Many applications in modern science need to transmit extremely massive amount of data over wide area networks. These data usually do not need stringent real-time requirements but require large bandwidth to finish transmission with unreasonable time. High-energy physics experiments and climate modeling and analysis are typical examples of such applications. As TCP is known to perform inefficiently over networks of large delay-bandwidth product, efficient transmission of this kind of massive, non-real-time data has been heavily studied in the past. The previous results work well in dedicated networks but will compete for fair share of bandwidth with normal TCP connections if they operate in the public networks. The objective of this thesis is to design a new transmission protocol for the above applications that can operate in the public networks without affecting normal TCP connections. The new protocol is called Rate Control Transmission Protocol (RCTP). The idea is to apply the packet-pair measurement technique to measure the bandwidth share in the network for the transmission. The sending rate is based on that measurement and is precisely compensated by the RTT variance measurement. Due to the RTT compensation, RCTP can efficiently utilize the unused bandwidth in the network while not affecting the normal TCP transmissions, making it perfect for transmitting massive, non-real-time data in the public networks.

Ever faster data transmission in wireless communication is desired to satisfy emerging markets for various media services, such as voice, picture and video calls, multimedia messaging, music and video downloads, and even television. With the explosive increase in the use of mobile devices such as cellular phones, PDAs, GPS, and laptop computers, power consumption has become a prime consideration in the design of mobile communication systems. In order to reliably maintain a high rate of transmission and low power consumption, it is imperative that the receiver obtains as much knowledge as possible about the current state of the channel. A more accurate model of wireless communication channels will indisputably help in obtaining more knowledge about the transient channel state, providing a more accurate and efficient reproduction of the transmitted signal, and decreased power consumption by the receiver. With careful choice and consideration of the channel model, systemic optimization based on the selected channel model will improve the system performance of the transmitter and receiver through better encoding and decoding, as well as through better control of transmitted signal's power level. This thesis focuses on understanding the physical and statistical characteristics of wireless channels, and investigates how to represent wireless channels using simple mathematical models. This thesis initially studied a simple time-varying stationary channel, i.e.a multipath fiat fading channel without terminal motion, which is typically used for indoor wireless communication. With an introduction of stochastic differential equations, we derived a first-order AR stochastic process to represent this stationary channel. For a general multipath fiat fading channel with terminal motion, the traditional Clarke's model was then extended by incorporating the effects of fluctuations in the component phases and analyzed statistically. The resulting theoretical power spectrum was shown to fit practical measured spectra, in contrast to the traditional theoretical fiat fading channel spectra (Jakes' spectrum in [19]) . Finally, we developed a state-space model that represents a wireless channel using these modified spectral characteristics. This was achieved by developing a relationship between the state-space model and the theory of a rational transfer function. A novel method for designing a rational transfer function for linear systems was then proposed. In this method, the rational transfer function is represented via the Observable Canonical Form (OCF) to obtain the state-space model, which can be used to represent and simulate a fiat fading wireless channel. The presented state-space approach is simple and provides rapid computation. The present AR and state-space models provide valuable contributions that can be integrated with other algorithms for better system optimization of wireless communication networks. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

In this thesis, we present a detailed analysis of hybrid point-to-multipoint free space optical (FSO)/radio frequency (RF) wireless system. Hybrid FSO/RF sys- tems have emerged as a promising solution for high data rate wireless transmission. FSO technology can be used effectively in multiuser scenarios to support Point-to- Multi-Point (P2MP) networks. In this P2MP network, FSO links are used for data transmission from a central location to multiple users. When more than one FSO link fail, the central node uses a common backup RF link to transmit a frame to a remote node using an equal priority protocol. An equal priority protocol means that the remote nodes have the same priorities in being assigned the RF link. We assume two traffic classes, a high-priority and low-priority classes. The base station reserves two transmit buffers of each user for the downlink transmission. Considering the downlink traffic from the base station to a tagged remote node, we study several performance metrics. We develop a cross-layer Markov chain model to study the throughput from central node to a remote node as well as the performance of the resulting system. / Graduate

Code Division Multiple Access (CDMA) is the technology used in all third generation cellular communications networks, and it is a promising candidate for the definition of fourth generation standards. The wireless mobile channel is usually frequency-selective causing interference among the users in one CDMA cell. Multiuser Transmission (MUT) algorithms for the downlink can increase the number of supportable users per cell, or decrease the necessary transmit power to guarantee a certain quality-of-service. Transmitter-based algorithms exploiting the channel knowledge in the transmitter are also motivated by information theoretic results like the Writing-on-Dirty-Paper theorem. The signal-to-noise ratio (SNR) is a reasonable performance criterion for noise-dominated scenarios. Using linear filters in the transmitter and the receiver, the SNR can be maximized with the proposed Eigenprecoder. Using multiple transmit and receive antennas, the performance can be significantly improved. The Generalized Selection Combining (GSC) MIMO Eigenprecoder concept enables reduced complexity transceivers. Methods eliminating the interference completely or minimizing the mean squared error exist for both the transmitter and the receiver. The maximum likelihood sequence detector in the receiver minimizes the bit error rate (BER), but it has no direct transmitter counterpart. The proposed Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimizes the BER at the detectors by transmit signal processing. This nonlinear approach uses the knowledge of the transmit data symbols and the wireless channel to calculate a transmit signal optimizing the BER with a transmit power constraint by nonlinear optimization methods like sequential quadratic programming (SQP). The performance of linear and nonlinear MUT algorithms with linear receivers is compared at the example of the TD-SCDMA standard. The interference problem can be solved with all MUT algorithms, but the TxMinBer approach requires less transmit power to support a certain number of users. The high computational complexity of MUT algorithms is also an important issue for their practical real-time application. The exploitation of structural properties of the system matrix reduces the complexity of the linear MUT mthods significantly. Several efficient methods to invert the ystem matrix are shown and compared. Proposals to reduce the omplexity of the Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission mehod are made, including a method avoiding the constraint by pase-only optimization. The complexity of the nonlinear methods i still some magnitudes higher than that of the linear MUT lgorithms, but further research on this topic and the increasing processing power of integrated circuits will eventually allow to exploit their better performance. / Der codegeteilte Mehrfachzugriff (CDMA) wird bei allen zellularen Mobilfunksystemen der dritten Generation verwendet und ist ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Technologien. Die Netzkapazität, also die Anzahl der Nutzer je Funkzelle, ist durch auftretende Interferenzen zwischen den Nutzern begrenzt. Für die Aufwärtsstrecke von den mobilen Endgeräten zur Basisstation können die Interferenzen durch Verfahren der Mehrnutzerdetektion im Empfänger verringert werden. Für die Abwärtsstrecke, die höhere Datenraten bei Multimedia-Anwendungen transportiert, kann das Sendesignal im Sender so vorverzerrt werden, dass der Einfluß der Interferenzen minimiert wird. Die informationstheoretische Motivation liefert dazu das Writing-on-Dirty-Paper Theorem. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist ein geeignetes Kriterium für die Performanz in rauschdominierten Szenarien. Mit Sende- und Empfangsfiltern kann das SNR durch den vorgeschlagenen Eigenprecoder maximiert werden. Durch den Einsatz von Mehrfachantennen im Sender und Empfänger kann die Performanz signifikant erhöht werden. Mit dem Generalized Selection MIMO Eigenprecoder können Transceiver mit reduzierter Komplexität ermöglicht werden. Sowohl für den Empfänger als auch für den Sender existieren Methoden, die Interferenzen vollständig zu eliminieren, oder den mittleren quadratischen Fehler zu minimieren. Der Maximum-Likelihood-Empfänger minimiert die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER), hat jedoch kein entsprechendes Gegenstück im Sender. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimiert die BER am Detektor durch Sendesignalverarbeitung. Dieses nichtlineare Verfahren nutzt die Kenntnis der Datensymbole und des Mobilfunkkanals, um ein Sendesignal zu generieren, dass die BER unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsnebenbedingung minimiert. Dabei werden nichtlineare Optimierungsverfahren wie Sequentielle Quadratische Programmierung (SQP) verwendet. Die Performanz linearer und nichtlinearer MUT-Verfahren MUT-Algorithmen mit linearen Empfängern wird am Beispiel des TD-SCDMA-Standards verglichen. Das Problem der Interferenzen kann mit allen untersuchten Verfahren gelöst werden, die TxMinBer-Methode benötigt jedoch die geringste Sendeleistung, um eine bestimmt Anzahl von Nutzern zu unterstützen. Die hohe Rechenkomplexität der MUT-Algorithmen ist ein wichtiges Problem bei der Implementierung in Real-Zeit-Systemen. Durch die Ausnutzung von Struktureigenschaften der Systemmatrizen kann die Komplexität der linearen MUT-Verfahren signifikant reduziert werden. Verschiedene Verfahren zur Invertierung der Systemmatrizen werden aufgezeigt und verglichen. Es werden Vorschläge gemacht, die Komplexität der Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission zu reduzieren, u.a. durch Vermeidung der Sendeleistungsnebenbedingung durch eine Beschränkung der Optimierung auf die Phasen des Sendesignalvektors. Die Komplexität der nichtlinearen Methoden ist um einige Größenordungen höher als die der linearen Verfahren. Weitere Forschungsanstrengungen an diesem Thema sowie die wachsende Rechenleistung von integrierten Halbleitern werden künftig die Ausnutzung der besseren Leistungsfähigkeit der nichtlinearen MUT-Verfahren erlauben.

Code Division Multiple Access (CDMA) is the technology used in all third generation cellular communications networks, and it is a promising candidate for the definition of fourth generation standards. The wireless mobile channel is usually frequency-selective causing interference among the users in one CDMA cell. Multiuser Transmission (MUT) algorithms for the downlink can increase the number of supportable users per cell, or decrease the necessary transmit power to guarantee a certain quality-of-service. Transmitter-based algorithms exploiting the channel knowledge in the transmitter are also motivated by information theoretic results like the Writing-on-Dirty-Paper theorem. The signal-to-noise ratio (SNR) is a reasonable performance criterion for noise-dominated scenarios. Using linear filters in the transmitter and the receiver, the SNR can be maximized with the proposed Eigenprecoder. Using multiple transmit and receive antennas, the performance can be significantly improved. The Generalized Selection Combining (GSC) MIMO Eigenprecoder concept enables reduced complexity transceivers. Methods eliminating the interference completely or minimizing the mean squared error exist for both the transmitter and the receiver. The maximum likelihood sequence detector in the receiver minimizes the bit error rate (BER), but it has no direct transmitter counterpart. The proposed Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimizes the BER at the detectors by transmit signal processing. This nonlinear approach uses the knowledge of the transmit data symbols and the wireless channel to calculate a transmit signal optimizing the BER with a transmit power constraint by nonlinear optimization methods like sequential quadratic programming (SQP). The performance of linear and nonlinear MUT algorithms with linear receivers is compared at the example of the TD-SCDMA standard. The interference problem can be solved with all MUT algorithms, but the TxMinBer approach requires less transmit power to support a certain number of users. The high computational complexity of MUT algorithms is also an important issue for their practical real-time application. The exploitation of structural properties of the system matrix reduces the complexity of the linear MUT mthods significantly. Several efficient methods to invert the ystem matrix are shown and compared. Proposals to reduce the omplexity of the Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission mehod are made, including a method avoiding the constraint by pase-only optimization. The complexity of the nonlinear methods i still some magnitudes higher than that of the linear MUT lgorithms, but further research on this topic and the increasing processing power of integrated circuits will eventually allow to exploit their better performance. / Der codegeteilte Mehrfachzugriff (CDMA) wird bei allen zellularen Mobilfunksystemen der dritten Generation verwendet und ist ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Technologien. Die Netzkapazität, also die Anzahl der Nutzer je Funkzelle, ist durch auftretende Interferenzen zwischen den Nutzern begrenzt. Für die Aufwärtsstrecke von den mobilen Endgeräten zur Basisstation können die Interferenzen durch Verfahren der Mehrnutzerdetektion im Empfänger verringert werden. Für die Abwärtsstrecke, die höhere Datenraten bei Multimedia-Anwendungen transportiert, kann das Sendesignal im Sender so vorverzerrt werden, dass der Einfluß der Interferenzen minimiert wird. Die informationstheoretische Motivation liefert dazu das Writing-on-Dirty-Paper Theorem. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist ein geeignetes Kriterium für die Performanz in rauschdominierten Szenarien. Mit Sende- und Empfangsfiltern kann das SNR durch den vorgeschlagenen Eigenprecoder maximiert werden. Durch den Einsatz von Mehrfachantennen im Sender und Empfänger kann die Performanz signifikant erhöht werden. Mit dem Generalized Selection MIMO Eigenprecoder können Transceiver mit reduzierter Komplexität ermöglicht werden. Sowohl für den Empfänger als auch für den Sender existieren Methoden, die Interferenzen vollständig zu eliminieren, oder den mittleren quadratischen Fehler zu minimieren. Der Maximum-Likelihood-Empfänger minimiert die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER), hat jedoch kein entsprechendes Gegenstück im Sender. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimiert die BER am Detektor durch Sendesignalverarbeitung. Dieses nichtlineare Verfahren nutzt die Kenntnis der Datensymbole und des Mobilfunkkanals, um ein Sendesignal zu generieren, dass die BER unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsnebenbedingung minimiert. Dabei werden nichtlineare Optimierungsverfahren wie Sequentielle Quadratische Programmierung (SQP) verwendet. Die Performanz linearer und nichtlinearer MUT-Verfahren MUT-Algorithmen mit linearen Empfängern wird am Beispiel des TD-SCDMA-Standards verglichen. Das Problem der Interferenzen kann mit allen untersuchten Verfahren gelöst werden, die TxMinBer-Methode benötigt jedoch die geringste Sendeleistung, um eine bestimmt Anzahl von Nutzern zu unterstützen. Die hohe Rechenkomplexität der MUT-Algorithmen ist ein wichtiges Problem bei der Implementierung in Real-Zeit-Systemen. Durch die Ausnutzung von Struktureigenschaften der Systemmatrizen kann die Komplexität der linearen MUT-Verfahren signifikant reduziert werden. Verschiedene Verfahren zur Invertierung der Systemmatrizen werden aufgezeigt und verglichen. Es werden Vorschläge gemacht, die Komplexität der Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission zu reduzieren, u.a. durch Vermeidung der Sendeleistungsnebenbedingung durch eine Beschränkung der Optimierung auf die Phasen des Sendesignalvektors. Die Komplexität der nichtlinearen Methoden ist um einige Größenordungen höher als die der linearen Verfahren. Weitere Forschungsanstrengungen an diesem Thema sowie die wachsende Rechenleistung von integrierten Halbleitern werden künftig die Ausnutzung der besseren Leistungsfähigkeit der nichtlinearen MUT-Verfahren erlauben.

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