Advanced tensor based signal processing techniques for wireless communication systems and biomedical signal processing

Many observed signals in signal processing applications including wireless communications, biomedical signal processing, image processing, and machine learning are multi-dimensional. Tensors preserve the multi-dimensional structure and provide a natural representation of these signals/data. Moreover, tensors provide often an improved identifiability. Therefore, we benefit from using tensor algebra in the above mentioned applications and many more. In this thesis, we present the benefits of utilizing tensor algebra in two signal processing areas. These include signal processing for MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) wireless communication systems and biomedical signal processing. Moreover, we contribute to the theoretical aspects of tensor algebra by deriving new properties and ways of computing tensor decompositions. Often, we only have an element-wise or a slice-wise description of the signal model. This representation of the signal model does not reveal the explicit tensor structure. Therefore, the derivation of all tensor unfoldings is not always obvious. Consequently, exploiting the multi-dimensional structure of these models is not always straightforward. We propose an alternative representation of the element-wise multiplication or the slice-wise multiplication based on the generalized tensor contraction operator. Later in this thesis, we exploit this novel representation and the properties of the contraction operator such that we derive the final tensor models. There exist a number of different tensor decompositions that describe different signal models such as the HOSVD (Higher Order Singular Value Decomposition), the CP/PARAFAC (Canonical Polyadic / PARallel FACtors) decomposition, the BTD (Block Term Decomposition), the PARATUCK2 (PARAfac and TUCker2) decomposition, and the PARAFAC2 (PARAllel FACtors2) decomposition. Among these decompositions, the CP decomposition is most widely spread and used. Therefore, the development of algorithms for the efficient computation of the CP decomposition is important for many applications. The SECSI (Semi-Algebraic framework for approximate CP decomposition via SImultaneaous matrix diagonalization) framework is an efficient and robust tool for the calculation of the approximate low-rank CP decomposition via simultaneous matrix diagonalizations. In this thesis, we present five extensions of the SECSI framework that reduce the computational complexity of the original framework and/or introduce constraints to the factor matrices. Moreover, the PARAFAC2 decomposition and the PARATUCK2 decomposition are usually described using a slice-wise notation that can be expressed in terms of the generalized tensor contraction as proposed in this thesis. We exploit this novel representation to derive explicit tensor models for the PARAFAC2 decomposition and the PARATUCK2 decomposition. Furthermore, we use the PARAFAC2 model to derive an ALS (Alternating Least-Squares) algorithm for the computation of the PARAFAC2 decomposition. Moreover, we exploit the novel contraction properties for element wise and slice-wise multiplications to model MIMO multi-carrier wireless communication systems. We show that this very general model can be used to derive the tensor model of the received signal for MIMO-OFDM (Multiple-Input Multiple-Output - Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Khatri-Rao coded MIMO-OFDM, and randomly coded MIMO-OFDM systems. We propose the transmission techniques Khatri-Rao coding and random coding in order to impose an additional tensor structure of the transmit signal tensor that otherwise does not have a particular structure. Moreover, we show that this model can be extended to other multi-carrier techniques such as GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing). Utilizing these models at the receiver side, we design several types for receivers for these systems that outperform the traditional matrix based solutions in terms of the symbol error rate. In the last part of this thesis, we show the benefits of using tensor algebra in biomedical signal processing by jointly decomposing EEG (ElectroEncephaloGraphy) and MEG (MagnetoEncephaloGraphy) signals. EEG and MEG signals are usually acquired simultaneously, and they capture aspects of the same brain activity. Therefore, EEG and MEG signals can be decomposed using coupled tensor decompositions such as the coupled CP decomposition. We exploit the proposed coupled SECSI framework (one of the proposed extensions of the SECSI framework) for the computation of the coupled CP decomposition to first validate and analyze the photic driving effect. Moreover, we validate the effects of scull defects on the measurement EEG and MEG signals by means of a joint EEG-MEG decomposition using the coupled SECSI framework. Both applications show that we benefit from coupled tensor decompositions and the coupled SECSI framework is a very practical tool for the analysis of biomedical data.Zahlreiche messbare Signale in verschiedenen Bereichen der digitalen Signalverarbeitung, z.B. in der drahtlosen Kommunikation, im Mobilfunk, biomedizinischen Anwendungen, der Bild- oder akustischen Signalverarbeitung und dem maschinellen Lernen sind mehrdimensional. Tensoren erhalten die mehrdimensionale Struktur und stellen eine natürliche Darstellung dieser Signale/Daten dar. Darüber hinaus bieten Tensoren oft eine verbesserte Trennbarkeit von enthaltenen Signalkomponenten. Daher profitieren wir von der Verwendung der Tensor-Algebra in den oben genannten Anwendungen und vielen mehr. In dieser Arbeit stellen wir die Vorteile der Nutzung der Tensor-Algebra in zwei Bereichen der Signalverarbeitung vor: drahtlose MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) Kommunikationssysteme und biomedizinische Signalverarbeitung. Darüber hinaus tragen wir zu theoretischen Aspekten der Tensor-Algebra bei, indem wir neue Eigenschaften und Berechnungsmethoden für die Tensor-Zerlegung ableiten. Oftmals verfügen wir lediglich über eine elementweise oder ebenenweise Beschreibung des Signalmodells, welche nicht die explizite Tensorstruktur zeigt. Daher ist die Ableitung aller Tensor-Unfoldings nicht offensichtlich, wodurch die multidimensionale Struktur dieser Modelle nicht trivial nutzbar ist. Wir schlagen eine alternative Darstellung der elementweisen Multiplikation oder der ebenenweisen Multiplikation auf der Grundlage des generalisierten Tensor-Kontraktionsoperators vor. Weiterhin nutzen wir diese neuartige Darstellung und deren Eigenschaften zur Ableitung der letztendlichen Tensor-Modelle. Es existieren eine Vielzahl von Tensor-Zerlegungen, die verschiedene Signalmodelle beschreiben, wie die HOSVD (Higher Order Singular Value Decomposition), CP/PARAFAC (Canonical Polyadic/ PARallel FACtors) Zerlegung, die BTD (Block Term Decomposition), die PARATUCK2-(PARAfac und TUCker2) und die PARAFAC2-Zerlegung (PARAllel FACtors2). Dabei ist die CP-Zerlegung am weitesten verbreitet und wird findet in zahlreichen Gebieten Anwendung. Daher ist die Entwicklung von Algorithmen zur effizienten Berechnung der CP-Zerlegung von besonderer Bedeutung. Das SECSI (Semi-Algebraic Framework for approximate CP decomposition via Simultaneaous matrix diagonalization) Framework ist ein effizientes und robustes Werkzeug zur Berechnung der approximierten Low-Rank CP-Zerlegung durch simultane Matrixdiagonalisierung. In dieser Arbeit stellen wir fünf Erweiterungen des SECSI-Frameworks vor, welche die Rechenkomplexität des ursprünglichen Frameworks reduzieren bzw. Einschränkungen für die Faktormatrizen einführen. Darüber hinaus werden die PARAFAC2- und die PARATUCK2-Zerlegung in der Regel mit einer ebenenweisen Notation beschrieben, die sich in Form der allgemeinen Tensor-Kontraktion, wie sie in dieser Arbeit vorgeschlagen wird, ausdrücken lässt. Wir nutzen diese neuartige Darstellung, um explizite Tensormodelle für diese beiden Zerlegungen abzuleiten. Darüber hinaus verwenden wir das PARAFAC2-Modell, um einen ALS-Algorithmus (Alternating Least-Squares) für die Berechnung der PARAFAC2-Zerlegungen abzuleiten. Weiterhin nutzen wir die neuartigen Kontraktionseigenschaften für elementweise und ebenenweise Multiplikationen, um MIMO Multi-Carrier-Mobilfunksysteme zu modellieren. Wir zeigen, dass dieses sehr allgemeine Modell verwendet werden kann, um das Tensor-Modell des empfangenen Signals für MIMO-OFDM- (Multiple- Input Multiple-Output - Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Khatri-Rao codierte MIMO-OFDM- und zufällig codierte MIMO-OFDM-Systeme abzuleiten. Wir schlagen die Übertragungstechniken der Khatri-Rao-Kodierung und zufällige Kodierung vor, um eine zusätzliche Tensor-Struktur des Sendesignal-Tensors einzuführen, welcher gewöhnlich keine bestimmte Struktur aufweist. Darüber hinaus zeigen wir, dass dieses Modell auf andere Multi-Carrier-Techniken wie GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing) erweitert werden kann. Unter Verwendung dieser Modelle auf der Empfängerseite entwerfen wir verschiedene Typen von Empfängern für diese Systeme, die die traditionellen matrixbasierten Lösungen in Bezug auf die Symbolfehlerrate übertreffen. Im letzten Teil dieser Arbeit zeigen wir die Vorteile der Verwendung von Tensor-Algebra in der biomedizinischen Signalverarbeitung durch die gemeinsame Zerlegung von EEG-(ElectroEncephaloGraphy) und MEG- (MagnetoEncephaloGraphy) Signalen. Diese werden in der Regel gleichzeitig erfasst, wobei sie gemeinsame Aspekte derselben Gehirnaktivität beschreiben. Daher können EEG- und MEG-Signale mit gekoppelten Tensor-Zerlegungen wie der gekoppelten CP Zerlegung analysiert werden. Wir nutzen das vorgeschlagene gekoppelte SECSI-Framework (eine der vorgeschlagenen Erweiterungen des SECSI-Frameworks) für die Berechnung der gekoppelten CP Zerlegung, um zunächst den photic driving effect zu validieren und zu analysieren. Darüber hinaus validieren wir die Auswirkungen von Schädeldefekten auf die Messsignale von EEG und MEG durch eine gemeinsame EEG-MEG-Zerlegung mit dem gekoppelten SECSI-Framework. Beide Anwendungen zeigen, dass wir von gekoppelten Tensor-Zerlegungen profitieren, wobei die Methoden des gekoppelten SECSI-Frameworks erfolgreich zur Analyse biomedizinischer Daten genutzt werden können

Tensor-based signal processing with applications to MIMO-ODFM systems and intelligent reflecting surfaces

Der Einsatz von Tensor-Algebra-Techniken in der Signalverarbeitung hat in den letzten zwei Jahrzehnten zugenommen. Anwendungen wie Bildverarbeitung, biomedizinische Signalverarbeitung, radar, maschinelles Lernen, deep Learning und Kommunikation im Allgemeinen verwenden weitgehend tensorbasierte Verarbeitungstechniken zur Wiederherstellung, Schätzung und Klassifizierung von Signalen. Einer der Hauptgründe für den Einsatz der Tensorsignalverarbeitung ist die Ausnutzung der mehrdimensionalen Struktur von Signalen, wobei die Einzigartigkeitseigenschaften der Tensor-Zerlegung profitieren. Bei der drahtlosen Kommunikation beispielsweise können die Signale mehrere "Dimensionen" haben, wie Raum, Zeit, Frequenz, Polarisation, usw. Diese Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil betrachten wir die Anwendung von Tensor-basierten Algorithmen für multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) Systeme unter Berücksichtigung von Vorhandensein von Phasenrauschenstörungen. In diesem Teil schlagen wir einen zweistufigen tensorbasierten Empfänger für eine gemeinsame Kanal-, Phasenrausch- und Datenschätzung in MIMO-OFDM-Systemen vor. In der ersten Stufe zeigen wir, dass das empfangene Signal auf den Pilotunterträgern als PARAFAC-Tensor dritter Ordnung modelliert werden kann. Auf der Grundlage dieses Modells werden zwei Algorithmen für die Schätzung der Phasen- und Kanalrauschen in den Pilotton vorgeschlagen. In der zweiten Stufe werden die übertragenen Daten geschätzt. Zu diesem Zweck schlagen wir einen Zero Forcing (ZF)-Empfänger vor, der sich die Tensorstruktur des empfangenen Signals auf den Datenträgern zunutze macht, indem er den vorgeschlagenen selektiven Kronecker-Produkt-Operators (SKP) kapitalisiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Empfänger sowohl bei der Symbolfehlerrate als auch beim normalisierten mittleren quadratischen Fehler des geschätzten Kanal- und Phasenrauschmatrizen eine bessere Leistung im Vergleich zum Stand der Technik erzielt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Anwendung der Tensormodellierung zur Reduzierung des Kontrollsignalisierungsoverhead in zukünftigen drahtlosen Systemen, die durch intelligent reconfigurable surfaces (IRSs) unterstützt werden. Zu diesem Zweck schlagen wir eine Annäherung an die nahezu optimalen IRS-Phasenverschiebungen vor, die sonst einen prohibitiv hohen Kommunikationsoverhead auf den BS-IRS-Kontrollverbindungen verursachen würde. Die Hauptidee besteht darin, den optimalen Phasenvektor des IRSs, der Hunderte oder Tausende von Elementen haben kann, durch ein Tensormodell mit niedrigem Rang darzustellen. Dies wird erreicht durch Faktorisierung einer tensorisierten Version des IRS-Phasenverschiebungsvektors, wobei jede Komponente als Kronecker-Produkt einer vordefinierten Anzahl von Faktoren mit kleinerer Größe modelliert wird, die durch Tensor Zerlegungsalgorithmen erhaltet werden können. Wir zeigen, dass die vorgeschlagenen Low-Rank-Modelle die Rückkopplungsanforderungen für die BS-IRS-Kontrollverbindungen drastisch reduzieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode besonders in Szenarien mit einer starken Sichtverbindung attraktiv sind. In diesem Fall wird fast die gleiche spektrale Effizienz erreicht wie in den Fällen mit nahezu optimalen Phasenverschiebungen, jedoch mit einem drastisch reduzierten Kommunikations-Overhead.The use of tensor algebra techniques in signal processing has been growing over the last two decades. Applications like image processing, biomedical signal processing, radar, machine/deep learning, and communications in general, largely employ tensor-based techniques for recovery, estimating, and classifying signals. One of the main reasons for using tensor signal processing is the exploitation of the multidimensional structure of signals, while benefiting from the uniqueness properties of tensor decomposition. For example, in wireless communications, the signals can have several “dimensions", e.g., space, time, frequency, polarization, beamspace, etc. This thesis is divided into two parts, first, in the application of a tensor-based algorithm in multiple-input multiple-output (MIMO)-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with the presence of phase-noise impairments. In this first part, we propose a two-stage tensor-based receiver for a joint channel, phase-noise, and data estimation in MIMO-OFDM systems. In the first stage, we show that the received signal at the pilot subcarriers can be modeled as a third-order PARAFAC tensor. Based on this model, we propose two algorithms for channel and phase-noise estimation at the pilot subcarriers. The second stage consists of data estimation, for which we propose a ZF receiver that capitalizes on the tensor structure of the received signal at the data subcarriers using the proposed SKP operator. Numerical simulations show that the proposed receivers achieves an improved performance compared to the state-of-art receivers in terms of symbol error rate (SER) and normalized mean square error (NMSE) of the estimated channel and phase-noise matrices. The second part of this thesis focuses on the application of tensor modeling to reduce the control signaling overhead in future wireless systems aided by intelligent reconfigurable surfaces (IRS). To this end, we propose a low-rank approximation of the near-optimal IRS phase-shifts, which would incur prohibitively high communication overhead on the BS-IRS controller links. The key idea is to represent the potentially large IRS phase-shift vector using a low-rank tensor model. This is achieved by factorizing a tensorized version of the IRS phase-shift vector, where each component is modeled as the Kronecker product of a predefined number of factors of smaller sizes, which can be obtained via tensor decomposition algorithms. We show that the proposed low-rank models drastically reduce the required feedback requirements associated with the BS-IRS control links. Simulation results indicate that the proposed method is especially attractive in scenarios with a strong line of sight component, in which case nearly the same spectral efficiency is reached as in the cases with near-optimal phase-shifts, but with a drastically reduced communication overhead

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

On the performance of code word diversity based quasi orthogonal space time block codes in multiple-input-multiple-output systems

In the recent past, a lot of researches have been put into designing a Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) system to provide multimedia services with higher quality and at higher data rate. On par with these requirements, a novel Quasi Orthogonal Space Time Block Code (QOSTBC) scheme based on code word diversity is proposed, which is a multi-dimensional approach, in this paper. The term code word diversity is coined, since the information symbols were spread across many code words in addition to traditional time and spatial spreading, without increasing transmission power and bandwidth. The receiver with perfect channel state information estimates the transmitted symbols with less probability of error, as more number of samples is available to estimate given number of symbols due to the extra diversity due to code words. The simulation results show a significant improvement in the Bit Error Rate (BER) performance of the proposed scheme when compared with the conventional schemes

Advanced Signal Processing Techniques for Two-Way Relaying Networks and Full-Duplex Communication Systems

Sehr hohe Datenraten und ständig verfügbare Netzabdeckung in zukünftigen drahtlosen Netzwerken erfordern neue Algorithmen auf der physischen Schicht. Die Nutzung von Relais stellt ein vielversprechendes Verfahren dar, da die Netzabdeckung gesteigert werden kann. Zusätzlich steht hierdurch im Vergleich zu Kupfer- oder Glasfaserleitungen eine preiswerte Lösung zur Anbindung an die Netzinfrastruktur zur Verfügung. Traditionelle Einwege-Relais-Techniken (One-Way Relaying [OWR]) nutzen Halbduplex-Verfahren (HD-Verfahren), welche das Übertragungssystem ausbremst und zu spektralen Verlusten führt. 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 für 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 – oder in anderen Worten räumliche Mehrfachzugriffsverfahren (Spatial Division Multiple Access [SDMA]) – benötigt. Andererseits kann der spektrale Verlust durch den HD-Betrieb auch kompensiert werden, wenn das Relais im Vollduplexbetrieb arbeitet. Nichtsdestotrotz ist ein FD-Gerät in der Praxis aufgrund starker interner Selbstinterferenz (SI) und begrenztem Dynamikumfang des Tranceivers schwer zu realisieren. Aus diesem Grunde sollten fortschrittliche Verfahren zur SI-Ünterdrückung entwickelt werden. Diese Dissertation trägt 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 zunächst 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 Ansätzen zielen auf Interferenzunterdrückung ab. Wir schlagen ein auf Projektion basiertes Verfahren zur Trennung mehrerer Dienstoperatoren (projection based separation of multiple operators [ProBaSeMO]) vor. ProBaSeMO ist leicht anpassbar für den Fall, dass jeder Nutzer mehrere Antennen besitzt oder unterschiedliche Systemdesignkriterien angewendet werden müssen. Als Bewertungsmaßstab für 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-Verhältnisses (Signal to Interference and Noise Ratio [SINR]) am Nutzer. Zur Maximierung der Summenrate wurden spezifische gradientenbasierte Methoden entwickelt, die unabhängig davon sind, ob ein Nutzer mit einer oder mehr Antennen ausgestattet ist. Um im Falle eines „Worst-Case“ immer noch eine polynomielle Laufzeit zu garantieren, entwickelten wir einen Algorithmus mit polynomieller Laufzeit. Dieser ist inspiriert von der „Polynomial Time Difference of Convex Functions“-Methode (POTDC-Methode). Bezüglich der Summenrate des Systems untersuchen wir zuletzt, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, 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 ähnlich dem des vorangegangenen Szenarios. Dementsprechend kann eine optimale Lösung für das eine Szenario auch für 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. Zusätzlich 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 unabhängig davon, ob die Relais einer maximalen Gesamtsendeleistung oder einer individuellen maximalen Sendeleistung unterliegen. Letztendlich entwickeln wir ein Übertragungsverfahren sowie ein Vorkodier- und Dekodierverfahren für Basisstationen (BS) in einem TWR-assistierten Mehrbenutzer-MIMO-Downlink-Kanal. Im Vergleich mit dem Mehrpaar-TWR-Netzwerk leidet dieses Szenario unter Interferenzen zwischen den Kanälen. Wir entwickeln drei suboptimale Algorithmen, welche auf Kanalinversion basieren. ProBaSeMO und „Zero-Forcing Dirty Paper Coding“ (ZFDPC), welche eine geringe Zeitkomplexität aufweisen, schaffen eine Balance zwischen Leistungsfähigkeit und Komplexität. Zusätzlich gibt es jeweils nur geringe Einbrüche in stark beanspruchten Kommunikationssystemen.Im zweiten Teil untersuchen wir Techniken zur SI-Unterdrückung, um den FD-Gewinn in einem Punkt-zu-Punkt-System auszunutzen. Zunächst entwickeln wir ein Übertragungsverfahren, dass auf SI Rücksicht nimmt und die SI-Unterdrückung gegen den Multiplexgewinn abwägt. Die besten Ergebnisse werden durch die perfekte Kenntnis des Kanals erzielt, was praktisch nicht genau der Fall ist. Aus diesem Grund werden Übertragungstechniken für den „Worst Case“ entwickelt, die den Kanalschätzfehlern Rechnung tragen. Diese Fehler werden deterministisch modelliert und durch Ellipsoide beschränkt. In praktischen Szenarien ist der HF-Schaltkreise nicht perfekt. Dies hat Einfluss auf die Verfahren zur SI-Unterdrückung und führt zu einer Restselbstinterferenz. Wir entwickeln effiziente Übertragungstechniken mittels Beamforming, welche auf dem Signal-zu-Verlust-und-Rausch-Verhältnis (signal to leakage plus noise ratio [SLNR]) aufbauen, um Unvollkommenheiten der HF-Schaltkreise auszugleichen. Zusätzlich 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

Intelligent Circuits and Systems

ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.　 This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering

Spatial diversity in MIMO communication systems with distributed or co-located antennas

The use of multiple antennas in wireless communication systems has gained much attention during the last decade. It was shown that such multiple-input multiple-output (MIMO) systems offer huge advantages over single-antenna systems. Typically, quite restrictive assumptions are made concerning the spacing of the individual antenna elements. On the one hand, it is typically assumed that the antenna elements at transmitter and receiver are co-located, i.e., they belong to some sort of antenna array. On the other hand, it is often assumed that the antenna spacings are sufficiently large, so as to justify the assumption of independent fading. In this thesis, the above assumptions are relaxed. In the first part, it is shown that MIMO systems with distributed antennas and MIMO systems with co-located antennas can be treated in a single, unifying framework. In the second part this fact is utilized, in order to develop appropriate transmit power allocation strategies for co-located and distributed MIMO systems. Finally, the third part focuses on specific synchronization problems that are of interest for distributed MIMO systems

Cyber Security and Critical Infrastructures 2nd Volume

The second volume of the book contains the manuscripts that were accepted for publication in the MDPI Special Topic "Cyber Security and Critical Infrastructure" after a rigorous peer-review process. Authors from academia, government and industry contributed their innovative solutions, consistent with the interdisciplinary nature of cybersecurity. The book contains 16 articles, including an editorial that explains the current challenges, innovative solutions and real-world experiences that include critical infrastructure and 15 original papers that present state-of-the-art innovative solutions to attacks on critical systems

Using MapReduce Streaming for Distributed Life Simulation on the Cloud

Distributed software simulations are indispensable in the study of large-scale life models but often require the use of technically complex lower-level distributed computing frameworks, such as MPI. We propose to overcome the complexity challenge by applying the emerging MapReduce (MR) model to distributed life simulations and by running such simulations on the cloud. Technically, we design optimized MR streaming algorithms for discrete and continuous versions of Conway’s life according to a general MR streaming pattern. We chose life because it is simple enough as a testbed for MR’s applicability to a-life simulations and general enough to make our results applicable to various lattice-based a-life models. We implement and empirically evaluate our algorithms’ performance on Amazon’s Elastic MR cloud. Our experiments demonstrate that a single MR optimization technique called strip partitioning can reduce the execution time of continuous life simulations by 64%. To the best of our knowledge, we are the first to propose and evaluate MR streaming algorithms for lattice-based simulations. Our algorithms can serve as prototypes in the development of novel MR simulation algorithms for large-scale lattice-based a-life models.https://digitalcommons.chapman.edu/scs_books/1014/thumbnail.jp

Safety and Reliability - Safe Societies in a Changing World

The contributions cover a wide range of methodologies and application areas for safety and reliability that contribute to safe societies in a changing world. These methodologies and applications include: - foundations of risk and reliability assessment and management - mathematical methods in reliability and safety - risk assessment - risk management - system reliability - uncertainty analysis - digitalization and big data - prognostics and system health management - occupational safety - accident and incident modeling - maintenance modeling and applications - simulation for safety and reliability analysis - dynamic risk and barrier management - organizational factors and safety culture - human factors and human reliability - resilience engineering - structural reliability - natural hazards - security - economic analysis in risk managemen