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

Contributions to measurement-based dynamic MIMO channel modeling and propagation parameter estimation

Multiantenna (MIMO) transceivers are a key technology in emerging broadband wireless communication systems since they facilitate achieving the required high data rates and reliability. In order to develop and study the performance of MIMO systems, advanced channel modeling that captures also the spatial characteristics of the radio wave propagation is required. This thesis introduces several contributions in the area of measurement-based modeling of wireless MIMO propagation channels. Measurement based modeling provides realistic characterization of the space, time and frequency dependency of the physical layer for both MIMO transceiver design and network planning. The focus in this thesis is on modeling and parametric estimation of mobile MIMO radio propagation channels. First, an overview of MIMO channel modeling approaches is given. A hybrid model for characterizing the spatio-temporal structure of measured MIMO channels consisting of a superposition of double-directional, specular-like propagation paths, and a stochastic process describing the diffuse scattering is formulated. State-space modeling approach is introduced in order to capture the dynamic channel properties from mobile channel sounding measurements. Extended Kalman filter (EKF) is employed for the sequential estimation problem and also statistical hypothesis testing for adjusting the model order are introduced. Due to the improved dynamic model of the mobile radio channel, the EKF approach outperforms maximum likelihood (ML) based batch solutions both in terms of lower estimation error as well as computational complexity. Finally, tensor representation for modeling multidimensional MIMO channels is considered and a novel sequential unfolding SVD (SUSVD) tensor decomposition is introduced. The SUSVD is an orthogonal tensor decomposition having several important applications in signal processing. The advantages of applying the SUSVD instead of other well known tensor models such as parallel factorization and Tucker-models, are illustrated using application examples in channel sounding data processing

Statistical signal processing of nonstationary tensor-valued data

Real-world signals, such as the evolution of three-dimensional vector fields over time, can exhibit highly structured probabilistic interactions across their multiple constitutive dimensions. This calls for analysis tools capable of directly capturing the inherent multi-way couplings present in such data. Yet, current analyses typically employ multivariate matrix models and their associated linear algebras which are agnostic to the global data structure and can only describe local linear pairwise relationships between data entries. To address this issue, this thesis uses the property of linear separability -- a notion intrinsic to multi-dimensional data structures called tensors -- as a linchpin to consider the probabilistic, statistical and spectral separability under one umbrella. This helps to both enhance physical meaning in the analysis and reduce the dimensionality of tensor-valued problems. We first introduce a new identifiable probability distribution which appropriately models the interactions between random tensors, whereby linear relationships are considered between tensor fibres as opposed to between individual entries as in standard matrix analysis. Unlike existing models, the proposed tensor probability distribution formulation is shown to yield a unique maximum likelihood estimator which is demonstrated to be statistically efficient. Both matrices and vectors are lower-order tensors, and this gives us a unique opportunity to consider some matrix signal processing models under the more powerful framework of multilinear tensor algebra. By introducing a model for the joint distribution of multiple random tensors, it is also possible to treat random tensor regression analyses and subspace methods within a unified separability framework. Practical utility of the proposed analysis is demonstrated through case studies over synthetic and real-world tensor-valued data, including the evolution over time of global atmospheric temperatures and international interest rates. Another overarching theme in this thesis is the nonstationarity inherent to real-world signals, which typically consist of both deterministic and stochastic components. This thesis aims to help bridge the gap between formal probabilistic theory of stochastic processes and empirical signal processing methods for deterministic signals by providing a spectral model for a class of nonstationary signals, whereby the deterministic and stochastic time-domain signal properties are designated respectively by the first- and second-order moments of the signal in the frequency domain. By virtue of the assumed probabilistic model, novel tests for nonstationarity detection are devised and demonstrated to be effective in low-SNR environments. The proposed spectral analysis framework, which is intrinsically complex-valued, is facilitated by augmented complex algebra in order to fully capture the joint distribution of the real and imaginary parts of complex random variables, using a compact formulation. Finally, motivated by the need for signal processing algorithms which naturally cater for the nonstationarity inherent to real-world tensors, the above contributions are employed simultaneously to derive a general statistical signal processing framework for nonstationary tensors. This is achieved by introducing a new augmented complex multilinear algebra which allows for a concise description of the multilinear interactions between the real and imaginary parts of complex tensors. These contributions are further supported by new physically meaningful empirical results on the statistical analysis of nonstationary global atmospheric temperatures.Open Acces