Abstract The development of wireless networks has provided the necessary conditions for several new applications. The emergence of the virtual and augmented reality and the Internet of things and during the era of social media and streaming services, various demands related to functionality and performance have been set for mobile and wearable devices. Meeting these demands is complicated due to minimal energy budgets, which are characteristic of embedded devices. Lately, the energy efficiency of devices has been addressed by increasing parallelism and the use of application-specific hardware resources. This has been hindered by hardware development as well as software development because the conventional development methods are based on the use of low-level abstractions and sequential programming paradigms. On the other hand, deployment of high-level design methods is slowed down because of final solutions that are too much compromised when energy efficiency and performance are considered. This doctoral thesis introduces a model-driven framework for the development of signal processing systems that facilitates hardware and software co-design. The design flow exploits an easily customizable, re-programmable and energy-efficient processor template. The proposed design flow enables tailoring of multiple heterogeneous processing elements and the connections between them to the demands of an application. Application software is described by using high-level dataflow models, which enable the automatic synthesis of parallel applications for different multicore hardware platforms and speed up design space exploration. Suitability of the proposed design flow is demonstrated by using three different applications from different signal processing domains. The experiments showed that raising the level of abstraction has only a minor impact on performance. Video processing algorithms are selected to be the main application area in this thesis. The thesis proposes tailored and reprogrammable energy-efficient processing elements for video coding algorithms. The solutions are based on the use of multiple processing elements by exploiting the pipeline parallelism of the application, which is characteristic of many signal processing algorithms. Performance, power and area metrics for the designed solutions have been obtained using post-layout simulation models. In terms of energy efficiency, the proposed programmable processors form a new compromise solution between fixed hardware accelerators and conventional embedded processors for video coding. / Tiivistelmä Langattomien verkkojen kehittyminen on luonut edellytykset useille uusille sovelluksille. Muiden muassa sosiaalisen media, suoratoistopalvelut, virtuaalitodellisuus ja esineiden internet asettavat kannettaville ja puettaville laitteille moninaisia toimintoihin, suorituskykyyn, energiankulutukseen ja fyysiseen muotoon liittyviä vaatimuksia. Yksi isoimmista haasteista on sulautettujen laitteiden energiankulutus. Laitteiden energiatehokkuutta on pyritty parantamaan rinnakkaislaskentaa ja räätälöityjä laskentaresursseja hyödyntämällä. Tämä puolestaan on vaikeuttanut niin laite- kuin sovelluskehitystä, koska laajassa käytössä olevat kehitystyökalut perustuvat matalan tason abstraktioihin ja hyödyntävät alun perin yksi ydinprosessoreille suunniteltuja ohjelmointikieliä. Korkean tason ja automatisoitujen kehitysmenetelmien käyttöönottoa on hidastanut aikaansaatujen järjestelmien puutteellinen suorituskyky ja laiteresurssien tehoton hyödyntäminen. Väitöskirja esittelee datavuopohjaiseen suunnitteluun perustuvan työkaluketjun, joka on tarkoitettu energiatehokkaiden signaalikäsittelyjärjestelmien toteuttamiseen. Työssä esiteltävä suunnitteluvuo pohjautuu laitteistoratkaisuissa räätälöitävään ja ohjelmoitavaan siirtoliipaistavaan prosessoritemplaattiin. Ehdotettu suunnitteluvuo mahdollistaa useiden heterogeenisten prosessoriytimien ja niiden välisten kytkentöjen räätälöimisen sovelluksien tarpeiden vaatimalla tavalla. Suunnitteluvuossa ohjelmistot kuvataan korkean tason datavuomallien avulla. Tämä mahdollistaa erityisesti rinnakkaista laskentaa sisältävän ohjelmiston automaattisen sovittamisen erilaisiin moniprosessorijärjestelmiin ja nopeuttaa erilaisten järjestelmätason ratkaisujen kartoittamista. Suunnitteluvuon käyttökelpoisuus osoitetaan käyttäen esimerkkinä kolmea eri signaalinkäsittelysovellusta. Tulokset osoittavat, että suunnittelumenetelmien abstraktiotasoa on mahdollista nostaa ilman merkittävää suorituskyvyn heikkenemistä. Väitöskirjan keskeinen sovellusalue on videonkoodaus. Työ esittelee videonkoodaukseen suunniteltuja energiatehokkaita ja uudelleenohjelmoitavia prosessoriytimiä. Ratkaisut perustuvat usean prosessoriytimen käyttämiseen hyödyntäen erityisesti videonkäsittelyalgoritmeille ominaista liukuhihnarinnakkaisuutta. Prosessorien virrankulutus, suorituskyky ja pinta-ala on analysoitu käyttämällä simulointimalleja, jotka huomioivat logiikkasolujen sijoittelun ja johdotuksen. Ehdotetut sovelluskohtaiset prosessoriratkaisut tarjoavat uuden energiatehokkaan kompromissiratkaisun tavanomaisten ohjelmoitavien prosessoreiden ja kiinteästi johdotettujen video-kiihdyttimien välille.

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.