9 research outputs found
Novel feedback and signalling mechanisms for interference management and efficient modulation
In order to meet the ever-growing demand for mobile data, a number of different technologies
have been adopted by the fourth generation standardization bodies. These include multiple access
schemes such as spatial division multiple access (SDMA), and efficient modulation techniques
such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based modulation. The
specific objectives of this theses are to develop an effective feedback method for interference
management in smart antenna SDMA systems and to design an efficient OFDM-based modulation
technique, where an additional dimension is added to the conventional two-dimensional
modulation techniques such as quadrature amplitude modulation (QAM).
In SDMA time division duplex (TDD) systems, where channel reciprocity is maintained, uplink
(UL) channel sounding method is considered as one of the most promising feedback methods
due to its bandwidth and delay efficiency. Conventional channel sounding (CCS) only conveys
the channel state information (CSI) of each active user to the base station (BS). Due to
the limitation in system performance because of co-channel interference (CCI) from adjacent
cells in interference-limited scenarios, CSI is only a suboptimal metric for multiuser spatial
multiplexing optimization. The first major contribution of this theses is a novel interference
feedback method proposed to provide the BS with implicit knowledge about the interference
level received by each mobile station (MS). More specifically, it is proposed to weight the
conventional channel sounding pilots by the level of the experienced interference at the userâs
side. Interference-weighted channel sounding (IWCS) acts as a spectrally efficient feedback
technique that provides the BS with implicit knowledge about CCI experienced by each MS,
and significantly improves the downlink (DL) sum capacity for both greedy and fair scheduling
policies. For the sake of completeness, a novel procedure is developed to make the IWCS pilots
usable for UL optimization. It is proposed to divide the optimization metric obtained from the
IWCS pilots by the interference experienced at the BSâs antennas. The resultant new metric, the
channel gain divided by the multiplication of DL and UL interference, provides link-protection
awareness and is used to optimize both UL and DL. Using maximum capacity scheduling criterion,
the link-protection aware metric results in a gain in the median system sum capacity of
26.7% and 12.5% in DL and UL respectively compared to the case when conventional channel
sounding techniques are used. Moreover, heuristic algorithm has been proposed in order to
facilitate a practical optimization and to reduce the computational complexity.
The second major contribution of this theses is an innovative transmission approach, referred
to as subcarrier-index modulation (SIM), which is proposed to be integrated with OFDM. The
key idea of SIM is to employ the subcarrier-index to convey information to the receiver. Furthermore,
a closed-form analytical bit error ratio (BER) of SIM OFDM in Rayleigh channel
is derived. Simulation results show BER performance gain of 4 dB over 4-QAM OFDM for
both coded and uncoded data without power saving policy. Alternatively, power saving policy
maintains an average gain of 1 dB while only using half OFDM symbol transmit power
Energy-efficient cooperative resource allocation for OFDMA
Energy is increasingly becoming an exclusive commodity in next generation wireless communication systems, where even in legacy systems, the mobile operators operational expenditure is largely attributed to the energy bill. However, as the amount of mobile traffic is expected to double over the next decade as we enter the Next Generation communications era, the need to address energy efficient protocols will be a priority. Therefore, we will need to revisit the design of the mobile network in order to adopt a proactive stance towards reducing the energy consumption of the network.
Future emerging communication paradigms will evolve towards Next Generation mobile networks, that will not only consider a new air interface for high broadband connectivity, but will also integrate legacy communications (LTE/LTE-A, IEEE 802.11x, among others) networks to provide a ubiquitous communication platform, and one that can host a multitude of rich services and applications. In this context, one can say that the radio access network will predominantly be OFDMA based, providing the impetus for further research studies on how this technology can be further optimized towards energy efficiency. In fact, advanced approaches towards both energy and spectral efficient design will still dominate the research agenda. Taking a step towards this direction, LTE/LTE-A (Long Term Evolution-Advanced) have already investigated cooperative paradigms such as SON (self-Organizing Networks), Network Sharing, and CoMP (Coordinated Multipoint) transmission. Although these technologies have provided promising results, some are still in their infancy and lack an interdisciplinary design approach limiting their potential gain.
In this thesis, we aim to advance these future emerging paradigms from a resource allocation perspective on two accounts. In the first scenario, we address the challenge of load balancing (LB) in OFDMA networks, that is employed to redistribute the traffic load in the network to effectively use spectral resources throughout the day. We aim to reengineer the load-balancing (LB) approach through interdisciplinary design to develop an integrated energy efficient solution based on SON and network sharing, what we refer to as SO-LB (Self-Organizing Load balancing). Obtained simulation results show that by employing SO-LB algorithm in a shared network, it is possible to achieve up to 15-20% savings in energy consumption when compared to LTE-A non-shared networks. The second approach considers CoMP transmission, that is currently used to enhance cell coverage and capacity at cell edge. Legacy approaches mainly consider fundamental scheduling policies towards assigning users for CoMP transmission. We build on these scheduling approaches towards a cross-layer design that provide enhanced resource utilization, fairness, and energy saving whilst maintaining low complexity, in particular for broadband applications
Advanced Signal Processing Techniques for Two-Way Relaying Networks and Full-Duplex Communication Systems
ï»żSehr hohe Datenraten und stĂ€ndig verfĂŒgbare Netzabdeckung in
zukĂŒnftigen drahtlosen Netzwerken erfordern neue Algorithmen auf der
physischen Schicht. Die Nutzung von Relais stellt ein vielversprechendes
Verfahren dar, da die Netzabdeckung gesteigert werden kann. ZusÀtzlich
steht hierdurch im Vergleich zu Kupfer- oder Glasfaserleitungen eine
preiswerte Lösung zur Anbindung an die Netzinfrastruktur zur VerfĂŒgung.
Traditionelle Einwege-Relais-Techniken (One-Way Relaying [OWR]) nutzen
Halbduplex-Verfahren (HD-Verfahren), welche das Ăbertragungssystem
ausbremst und zu spektralen Verlusten fĂŒhrt. Einerseits erlauben es
Zweiwege-Relais-Techniken (Two-Way Relaying [TWR]), simultan sowohl an das
Relais zu senden als auch von diesem zu empfangen, wodurch im Vergleich zu
OWR das Spektrum effizienter genutzt wird. Aus diesem Grunde untersuchen
wir Zweiwege-Relais und im Speziellen TWR-Systeme fĂŒr den
Mehrpaar-/Mehrnutzer-Betrieb unter Nutzung von Amplify-and-forward-Relais
(AF-Relais). Derartige Szenarien leiden unter Interferenzen zwischen Paaren
bzw. zwischen Nutzern. Um diesen Interferenzen Herr zu werden, werden
hochentwickelte Signalverarbeitungsalgorithmen â oder in anderen Worten
rÀumliche Mehrfachzugriffsverfahren (Spatial Division Multiple Access
[SDMA]) â benötigt. Andererseits kann der spektrale Verlust durch den
HD-Betrieb auch kompensiert werden, wenn das Relais im Vollduplexbetrieb
arbeitet. Nichtsdestotrotz ist ein FD-GerÀt in der Praxis aufgrund starker
interner Selbstinterferenz (SI) und begrenztem Dynamikumfang des
Tranceivers schwer zu realisieren. Aus diesem Grunde sollten
fortschrittliche Verfahren zur SI-ĂnterdrĂŒckung entwickelt werden. Diese
Dissertation trÀgt diesen beiden Zielen Rechnung, indem optimale und/oder
effiziente algebraische Lösungen entwickelt werden, welche verschiedenen
Nutzenfunktionen, wie Summenrate und minimale Sendeleistung, maximieren.Im
ersten Teil studieren wir zunÀchst Mehrpaar-TWR-Netzwerke mit einem
einzelnen Mehrantennen-AF-Relais. Dieser Anwendungsfall kann auch so
betrachtet werden, dass sich mehrere verschiedene Dienstoperatoren Relais
und Spektrum teilen, wobei verschiedene Nutzerpaare zu verschiedenen
Dienstoperatoren gehören. Aktuelle AnsÀtzen zielen auf
InterferenzunterdrĂŒckung ab. Wir schlagen ein auf Projektion basiertes
Verfahren zur Trennung mehrerer Dienstoperatoren (projection based
separation of multiple operators [ProBaSeMO]) vor. ProBaSeMO ist leicht
anpassbar fĂŒr den Fall, dass jeder Nutzer mehrere Antennen besitzt oder
unterschiedliche Systemdesignkriterien angewendet werden mĂŒssen. Als
BewertungsmaĂstab fĂŒr ProBaSeMO entwickeln wir optimale Algorithmen zur
Maximierung der Summenrate, zur Minimierung der Sendeleistung am Relais
oder zur Maximierung des minimalen
Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-VerhÀltnisses (Signal to Interference and
Noise Ratio [SINR]) am Nutzer. Zur Maximierung der Summenrate wurden
spezifische gradientenbasierte Methoden entwickelt, die unabhÀngig davon
sind, ob ein Nutzer mit einer oder mehr Antennen ausgestattet ist. Um im
Falle eines âWorst-Caseâ immer noch eine polynomielle Laufzeit zu
garantieren, entwickelten wir einen Algorithmus mit polynomieller Laufzeit.
Dieser ist inspiriert von der âPolynomial Time Difference of Convex
Functionsâ-Methode (POTDC-Methode). BezĂŒglich der Summenrate des Systems
untersuchen wir zuletzt, welche Bedingungen erfĂŒllt sein mĂŒssen, um einen
Gewinn durch gemeinsames Nutzen zu erhalten. Hiernach untersuchen wir die
Maximierung der Summenrate eines Mehrpaar-TWR-Netzwerkes mit mehreren
Einantennen-AF-Relais und Einantennen-Nutzern. Das daraus resultierende
Problem der Summenraten-Maximierung, gebunden an eine bestimmte
Gesamtsendeleistung aller Relais im Netzwerk, ist Àhnlich dem des
vorangegangenen Szenarios. Dementsprechend kann eine optimale Lösung fĂŒr
das eine Szenario auch fĂŒr das jeweils andere Szenario genutzt werden.
Weiterhin werden basierend auf dem Polynomialzeitalgorithmus global
optimale Lösungen entwickelt. Diese Lösungen sind entweder an eine
maximale Gesamtsendeleistung aller Relais oder an eine maximale
Sendeleistung jedes einzelnen Relais gebunden. ZusÀtzlich entwickeln wir
suboptimale Lösungen, die effizient in ihrer Laufzeit sind und eine
Approximation der optimalen Lösung darstellen. Hiernach verlegen wir unser
Augenmerk auf ein Mehrpaar-TWR-Netzwerk mit mehreren Mehrantennen-AF-Relais
und mehreren Repeatern. Solch ein Szenario ist allgemeiner, da die
vorherigen beiden Szenarien als spezielle Realisierungen dieses Szenarios
aufgefasst werden können. Das Interferenz-Management in diesem Szenario
ist herausfordernder aufgrund der vorhandenen Repeater.
Interferenzneutralisierung (IN) stellt eine Lösung dar, um diese Art
Interferenz zu handhaben. Im Zuge dessen werden notwendige und ausreichende
Bedingungen zur Aufhebung der Interferenz hergeleitet. Weiterhin wird ein
Framework entwickelt, dass verschiedene Systemnutzenfunktionen optimiert,
wobei IN im jeweiligen Netzwerk vorhanden sein kann oder auch nicht. Dies
ist unabhÀngig davon, ob die Relais einer maximalen Gesamtsendeleistung
oder einer individuellen maximalen Sendeleistung unterliegen. Letztendlich
entwickeln wir ein Ăbertragungsverfahren sowie ein Vorkodier- und
Dekodierverfahren fĂŒr Basisstationen (BS) in einem TWR-assistierten
Mehrbenutzer-MIMO-Downlink-Kanal. Im Vergleich mit dem
Mehrpaar-TWR-Netzwerk leidet dieses Szenario unter Interferenzen zwischen
den KanÀlen. Wir entwickeln drei suboptimale Algorithmen, welche auf
Kanalinversion basieren. ProBaSeMO und âZero-Forcing Dirty Paper
Codingâ (ZFDPC), welche eine geringe ZeitkomplexitĂ€t aufweisen, schaffen
eine Balance zwischen LeistungsfÀhigkeit und KomplexitÀt. ZusÀtzlich
gibt es jeweils nur geringe EinbrĂŒche in stark beanspruchten
Kommunikationssystemen.Im zweiten Teil untersuchen wir Techniken zur
SI-UnterdrĂŒckung, um den FD-Gewinn in einem Punkt-zu-Punkt-System
auszunutzen. ZunĂ€chst entwickeln wir ein Ăbertragungsverfahren, dass auf
SI RĂŒcksicht nimmt und die SI-UnterdrĂŒckung gegen den Multiplexgewinn
abwÀgt. Die besten Ergebnisse werden durch die perfekte Kenntnis des
Kanals erzielt, was praktisch nicht genau der Fall ist. Aus diesem Grund
werden Ăbertragungstechniken fĂŒr den âWorst Caseâ entwickelt, die den
KanalschÀtzfehlern Rechnung tragen. Diese Fehler werden deterministisch
modelliert und durch Ellipsoide beschrÀnkt. In praktischen Szenarien ist
der HF-Schaltkreise nicht perfekt. Dies hat Einfluss auf die Verfahren zur
SI-UnterdrĂŒckung und fĂŒhrt zu einer Restselbstinterferenz. Wir entwickeln
effiziente Ăbertragungstechniken mittels Beamforming, welche auf dem
Signal-zu-Verlust-und-Rausch-VerhÀltnis (signal to leakage plus noise
ratio [SLNR]) aufbauen, um Unvollkommenheiten der HF-Schaltkreise
auszugleichen. ZusÀtzlich können alle Designkonzepte auf FD-OWR-Systeme
erweitert werden.To enable ultra-high data rate and ubiquitous coverage in future wireless
networks, new physical layer techniques are desired. Relaying is a
promising technique for future wireless networks since it can boost the
coverage and can provide low cost wireless backhauling solutions, as
compared to traditional wired backhauling solutions via fiber and copper.
Traditional one-way relaying (OWR) techniques suffer from the spectral loss
due to the half-duplex (HD) operation at the relay. On one hand, two-way
relaying (TWR) allows the communication partners to transmit to and/or
receive from the relay simultaneously and thus uses the spectrum more
efficiently than OWR. Therefore, we study two-way relays and more
specifically multi-pair/multi-user TWR systems with amplify-and-forward
(AF) relays. These scenarios suffer from inter-pair or inter-user
interference. To deal with the interference, advanced signal processing
algorithms, in other words, spatial division multiple access (SDMA)
techniques, are desired. On the other hand, if the relay is a full-duplex
(FD) relay, the spectral loss due to a HD operation can also be
compensated. However, in practice, a FD device is hard to realize due to
the strong loop-back self-interference and the limited dynamic range at the
transceiver. Thus, advanced self-interference suppression techniques should
be developed. This thesis contributes to the two goals by developing
optimal and/or efficient algebraic solutions for different scenarios
subject to different utility functions of the system, e.g., sum rate
maximization and transmit power minimization. In the first part of this
thesis, we first study a multi-pair TWR network with a multi-antenna AF
relay. This scenario can be also treated as the sharing of the relay and
the spectrum among multiple operators assuming that different pairs of
users belong to different operators. Existing approaches focus on
interference suppression. We propose a projection based separation of
multiple operators (ProBaSeMO) scheme, which can be easily extended when
each user has multiple antennas or when different system design criteria
are applied. To benchmark the ProBaSeMO scheme, we develop optimal relay
transmit strategies to maximize the system sum rate, minimize the required
transmit power at the relay, or maximize the minimum signal to interference
plus noise ratio (SINR) of the users. Specifically for the sum rate
maximization problem, gradient based methods are developed regardless
whether each user has a single antenna or multiple antennas. To guarantee a
worst-case polynomial time solution, we also develop a polynomial time
algorithm which has been inspired by the polynomial time difference of
convex functions (POTDC) method. Finally, we analyze the conditions for
obtaining the sharing gain in terms of the sum rate. Then we study the sum
rate maximization problem of a multi-pair TWR network with multiple single
antenna AF relays and single antenna users. The resulting sum rate
maximization problem, subject to a total transmit power constraint of the
relays in the network, yields a similar problem structure as in the
previous scenario. Therefore the optimal solution for one scenario can be
used for the other. Moreover, a global optimal solution, which is based on
the polyblock approach, and several suboptimal solutions, which are more
computationally efficient and approximate the optimal solution, are
developed when there is a total transmit power constraint of the relays in
the network or each relay has its own transmit power constraint. We then
shift our focus to a multi-pair TWR network with multiple multi-antenna AF
relays and multiple dumb repeaters. This scenario is more general because
the previous two scenarios can be seen as special realizations of this
scenario. The interference management in this scenario is more challenging
due to the existence of the repeaters. Interference neutralization (IN) is
a solution for dealing with this kind of interference. Thereby, necessary
and sufficient conditions for neutralizing the interference are derived.
Moreover, a general framework to optimize different system utility
functions in this network with or without IN is developed regardless
whether the AF relays in the network have a total transmit power limit or
individual transmit power limits. Finally, we develop the relay transmit
strategy as well as base station (BS) precoding and decoding schemes for a
TWR assisted multi-user MIMO (MU-MIMO) downlink channel. Compared to the
multi-pair TWR network, this scenario suffers from the co-channel
interference. We develop three suboptimal algorithms which are based on
channel inversion, ProBaSeMO and zero-forcing dirty paper coding (ZFDPC),
which has a low computational complexity, provides a balance between the
performance and the complexity, and suffers only a little when the system
is heavily loaded, respectively.In the second part of this thesis, we
investigate self-interference (SI) suppression techniques to exploit the FD
gain for a point-to-point MIMO system. We first develop SI aware transmit
strategies, which provide a balance between the SI suppression and the
multiplexing gain of the system. To get the best performance, perfect
channel state information (CSI) is needed, which is imperfect in practice.
Thus, worst case transmit strategies to combat the imperfect CSI are
developed, where the CSI errors are modeled deterministically and bounded
by ellipsoids. In real word applications, the RF chain is imperfect. This
affects the performance of the SI suppression techniques and thus results
in residual SI. We develop efficient transmit beamforming techniques, which
are based on the signal to leakage plus noise ratio (SLNR) criterion, to
deal with the imperfections in the RF chain. All the proposed design
concepts can be extended to FD OWR systems
Advanced Algebraic Concepts for Efficient Multi-Channel Signal Processing
ï»żUnsere moderne Gesellschaft ist Zeuge eines fundamentalen Wandels in der Art und Weise
wie wir mit Technologie interagieren. GerĂ€te werden zunehmend intelligenter - sie verfĂŒgen
ĂŒber mehr und mehr Rechenleistung und hĂ€ufiger ĂŒber eigene Kommunikationsschnittstellen.
Das beginnt bei einfachen HaushaltsgerĂ€ten und reicht ĂŒber Transportmittel bis zu groĂen
ĂŒberregionalen Systemen wie etwa dem Stromnetz. Die Erfassung, die Verarbeitung und der
Austausch digitaler Informationen gewinnt daher immer mehr an Bedeutung. Die Tatsache,
dass ein wachsender Anteil der GerÀte heutzutage mobil und deshalb batteriebetrieben ist,
begrĂŒndet den Anspruch, digitale Signalverarbeitungsalgorithmen besonders effizient zu gestalten.
Dies kommt auch dem Wunsch nach einer Echtzeitverarbeitung der groĂen anfallenden
Datenmengen zugute.
Die vorliegende Arbeit demonstriert Methoden zum Finden effizienter algebraischer Lösungen
fĂŒr eine Vielzahl von Anwendungen mehrkanaliger digitaler Signalverarbeitung. Solche AnsĂ€tze
liefern nicht immer unbedingt die bestmögliche Lösung, kommen dieser jedoch hÀufig recht
nahe und sind gleichzeitig bedeutend einfacher zu beschreiben und umzusetzen. Die einfache
Beschreibungsform ermöglicht eine tiefgehende Analyse ihrer LeistungsfĂ€higkeit, was fĂŒr den
Entwurf eines robusten und zuverlÀssigen Systems unabdingbar ist. Die Tatsache, dass sie nur
gebrĂ€uchliche algebraische Hilfsmittel benötigen, erlaubt ihre direkte und zĂŒgige Umsetzung
und den Test unter realen Bedingungen.
Diese Grundidee wird anhand von drei verschiedenen Anwendungsgebieten demonstriert.
ZunÀchst wird ein semi-algebraisches Framework zur Berechnung der kanonisch polyadischen
(CP) Zerlegung mehrdimensionaler Signale vorgestellt. Dabei handelt es sich um ein sehr
grundlegendes Werkzeug der multilinearen Algebra mit einem breiten Anwendungsspektrum
von Mobilkommunikation ĂŒber Chemie bis zur Bildverarbeitung. Verglichen mit existierenden
iterativen Lösungsverfahren bietet das neue Framework die Möglichkeit, den Rechenaufwand
und damit die GĂŒte der erzielten Lösung zu steuern. Es ist auĂerdem weniger anfĂ€llig gegen eine
schlechte Konditionierung der Ausgangsdaten. Das zweite Gebiet, das in der Arbeit besprochen
wird, ist die unterraumbasierte hochauflösende ParameterschĂ€tzung fĂŒr mehrdimensionale Signale,
mit Anwendungsgebieten im RADAR, der Modellierung von Wellenausbreitung, oder
bildgebenden Verfahren in der Medizin. Es wird gezeigt, dass sich derartige mehrdimensionale
Signale mit Tensoren darstellen lassen. Dies erlaubt eine natĂŒrlichere Beschreibung und eine
bessere Ausnutzung ihrer Struktur als das mit Matrizen möglich ist. Basierend auf dieser Idee
entwickeln wir eine tensor-basierte SchÀtzung des Signalraums, welche genutzt werden kann
um beliebige existierende Matrix-basierte Verfahren zu verbessern. Dies wird im Anschluss
exemplarisch am Beispiel der ESPRIT-artigen Verfahren gezeigt, fĂŒr die verbesserte Versionen
vorgeschlagen werden, die die mehrdimensionale Struktur der Daten (Tensor-ESPRIT),
nichzirkulÀre Quellsymbole (NC ESPRIT), sowie beides gleichzeitig (NC Tensor-ESPRIT) ausnutzen.
Um die endgĂŒltige SchĂ€tzgenauigkeit objektiv einschĂ€tzen zu können wird dann ein
Framework fĂŒr die analytische Beschreibung der LeistungsfĂ€higkeit beliebiger ESPRIT-artiger
Algorithmen diskutiert. Verglichen mit existierenden analytischen AusdrĂŒcken ist unser Ansatz
allgemeiner, da keine Annahmen ĂŒber die statistische Verteilung von Nutzsignal und
Rauschen benötigt werden und die Anzahl der zur VerfĂŒgung stehenden SchnappschĂŒsse beliebig
klein sein kann. Dies fĂŒhrt auf vereinfachte AusdrĂŒcke fĂŒr den mittleren quadratischen
SchĂ€tzfehler, die Schlussfolgerungen ĂŒber die Effizienz der Verfahren unter verschiedenen Bedingungen
zulassen. Das dritte Anwendungsgebiet ist der bidirektionale Datenaustausch mit
Hilfe von Relay-Stationen. Insbesondere liegt hier der Fokus auf Zwei-Wege-Relaying mit Hilfe
von Amplify-and-Forward-Relays mit mehreren Antennen, da dieser Ansatz ein besonders gutes
Kosten-Nutzen-VerhÀltnis verspricht. Es wird gezeigt, dass sich die nötige Kanalkenntnis
mit einem einfachen algebraischen Tensor-basierten SchĂ€tzverfahren gewinnen lĂ€sst. AuĂerdem
werden Verfahren zum Finden einer gĂŒnstigen Relay-VerstĂ€rkungs-Strategie diskutiert. Bestehende
AnsÀtze basieren entweder auf komplexen numerischen Optimierungsverfahren oder auf
Ad-Hoc-AnsÀtzen die keine zufriedenstellende Bitfehlerrate oder Summenrate liefern. Deshalb
schlagen wir algebraische AnsÀtze zum Finden der RelayverstÀrkungsmatrix vor, die von relevanten
Systemmetriken inspiriert sind und doch einfach zu berechnen sind. Wir zeigen das
algebraische ANOMAX-Verfahren zum Erreichen einer niedrigen Bitfehlerrate und seine Modifikation
RR-ANOMAX zum Erreichen einer hohen Summenrate. FĂŒr den Spezialfall, in dem
die EndgerÀte nur eine Antenne verwenden, leiten wir eine semi-algebraische Lösung zum
Finden der Summenraten-optimalen Strategie (RAGES) her. Anhand von numerischen Simulationen
wird die LeistungsfĂ€higkeit dieser Verfahren bezĂŒglich Bitfehlerrate und erreichbarer
Datenrate bewertet und ihre EffektivitÀt gezeigt.Modern society is undergoing a fundamental change in the way we interact with technology.
More and more devices are becoming "smart" by gaining advanced computation capabilities
and communication interfaces, from household appliances over transportation systems to large-scale
networks like the power grid. Recording, processing, and exchanging digital information
is thus becoming increasingly important. As a growing share of devices is nowadays mobile
and hence battery-powered, a particular interest in efficient digital signal processing techniques
emerges.
This thesis contributes to this goal by demonstrating methods for finding efficient algebraic
solutions to various applications of multi-channel digital signal processing. These may not
always result in the best possible system performance. However, they often come close while
being significantly simpler to describe and to implement. The simpler description facilitates a
thorough analysis of their performance which is crucial to design robust and reliable systems.
The fact that they rely on standard algebraic methods only allows their rapid implementation
and test under real-world conditions.
We demonstrate this concept in three different application areas. First, we present a semi-algebraic
framework to compute the Canonical Polyadic (CP) decompositions of multidimensional
signals, a very fundamental tool in multilinear algebra with applications ranging from
chemistry over communications to image compression. Compared to state-of-the art iterative
solutions, our framework offers a flexible control of the complexity-accuracy trade-off and
is less sensitive to badly conditioned data. The second application area is multidimensional
subspace-based high-resolution parameter estimation with applications in RADAR, wave propagation
modeling, or biomedical imaging. We demonstrate that multidimensional signals can
be represented by tensors, providing a convenient description and allowing to exploit the
multidimensional structure in a better way than using matrices only. Based on this idea,
we introduce the tensor-based subspace estimate which can be applied to enhance existing
matrix-based parameter estimation schemes significantly. We demonstrate the enhancements
by choosing the family of ESPRIT-type algorithms as an example and introducing enhanced
versions that exploit the multidimensional structure (Tensor-ESPRIT), non-circular source
amplitudes (NC ESPRIT), and both jointly (NC Tensor-ESPRIT). To objectively judge the
resulting estimation accuracy, we derive a framework for the analytical performance assessment
of arbitrary ESPRIT-type algorithms by virtue of an asymptotical first order perturbation
expansion. Our results are more general than existing analytical results since we do not need
any assumptions about the distribution of the desired signal and the noise and we do not
require the number of samples to be large. At the end, we obtain simplified expressions for the
mean square estimation error that provide insights into efficiency of the methods under various
conditions. The third application area is bidirectional relay-assisted communications. Due to
its particularly low complexity and its efficient use of the radio resources we choose two-way
relaying with a MIMO amplify and forward relay. We demonstrate that the required channel
knowledge can be obtained by a simple algebraic tensor-based channel estimation scheme. We
also discuss the design of the relay amplification matrix in such a setting. Existing approaches
are either based on complicated numerical optimization procedures or on ad-hoc solutions
that to not perform well in terms of the bit error rate or the sum-rate. Therefore, we propose
algebraic solutions that are inspired by these performance metrics and therefore perform well
while being easy to compute. For the MIMO case, we introduce the algebraic norm maximizing
(ANOMAX) scheme, which achieves a very low bit error rate, and its extension Rank-Restored
ANOMAX (RR-ANOMAX) that achieves a sum-rate close to an upper bound. Moreover, for
the special case of single antenna terminals we derive the semi-algebraic RAGES scheme which
finds the sum-rate optimal relay amplification matrix based on generalized eigenvectors. Numerical
simulations evaluate the resulting system performance in terms of bit error rate and
system sum rate which demonstrates the effectiveness of the proposed algebraic solutions