Novel Aspects of Interference Alignment in Wireless Communications

Interference alignment (IA) is a promising joint-transmission technology that essentially enables the maximum achievable degrees-of-freedom (DoF) in K-user interference channels. Fundamentally, wireless networks are interference-limited since the spectral efficiency of each user in the network is degraded with the increase of users. IA breaks through this barrier, that is caused by the traditional interference management techniques, and promises large gains in spectral efficiency and DoF, notably in interference limited environments. This dissertation concentrates on overcoming the challenges as well as exploiting the opportunities of IA in K-user multiple-input multiple-output (MIMO) interference channels. In particular, we consider IA in K-user MIMO interference channels in three novel aspects. In the first aspect, we develop a new IA solution by designing transmit precoding and interference suppression matrices through a novel iterative algorithm based on Min-Maxing strategy. Min-Maxing IA optimization problem is formulated such that each receiver maximizes the power of the desired signal, whereas it preserves the minimum leakage interference as a constraint. This optimization problem is solved by relaxing it into a standard semidefinite programming form, and additionally its convergence is proved. Furthermore, we propose a simplified Min-Maxing IA algorithm for rank-deficient interference channels to achieve the targeted performance with less complexity. Our numerical results show that Min-Maxing IA algorithm proffers significant sum-rate improvement in K-user MIMO interference channels compared to the existing algorithms in the literature at high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Moreover, the simplified algorithm matches the optimal performance in the systems of rank-deficient channels. In the second aspect, we deal with the practical challenges of IA under realistic channels, where IA is highly affected by the spatial correlation. Data sum-rate and symbol error-rate of IA are dramatically degraded in real-world scenarios since the correlation between channels decreases the SNR of the received signal after alignment. For this reason, an acceptable sum-rate of IA in MIMO orthogonal frequency-division-multiplexing (MIMO-OFDM) interference channels was obtained in the literature by modifying the locations of network nodes and the separation between the antennas within each node in order to minimize the correlation between channels. In this regard, we apply transmit antenna selection to MIMO-OFDM IA systems either through bulk or per-subcarrier selection aiming at improving the sum-rate and/or error-rate performance under real-world channel circumstances while keeping the minimum spatial antenna separation of half-wavelengths. A constrained per-subcarrier antenna selection is performed to avoid subcarrier imbalance across the antennas of each user that is caused by per-subcarrier selection. Furthermore, we propose a sub-optimal antenna selection algorithm to reduce the computational complexity of the exhaustive search. An experimental testbed of MIMO-OFDM IA with antenna selection in indoor wireless network scenarios is implemented to collect measured channels. The performance of antenna selection in MIMO IA systems is evaluated using measured and deterministic channels, where antenna selection achieves considerable improvements in sum-rate and error-rate under real-world channels. Third aspect of this work is exploiting the opportunity of IA in resource management problem in OFDM based MIMO cognitive radio systems that coexist with primary systems. We propose to perform IA based resource allocation to improve the spectral efficiency of cognitive systems without affecting the quality of service (QoS) of the primary system. IA plays a vital role in the proposed algorithm enabling the secondary users (SUs) to cooperate and share the available spectrum aiming at increasing the DoF of the cognitive system. Nevertheless, the number of SUs that can share a given subcarrier is restricted to the IA feasibility conditions, where this limitation is considered in problem formulation. As the optimal solution for resource allocation problem is mixed-integer, we propose a two-phases efficient sub-optimal algorithm to handle this problem. In the first phase, frequency-clustering with throughput fairness consideration among SUs is performed to tackle the IA feasibility conditions, where each subcarrier is assigned to a feasible number of SUs. In the second phase, the power is allocated among subcarriers and SUs without violating the interference constraint to the primary system. Simulation results show that IA with frequency-clustering achieves a significant sum-rate increase compared to cognitive radio systems with orthogonal multiple access transmission techniques. The considered aspects with the corresponding achievements bring IA to have a powerful role in the future wireless communication systems. The contributions lead to significant improvements in the spectral efficiency of IA based wireless systems and the reliability of IA under real-world channels.Interference Alignment (IA) ist eine vielversprechende kooperative Übertragungstechnik, die die meisten Freiheitsgrade (engl. degrees-of-freedom, DoF) in Bezug auf Zeit, Frequenz und Ort in einem Mehrnutzer Überlagerungskanal bietet. Im Grunde sind Funksysteme Interferenz begrenzt, da die Spektraleffizienz jedes einzelnen Nutzers mit zunehmender Nutzerzahl sinkt. IA durchbricht die Schranke, die herkömmliches Interferenzmanagement errichtet und verspricht große Steigerungen der Spektraleffizienz und der Freiheitsgrade, besonders in Interferenzbegrenzter Umgebung. Die vorliegende Dissertation betrachtet bisher noch unerforschte Möglichkeiten von IA in Mehrnutzerszenarien für Mehrantennen- (MIMO) Kanäle sowie deren Anwendung in einem kognitiven Kommunikationssystem. Als erstes werden mit Hilfe eines effizienten iterativen Algorithmus, basierend auf der Min-Maxing Strategie, senderseitige Vorkodierungs- und Interferenzunterdrückungs Matrizen entwickelt. Das Min-Maxing Optimierungsproblem ist dadurch beschreiben, dass jeder Empfänger seine gewünschte Signalleistung maximiert, während das Minimum der Leck-Interferenz als Randbedingung beibehalten wird. Zur Lösung des Problems wird es in eine semidefinite Form überführt, zusätzlich wird deren Konvergenz nachgewiesen. Des Weiteren wird ein vereinfachter Algorithmus für nicht vollrangige Kanalmatrizen vorgeschlagen, um die Rechenkomplexität zu verringern. Wie numerische Ergebnisse belegen, bedeutet die Min-Maxing Strategie eine wesentliche Verbesserung des Systemdurchsatzes gegenüber den bisher in der Literatur beschriebenen Algorithmen für Mehrnutzer MIMO Szenarien im hohen Signal-Rausch-Verhältnis (engl. signal-to-noise ratio, SNR). Mehr noch, der vereinfachte Algorithmus zeigt das optimale Verhalten in einem System mit nicht vollrangigen Kanalmatrizen. Als zweites werden die IA Herausforderungen an Hand von realistischen/realen Kanälen in der Praxis untersucht. Hierbei wird das System stark durch räumliche Korrelation beeinträchtigt. Der Datendurchsatz sinkt und die Symbolfehlerrate steigt dramatisch unter diesen Bedingungen, da korrelierte Kanäle den SNR des empfangenen Signals nach dem Alignment verschlechtern. Aus diesem Grund wurde in der Literatur für IA in MIMO-OFDM Überlagerungskanälen sowohl die Position der einzelnen Netzwerkknoten als auch die Trennung zwischen den Antennen eines Knotens variiert, um so die Korrelierung der verschiedenen Kanäle zu minimieren. Das vorgeschlagene MIMO-OFDM IA System wählt unter mehreren Sendeantennen, entweder pro Unterträger oder für das komplette Signal, um so die Symbolfehlerrate und/oder die gesamt Datenrate zu verbessern, während die räumliche Trennung der Antennen auf die halbe Wellenlänge beschränkt bleiben soll. Bei der Auswahl pro Unterträger ist darauf zu achten, dass die Antennen gleichmäßig ausgelastet werden. Um die Rechenkomplexität für die vollständige Durchsuchung gering zu halten, wird ein suboptimaler Auswahlalgorithmus verwendet. Mit Hilfe einer Innenraummessanordnung werden reale Kanaldaten für die Simulationen gewonnen. Die Evaluierung des MIMO IA Systems mit Antennenauswahl für deterministische und gemessene Kanäle hat eine Verbesserung bei der Daten- und Fehlerrate unter realen Bedingungen ergeben. Als drittes beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit den Möglichkeiten, die sich durch MIMO IA Systeme für das Ressourcenmanagementproblem bei kognitiven Funksystemen ergeben. In kognitiven Funksystemen müssen MIMO IA Systeme mit primären koexistieren. Es wird eine IA basierte Ressourcenzuteilung vorgeschlagen, um so die spektrale Effizienz des kognitiven Systems zu erhöhen ohne die Qualität (QoS) des primären Systems zu beeinträchtigen. Der vorgeschlagenen IA Algorithmus sorgt dafür, dass die Zweitnutzer (engl. secondary user, SU) untereinander kooperieren und sich das zur Verfügung stehende Spektrum teilen, um so die DoF des kognitiven Systems zu erhöhen. Die Anzahl der SUs, die sich eine Unterträgerfrequenz teilen, ist durch die IA Randbedingungen begrenzt. Die Suche nach der optimalen Ressourcenverteilung stellt ein gemischt-ganzzahliges Problem dar, zu dessen Lösung ein effizienter zweistufiger suboptimaler Algorithmus vorgeschlagen wird. Im ersten Schritt wird durch Frequenzzusammenlegung (Clusterbildung), unter Berücksichtigung einer fairen Durchsatzverteilung unter den SUs, die IA Anforderung erfüllt. Dazu wird jede Unterträgerfrequenz einer praktikablen Anzahl an SUs zugeteilt. Im zweiten Schritt wird die Sendeleistung für die einzelnen Unterträgerfrequenzen und SUs so festgelegt, dass die Interferenzbedingungen des Primärsystems nicht verletzt werden. Die Simulationsergebnisse für IA mit Frequenzzusammenlegung zeigen eine wesentliche Verbesserung der Datenrate verglichen mit kognitiven Systemen, die auf orthogonalen Mehrfachzugriffsverfahren beruhen. Die in dieser Arbeit betrachteten Punkte und erzielten Lösungen führen zu einer wesentlichen Steigerung der spektralen Effizienz von IA Systemen und zeigen deren Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen

Sparse Signal Processing Concepts for Efficient 5G System Design

As it becomes increasingly apparent that 4G will not be able to meet the emerging demands of future mobile communication systems, the question what could make up a 5G system, what are the crucial challenges and what are the key drivers is part of intensive, ongoing discussions. Partly due to the advent of compressive sensing, methods that can optimally exploit sparsity in signals have received tremendous attention in recent years. In this paper we will describe a variety of scenarios in which signal sparsity arises naturally in 5G wireless systems. Signal sparsity and the associated rich collection of tools and algorithms will thus be a viable source for innovation in 5G wireless system design. We will discribe applications of this sparse signal processing paradigm in MIMO random access, cloud radio access networks, compressive channel-source network coding, and embedded security. We will also emphasize important open problem that may arise in 5G system design, for which sparsity will potentially play a key role in their solution.Comment: 18 pages, 5 figures, accepted for publication in IEEE Acces

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Advanced Algebraic Concepts for Efficient Multi-Channel Signal Processing

Unsere moderne Gesellschaft ist Zeuge eines fundamentalen Wandels in der Art und Weise wie wir mit Technologie interagieren. Geräte werden zunehmend intelligenter - sie verfügen über mehr und mehr Rechenleistung und häufiger über eigene Kommunikationsschnittstellen. Das beginnt bei einfachen Haushaltsgeräten und reicht über Transportmittel bis zu großen überregionalen 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 Geräte heutzutage mobil und deshalb batteriebetrieben ist, begründet den Anspruch, digitale Signalverarbeitungsalgorithmen besonders effizient zu gestalten. Dies kommt auch dem Wunsch nach einer Echtzeitverarbeitung der großen anfallenden Datenmengen zugute. Die vorliegende Arbeit demonstriert Methoden zum Finden effizienter algebraischer Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen mehrkanaliger digitaler Signalverarbeitung. Solche Ansätze liefern nicht immer unbedingt die bestmögliche Lösung, kommen dieser jedoch häufig recht nahe und sind gleichzeitig bedeutend einfacher zu beschreiben und umzusetzen. Die einfache Beschreibungsform ermöglicht eine tiefgehende Analyse ihrer Leistungsfähigkeit, was für den Entwurf eines robusten und zuverlässigen Systems unabdingbar ist. Die Tatsache, dass sie nur gebräuchliche algebraische Hilfsmittel benötigen, erlaubt ihre direkte und zügige Umsetzung und den Test unter realen Bedingungen. Diese Grundidee wird anhand von drei verschiedenen Anwendungsgebieten demonstriert. Zunächst 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 über Chemie bis zur Bildverarbeitung. Verglichen mit existierenden iterativen Lösungsverfahren bietet das neue Framework die Möglichkeit, den Rechenaufwand und damit die Güte der erzielten Lösung zu steuern. Es ist außerdem weniger anfällig gegen eine schlechte Konditionierung der Ausgangsdaten. Das zweite Gebiet, das in der Arbeit besprochen wird, ist die unterraumbasierte hochauflösende Parameterschätzung für 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 natürlichere Beschreibung und eine bessere Ausnutzung ihrer Struktur als das mit Matrizen möglich ist. Basierend auf dieser Idee entwickeln wir eine tensor-basierte Schätzung 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, für die verbesserte Versionen vorgeschlagen werden, die die mehrdimensionale Struktur der Daten (Tensor-ESPRIT), nichzirkuläre Quellsymbole (NC ESPRIT), sowie beides gleichzeitig (NC Tensor-ESPRIT) ausnutzen. Um die endgültige Schätzgenauigkeit objektiv einschätzen zu können wird dann ein Framework für die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit beliebiger ESPRIT-artiger Algorithmen diskutiert. Verglichen mit existierenden analytischen Ausdrücken ist unser Ansatz allgemeiner, da keine Annahmen über die statistische Verteilung von Nutzsignal und Rauschen benötigt werden und die Anzahl der zur Verfügung stehenden Schnappschüsse beliebig klein sein kann. Dies führt auf vereinfachte Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler, die Schlussfolgerungen über 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-Verhältnis verspricht. Es wird gezeigt, dass sich die nötige Kanalkenntnis mit einem einfachen algebraischen Tensor-basierten Schätzverfahren gewinnen lässt. Außerdem werden Verfahren zum Finden einer günstigen Relay-Verstärkungs-Strategie diskutiert. Bestehende Ansätze basieren entweder auf komplexen numerischen Optimierungsverfahren oder auf Ad-Hoc-Ansätzen die keine zufriedenstellende Bitfehlerrate oder Summenrate liefern. Deshalb schlagen wir algebraische Ansätze zum Finden der Relayverstärkungsmatrix 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. Für den Spezialfall, in dem die Endgeräte nur eine Antenne verwenden, leiten wir eine semi-algebraische Lösung zum Finden der Summenraten-optimalen Strategie (RAGES) her. Anhand von numerischen Simulationen wird die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren bezüglich Bitfehlerrate und erreichbarer Datenrate bewertet und ihre Effektivität 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