Wireless Application Test Bed and Simulations for Broadband Mobile Communications Systems

Langattoman laajakaistaisen tietoliikennetekniikan kehittyminen on herättänyt kiinnostuksen sen ammattimaiseen hyödyntämiseen yleisen turvallisuuden ja kriisinhallinnan tarpeisiin. Hätätilanteissa usein olemassa olevat kiinteät tietoliikennejärjestelmät eivät ole ollenkaan käytettävissä tai niiden tarjoama kapasiteetti ei ole riittävä. Tästä syystä on noussut esiin tarve nopeasti toimintakuntoon saatettaville ja itsenäisille langattomille laajakaistaisille järjestelmille. Tässä diplomityössä on tarkoitus tutkia langattomia ad hoc monihyppy -verkkoja yleisen turvallisuuden tarpeiden pohjalta ja toteuttaa testialusta, jolla voidaan demonstroida sekä tutkia tällaisen järjestelmän toimintaa käytännössä. Työssä tutkitaan pisteestä pisteeseen sekä erityisesti pisteestä moneen pisteeseen suoritettavaa tietoliikennettä. Mittausten kohteena on testialustan tiedonsiirtonopeus, lähetysteho ja vastaanottimen herkkyys. Näitä tuloksia käytetään simulaattorin parametreina, jotta simulaattorin tulokset olisivat mahdollisimman aidot ja yhdenmukaiset testialustan kanssa. Sen jälkeen valitaan valikoima yleisen turvallisuuden vaatimusten mukaisia ohjelmia ja sovellusmalleja, joiden suorituskyky mitataan erilaisten reititysmenetelmien alaisena sekä testialustalla että simulaattorilla. Tuloksia arvioidaan ja vertaillaan. Multicast monihyppy -video päätettiin sovelluksista valita tutkimusten pääkohteeksi ja sitä sekä sen ominaisuuksia on tarkoitus myös oikeissa kenttäkokeissa.

Design and Analysis of Forward Error Control Coding and Signaling for Guaranteeing QoS in Wireless Broadcast Systems

Broadcasting systems are networks where the transmission is received by several terminals. Generally broadcast receivers are passive devices in the network, meaning that they do not interact with the transmitter. Providing a certain Quality of Service (QoS) for the receivers in heterogeneous reception environment with no feedback is not an easy task. Forward error control coding can be used for protection against transmission errors to enhance the QoS for broadcast services. For good performance in terrestrial wireless networks, diversity should be utilized. The diversity is utilized by application of interleaving together with the forward error correction codes. In this dissertation the design and analysis of forward error control and control signalling for providing QoS in wireless broadcasting systems are studied. Control signaling is used in broadcasting networks to give the receiver necessary information on how to connect to the network itself and how to receive the services that are being transmitted. Usually control signalling is considered to be transmitted through a dedicated path in the systems. Therefore, the relationship of the signaling and service data paths should be considered early in the design phase. Modeling and simulations are used in the case studies of this dissertation to study this relationship. This dissertation begins with a survey on the broadcasting environment and mechanisms for providing QoS therein. Then case studies present analysis and design of such mechanisms in real systems. The mechanisms for providing QoS considering signaling and service data paths and their relationship at the DVB-H link layer are analyzed as the first case study. In particular the performance of different service data decoding mechanisms and optimal signaling transmission parameter selection are presented. The second case study investigates the design of signaling and service data paths for the more modern DVB-T2 physical layer. Furthermore, by comparing the performances of the signaling and service data paths by simulations, configuration guidelines for the DVB-T2 physical layer signaling are given. The presented guidelines can prove useful when configuring DVB-T2 transmission networks. Finally, recommendations for the design of data and signalling paths are given based on findings from the case studies. The requirements for the signaling design should be derived from the requirements for the main services. Generally, these requirements for signaling should be more demanding as the signaling is the enabler for service reception.

The Future of Mobile Services and Wireless Applications in the Finnish Healthcare Sector

Työn päätavoitteena oli tutkia mobiilipalveluita ja langattomia sovelluksia Suomen terveydenhuollon sektorilla. Tutkimus havainnollistaa avain-alueita, missä mobiilipalvelut ja langattomat sovellukset voivat antaa lisäarvoa perinteiseen lääketieteen harjoittamiseen, ja selvittää, mitkä ovat tähän kehitykseen liittyvät suurimmat ongelmat ja uhkat sekä tutkimustuloksiin pohjautuvat mahdolliset palvelut ja sovellukset 5-10 vuoden kuluttua. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivinen ja tutkimuksen toteuttamiseen valittiin tulevaisuudentutkimus ja erityisesti yksi sen menetelmistä, delfoi-menetelmä. Tutkimuksen aineisto kerättiin kahdelta puolistrukturoidulta haastattelukierrokselta. Työn empiirinen osuus keskittyi kuvailemaan Suomen terveydenhuollon sektoria, siinä meneillään olevia projekteja sekä teknisiä esteitä. Lisäksi pyrittiin vastaamaan tutkimuksen pääkysymykseen. Tutkimustulokset osoittivat, että tärkeät alueet, joihin langaton kommunikaatio tulisi vaikuttamaan merkittävästi, ovat ensiaputoiminta, kroonisten potilaiden etämonitorointi, välineiden kehittäminen langattomaan kommunikaatioon kotihoidon parantamiseksi ja uusien toimintamallien luomiseksi sekä lääketieteellinen yhteistyö jakamalla terveydenhuoltoon liittyvät informaation lähteet. Työn tulosten perusteellavoitiin antaa myös muutamia toimenpide-ehdotuksia jatkotutkimuksia varten.

Control of a line robot system with Embedded Linux

Many, if not all, aspects of our everyday lives are related to computers and control. Microprocessors and wireless communications are involved in our lives. Embedded systems are an attracting field because they combine three key factors, small size, low power consumption and high computing capabilities. The aim of this thesis is to study how Linux communicates with the hardware, to answer the question if it is possible to use an operating system like Debian for embedded systems and finally, to build a Mechatronic real time application. In the thesis a presentation of Linux and the Xenomai real time patch is given, the bootloader and communication with the hardware is analyzed. BeagleBone the evaluation board is presented along with the application project consisted of a robot cart with a driver circuit, a line sensor reading a black line and two Xbee antennas. It makes use of Xenomai threads, the real time kernel. According to the obtained results, Linux is able to operate as a real time operating system. The issue of future research is the area of embedded Linux is also discussed.

Langattoman Internet-puhelupalvelun tarjoaminen

Langattomalla Internetpuhelupalvelulla tarkoitetaan Internet-puheluiden (Voice over Internet Protocol, VoIP) siirtoa langattoman tiedonsiirtoverkon ylitse. Tälläisia langattomia verkkoja voivat olla esimerkiksi langattomat lähiverkot, WiMAX-verkot tai 450 megahertsin (MHz) taajuusalueella toimivat tiedonsiirtoverkot. VoIP-yhteyden toiminta voidaan jakaa kolmeen eri toiminta-alueeseen: yhteydenmuodostusprotokollaan, äänen koodaukseen sekä siirtotiehen. Yhteydenmuodostusprotokollia ovat esimerkiksi SIP (Session Initiation Protocol) sekä H.323. Yhteydenmuodostusprotokollantehtävänä on muodostaa yhteys käyttäjien välille sekä sopia yhteydessäkäytettävistä ominaisuuksista. Äänen koodauksessa ääni pakataan paketteihin, joita lähetetään siirtotietä pitkin eri käyttäjien välillä. Normaalissa Internetpuheluyhteydessä siirtotienä käytetään langallisia siirtoteitä. Tässä työssä on keskitytty langattomiin siirtoteihin ja niidentuomiin haasteisiin, kuten yhteyden luotettavuuteen ja laatuun, yhteyskapasiteetin riittävyyteen sekä siirtymiseen saman verkon eri tukiasemien sekä eri verkkojen välillä. Työssä rakennettiin yksinkertainen, mutta toimiva langaton Internetpuhelujärjestelmä sekä verrattiin sen ominaisuuksia normaaliin Internetpuhelujärjestelmään. Järjestelmää koekäytettiin oikeassa toimintatilanteessa varsinaisen puhelinjärjestelmän rinnalla tavallisessa toimistoympäristössä. Testaustulosten ja käyttäjäkokemusten perusteella on periaatteessa mahdollista rakentaa yksinkertainen langaton Internetpuhelujärjestelmä ja käyttää sitä puhelupalveluiden tarjoamiseen. Palvelun tarjoaminen vaatii kuitenkin vielä tiettyjen viestintäviraston määräysten täyttämistä ennen tuotantokäyttöön ottamista.

Ajoneuvojärjestelmän tietoliikenne langattoman matkaviestinverkon välityksellä

Langattomien tiedonsiirtotekniikoiden kehitys on luonut mahdollisuuden Stora Enson ajoneuvojärjestelmän tietoliikennejärjestelmän uudistamiselle ja toiminnan kehittämiselle. Ajoneuvojärjestelmän tietoliikenteen tärkein tehtävä on kuljetuksen ohjaustiedon siirtäminen nopeasti ja luotettavasti Stora Enso Metsän metsäjärjestelmän, tuotantolaitosten ja ajoneuvojärjestelmän ajoneuvojen välillä. Tähän tehtävään ajoneuvojärjestelmä käyttää langatonta tiedonvälitystä. Tässä työssä suunnitellaan ja toteutetaan Stora Enson ajoneuvojärjestelmän kolmannen version tietoliikenne langattoman matkaviestinverkon välityksellä. Tietoliikennejärjestelmän langattoman tiedonvälityksen tekniset ratkaisut perustellaan. Järjestelmätestauksen suunnittelu ja toteutus Stora Enson tuotantoympäristössä esitetään. Testaustuloksia analysoidaan ja verrataan nykyiseen järjestelmään sekä asetettuihin tavoitteisiin, jotta varmistetaan tietoliikennejärjestelmälle asetettujen laatuvaatimusten täyttyminen. Lopuksi tarkastellaan ajoneuvojärjestelmän tulevaisuuden kehityskohteita ja tulevaisuuden tiedonsiirtotekniikoiden mahdollistamia tietoliikenteen kehitysmahdollisuuksia.

Space–Time Block Codes and the Complexity of Sphere Decoding

In wireless communications the transmitted signals may be affected by noise. The receiver must decode the received message, which can be mathematically modelled as a search for the closest lattice point to a given vector. This problem is known to be NP-hard in general, but for communications applications there exist algorithms that, for a certain range of system parameters, offer polynomial expected complexity. The purpose of the thesis is to study the sphere decoding algorithm introduced in the article On Maximum-Likelihood Detection and the Search for the Closest Lattice Point, which was published by M.O. Damen, H. El Gamal and G. Caire in 2003. We concentrate especially on its computational complexity when used in space–time coding. Computer simulations are used to study how different system parameters affect the computational complexity of the algorithm. The aim is to find ways to improve the algorithm from the complexity point of view. The main contribution of the thesis is the construction of two new modifications to the sphere decoding algorithm, which are shown to perform faster than the original algorithm within a range of system parameters.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Technology selection and group decision support systems: Case studies on supporting strategic technology selection processes

The objective of the dissertation is to increase understanding and knowledge in the field where group decision support system (GDSS) and technology selection research overlap in the strategic sense. The purpose is to develop pragmatic, unique and competent management practices and processes for strategic technology assessment and selection from the whole company's point of view. The combination of the GDSS and technology selection is approached from the points of view of the core competence concept, the lead user -method, and different technology types. In this research the aim is to find out how the GDSS contributes to the technology selection process, what aspects should be considered when selecting technologies to be developed or acquired, and what advantages and restrictions the GDSS has in the selection processes. These research objectives are discussed on the basis of experiences and findings in real life selection meetings. The research has been mainly carried outwith constructive, case study research methods. The study contributes novel ideas to the present knowledge and prior literature on the GDSS and technology selection arena. Academic and pragmatic research has been conducted in four areas: 1) the potential benefits of the group support system with the lead user -method,where the need assessment process is positioned as information gathering for the selection of wireless technology development projects; 2) integrated technology selection and core competencies management processes both in theory and in practice; 3) potential benefits of the group decision support system in the technology selection processes of different technology types; and 4) linkages between technology selection and R&D project selection in innovative product development networks. New type of knowledge and understanding has been created on the practical utilization of the GDSS in technology selection decisions. The study demonstrates that technology selection requires close cooperation between differentdepartments, functions, and strategic business units in order to gather the best knowledge for the decision making. The GDSS is proved to be an effective way to promote communication and co-operation between the selectors. The constructs developed in this study have been tested in many industry fields, for example in information and communication, forest, telecommunication, metal, software, and miscellaneous industries, as well as in non-profit organizations. The pragmatic results in these organizations are some of the most relevant proofs that confirm the scientific contribution of the study, according to the principles of the constructive research approach.

MANAGING STRATEGIC CHANGE:New Business Models Applying Wireless Technology as a Source of Competitive Edge

The diffusion of mobile telephony began in 1971 in Finland, when the first car phones, called ARP1 were taken to use. Technologies changed from ARP to NMT and later to GSM. The main application of the technology, however, was voice transfer. The birth of the Internet created an open public data network and easy access to other types of computer-based services over networks. Telephones had been used as modems, but the development of the cellular technologies enabled automatic access from mobile phones to Internet. Also other wireless technologies, for instance Wireless LANs, were also introduced. Telephony had developed from analog to digital in fixed networks and allowed easy integration of fixed and mobile networks. This development opened a completely new functionality to computers and mobile phones. It also initiated the merger of the information technology (IT) and telecommunication (TC) industries. Despite the arising opportunity for firms' new competition the applications based on the new functionality were rare. Furthermore, technology development combined with innovation can be disruptive to industries. This research focuses on the new technology's impact on competition in the ICT industry through understanding the strategic needs and alternative futures of the industry's customers. The change speed inthe ICT industry is high and therefore it was valuable to integrate the DynamicCapability view of the firm in this research. Dynamic capabilities are an application of the Resource-Based View (RBV) of the firm. As is stated in the literature, strategic positioning complements RBV. This theoretical framework leads theresearch to focus on three areas: customer strategic innovation and business model development, external future analysis, and process development combining these two. The theoretical contribution of the research is in the development of methodology integrating theories of the RBV, dynamic capabilities and strategic positioning. The research approach has been constructive due to the actual managerial problems initiating the study. The requirement for iterative and innovative progress in the research supported the chosen research approach. The study applies known methods in product development, for instance, innovation process in theGroup Decision Support Systems (GDSS) laboratory and Quality Function Deployment (QFD), and combines them with known strategy analysis tools like industry analysis and scenario method. As the main result, the thesis presents the strategic innovation process, where new business concepts are used to describe the alternative resource configurations and scenarios as alternative competitive environments, which can be a new way for firms to achieve competitive advantage in high-velocity markets. In addition to the strategic innovation process as a result, thestudy has also resulted in approximately 250 new innovations for the participating firms, reduced technology uncertainty and helped strategic infrastructural decisions in the firms, and produced a knowledge-bank including data from 43 ICT and 19 paper industry firms between the years 1999 - 2004. The methods presentedin this research are also applicable to other industries.

Patents in the Information and Communications Technology Sector - Development Trends, Problem Areas and Pressures for Change

The patent system was created for the purpose of promoting innovation by granting the inventors a legally defined right to exclude others in return for public disclosure. Today, patents are being applied and granted in greater numbers than ever, particularly in new areas such as biotechnology and information andcommunications technology (ICT), in which research and development (R&D) investments are also high. At the same time, the patent system has been heavily criticized. It has been claimed that it discourages rather than encourages the introduction of new products and processes, particularly in areas that develop quickly, lack one-product-one-patent correlation, and in which theemergence of patent thickets is characteristic. A further concern, which is particularly acute in the U.S., is the granting of so-called 'bad patents', i.e. patents that do not factually fulfil the patentability criteria. From the perspective of technology-intensive companies, patents could,irrespective of the above, be described as the most significant intellectual property right (IPR), having the potential of being used to protect products and processes from imitation, to limit competitors' freedom-to-operate, to provide such freedom to the company in question, and to exchange ideas with others. In fact, patents define the boundaries of ownership in relation to certain technologies. They may be sold or licensed on their ownor they may be components of all sorts of technology acquisition and licensing arrangements. Moreover, with the possibility of patenting business-method inventions in the U.S., patents are becoming increasingly important for companies basing their businesses on services. The value of patents is dependent on the value of the invention it claims, and how it is commercialized. Thus, most of them are worth very little, and most inventions are not worth patenting: it may be possible to protect them in other ways, and the costs of protection may exceed the benefits. Moreover, instead of making all inventions proprietary and seeking to appropriate as highreturns on investments as possible through patent enforcement, it is sometimes better to allow some of them to be disseminated freely in order to maximize market penetration. In fact, the ideology of openness is well established in the software sector, which has been the breeding ground for the open-source movement, for instance. Furthermore, industries, such as ICT, that benefit from network effects do not shun the idea of setting open standards or opening up their proprietary interfaces to allow everyone todesign products and services that are interoperable with theirs. The problem is that even though patents do not, strictly speaking, prevent access to protected technologies, they have the potential of doing so, and conflicts of interest are not rare. The primary aim of this dissertation is to increase understanding of the dynamics and controversies of the U.S. and European patent systems, with the focus on the ICT sector. The study consists of three parts. The first part introduces the research topic and the overall results of the dissertation. The second part comprises a publication in which academic, political, legal and business developments that concern software and business-method patents are investigated, and contentiousareas are identified. The third part examines the problems with patents and open standards both of which carry significant economic weight inthe ICT sector. Here, the focus is on so-called submarine patents, i.e. patentsthat remain unnoticed during the standardization process and then emerge after the standard has been set. The factors that contribute to the problems are documented and the practical and juridical options for alleviating them are assessed. In total, the dissertation provides a good overview of the challenges and pressures for change the patent system is facing,and of how these challenges are reflected in standard setting.

LANGATTOMAN MITTAUS- JA VALVONTAJÄRJESTELMÄN PROTOKOLLAKEHITYS

Tässä diplomityössä esitellään langattoman mittaus- ja valvontajärjestelmän protokollakehitys. Työssä selvitetään protokollakehityksessä huomioon otettavat asiat ja esitetään langattoman tilavalvontaan perustuvan pilottijärjestelmän toteutus. Pilottijärjestelmänä käytetään Ensto Busch-Jaeger Oy:n Jussi-kosteusvahtijärjestelmää, joka muutetaan langattomaksi. Järjestelmän tiedonsiirto on yksisuuntaista ja tapahtuu radioyhteydellä. Käytetty taajuus on 433,92 MHz. Tavoitteena työssä oli kehittää yksinkertainen, mutta luotettava signalointijärjestelmä. Siihen toteutettu protokolla koodaa lähetettävän datan NRZ-L -koodauksen tapaisesti. Virheenkorjaus tehdään pariteettibittiä ja Hamming-etäisyyttä hyväksi käyttäen. Lisäksi tiedonsiirron yhteyskäytäntöön on lisätty rinnakkaisuutta yksisuuntaisen tiedonsiirron varmistamiseksi. Kehitetylle protokollalle tehdyt testit osoittavat sen olevan luotettava valitussa tiedonsiirtoympäristössä.

Implementation of CORBA interface in a wireless device

CORBA (Common Object Request Broker Architecture) on laajalle levinnyt ja teollisuudessa yleisesti käytetty hajautetun tietojenkäsittelyn arkkitehtuuri. CORBA skaalautuu eri kokoisiin tarpeisiin ja sitä voidaan hyödynntää myös sulautetuissa langattomissa laitteissa. Oleellista sulautetussa ympäristössä on rakentaa rajapinnat kevytrakenteisiksi, pysyviksi ja helposti laajennettaviksi ilman että yhteensopivuus aikaisempiin rajapintoihin olisi vaarassa. Langattomissa laitteissa resurssit, kuten muistin määrä ja prosessointiteho, ovat hyvin rajalliset, joten rajapinta tulee suunnitella ja toteuttaa optimaalisesti. Palveluiden tulee ottaa huomioon myös langattomuuden rajoitukset, kuten hitaat tiedonsiirtonopeudet ja tiedonsiirron yhteydettömän luonteen. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin CORBA-rajapinta GSM-päätelaitteeseen, jonka on todettu täyttävän sille asetetut tavoitteet. Rajapinta tarjoaa kaikki yleisimmät GSM-terminaalin ominaisuudet ja on laajennettavissa tulevia tuotteita ja verkkotekniikoita varten. Laajennettavuutta saavutetaan esimerkiksi kuvaamalla terminaalin ominaisuudet yleisellä kuvauskielellä, kuten XML:lla (Extensible Markup Language).