periaate, jonka kautta ylimitoittuneiksi tulleiden rakenteiden sopeuttaminen voidaan toteuttaa. Tutkimuksessa on tullut ilmi, että sopeuttamiseen on runsaasti mahdollisuuksia fyysisten rakenteiden sisällä. Merkittävä tulos oli, että sopeuttamisen dimensioita on lukuisia ja ne ovat keskenään hyvin erilaisia. Tärkeä assosiaatio oli myös se, että pienenevän kehityksen vaiheet infrastruktuurin verkoilla olivat samankaltaisia sekä toimivat usein samalla logiikalla ja vastaavassa järjestyksessä eri taajamissa. Rakennusten sisältämien toimintojen tai asumisen elinkaaren vaiheet ovat määrääviä muiden infrastruktuurin verkkojen kehitykselle. Lohdullinen tutkimustulos on, että infrastruktuurin kertaluonteisen, massiivisen pienentämisen tarve on harvinaista Suomessa. Dekrementaalinen, vaiheaskelin tapahtuva rakenteiden sopeuttaminen on kuitenkin ainakin ajoittain tarpeen useimmissa taajamissa. Sopeuttamiseen tarvittava tietomäärä on kuitenkin laaja ja se edellyttää taajaman rakenteiden reaaliajassa toimivaa ja päivittyvää seurantajärjestelmää. Fyysisten rakenteiden normitus on myös liian yleispätevää ilman entropian eroja ja normit ovat lähestulkoon yhtäläisiä kasvavissa ja pienenevissä tapauksissa. Pienenevissä taajamissa voi verkkojen toiminnan stabiilisuuden säilyttäminen olla päällimmäisin normi. Ylisuuriin rakenteisiin kannattaa kiinnittää huomiota, sillä fyysisten rakenteiden on edullista olla käyttötarpeidensa kokoisia - kaikkien osapuolten kannalta nähtyinä.

Abstract Traditional communication networks consist of large sets of vendor-specific manually configurable devices. These devices are hardwired with specific control logic or algorithms used for different network functions. The resulting networks comprise distributed control plane architectures that are complex in nature, difficult to integrate and operate, and are least efficient in terms of resource usage. However, the rapid increase in data traffic requires the integrated use of diverse access technologies and autonomic network operations with increased resource efficiency. Therefore, the concepts of Software Defined Networking (SDN) are proposed that decouple the network control plane from the data-forwarding plane and logically centralize the control plane. The SDN control plane can integrate a diverse set of devices, and tune them at run-time through vendor-agnostic programmable Application Programming Interfaces (APIs). This thesis proposes software defined cognitive networking to enable intelligent use of network resources. Different radio access technologies, including cognitive radios, are integrated through a common control platform to increase the overall network performance. The architectural framework of software defined cognitive networking is presented alongside the experimental performance evaluation. Since SDN enables applications to change the network behavior and centralizes the network control plane to oversee the whole network, it is highly important to investigate SDN in terms of security. Therefore, this thesis finds the potential security vulnerabilities in SDN, studies the proposed security platforms and architectures for those vulnerabilities, and presents future directions for unresolved security vulnerabilities. Furthermore, this thesis also investigates the potential security challenges and their solutions for the enabling technologies of 5G, such as SDN, cloud technologies, and virtual network functions, and provides key insights into increasing the security of 5G networks. / Tiivistelmä Perinteiset tietoliikenneverkot pohjautuvat usein laajoille manuaalisesti konfiguroitaville valmistajakohtaisille ratkaisuille. Niissä käytetään laitekohtaista kontrollilogiikkaa tai verkon eri toiminnallisuuksien algoritmeja. Tämän johdosta verkon hajautettu kontrollitaso muodostuu monimutkaiseksi, jota on vaikea integroida ja operoida, eikä se ole kovin joustava resurssien käytön suhteen. Tietoliikenteen määrän kasvaessa tulee entistä tärkeämmäksi integroida useita verkkoteknologioita ja autonomisia verkon toiminnallisuuksia tehokkaan resurssinhallinnan saavuttamiseksi. Ohjelmisto-ohjatut verkkoratkaisut (SDN, Software Defined Networking) tarjoavat keinon hallita erikseen verkon kontrolliliikennettä eroteltuna dataliikenteestä keskitetysti. Tämä kontrollitaso voi integroida erilaisia verkkolaitteita ja ohjata niitä ajonaikaisesti valmistajariippumattoman sovellusohjelmointirajapinnan kautta. Tässä työssä on tutkittu älykästä ohjelmisto-ohjattavaa verkkoratkaisua, jonka avulla eri radioverkkoteknologiat (mukaan lukien konginitiiviradio) voidaan integroida yhteisen kontrollialustan kautta lisäämään verkon kokonaissuorituskykyä. Työssä esitetään kognitiivinen ohjelmisto-ohjattu verkon arkkitehtuuriratkaisu sekä sen suorituskyvyn arviointi mittauksiin pohjautuen. Koska ohjelmisto-ohjattu verkko pohjautuu koko verkon keskitettyyn kontrollilogiikkaan, on tietoturvan merkitys korostunut entisestään. Tässä työssä on sen vuoksi tutkittu juuri tällaisen verkkoratkaisun mahdollisia tietoturvauhkia sekä niiden torjumiseen soveltuvia ratkaisuvaihtoehtoja sekä esitetään tulevaisuuden kehityssuuntia vielä ratkaisemattomille uhkille. Lisäksi työssä on tutkittu laajemmin tulevien 5G verkkojen tietoturvauhkia ja niiden ratkaisuja, liittyen ohjelmisto-ohjattuihin verkkoratkaisuin, pilviteknologioihin ja virtualisoiduille verkkotoiminnallisuuksille. Työ tarjoaa myös näkemyksen siitä, miten verkon tietoturvaa voidaan kokonaisuudessaan lisätä 5G verkoissa.

Abstract The past two decades have witnessed an unprecedented proliferation of mobile devices equipped with extremely innovative wireless technologies. Short range networks, such as wireless personal area networks (WPANs), wireless sensor networks (WSNs) and wireless body area networks (WBANs) have been defined and researched to deliver high speed home connectivity, environment and health monitoring. This thesis tackles design, analysis and simulation of medium access control (MAC) protocols tailored for short range networks. These have in common the use of battery operated devices but also certain design challenges connected with MAC protocols are common upon selecting the physical layer technology. Ultra wideband (UWB) technology and 60 GHz technology (which is referred to also as millimeter wave communications) are two valid examples of the wireless revolution of the past decade. Several existing standards, such as IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 and its amendment IEEE 802.15.4a, are considered in this thesis for MAC analysis in conjunction with UWB technology. With regard to millimeter wave communications the characteristics of the IEEE 802.15.3c standard are taken into account. Apart for the IEEE 802.15.3c all the MAC protocols have been modeled in the network simulator Opnet. One contribution of this thesis is to produce an innovative and in-depth analysis of the management aspects (e.g. ECMA-368 distributed beaconing) stemming from the above mentioned standards by means of analytical and simulation models. This study approach allows selecting the MAC features suitable for the applications and the technologies of interest. The key performance metric used to analyze all the protocols is energy efficiency, but also throughput is investigated. Another contribution brought by this thesis consists in the innovative way of studying slotted-based MAC protocols as an integrated concept connected with the type of network, the type of application and the selected physical technologies. This thesis also shows MAC performance in conjunction with UWB when false alarm, miss-detection and receiver capture (capture is modeled by means of an existing interference model) are taken into consideration. Most of the unrealistic, though common, assumptions in MAC analysis are removed and the performance of selected medical applications is evaluated through Opnet simulations. The well known binary exponential backoff is analyzed with an innovative though simplified one-dimensional Markov chain approach in the context of directional MAC for 60 GHz communications. As shown in the remainder of this thesis, the simplification introduced does not hinder the accuracy of the results, but rather allows accounting even for a finite number of retransmissions with a simple chain extension. / Tiivistelmä Kahden viime vuosikymmenen aikana innovatiivisella langattomalla tekniikalla varustettujen viestintälaiteiden määrä on kasvanut räjähdysmäisesti. Lyhyen kantaman verkkoja kuten langattomia henkilökohtaisen alueen verkkoja (WPAN), langattomia anturiverkkoja (WSN) ja langattomia vartaloalueen verkkoja (WBAN) on määritelty ja tutkittu, jotta voitaisiin tuottaa korkeanopeuksisia kotiyhteyksiä sekä välineitä ympäristön ja terveydentilan seurantaan. Tämä väitöskirja käsittelee lyhyen kantaman viestintään suunniteltujen linkinohjauskerroksen MAC-protokollien suunnittelua, analysointia ja simulointia. Näissä kaikissa käytetään akkukäyttöisiä laitteita, mutta myös tietyt MAC-protokollien suunnittelun haasteet ovat tavallisia fyysisen kerroksen teknologiaa valittaessa. Ultra-laajakaistainen (UWB) teknologia ja 60 GHz teknologia (eli millimetriaallonpituusalueen tietoliikenne) ovat hyviä esimerkkejä kuluneen vuosikymmenen langattomasta vallankumouksesta. Tässä väitöskirjassa huomioidaan UWB teknologiaan liittyvää MAC-kerroksen analyysiä tehtäessä useat olemassa olevat standardit, kuten IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 ja sen lisäys IEEE 802.15.4a. Millimetriaallonpituusalueen tietoliikenteessä huomioidaan myös IEEE 802.15.3c standardin erityispiirteet. IEEE 802.15.3c:tä lukuun ottamatta kaikki MAC-protokollat on mallinnettu Opnet verkkosimulaattorilla. Tämä tutkimus tarjoaa innovatiivisen ja syväluotaavan tutkimuksen näiden standardien pohjalta ja analyyttisten ja simuloitujen mallien avulla kehitetyistä hallinnallisista lähestymistavoista (esim. ECMA-368 hajautettu majakkasignaali). Näiden avulla voidaan valita kohteena oleviin sovelluksiin ja teknologioihin parhaiten soveltuvia MAC-ominaisuuksia. Kaikkien protokollien analysointiin käytetty ensisijainen suorituskykymittari on energiatehokkuus, mutta myös datanopeuksia on tarkasteltu. Tässä tutkimuksessa esitellään myös innovatiivinen tapa tutkia MAC protokollia integroituina konsepteina suhteessa verkon ja sovellusten tyyppiin sekä fyysisen kerroksen teknologiaan. Lisäksi tämä väitöskirja esittelee MAC suorituskykyä UWB verkossa silloin, kun siinä otetaan huomioon väärät hälytykset, väärä havainnointi ja vastaanottimen signaalinkaappaus (vastaanoton mallintamiseksi käytetään olemassa olevaa interferenssimallia). MAC analyysistä poistetaan useimmat epärealistiset, vaikkakin tavalliset, olettamukset, ja verkkojen suorituskykyä tarkastellaan valittujen kriittisten parametrien monitoroinnissa Opnet-simulaatioiden avulla. Tunnettua binäärijakoinen eksponentiaalinen perääntyminen -algoritmia analysoidaan innovatiivisella, yksinkertaistetulla yksiulotteisella Markov-ketju -mallilla 60 GHz:n suunta-antenni MAC:n yhteydessä. Kuten tässä tutkimuksessa tullaan osoittamaan, esitelty yksinkertaistus ei rajoita tulosten tarkkuutta, vaan mukaan voidaan lukea jopa rajallinen määrä uudelleenlähetyksiä yksinkertaisen Markovin ketjun laajennuksen avulla.

Abstract As mobile Internet access traffic continues to grow at an explosive rate and wireless networks continue to diverge into multiple access technologies with partly overlapping sets of features, new solutions for efficient use of these networks are vital. Cognitive network management provides tools to tackle this challenge by automatically learning from past experience the characteristics and usage patterns of the connected devices, thus enabling autonomic optimization of those connections. Cognitive network management requires a vast amount of information in order to function effectively, making collaboration of the networked devices essential as the best sources of information are scattered throughout the network. This makes efficient information dissemination one of the key enablers for autonomic networking. This dissertation studies managing control information related to autonomic selection of access networks and adapting services in a heterogeneous wireless network environment. It presents a solution to simple and efficient information dissemination in the form of Distributed Decision Engine— a CEP-like system enabling the building of a highly scalable and dynamic messaging system enabling dissemination, analysis and control of the complex series of interrelated events in the network. The dissertation also presents results showing a clear benefit in using cross-layer and cross-domain information in a modern wireless environment and validates the final prototype implementation of DDE with laboratory measurements. Effective use of disseminated cross-layer information is another key element in autonomic wireless networking. This dissertation also focuses on intelligent decision-making based on cross-layer information by presenting test results which attest that the performance of an autonomic wireless networking system can be improved by using cognitive techniques in its management algorithms, and that hierarchy and coordination can be utilized to minimize the effect of conflicting decisions of the system. / Tiivistelmä Mobiilin Internet-liikenteen räjähdysmäinen kasvu ja langattomien verkkojen jatkuva jakautuminen useisiin tekniikoihin vaativat uusia ratkaisuja näiden verkkojen tehokkaaseen käyttöön. Kognitiivinen verkon hallinta mahdollistaa oppimisen, minkä avulla laitteiden yhteyksiä voidaan optimoida autonomisesti aiemman kokemuksen perusteella. Tällainen optimointi vaatii kuitenkin valtavan määrän verkosta ja laitteista kerättyä tietoa, mikä tekee tehokkaasta tiedonjakelusta keskeisen elementin autonomisessa verkon hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan verkon valintaan ja palveluiden sopeuttamiseen vaadittavan tiedon välittämistä ja hallintaa autonomisissa langattomissa verkoissa. Ratkaisuna yksinkertaiseen ja tehokkaaseen tiedonvälitykseen esitellään hajautettu Distributed Decision Engine -komponentti, joka mahdollistaa skaalautuvan tiedon jakelu-, analysointi- ja hallintajärjestelmän rakentamisen. Lisäksi väitöskirjassa kuvataan myös tuloksia, jotka osoittavat, että verkkokerrosten välisen tiedon käyttämisellä voidaan saavuttaa selvää etua, sekä tuloksia, jotka vahvistavat DDE-prototyyppitoteutuksen toimivuuden laboratoriomittauksin. Verkkokerrosten välisen tiedon tehokas hyödyntäminen on toinen keskeinen tekijä autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa. Väitöskirjassa käsitellään myös älykästä päätöksentekoa kyseisen informaation pohjalta sekä esitellään tuloksia, jotka osoittavat, että päätöksentekoa autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa voidaan parantaa kognitiivisilla tekniikoilla. Lisäksi esitetyt tulokset osoittavat, että hierarkialla sekä koordinoinnilla voidaan minimoida ristiriitaisten päätösten vaikutukset järjestelmään.

Abstract In this thesis we study the spatial throughput of interference-limited wireless networks from different perspectives, considering that the spatial distribution of nodes follows a 2-dimensional homogeneous Poisson point process and transmitters employ Gaussian point-to-point codes. To carry out this analysis, we model the interrelations between network elements using concepts from stochastic geometry, communication theory and information theory. We derive closed-form equations to compute/approximate the performance metric that is chosen to evaluate the system for each given specific scenario. Our first contribution is an investigation about whether it is preferable to have a large number of short single-hop links or a small number of long hops in multi-hop wireless networks, using a newly proposed metric denominated aggregate multi-hop information efficiency. For single-hop systems, we revisit the transmission capacity framework to study medium access protocols that use asynchronous transmissions and allow for packet retransmissions, showing when a carrier sensing capability is more suitable than synchronous transmissions, and vice-versa. We also cast the effective link throughput and the network spatial throughput optimization problems to find the combination of medium access probability, coding rate and maximum number of retransmissions that maximize each metric under packet loss and queue stability constraints, evincing when they do (and do not) have the same solution. Furthermore we analyze the expected maximum achievable sum rates over a given area – or spatial capacity – based on the capacity regions of Gaussian point-to-point codes for two decoding rules, namely (i) treating interference as noise (IAN) and (ii) jointly detecting the strongest interfering signals treating the others as noise (OPT), proving the advantages of the second. We additionally demonstrate that, when the same decoding rule and network density are considered, the spatial-capacity-achieving scheme always outperforms the spatial throughput obtained with the best predetermined fixed rate strategy. With those results in hand, we discuss general guidelines on the construction of ad hoc adaptive algorithms that would improve the information flow throughout the interference network, respecting the nodes’ internal and external constraints. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan häiriörajoitteisten langattomien verkkojen tila-alueen suorituskykyä, olettaen verkkosolmujen sijoittuvan 2-ulotteisen Poissonin pisteprosessin mukaisesti, sekä olettaen lähettimien hyödyntävän Gaussisia pisteestä-pisteeseen -koodeja. Suorituskykyanalyysi pohjautuu stokastiseen geometriaan, tietoliikenneteoriaan sekä informaatioteoriaan. Suljetun muodon suorituskyky-yhtälöitä hyödyntäen arvioidaan suorityskykymetriikoita eri skenaarioissa. Työn aluksi esitetään uusi monihyppyverkkojen informaatiotehokkuuteen perustuva metriikka. Sen avulla voidaan tutkia onko tehokkaampaa käyttää useita lyhyen hypyn linkkejä vai pienempää määrää pidempien hyppyjen linkkejä. Yhden hypyn verkoissa tutkitaan mediaanpääsyprotokollia asynkronisissa verkoissa pakettien uudelleenlähetykseen perustuen ja verrataan tätä synkroniseen lähetykseen ilman vapaan kanavan tunnistusmekanismia. Työssä tutkitaan myös linkin efektiivisen suorituskyvyn ja verkon tila-alueen suorituskyvyn optimointia, jotta sopiva yhdistelmä mediaan pääsyn todennäköisyydelle, koodausnopeudelle ja uudelleenlähetysten maksimilukumäärälle löytyisi ja samalla maksimoisi jokaisen käytetyn metriikan ehdollistettuna paketin menetyksille ja jonon stabiilisuudelle. Lisäksi arvioidaan maksimaalista odotettavaa nettosiirtonopeutta tietyllä alueella, eli tila-alueen kapasiteettia, Gaussimaisen pisteestä-pisteeseen koodien kapasiteettialueisiin perustuen kahta eri dekoodaussääntöä hyödyntäen: (i) olettaen häiriön olevan kohinaa tai (ii) ilmaisemalla voimakkaimmat häiriösignaalit ja olettaen muiden olevan kohinaa. Jälkimmäinen osoittautui tehokkaammaksi menetelmäksi. Työssä osoitetaan myös, että samalla dekoodaussäännöllä ja verkon tiheydellä tila-alueen kapasiteetin saavuttava menetelmä on aina tehokkaampi kuin tavanomainen tila-alueen suorituskykyyn perustuva kiinteän siirtonopeuden menetelmä. Saavutettujen tulosten valossa työssä esitetään yleisiä suunnittelumenetelmiä mukautuville ad hoc -algoritmeille, joiden avulla voidaan parantaa tiedonsiirtoa häiriörajoitteisissa verkoissa, ehdollistettuna verkon solmujen sisäisille ja ulkoisille rajoitteille.

Abstract At the heart of the smart space vision is the idea that devices interoperate with each other autonomously to assist people in their everyday activities. In order to make this vision a reality, it is important to achieve semantic-level interoperability between devices. The goal of this dissertation is to enable Semantic Web technology-based interoperability in smart spaces. There are many challenges that need to be solved before this goal can be achieved. In this dissertation, the focus has been on the following four challenges: The first challenge is that the Semantic Web technologies have neither been designed for sharing real-time data nor large packets of data such as video and audio files. This makes it challenging to apply them in smart spaces, where it is typical that devices produce and consume this type of data. The second challenge is the verbose syntax and encoding formats of Semantic Web technologies that make it difficult to utilise them in resource-constrained devices and networks. The third challenge is the heterogeneity of smart space communication technologies that makes it difficult to achieve interoperability even at the connectivity level. The fourth challenge is to provide users with simple means to interact with and configure smart spaces where device interoperability is based on Semantic Web technologies. Even though autonomous operation of devices is a core idea in smart spaces, this is still important in order to achieve successful end-user adoption. The main result of this dissertation is a semantic interoperability framework, which consists of following individual contributions: 1) a semantic-level interoperability architecture for smart spaces, 2) a knowledge sharing protocol for resource-constrained devices and networks, and 3) an approach to configuring Semantic Web-based smart spaces. The architecture, protocol and smart space configuration approach are evaluated with several reference implementations of the framework components and proof-of-concept smart spaces that are also key contributions of this dissertation. / Tiivistelmä Älytilavision ydinajatuksena on, että erilaiset laitteet tuottavat yhteistyössä ihmisten elämää helpottavia palveluita. Vision toteutumisen kannalta on tärkeää saavuttaa semanttisen tason yhteentoimivuus laitteiden välillä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on mahdollistaa semanttisen webin teknologioihin pohjautuva yhteentoimivuus älytilan laitteiden välillä. Monenlaisia haasteita täytyy ratkaista, ennen kuin tämä tavoite voidaan saavuttaa. Tässä työssä keskityttiin seuraaviin neljään haasteeseen: Ensimmäinen haaste on, että semanttisen webin teknologioita ei ole suunniteltu reaaliaikaiseen kommunikaatioon, eivätkä ne sovellu isojen tiedostojen jakamiseen. Tämän vuoksi on haasteellista hyödyntää niitä älytiloissa, joissa laitteet tyypillisesti jakavat tällaista tietoa. Toinen haaste on, että semanttisen webin teknologiat perustuvat syntakseihin ja koodausformaatteihin, jotka tuottavat laitteiden kannalta tarpeettoman pitkiä viestejä. Tämä tekee niiden hyödyntämisestä hankalaa resurssirajoittuneissa laitteissa ja verkoissa. Kolmas haaste on, että älytiloissa hyödynnetään hyvin erilaisia kommunikaatioteknologioita, minkä vuoksi jopa tiedonsiirto laitteiden välillä on haasteellista. Neljäs haaste on tarjota loppukäyttäjälle helppoja menetelmiä sekä vuorovaikutukseen semanttiseen webiin pohjautuvien älytilojen kanssa että tällaisen älytilan muokkaamiseen käyttäjän tarpeiden mukaiseksi. Vaikka laitteiden itsenäinen toiminta onkin älytilojen perusajatuksia, tämä on kuitenkin tärkeää teknologian hyväksymisen ja käyttöönoton kannalta. Väitöskirjan päätulos on laitteiden semanttisen yhteentoimivuuden viitekehys, joka koostuu seuraavista itsenäisistä kontribuutioista: 1) semanttisen tason yhteentoimivuusarkkitehtuuri älytiloille, 2) tiedonjakoprotokolla resurssirajoittuneille laitteille ja verkoille sekä 3) menetelmä semanttiseen webiin pohjautuvien älytilojen konfigurointiin. Näiden kontribuutioiden evaluointi suoritettiin erilaisten järjestelmäkomponenttien referenssitoteutuksilla ja prototyyppiälytiloilla, jotka kuuluvat myös väitöskirjan keskeisiin kontribuutioihin.

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

Abstract The use of multiple antennas is a fundamental requirement in future wireless networks as it helps to increase the reliability and spectral efficiency of mobile radio links. In this thesis, we study convex optimization based radio resource allocation methods for the downlink of multi-antenna systems. First, the problem of admission control in the downlink of a multicell multiple-input single-output (MISO) system has been considered. The objective is to maximize the number of admitted users subject to a signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraint at each admitted user and a transmit power constraint at each base station (BS). We have cast the admission control problem as an ℓ0 minimization problem; it is known to be combinatorial, NP-hard. Centralized and distributed algorithms to solve this problem have been proposed. To develop the centralized algorithm, we have used sequential convex programming (SCP). The distributed algorithm has been derived by using the consensus-based alternating direction method of multipliers in conjunction with SCP. We have shown numerically that the proposed admission control algorithms achieve a near-to-optimal performance. Next, we have extended the admission control problem to provide fairness, where long-term fairness among the users has been guaranteed. We have focused on proportional and max-min fairness, and proposed dynamic control algorithms via Lyapunov optimization. Results show that these proposed algorithms guarantee fairness. Then, the problem of admission control for the downlink of a MISO heterogeneous networks (hetnet) has been considered, and the proposed centralized and distributed algorithms have been adapted to find a solution. Numerically, we have illustrated that the centralized algorithm achieves a near-to-optimal performance, and the distributed algorithm’s performance is closer to the optimal value. Finally, an algorithm to obtain the set of all achievable power-rate tuples for a multiple-input multiple-output hetnet has been provided. The setup consists of a single macrocell and a set of femtocells. The interference power to the macro users from the femto BSs has been kept below a threshold. To find the set of all achievable power-rate tuples, a two-dimensional vector optimization problem is formulated, where we have considered maximizing the sum-rate while minimizing the sum-power, subject to maximum power and interference threshold constraints. This problem is known to be NP-hard. A solution method is provided by using the relationship between the weighted sum-rate maximization and weighted-sum-mean-squared-error minimization problems. The proposed algorithm was used to evaluate the impact of imposing interference threshold constraints and the co-channel deployments in a hetnet. / Tiivistelmä Monen antennin käyttö on perusvaatimus tulevissa langattomissa verkoissa, koska se auttaa lisäämään matkaviestinyhteyksien luotettavuutta ja spektritehokkuutta. Tässä väitöskirjassa tutkitaan konveksiin optimointiin perustuvia radioresurssien allokointimenetelmiä moniantennijärjestelmien alalinkin suunnassa. Ensiksi on käsitelty pääsynvalvonnan ongelmaa alalinkin suuntaan monen solun moni-tulo yksi-lähtö (MISO) -verkoissa. Tavoitteena on maksimoida hyväksyttyjen käyttäjien määrä, kun hyväksytyille käyttäjille on asetettu signaali-häiriö-kohinasuhteen (SINR) rajoitus, ja tukiasemille lähetystehon rajoitus. Pääsynvalvonnan ongelma on muotoiltu ℓ0-minimointiongelmana, jonka tiedetään olevan kombinatorinen, NP-vaikea ongelma. Ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja. Keskitetty optimointialgoritmi perustuu sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Hajautettu algoritmi pohjautuu konsensusoptimointimenetelmään ja sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Ehdotettujen pääsynvalvonta-algoritmien on numeerisesti osoitettu saavuttavan lähes optimaalinen suorituskyky. Lisäksi pääsynvalvontaongelma on laajennettu takaamaan pitkän aikavälin oikeudenmukaisuus käyttäjien välillä. Työssä käytetään erilaisia määritelmiä oikeudenmukaisuuden takaamiseen, ja ehdotetaan dynaamisia algoritmeja pohjautuen Lyapunov-optimointiin. Tulokset osoittavat, että ehdotetuilla algoritmeilla taataan käyttäjien välinen oikeudenmukaisuus. Tämän jälkeen käsitellään heterogeenisen langattoman MISO-verkon pääsynvalvonnan ongelmaa. Edellä ehdotettuja keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja on muokattu tämän ongelman ratkaisemiseksi. Työssä osoitetaan numeerisesti, että sekä keskitetyllä että hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes optimaalinen suorituskyky. Lopuksi on laadittu algoritmi, jolla löydetään kaikki saavutettavissa olevat teho-datanopeusparit heterogeenisessä langattomassa moni-tulo moni-lähtö (MIMO) -verkossa. Verkko koostuu yhdestä makrosolusta ja useasta piensolusta. Piensolutukiasemista makrokäyttäjiin kohdistuvan häiriön teho on pidetty tietyn rajan alapuolella. Kaikkien saavutettavien teho-datanopeusparien löytämiseksi on laadittu kaksiulotteinen vektorioptimointiongelma, jossa maksimoidaan summadatanopeus pyrkien minimoimaan kokonaisteho, kun enimmäisteholle ja häiriökynnykselle on asetettu rajoitukset. Tämän ongelman tiedetään olevan NP-vaikea. Ongelman ratkaisemiseksi käytetään painotetun summadatanopeuden maksimointiongelman, ja painotetun keskineliövirheen minimointiongelman välistä suhdetta. Ehdotettua algoritmia käytettiin arvioimaan häiriörajoitusten ja saman kanavan käyttöönoton vaikutusta heterogeenisessä langattomassa verkossa.

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.

Abstract This dissertation studies the impact of heterogeneous wireless networks on the design and implementation of mobile video streaming services. The aim is to enable Quality of Service (QoS) sensitive video streaming services to take full advantage of the access diversity of heterogeneous networks in order to optimize their operation in terms of quality and efficiency of network resource usage. This nevertheless requires support beyond the layered communication architecture of today’s Internet. The thesis proposes an architecture for end-to-end cross-layer signaling and control for video streaming systems. The architecture supports extensive context informa- tion transfer in heterogeneous networks; thus, enabling the efficient management of video stream adaptation and user terminal mobility in a diverse and dynamic network environment. This thesis also studies and proposes cross-layer enhancements for adaptive video streaming and mobility management functions enabled by the cross- layer architecture. These include cross-layer video adaptation, congestion-triggered handovers, and concurrent utilization of multiple access networks in the video stream transport. For the video adaptation and multipath transmission, the flexible adaptation and transmission capabilities of the novel scalable video coding technology are used. Regarding the mobility management, the proposed solutions essentially enhance the handover decision-making of the Mobile IP protocol to better support QoS-sensitive video streaming. Finally, the thesis takes a holistic view on the application adaptation and mobility management, and proposes a solution for coordinated control of these two operations in order to achieve end-to-end optimization. The resulting mobile video streaming system architecture and the cross-layer control algorithms are evaluated using network simulations and real prototypes. Based on the results, the proposed mechanisms can be seen to be viable solutions for improving video streaming performance in heterogeneous wireless networks. They require changes in the communication end-points and the access network but support gradual deployment. This allows service providers and operators to select only a subset of the proposed mechanisms for implementation. The results also support the need for cross-layer signaling and control in facilitating efficient management and utilization of heterogeneous wireless networks. / Tiivistelmä Väitöskirja tutkii langattomien ja heterogeenisen verkkoympäristöjen vaikutusta erityisesti mobiilikäyttöön suunnattuihin suoratoistovideopalveluihin (streaming). Työn tavoitteena on löytää keino optimoida verkkoyhteyden palvelunlaadulle (QoS) herkän suoratoistovideon toiminta sekä videopalvelun laadun että verkon tiedonsiirtokapasiteetin käytön osalta. Tämä tapahtuu mahdollistamalla heterogeenisten verkkojen tehokas käyttö suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Tavoitellut parannukset vaativat kuitenkin muutoksia nykyiseen kerroksittaiseen Internet-arkkitehtuuriin. Väitöskirjassa esitetään arkkitehtuuri protokollakerrosten välisen tiedon (cross-layer) välitykseen ja hyödyntämiseen suoratoistovideopalvelujen tiedonsiirron kontrolloinnissa. Arkkitehtuuria voidaan käyttää laaja-alaiseen kontekstitiedon välitykseen tietoverkoissa, mikä mahdollistaa tehokkaan videopalvelun adaptoinnin ja päätelaitteen liikkuvuudenhallinnan heterogeenisissa verkoissa, joissa palvelunlaatu vaihtelee. Väitöskirja myös ehdottaa erilaisia ratkaisuja videopalvelun adaptoinnin ja tiedonsiirron parantamiseksi arkkitehtuuria hyödyntämällä. Näihin lukeutuvat usealle protokollakerrokselle toteutettu videon adaptointi, verkkoyhteyden ruuhkautumiseen reagoiva yhteydensiirto sekä usean verkkoyhteyden samanaikainen käyttö videopalvelun tiedonsiirrossa. Videon adaptoinnissa ja siirrossa hyödynnetään uutta skaalautuvaa videonkoodausteknologiaa, joka mahdollistaa vaaditun, joustavan videobittivirran muokkauksen. Liikkuvuudenhallinnan osalta työssä keskitytään pääosin kehittämään Mobile IP -protokollan päätöksentekoa suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Lopuksi väitöskirjassa esitetään kokonaisvaltainen ja koordinoitu ratkaisu videopalvelun adaptoinnin sekä päätelaitteen liikkuvuuden hallintaan päästä päähän -optimoinnin saavuttamiseksi. Tuloksena esitetyt järjestelmäarkkitehtuuri ja protokollakerrosten välistä tietoa käyttävät hallinta-algoritmit evaluoitiin simulaatioiden ja oikeiden prototyyppien avulla. Tulokset osoittavat, että ehdotettuja menetelmiä voidaan käyttää parantamaan suoratoistovideopalvelujen suorituskykyä heterogeenisissa verkoissa. Ratkaisut vaativat muutoksia verkko- ja palveluarkkitehtuureihin, mutta niiden asteittainen tai osittainen käyttöönotto on mahdollista. Tulokset osoittavat myös protokollakerrosten välisen tiedon tarpeellisuuden langattomien ja heterogeenisten verkkojen tehokkaassa käytössä.