Advanced multi-dimensional signal processing for wireless systems

Die florierende Entwicklung der drahtlosen Kommunikation erfordert innovative und fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen, die auf eine verbesserte Performance hinsichtlich der Zuverlässigkeit, des Durchsatzes, der Effizienz und weiterer Faktoren abzielen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Lösung dieser Herausforderungen und präsentiert neue und faszinierende Fortschritte, um diesen Herausforderungen zu erfüllen. Hauptsächlich konzentrieren wir uns auf zwei innovative Aspekte der mehrdimensionalen Signalverarbeitung für drahtlose Systeme, denen in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit in der Forschung geschenkt wurde. Das sind Mehrträgerverfahren für Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Systeme und die mehrdimensionale harmonische Schätzung (Harmonic Retrieval). Da es sich bei MIMO-Systemen und Mehrträgerverfahren um Schlüsseltechnologien der drahtlosen Kommunikation handelt, sind ihre zahlreichen Vorteile seit langem bekannt und haben ein großes Forschungsinteresse geweckt. Zu diesen Vorteilen zählen zum Beispiel die Steigerung der Datenrate und die Verbesserung der Verbindungszuverlässigkeit. Insbesondere OFDM-basierte MIMO Downlink Systeme für mehrere Teilnehmer (Multi-User MIMO Downlink Systems), die durch SDMA (Space-Division Multiple Access) getrennt werden, kombinieren die Vorteile von MIMO-Systemen mit denen von Mehrträger-Modulationsverfahren. Sie sind wesentliche Elemente des IEEE 802.11ac Standards und werden ebenfalls für 5G (die fünfte Mobilfunkgeneration) ausschlaggebend sein. Obwohl die bisherigen Arbeiten über das Precoding (Vorcodierung) für solche Multi-User MIMO Downlink Systeme schon fruchtbare Ergebnisse zeigten, werden neue Fortschritte benötigt, die den Mehrträger-Charakter des Systems in einer effizienteren Weise ausnutzen oder auf eine höhere spektrale Effizienz des Gesamtsystems abzielen. Andererseits gilt die Filterbank-basierte Mehrträger Modulation (Filter Bank-based Multi-Carrier modulation, FBMC) mit einem gut konzentrierten Spektrum und einer somit niedrigen Out-of-band Leackage als eine vielversprechende Alternative zu OFDM. FBMC ermöglicht eine effiziente Nutzung von Fragmenten im Frequenzspektrums, z. B. in 5G oder Breitband Professional Mobile Radio (PMR) Netzwerken. Jedoch leiden die vorhandenen Verfahren zur Sende- und-Empfangs-Verarbeitung für FBMC-basierte MIMO Systeme unter Einschränkungen in Bezug auf mehrere Aspekte, wie z. B. der erlaubten Dimensionalität des Systems und der zulässigen Frequenzselektivität des Kanals. Die Formen der MIMO Einstellungen, die in der Literatur untersucht wurden, sind noch begrenzt auf MIMO-Systeme für einzelne Teilnehmer und vereinfachte Multi-User MIMO Systeme. Fortschrittlichere Techniken sind daher erforderlich, die diese Einschränkungen der existierenden Verfahren aufheben. MIMO-Szenarien, die weniger Einschränkungen unterliegen, müssen außerdem untersucht werden, um die Vorteile von FBMC zu weiter herauszuarbeiten. Im Rahmen der mehrdimensionalen harmonischen Schätzung (Harmonic Retrieval) hat sich gezeigt, dass eine höhere Genauigkeit bei der Schätzung durch Tensoren erreicht werden kann. Das liegt daran, dass die Darstellung mehrdimensionaler Signale mit Tensoren eine natürlichere Beschreibung und eine gute Ausnutzung ihrer mehrdimensionalen Struktur erlaubt, z. B. für die Modellordnungsschätzung und die Unterraumschätzung. Wichtige offene Themen umfassen die statistische Robustheit und wie man die Schätzung in zeitlich variierenden Szenarien adaptiv gestalten kann. In Teil I dieser Arbeit präsentieren wir zunächst eine effiziente und flexible Übertragungsstrategie für OFDM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme. Sie besteht aus einer räumlichen Scheduling-Methode, der effizienten Mehrträger ProSched (Efficient Multi-Carrier ProSched, EMC-ProSched) Erweiterung mit einer effektiven Scheduling-Metrik, die auf Mehrträger-Systeme zugeschnitten wird. Weiterhin werden zwei neuartige Precoding Algorithmen vorgestellt, die lineare Precoding-basierte geometrische Mittelwert-Zerlegung (Linear Precoding-based Geometric Mean Decomposition, LP-GMD) und ein Coordinated Beamforming Algorithmus geringer Komplexität (Low Complexity Coordinated Beamforming, LoCCoBF). Diese beiden neuen Precoding-Verfahren können flexibel entsprechend den Abmessungen des Systems gewählt werden. Wir entwickeln auch einen System Level-Simulator, in dem die Parameter für das Link-to-System Level Interface kalibriert werden können. Diese Kalibrierung ist Standard-spezifisch, z. B. kann der Standard IEEE 802.11ac gewählt werden. Numerische Ergebnisse zeigen, dass diese Übertragungsstrategie Scheduling Fairness garantiert, einen weitaus höheren Durchsatz als die existierenden Verfahren erzielt, eine geringere Komplexität besitzt und nur einen geringen Signalisierungsoverhead erfordert. Der Schwerpunkt des Rests von Teil I bilden MIMO Systeme basierend auf Filter Bank-basierten Mehrträger-Verfahren mit Offset Quadrature Amplitude Modulation (FBMC/OQAM). Es wird ein umfassender Überblick über FBMC gegeben. Nachfolgend werden für verschiedene FBMC/OQAM-basierte MIMO Varianten neue Verfahren zur Sende- und Empfangs-Verarbeitung entwickelt, die unterschiedliche Grade von Frequenz-Selektivität des Kanals voraussetzen. Zunächst wird die Verwendung von weitgehend linearer Verarbeitung (widely linear processing) untersucht. Ein Zwei-Schritt-Empfänger wird für FBMC/OQAM-basierte MIMO Systeme mit einzelnen Teilnehmern entwickelt. Hierbei ist die Frequenz-Selektivität des Kanals niedrig. Verglichen mit linearen MMSE-Empfänger ist die Leistung des Zwei-Schritt-Empfängers viel besser. Das Grundprinzip dieser Zwei-Schritt-Empfänger ist zuerst die Verringerung der intrinsischen Interferenz, um die Ausnutzung von nicht-zirkulären Signalen zu ermöglichen. Es motiviert weitere Studien über weitgehend lineare Verfahren für FBMC/OQAM-basierte Systeme. Darüber hinaus werden zwei Coordinated Beamforming-Algorithmen für FBMC/OQAM-basierte MIMO Systeme mit einzelnen Teilnehmern entwickelt. Sie verzichten auf die Einschränkung der Dimensionalität der bestehenden Methode, bei der die Anzahl der Sendeantennen größer als die Anzahl der Empfangsantennen sein muss. Der Kanal auf jedem Träger wird als flacher Schwund (Flat Fading) modelliert, was einer Klassifizierung als „intermediate frequency selective channel“ entspricht. Unter der Kenntnis der Kanalzustandsinformation am Sender (Channel-State-Information at the Transmitter, CSIT) basiert die Vorcodierung entweder auf einem Zero Forcing (ZF) Kriterium oder auf der Maximierung der Signal-to-Leackage-plus-Noise-Ratio (SLNR). Die Vorcodierungsvektoren und die Empfangsvektoren werden gemeinsam und iterativ berechnet. Daher führen die zwei Coordinated Beamforming-Algorithmen zu einer wirksamen Verringerung der intrinsischen Interferenz in FBMC/OQAM-basierten Systemen. Die Vorteile der Coordinated Beamforming-Konzepte werden in FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme und koordinierte Mehrpunktverbindung (Coordinated Multi-Point, CoMP-Konzepte) eingebracht. Dafür werden drei intrinsische Interferenz mildernde koordinierte Beamforming-Verfahren (Intrinsic Interference Mitigating Coordinated Beamforming, IIM-CBF) vorgeschlagen. Die ersten beiden IIM-CBF Algorithmen werden für die FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Varianten mit unterschiedlichen Dimensionen entwickelt. Es wird gezeigt, dass diese Verfahren zu einer Abschwächung der Multi-User-Interferenz (MUI) sowie einer Verringerung der intrinsischen Interferenz führen. Bei der dritten IIM-CBF Methode wird ein neuartiges FBMC/OQAM-basiertes-CoMP Konzept vorgestellt. Dieses wird durch die gemeinsame Übertragung von benachbarten Zellen zu Teilnehmern, die sich am Zellenrand befinden, ermöglicht, um den Daten-Durchsatz am Zellenrand zu erhöhen. Die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Algorithmen wird durch umfangreiche numerische Simulationen evaluiert. Das Konvergenzverhalten wird untersucht sowie das Thema der Komplexität angesprochen. Außerdem wird die geringere Anfälligkeit von FBMC verglichen mit OFDM gegenüber Frequenzsynchronisationsfehlern demonstriert. Darüber hinaus wird auf die FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme mit stark frequenzselektiven Kanälen eingegangen. Dafür werden Lösungen erarbeitet, die für die Unterdrückung der MUI, der Inter-Symbol Interferenz (ISI) sowie der Inter-Carrier Interferenz (ICI) anwendbar ist. Mehrere Kriterien der multi-tap Vorcodierung werden entwickelt, beispielsweise die Mean Squared Error (MSE) Minimierung sowie die Signal-to-Leakage-Ratio (SLR) und die SLNR Maximierung. An Endgeräten, die eine schwächere Rechenleistung besitzen als sie an der Basisstation vorhanden ist, wird dadurch nur ein single-tap Empfangsfilter benötigt. Teil II der Arbeit konzentriert sich auf die mehrdimensionale harmonische Schätzung (Harmonic Retrieval). Der Einbau von statistischer Robustheit in mehrdimensionale Modellordnungsschätzverfahren wird demonstriert.The thriving development of wireless communications calls for innovative and advanced signal processing techniques targeting at an enhanced performance in terms of reliability, throughput, robustness, efficiency, flexibility, etc.. This thesis addresses such a compelling demand and presents new and intriguing progress towards fulfilling it. We mainly concentrate on two advanced multi-dimensional signal processing challenges for wireless systems that have attracted tremendous research attention in recent years, multi-carrier Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems and multi-dimensional harmonic retrieval. As the key technologies of wireless communications, the numerous benefits of MIMO and multi-carrier modulation, e.g., boosting the data rate and improving the link reliability, have long been identified and have ignited great research interest. In particular, the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)-based multi-user MIMO downlink with Space-Division Multiple Access (SDMA) combines the twofold advantages of MIMO and multi-carrier modulation. It is the essential element of IEEE 802.11ac and will also be crucial for the fifth generation of wireless communication systems (5G). Although past investigations on scheduling and precoding design for multi-user MIMO downlink systems have been fruitful, new advances are desired that exploit the multi-carrier nature of the system in a more efficient manner or aim at a higher spectral efficiency. On the other hand, a Filter Bank-based Multi-Carrier modulation (FBMC) featuring a well-concentrated spectrum and thus a low out-of-band radiation is regarded as a promising alternative multi-carrier scheme to OFDM for an effective utilization of spectrum fragments, e.g., in 5G or broadband Professional Mobile Radio (PMR) networks. Unfortunately, the existing transmit-receive processing schemes for FBMC-based MIMO systems suffer from limitations in several aspects, e.g., with respect to the number of supported receive antennas (dimensionality constraint) and channel frequency selectivity. The forms of MIMO settings that have been investigated are still limited to single-user MIMO and simplified multi-user MIMO systems. More advanced techniques are therefore demanded to alleviate the constraints imposed on the state-of-the-art. More sophisticated MIMO scenarios are yet to be explored to further corroborate the benefits of FBMC. In the context of multi-dimensional harmonic retrieval, it has been demonstrated that a higher estimation accuracy can be achieved by using tensors to preserve and exploit the multidimensional nature of the data, e.g., for model order estimation and subspace estimation. Crucial pending topics include how to further incorporate statistical robustness and how to handle time-varying scenarios in an adaptive manner. In Part I of this thesis, we first present an efficient and flexible transmission strategy for OFDM-based multi-user MIMO downlink systems. It consists of a spatial scheduling scheme, efficient multi-carrier ProSched (EMC-ProSched), with an effective scheduling metric tailored for multi-carrier systems and two new precoding algorithms, linear precoding-based geometric mean decomposition (LP-GMD) and low complexity coordinated beamforming (LoCCoBF). These two new precoding schemes can be flexibly chosen according to the dimensions of the system. We also develop a system-level simulator where the parameters for the link-to-system level interface can be calibrated according to a certain standardization framework, e.g., IEEE 802.11ac. Numerical results show that the proposed transmission strategy, apart from guaranteeing the scheduling fairness and a small signaling overhead, achieves a much higher throughput than the state-of-the-art and requires a lower complexity. The remainder of Part I is dedicated to Filter Bank-based Multi-Carrier with Offset Quadrature Amplitude Modulation (FBMC/OQAM)-based MIMO systems. We begin with a thorough overview of FBMC. Then we present new transmit-receive processing techniques for FBMC/OQAM-based MIMO settings ranging from the single-user MIMO case to the Coordinated Multi-Point (CoMP) downlink considering various degrees of channel frequency selectivity. The use of widely linear processing is first investigated. A two-step receiver is designed for FBMC/OQAM-based point-to-point MIMO systems with low frequency selective channels. It exhibits a significant performance superiority over the linear MMSE receiver. The rationale in this two-step receiver is that the intrinsic interference is first mitigated to facilitate the exploitation of the non-circularity residing in the signals. It sheds light upon further studies on widely linear processing for FBMC/OQAM-based systems. Moreover, two coordinated beamforming algorithms are devised for FBMC/OQAM-based point-to-point MIMO systems to relieve the dimensionality constraint of existing schemes that the number of transmit antennas must be larger than the number of receive antennas. The channel on each subcarrier is assumed to be flat fading, which is categorized as the class of intermediate frequency selective channels. With the Channel State Information at the Transmitter (CSIT) known, the precoder designed based on a Zero Forcing (ZF) criterion or the maximization of the Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio (SLNR) is jointly and iteratively computed with the receiver, leading to an effective mitigation of the intrinsic interference inherent in FBMC/OQAM-based systems. The benefits of the coordinated beamforming concept are successfully translated into the FBMC/OQAM-based multi-user MIMO downlink and the CoMP downlink. Three intrinsic interference mitigating coordinated beamforming (IIM-CBF) schemes are developed. The first two IIM-CBF schemes are proposed for FBMC/OQAM-based multi-user MIMO downlink settings with different dimensions and are able to effectively suppress the Multi-User Interference (MUI) as well as the intrinsic interference. A novel FBMC/OQAM-based CoMP concept is established via the third IIM-CBF scheme which enables the joint transmission of adjacent cells to the cell edge users to combat the strong interference as well as the heavy path loss and to boost the cell edge throughput. The performance of the proposed algorithms is evaluated via extensive numerical simulations. Their convergence behavior is studied, and the complexity issue is also addressed. In addition, the stronger resilience of FBMC over OFDM against frequency misalignments is demonstrated. Furthermore, we cover the case of highly frequency selective channels and provide solutions to the very challenging task of suppressing the MUI, the Inter-Symbol Interference (ISI), as well as the Inter-Carrier Interference (ICI) and supporting per-user multi-stream transmissions. Several design criteria of the multi-tap precoders are devised including the Mean Squared Error (MSE) minimization as well as the Signal-to-Leakage-Ratio (SLR) and SLNR maximization. By rendering a larger computational load at the base station, only single-tap spatial receive filters are required at the user terminals with a weaker computational capability, which enhances the applicability of the proposed schemes in real-world multi-user MIMO downlink systems. Part II focuses on the context of multi-dimensional harmonic retrieval. We demonstrate the incorporation of statistical robustness into multi-dimensional model order estimation schemes by substituting the sample covariance matrices of the unfoldings of the measurement tensor with robust covariance estimates. It is observed that in the presence of a very severe contamination of the measurements due to brief sensor failures, the robustified tensor-based model order estimation schemes lead to a satisfactory estimation accuracy. This philosophy of introducing statistical robustness also inspires robust versions of parameter estimation algorithms. Last but not the least, we present a generic framework for Tensor-based subspace tracking via Kronecker-structured projections (TeTraKron) for time-varying multi-dimensional harmonic retrieval problems. It allows to extend arbitrary matrix-based subspace tracking schemes to track the tensor-based subspace estimate in an elegant and efficient manner. By including forward-backward-averaging, we show that TeTraKron can also be employed to devise real-valued tensor-based subspace tracking algorithms. Taking a few matrix-based subspace tracking approaches as an example, a remarkable improvement of the tracking accuracy is observed in case of the TeTraKron-based tensor extensions. The performance of ESPRIT-type parameter estimation schemes is also assessed where the subspace estimates obtained by the proposed TeTraKron-based subspace tracking algorithms are used. We observe that Tensor-ESPRIT combined with a tensor-based subspace tracking scheme significantly outperforms the combination of standard ESPRIT and the corresponding matrix-based subspace tracking method. These results open the way for robust multi-dimensional big data signal processing applications in time-varying environments

Joint transceiver design and power optimization for wireless sensor networks in underground mines

Avec les grands développements des technologies de communication sans fil, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré beaucoup d’attention dans le monde entier au cours de la dernière décennie. Les réseaux de capteurs sans fil sont maintenant utilisés pour a surveillance sanitaire, la gestion des catastrophes, la défense, les télécommunications, etc. De tels réseaux sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles et commerciales comme la surveillance des processus industriels et de l’environnement, etc. Un réseau WSN est une collection de transducteurs spécialisés connus sous le nom de noeuds de capteurs avec une liaison de communication distribuée de manière aléatoire dans tous les emplacements pour surveiller les paramètres. Chaque noeud de capteur est équipé d’un transducteur, d’un processeur de signal, d’une unité d’alimentation et d’un émetteur-récepteur. Les WSN sont maintenant largement utilisés dans l’industrie minière souterraine pour surveiller certains paramètres environnementaux, comme la quantité de gaz, d’eau, la température, l’humidité, le niveau d’oxygène, de poussière, etc. Dans le cas de la surveillance de l’environnement, un WSN peut être remplacé de manière équivalente par un réseau à relais à entrées et sorties multiples (MIMO). Les réseaux de relais multisauts ont attiré un intérêt de recherche important ces derniers temps grâce à leur capacité à augmenter la portée de la couverture. La liaison de communication réseau d’une source vers une destination est mise en oeuvre en utilisant un schéma d’amplification/transmission (AF) ou de décodage/transfert (DF). Le relais AF reçoit des informations du relais précédent et amplifie simplement le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant. D’autre part, le relais DF décode d’abord le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant au deuxième étage s’il peut parfaitement décoder le signal entrant. En raison de la simplicité analytique, dans cette thèse, nous considérons le schéma de relais AF et les résultats de ce travail peuvent également être développés pour le relais DF. La conception d’un émetteur/récepteur pour le relais MIMO multisauts est très difficile. Car à l’étape de relais L, il y a 2L canaux possibles. Donc, pour un réseau à grande échelle, il n’est pas économique d’envoyer un signal par tous les liens possibles. Au lieu de cela, nous pouvons trouver le meilleur chemin de la source à la destination qui donne le rapport signal sur bruit (SNR) de bout en bout le plus élevé. Nous pouvons minimiser la fonction objectif d’erreur quadratique moyenne (MSE) ou de taux d’erreur binaire (BER) en envoyant le signal utilisant le chemin sélectionné. L’ensemble de relais dans le chemin reste actif et le reste des relais s’éteint, ce qui permet d’économiser de l’énergie afin d’améliorer la durée de vie du réseau. Le meilleur chemin de transmission de signal a été étudié dans la littérature pour un relais MIMO à deux bonds mais est plus complexe pour un ...With the great developments in wireless communication technologies, Wireless Sensor Networks (WSNs) have gained attention worldwide in the past decade and are now being used in health monitoring, disaster management, defense, telecommunications, etc. Such networks are used in many industrial and consumer applications such as industrial process and environment monitoring, among others. A WSN network is a collection of specialized transducers known as sensor nodes with a communication link distributed randomly in any locations to monitor environmental parameters such as water level, and temperature. Each sensor node is equipped with a transducer, a signal processor, a power unit, and a transceiver. WSNs are now being widely used in the underground mining industry to monitor environmental parameters, including the amount of gas, water, temperature, humidity, oxygen level, dust, etc. The WSN for environment monitoring can be equivalently replaced by a multiple-input multiple-output (MIMO) relay network. Multi-hop relay networks have attracted significant research interest in recent years for their capability in increasing the coverage range. The network communication link from a source to a destination is implemented using the amplify-and-forward (AF) or decode-and-forward (DF) schemes. The AF relay receives information from the previous relay and simply amplifies the received signal and then forwards it to the next relay. On the other hand, the DF relay first decodes the received signal and then forwards it to the next relay in the second stage if it can perfectly decode the incoming signal. For analytical simplicity, in this thesis, we consider the AF relaying scheme and the results of this work can also be developed for the DF relay. The transceiver design for multi-hop MIMO relay is very challenging. This is because at the L-th relay stage, there are 2L possible channels. So, for a large scale network, it is not economical to send the signal through all possible links. Instead, we can find the best path from source-to-destination that gives the highest end-to-end signal-to-noise ratio (SNR). We can minimize the mean square error (MSE) or bit error rate (BER) objective function by sending the signal using the selected path. The set of relay in the path remains active and the rest of the relays are turned off which can save power to enhance network life-time. The best path signal transmission has been carried out in the literature for 2-hop MIMO relay and for multiple relaying it becomes very complex. In the first part of this thesis, we propose an optimal best path finding algorithm at perfect channel state information (CSI). We consider a parallel multi-hop multiple-input multiple-output (MIMO) AF relay system where a linear minimum mean-squared error (MMSE) receiver is used at the destination. We simplify the parallel network into equivalent series multi-hop MIMO relay link using best relaying, where the best relay ..

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

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