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 Three-dimensional scene reconstruction has been an important area of research for many decades. It has a myriad of applications ranging from entertainment to medicine. This thesis explores the 3D reconstruction pipeline and proposes novel methods to improve many of the steps necessary to achieve a high quality reconstruction. It proposes novel methods in the areas of depth sensor calibration, simultaneous localization and mapping, depth map inpainting, point cloud simplification, and free-viewpoint rendering. Geometric camera calibration is necessary in every 3D reconstruction pipeline. This thesis focuses on the calibration of depth sensors. It presents a review of sensors models and how they can be calibrated. It then examines the case of the well-known Kinect sensor and proposes a novel calibration method using only planar targets. Reconstructing a scene using only color cameras entails di_erent challenges than when using depth sensors. Moreover, online applications require real-time response and must update the model as new frames are received. The thesis looks at these challenges and presents a novel simultaneous localization and mapping system using only color cameras. It adaptively triangulates points based on the detected baseline while still utilizing non-triangulated features for pose estimation. The thesis addresses the extrapolating missing information in depth maps. It presents three novel methods for depth map inpainting. The first utilizes random sampling to fit planes in the missing regions. The second method utilizes a 2nd-order prior aligned with intensity edges. The third method learns natural filters to apply a Markov random field on a joint intensity and depth prior. This thesis also looks at the issue of reducing the quantity of 3D information to a manageable size. It looks at how to merge depth maps from multiple views without storing redundant information. It presents a method to discard this redundant information while still maintaining the naturally variable resolution. Finally, transparency estimation is examined in the context of free-viewpoint rendering. A procedure to estimate transparency maps for the foreground layers of a multi-view scene is presented. The results obtained reinforce the need for a high accuracy 3D reconstruction pipeline including all the previously presented steps. / Tiivistelmä Kolmiuloitteisen ympäristöä kuvaavan mallin rakentaminen on ollut tärkeä tutkimuksen kohde jo usean vuosikymmenen ajan. Sen sovelluskohteet ulottuvat aina lääketieteestä viihdeteollisuuteen. Väitöskirja tarkastelee 3D ympäristöä kuvaavan mallin tuottamisprosessia ja esittää uusia keinoja parantaa korkealaatuisen rekonstruktion tuottamiseen vaadittavia vaiheita. Työssä esitetään uusia menetelmiä etäisyyssensoreiden kalibrointiin, samanaikaisesti tapahtuvaan paikannukseen ja kartoitukseen, syvyyskartan korjaamiseen, etäisyyspistepilven yksinkertaistamiseen ja vapaan katselukulman kuvantamiseen. Väitöskirjan ensi osa keskittyy etäisyyssensoreiden kalibrointiin. Työ esittelee erilaisia sensorimalleja ja niiden kalibrointia. Yleisen tarkastelun lisäksi keskitytään hyvin tunnetun Kinect-sensorin käyttämiseen, ja ehdotetaan uutta kalibrointitapaa pelkkiä tasokohteita hyväksikäyttäen. Pelkkien värikameroiden käyttäminen näkymän rekonstruointiin tuottaa erilaisia haasteita verrattuna etäisyyssensoreiden käyttöön kuvan muodostamisessa. Lisäksi verkkosovellukset vaativat reaaliaikaista vastetta. Väitös tarkastelee kyseisiä haasteita ja esittää uudenlaisen yhtäaikaisen paikannuksen ja kartoituksen mallin tuottamista pelkkiä värikameroita käyttämällä. Esitetty tapa kolmiomittaa adaptiivisesti pisteitä taustan pohjalta samalla kun hyödynnetään eikolmiomitattuja piirteitä asentotietoihin. Työssä esitellään kolme uudenlaista tapaa syvyyskartan korjaamiseen. Ensimmäinen tapa käyttää satunnaispisteitä tasojen kohdentamiseen puuttuvilla alueilla. Toinen tapa käyttää 2nd-order prior kohdistusta ja intensiteettireunoja. Kolmas tapa oppii filttereitä joita se soveltaa Markov satunnaiskenttiin yhteisillä tiheys ja syvyys ennakoinneilla. Tämä väitös selvittää myös mahdollisuuksia 3D-information määrän pienentämiseen käsiteltävälle tasolle. Työssä selvitetään, kuinka syvyyskarttoja voidaan yhdistää ilman päällekkäisen informaation tallentamista. Työssä esitetään tapa jolla päällekkäisestä datasta voidaan luopua kuitenkin säilyttäen luonnollisesti muuttuva resoluutio. Viimeksi, tutkimuksessa on esitetty läpinäkyvyyskarttojen arviointiproseduuri etualan kerroksien monikatselukulmanäkymissä vapaan katselukulman renderöinnin näkökulmasta. Saadut tulokset vahvistavat tarkan 3D-näkymän rakentamisliukuhihnan tarvetta sisältäen kaikki edellä mainitut vaiheet.

Abstract The aim of this thesis is to propose an array of novel cooperative content delivery (CCD) methods and related incentive mechanisms for future fifth-generation (5G) and beyond networks. CCD using multiple air interfaces is a powerful solution to mitigate the problem of congestion in wireless networks, in which the available multiple air interfaces on smart devices are utilized intelligently to distribute data content among a group of users that are in the vicinity of one another. The requirements for higher capacity, reliability, and energy efficiency in the 5G networks have warranted the development of methods focusing on CCD. Moreover, critical to the efficiency of a CCD process are incentive mechanisms to induce cooperation among the mobile users engaged in CCD. The first part of the thesis studies an ideal condition of reliable and error-free distribution of content using cellular and short-range links. The main contribution is to introduce different device selection CCD methods that take into account only the link quality of the devices’ primary (cellular) interfaces. The proposed methods provide frequency carrier savings for the operator while allowing users to enjoy higher downlink rates. The second part of the thesis studies a more realistic CCD situation where users with low data rate wireless links can be a bottleneck in terms of CCD performance. The main contribution is to propose a novel device selection CCD method that considers the link quality of both primary (cellular) and secondary (short-range) interfaces of the devices. Additionally, a carrier aggregation-based incentive mechanism for the proposed method is introduced to address the challenge of selfish deviating users. The proposed mechanism maximizes individual and network payoffs, and is an equilibrium against unilateral selfish deviations. The third part of the thesis addresses the adverse selection problem in CCD scenarios. The operator is assumed to have incomplete information about the willingness of the users to participate in CCD. The main contribution is to introduce contract-based methods through which the operator could motivate users to reveal their true willingness towards participation. The proposed methods incentivize users according to their willingness and improve system performance in terms of the utility of the operator and the users. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää menetelmiä yhteistyössä tapahtuvaan sisällön jakamiseen (cooperative content delivery, CCD) sekä siihen liittyviä kannustinmekanismeja viidennen sukupolven (5G) ja sen jälkeisille matkaviestinverkoille. CCD:n käyttö hyödyntämällä älylaitteessa olevia useita ilmarajapintoja on tehokas ratkaisu välttää langattomien verkkojen ruuhkautumista. CCD-menetelmissä laiteen ilmarajapintoja käytetään älykkäästi datan jakamiseen käyttäjäryhmälle, kun käyttäjät ovat lähellä toisiaan. 5G-verkkojen vaatimukset korkeammalle kapasiteetille, luotettavuudelle ja energiatehokkuudelle ovat motivoineet CCD-menetelmien kehitystyötä. Erityisen tärkeää CCD-menetelmien tehokkuudelle on kannustinmekanismien kehittäminen mahdollistamaan yhteistyö mobiilikäyttäjien välillä. Väitöskirjatyön ensimmäinen osuus käsittelee ideaalista tilannetta luotettavalle ja virheettömälle sisällön jakamiselle hyödyntämällä solukkoverkkoa ja lyhyen kantaman linkkejä. Tässä osuudessa päätuloksena on kehitetty käyttäjien valinnalle menetelmiä, jotka huomioivat linkin laadun solukkoverkon ilmarajapinnassa. Ehdotetut menetelmät tuovat operaattorille säästöjä taajuusresurssien käytön osalta ja käyttäjät saavuttavat korkeampia laskevan siirtotien datanopeuksia. Työn toinen osuus tutkii todenmukaisempaa CCD-tilannetta, jossa alhaisen datanopeuden linkkien käyttäjät voivat olla pullonkaula CCD:n suorituskyvylle. Päätulos tässä on uusi käyttäjien valintamenetelmä, joka ottaa huomioon linkkien laadun sekä solukkoverkossa että lyhyen kantaman linkeissä. Lisäksi esitellään eri taajuuksien yhdistämistä hyödyntävä kannustinmenetelmä, joka ottaa huomioon itsekkäiden käyttäjien aiheuttamat ongelmat. Ehdotettu mekanismi maksimoi yksittäisen käyttäjän ja verkon hyödyt ja saavuttaa tasapainotilan käyttäjien yksipuolista itsekkyyttä vastaan. Väitöskirjan kolmannessa osuudessa tutkitaan haitallisen valikoitumisen mahdollisuutta CCD:ssä. Operaattorilla oletetaan olevan epätäydellistä tietoa käyttäjien halukkuudesta osallistua yhteistyöhön CCD:ssä. Tämän osuuden päätulos on esitellä sopimuksiin perustuvia kannustinmenetelmiä, joiden avulla operaattori voi motivoida käyttäjiä paljastamaan heidän todellinen tahtotilansa osallistua yhteistyöhön. Ehdotetut menetelmä kannustavat käyttäjiä heidän todellisen tahtotilan perusteella ja parantavat järjestelmän suorituskykyä operaattorin ja käyttäjien saavuttamien hyötyjen osalta.