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

大規模低遅延通信のためのグラントフリー非直交多元接続

電気通信大学202

Advanced signal processing concepts for multi-dimensional communication systems

Die weit verbreitete Nutzung von mobilem Internet und intelligenten Anwendungen hat zu einem explosionsartigen Anstieg des mobilen Datenverkehrs geführt. Mit dem Aufstieg von intelligenten Häusern, intelligenten Gebäuden und intelligenten Städten wächst diese Nachfrage ständig, da zukünftige Kommunikationssysteme die Integration mehrerer Netzwerke erfordern, die verschiedene Sektoren, Domänen und Anwendungen bedienen, wie Multimedia, virtuelle oder erweiterte Realität, Machine-to-Machine (M2M) -Kommunikation / Internet of Things (IoT), Automobilanwendungen und vieles mehr. Daher werden die Kommunikationssysteme zukünftig nicht nur eine drahtlose Verbindung über Gbps bereitstellen müssen, sondern auch andere Anforderungen erfüllen müssen, wie z. B. eine niedrige Latenzzeit und eine massive Maschinentyp-Konnektivität, während die Dienstqualität sichergestellt wird. Ohne bedeutende technologische Fortschritte zur Erhöhung der Systemkapazität wird die bestehende Telekommunikationsinfrastruktur diese mehrdimensionalen Anforderungen nicht unterstützen können. Dies stellt eine wichtige Forderung nach geeigneten Wellenformen und Signalverarbeitungslösungen mit verbesserten spektralen Eigenschaften und erhöhter Flexibilität dar. Aus der Spektrumsperspektive werden zukünftige drahtlose Netzwerke erforderlich sein, um mehrere Funkbänder auszunutzen, wie zum Beispiel niedrigere Frequenzbänder (typischerweise mit Frequenzen unter 10 GHz), mm-Wellenbänder (einige hundert GHz höchstens) und THz-Bänder. Viele alternative Technologien wie Optical Wireless Communication (OWC), dynamische Funksysteme und zellulares Radar sollten ebenfalls untersucht werden, um ihr wahres Potenzial abzuschätzen. Insbesondere bietet OWC ein großes, aber noch nicht genutztes optisches Band im sichtbaren Spektrum, das Licht als Mittel zur Informationsübertragung nutzt. Daher können zukünftige Kommunikationssysteme als zusammengesetzte Hybridnetzwerke angesehen werden, die aus einer Anzahl von verschiedenen drahtlosen Netzwerken bestehen, die auf Funk und optischem Zugang basieren. Auf der anderen Seite ist es eine große Herausforderung, fortschrittliche Signalverarbeitungslösungen für mehrere Bereiche von Kommunikationssystemen zu entwickeln. Diese Arbeit trägt zu diesem Ziel bei, indem sie Methoden für die Suche nach effizienten algebraischen Lösungen für verschiedene Anwendungen der digitalen Mehrkanal-Signalverarbeitung demonstriert. Insbesondere tragen wir zu drei verschiedenen Anwendungsgebieten bei, d.h. Wellenformen, optischen drahtlosen Systemen und mehrdimensionaler Signalverarbeitung. Gegenwärtig ist das Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing (CP-OFDM) die weit verbreitete Multitragetechnik für die meisten Kommunikationssysteme. Um jedoch die CP-OFDM-Nachteile in Bezug auf eine schlechte spektrale Eingrenzung, Robustheit in hoch asynchronen Umgebungen und Unflexibilität der Parameterwahl zu überwinden, wurden viele alternative Wellenformen vorgeschlagen. Solche Mehrfachträgerwellenformen umfassen einen Filter bank Multicarrier (FBMC), ein Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM), einen Universal Filter Multicarrier (UFMC) und ein Unique Word Orthogonal Orthogonal Frequency Division Multiplexing (UW-OFDM). Diese neuen Luftschnittstellenschemata verwenden verschiedene Ansätze, um einige der inhärenten Mängel bei CP-OFDM zu überwinden. Einige dieser Wellenformen wurden gut untersucht, während andere sich noch in den Kinderschuhen befinden. Insbesondere die Integration von Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) -Konzepten mit UW-OFDM und UFMC befindet sich noch in einem frühen Forschungsstadium. Daher schlagen wir im ersten Teil dieser Arbeit neuartige lineare und sukzessive Interferenzunterdrückungstechniken für MIMO UW-OFDM-Systeme vor. Das Design dieser Techniken zielt darauf ab, Empfänger mit einer geringen Rechenkomplexität zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendbarkeit von Space-Time Block Codes (STBCs) auf UW-OFDM und UFMC-Wellenformen. Zu diesem Zweck stellen wir neue Techniken zusammen mit Detektionsverfahren vor. Wir vergleichen auch die Leistung dieser Wellenformen mit unseren vorgeschlagenen Techniken mit den anderen Wellenformen des Standes der Technik, die in der Literatur vorgeschlagen wurden. Wir zeigen, dass raumzeitblockierte UW-OFDM-Systeme mit den vorgeschlagenen Methoden nicht nur andere Wellenformen signifikant übertreffen, sondern auch zu Empfängern mit geringer Rechnerkomplexität führen. Der zweite Anwendungsbereich umfasst optische Systeme im sichtbaren Band (390-700 nm), die in Plastic Optical Fibers (POFs), Multimode-Fasern oder OWC-Systemen wie der Kommunikation über Visible Light Communication (VLC) verwendet werden können. VLC kann Lösungen für eine Reihe von Anwendungen anbieten, einschließlich drahtloser lokaler, persönlicher und Körperbereichsnetzwerke (WLAN, WPAN und WBANs), Innenlokalisierung und -navigation, Fahrzeugnetze, U-Bahn- und Unterwassernetze und bietet eine Reihe von Datenraten von wenigen Mbps zu 10 Gbps. VLC nutzt voll sichtbare Light Emitting Diodes (LEDs) für den doppelten Zweck der Beleuchtung und Datenkommunikation bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Daher verwenden solche Systeme Intensitätsmodulation und Direct Detection (IM / DD), wodurch gefordert wird, dass das Sendesignal reellwertig und positiv sein sollte. Dies impliziert auch, dass die herkömmlichen Wellenformen, die für die Radio Frequency (RF) Kommunikation ausgelegt sind, nicht direkt verwendet werden können. Zum Beispiel muss eine hermetische Symmetrie auf das CP-OFDM angewendet werden, um ein reellwertiges Signal zu erhalten (oft als Discrete Multitone Transmission (DMT) bezeichnet), das im Gegenzug die Bandbreiteneffizienz verringert. Darüber hinaus begrenzt die LED / LED-Treiberkombination die elektrische Bandbreite. Alle diese Faktoren erfordern die Verwendung spektral effizienter Übertragungsverfahren zusammen mit robusten Entzerrungsschemata, um hohe Datenraten zu erzielen. Deshalb schlagen wir im zweiten Teil der Arbeit Übertragungsverfahren vor, die für solche optischen Systeme am besten geeignet sind. Insbesondere demonstrieren wir die Leistung der PAM-Blockübertragung mit Frequenzbereichsausgleich. Wir zeigen, dass dieses Schema nicht nur leistungsstärker ist, sondern auch alle modernen Verfahren wie CP-DMT-Schemata übertrifft. Wir schlagen auch neue UW-DMT-Schemata vor, die vom UW-OFDM-Konzept abgeleitet sind. Diese Schemata zeigen auch ein sehr überlegenes Bitfehlerverhältnis (BER) -Performance gegenüber den herkömmlichen CP-DMT-Schemata. Der dritte Anwendungsbereich konzentriert sich auf mehrdimensionale Signalverarbeitungstechniken. Bei der Verwendung von MIMO, STBCs, Mehrbenutzerverarbeitung und Mehrträgerwellenformen bei der drahtlosen Kommunikation ist das empfangene Signal mehrdimensional und kann eine multilineare Struktur aufweisen. In diesem Zusammenhang können Signalverarbeitungstechniken, die auf einem Tensor-Modell basieren, gleichzeitig von mehreren Formen von Diversität profitieren, um Mehrbenutzer-Signaltrennung / -entzerrung und Kanalschätzung durchzuführen. Dieser Vorteil ist eine direkte Konsequenz der Eigenschaft der wesentlichen Eindeutigkeit, die für matrixbasierte Ansätze nicht verfügbar ist. Tensor-Zerlegung wie die Higher Order Singular Value Decomposition (HOSVD) und die Canonical Polyadic Decomposition (CPD) werden weithin zur Durchführung dieser Aufgaben empfohlen. Die Leistung dieser Techniken wird oft mit zeitraubenden Monte-Carlo-Versuchen bewertet. Im letzten Teil der Arbeit führen wir eine Störungsanalyse erster Ordnung dieser Tensor-Zerlegungsmethoden durch. Insbesondere führen wir eine analytische Performanceanalyse des Semi-algebraischen Frameworks für approximative Canonical polyadic decompositions Simultaneous matrix diagonalizations (SECSI) durch. Das SECSI-Framework ist ein effizientes Werkzeug zur Berechnung der CPD eines rauscharmen Tensor mit niedrigem Rang. Darüber hinaus werden die erhaltenen analytischen Ausdrücke in Bezug auf die Momente zweiter Ordnung des Rauschens formuliert, so dass abgesehen von einem Mittelwert von Null keine Annahmen über die Rauschstatistik erforderlich sind. Wir zeigen, dass die abgeleiteten analytischen Ergebnisse eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den Monte-Carlo-Simulationen zeigen.The widespread use of mobile internet and smart applications has led to an explosive growth in mobile data traffic. With the rise of smart homes, smart buildings, and smart cities, this demand is ever growing since future communication systems will require the integration of multiple networks serving diverse sectors, domains and applications, such as multimedia, virtual or augmented reality, machine-to-machine (M2M) communication / the Internet of things (IoT), automotive applications, and many more. Therefore, in the future, the communication systems will not only be required to provide Gbps wireless connectivity but also fulfil other requirements such as low latency and massive machine type connectivity while ensuring the quality of service. Without significant technological advances to increase the system capacity, the existing telecommunications infrastructure will be unable to support these multi-dimensional requirements. This poses an important demand for suitable waveforms with improved spectral characteristics and signal processing solutions with an increased flexibility. Moreover, future wireless networks will be required to exploit several frequency bands, such as lower frequency bands (typically with frequencies below 10 GHz), mm-wave bands (few hundred GHz at the most), and THz bands. Many alternative technologies such as optical wireless communication (OWC), dynamic radio systems, and cellular radar should also be investigated to assess their true potential. Especially, OWC offers large but yet unexploited optical band in the visible spectrum that uses light as a means to carry information. Therefore, future communication systems can be seen as composite hybrid networks that consist of a number of different wireless networks based on radio and optical access. On the other hand, it poses a significant challenge to come up with advanced signal processing solutions in multiple areas of communication systems. This thesis contributes to this goal by demonstrating methods for finding efficient algebraic solutions to various applications of multi-channel digital signal processing. In particular, we contribute to three different scientific fields, i.e., waveforms, optical wireless systems, and multi-dimensional signal processing. Currently, cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing (CP-OFDM) is the widely adopted multicarrier technique for most of the communication systems. However, to overcome the CP-OFDM demerits in terms of poor spectral containment, poor robustness in highly asynchronous environments, and inflexibility of parameter choice, and many alternative waveforms have been proposed. Such multicarrier waveforms include filter bank multicarrier (FBMC), generalized frequency division multiplexing (GFDM), universal filter multicarrier (UFMC), and unique word orthogonal frequency division multiplexing (UW-OFDM). These new air interface schemes take different approaches to overcome some of the inherent deficiencies in CP-OFDM. Some of these waveforms have been well investigated while others are still in its infancy. Specifically, the integration of multiple-input multiple-output (MIMO) concepts with UW-OFDM and UFMC is still at an early stage of research. Therefore, in the first part of this thesis, we propose novel linear and successive interference cancellation techniques for MIMO UW-OFDM systems. The design of these techniques is aimed to result in receivers with a low computational complexity. Another focus area is the applicability of space-time block codes (STBCs) to UW-OFDM and UFMC waveforms. For this purpose, we present novel techniques along with detection procedures. We also compare the performance of these waveforms with our proposed techniques to the other state-of-the-art waveforms that has been proposed in the literature. We demonstrate that space-time block coded UW-OFDM systems with the proposed methods not only outperform other waveforms significantly but also results in receivers with a low computational complexity. The second application area comprises of optical systems in the visible band (390-700 nm) that can be utilized in plastic optical fibers (POFs), multimode fibers or OWC systems such as visible light communication (VLC). VLC can provide solutions for a number of applications including wireless local, personal, and body area networks (WLAN, WPAN, and WBANs), indoor localization and navigation, vehicular networks, underground and underwater networks, offering a range of data rates from a few Mbps to 10 Gbps. VLC takes full advantage of visible light emitting diodes (LEDs) for the dual purpose of illumination and data communications at very high speeds. Because of the incoherent nature of the LED sources, such systems employ intensity modulation and direct detection (IM/DD), thus demanding that the transmit signal should be real-valued and positive. This also implies that the conventional waveforms designed for the radio frequency (RF) communication cannot be directly used. For example, a Hermitian symmetry has to be applied to the CP-OFDM spectrum to obtain a real-valued signal (often referred to as discrete multitone transmission (DMT)) that in return reduces the bandwidth efficiency. Moreover, the LED/LED driver combination limits the electrical bandwidth. All these factors require the use of spectrally efficient transmission schemes along with robust equalization schemes to achieve high data rates. Therefore, in the second part of the thesis, we propose transmission schemes that are best suited for such optical systems. Specifically, we demonstrate the performance of PAM block transmission with frequency domain equalization. We show that this scheme is not only more power efficient but also outperforms all of the state-of-the-art schemes such as CP-DMT schemes. We also propose novel UW-DMT schemes that are derived from the UW-OFDM concept. These schemes also show a much superior bit error ratio (BER) performance over the conventional CP-DMT schemes. The third application area focuses on multi-dimensional signal processing techniques. With the use of MIMO, STBCs, multi-user processing, and multicarrier waveforms in wireless communications, the received signal is multidimensional in nature and may exhibit a multilinear structure. In this context, signal processing techniques based on a tensor model can simultaneously benefit from multiple forms of diversity to perform multi-user signal separation/equalization and channel estimation. This advantage is a direct consequence of the essential uniqueness property that is not available for matrix based approaches. Tensor decompositions such as the higher order singular value decomposition (HOSVD) and the canonical polyadic decomposition (CPD) are widely recommended for performing these tasks. The performance of these techniques is often evaluated using time consuming Monte-Carlo trials. In the last part of the thesis, we perform a first-order perturbation analysis of the truncated HOSVD and the Semi-algebraic framework for approximate Canonical polyadic decompositions via Simultaneous matrix diagonalizations (SECSI). The SECSI framework is an efficient tool for the computation of the approximate CPD of a low-rank noise corrupted tensor. Especially, the SECSI framework shows a much improved performance and comparatively low-complexity as compared to the conventional algorithms such as alternative least squares (ALS). Moreover, it also facilitates the implementation on a parallel hardware architecture. The obtained analytical expressions for both algorithms are formulated in terms of the second-order moments of the noise, such that apart from a zero-mean, no assumptions on the noise statistics are required. We demonstrate that the derived analytical results exhibit an excellent match to the Monte-Carlo simulations

Compressive Acquisition and Processing of Sparse Analog Signals

Since the advent of the first digital processing units, the importance of digital signal processing has been steadily rising. Today, most signal processing happens in the digital domain, requiring that analog signals be first sampled and digitized before any relevant data can be extracted from them. The recent explosion of the demands for data acquisition, storage and processing, however, has pushed the capabilities of conventional acquisition systems to their limits in many application areas. By offering an alternative view on the signal acquisition process, ideas from sparse signal processing and one of its main beneficiaries compressed sensing (CS), aim at alleviating some of these problems. In this thesis, we look into the ways the application of a compressive measurement kernel impacts the signal recovery performance and investigate methods to infer the current signal complexity from the compressive observations. We then study a particular application, namely that of sub-Nyquist sampling and processing of sparse analog multiband signals in spectral, angular and spatial domains.Seit dem Aufkommen der ersten digitalen Verarbeitungseinheiten hat die Bedeutung der digitalen Signalverarbeitung stetig zugenommen. Heutzutage findet die meiste Signalverarbeitung im digitalen Bereich statt, was erfordert, dass analoge Signale zuerst abgetastet und digitalisiert werden, bevor relevante Daten daraus extrahiert werden können. Jahrzehntelang hat die herkömmliche äquidistante Abtastung, die durch das Nyquist-Abtasttheorem bestimmt wird, zu diesem Zweck ein nahezu universelles Mittel bereitgestellt. Der kürzliche explosive Anstieg der Anforderungen an die Datenerfassung, -speicherung und -verarbeitung hat jedoch die Fähigkeiten herkömmlicher Erfassungssysteme in vielen Anwendungsbereichen an ihre Grenzen gebracht. Durch eine alternative Sichtweise auf den Signalerfassungsprozess können Ideen aus der sparse Signalverarbeitung und einer ihrer Hauptanwendungsgebiete, Compressed Sensing (CS), dazu beitragen, einige dieser Probleme zu mindern. Basierend auf der Annahme, dass der Informationsgehalt eines Signals oft viel geringer ist als was von der nativen Repräsentation vorgegeben, stellt CS ein alternatives Konzept für die Erfassung und Verarbeitung bereit, das versucht, die Abtastrate unter Beibehaltung des Signalinformationsgehalts zu reduzieren. In dieser Arbeit untersuchen wir einige der Grundlagen des endlichdimensionalen CSFrameworks und seine Verbindung mit Sub-Nyquist Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Signalen. Obwohl es seit mehr als einem Jahrzehnt ein Schwerpunkt aktiver Forschung ist, gibt es noch erhebliche Lücken beim Verständnis der Auswirkungen von komprimierenden Ansätzen auf die Signalwiedergewinnung und die Verarbeitungsleistung, insbesondere bei rauschbehafteten Umgebungen und in Bezug auf praktische Messaufgaben. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie sich die Anwendung eines komprimierenden Messkerns auf die Signal- und Rauschcharakteristiken auf die Signalrückgewinnungsleistung auswirkt. Wir erforschen auch Methoden, um die aktuelle Signal-Sparsity-Order aus den komprimierten Messungen abzuleiten, ohne auf die Nyquist-Raten-Verarbeitung zurückzugreifen, und zeigen den Vorteil, den sie für den Wiederherstellungsprozess bietet. Nachdem gehen wir zu einer speziellen Anwendung, nämlich der Sub-Nyquist-Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Multibandsignalen. Innerhalb des Sub-Nyquist-Abtastung untersuchen wir drei verschiedene Multiband-Szenarien, die Multiband-Sensing in der spektralen, Winkel und räumlichen-Domäne einbeziehen.Since the advent of the first digital processing units, the importance of digital signal processing has been steadily rising. Today, most signal processing happens in the digital domain, requiring that analog signals be first sampled and digitized before any relevant data can be extracted from them. For decades, conventional uniform sampling that is governed by the Nyquist sampling theorem has provided an almost universal means to this end. The recent explosion of the demands for data acquisition, storage and processing, however, has pushed the capabilities of conventional acquisition systems to their limits in many application areas. By offering an alternative view on the signal acquisition process, ideas from sparse signal processing and one of its main beneficiaries compressed sensing (CS), have the potential to assist alleviating some of these problems. Building on the premise that the signal information rate is often much lower than what is dictated by its native representation, CS provides an alternative acquisition and processing framework that attempts to reduce the sampling rate while preserving the information content of the signal. In this thesis, we explore some of the basic foundations of the finite-dimensional CS framework and its connection to sub-Nyquist sampling and processing of sparse continuous analog signals with application to multiband sensing. Despite being a focus of active research for over a decade, there still remain signi_cant gaps in understanding the implications that compressive approaches have on the signal recovery and processing performance, especially against noisy settings and in relation to practical sampling problems. This dissertation aims at filling some of these gaps. More specifically, we look into the ways the application of a compressive measurement kernel impacts signal and noise characteristics and the relation it has to the signal recovery performance. We also investigate methods to infer the current complexity of the signal scene from the reduced-rate compressive observations without resorting to Nyquist-rate processing and show the advantage this knowledge offers to the recovery process. Having considered some of the universal aspects of compressive systems, we then move to studying a particular application, namely that of sub-Nyquist sampling and processing of sparse analog multiband signals. Within the sub-Nyquist sampling framework, we examine three different multiband scenarios that involve multiband sensing in spectral, angular and spatial domains. For each of them, we provide a sub-Nyquist receiver architecture, develop recovery methods and numerically evaluate their performance

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

The Fifteenth Marcel Grossmann Meeting

The three volumes of the proceedings of MG15 give a broad view of all aspects of gravitational physics and astrophysics, from mathematical issues to recent observations and experiments. The scientific program of the meeting included 40 morning plenary talks over 6 days, 5 evening popular talks and nearly 100 parallel sessions on 71 topics spread over 4 afternoons. These proceedings are a representative sample of the very many oral and poster presentations made at the meeting.Part A contains plenary and review articles and the contributions from some parallel sessions, while Parts B and C consist of those from the remaining parallel sessions. The contents range from the mathematical foundations of classical and quantum gravitational theories including recent developments in string theory, to precision tests of general relativity including progress towards the detection of gravitational waves, and from supernova cosmology to relativistic astrophysics, including topics such as gamma ray bursts, black hole physics both in our galaxy and in active galactic nuclei in other galaxies, and neutron star, pulsar and white dwarf astrophysics. Parallel sessions touch on dark matter, neutrinos, X-ray sources, astrophysical black holes, neutron stars, white dwarfs, binary systems, radiative transfer, accretion disks, quasars, gamma ray bursts, supernovas, alternative gravitational theories, perturbations of collapsed objects, analog models, black hole thermodynamics, numerical relativity, gravitational lensing, large scale structure, observational cosmology, early universe models and cosmic microwave background anisotropies, inhomogeneous cosmology, inflation, global structure, singularities, chaos, Einstein-Maxwell systems, wormholes, exact solutions of Einstein's equations, gravitational waves, gravitational wave detectors and data analysis, precision gravitational measurements, quantum gravity and loop quantum gravity, quantum cosmology, strings and branes, self-gravitating systems, gamma ray astronomy, cosmic rays and the history of general relativity