Conjugate-Root Offset-QAM for Orthogonal Multicarrier Transmission

Current implementations of OFDM/OQAM are restricted to band-limited symmetric filters. To circumvent this, non-symmetric conjugate root (CR) filters are proposed for OQAM modulation. The system is applied to Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) and a method for achieving transmit diversity with OQAM modulation is presented. The proposal reduces implementation complexity compared to existing works and provides a more regular phase space. GFDM/CR-OQAM outperforms conventional GFDM in terms of symbol error rate in fading multipath channels and provides a more localized spectrum compared to conventional OQAM.Comment: 4pages, revised version submitted to IEEE WC

Multiple-Input Multiple-Output Detection Algorithms for Generalized Frequency Division Multiplexing

Since its invention, cellular communication has dramatically transformed personal lifes and the evolution of mobile networks is still ongoing. Evergrowing demand for higher data rates has driven development of 3G and 4G systems, but foreseen 5G requirements also address diverse characteristics such as low latency or massive connectivity. It is speculated that the 4G plain cyclic prefix (CP)-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) cannot sufficiently fulfill all requirements and hence alternative waveforms have been in-vestigated, where generalized frequency division multiplexing (GFDM) is one popular option. An important aspect for any modern wireless communication system is the application of multi-antenna, i.e. MIMO techiques, as MIMO can deliver gains in terms of capacity, reliability and connectivity. Due to its channel-independent orthogonality, CP-OFDM straightforwardly supports broadband MIMO techniques, as the resulting inter-antenna interference (IAI) can readily be resolved. In this regard, CP-OFDM is unique among multicarrier waveforms. Other waveforms suffer from additional inter-carrier interference (ICI), inter-symbol interference (ISI) or both. This possibly 3-dimensional interference renders an optimal MIMO detection much more complex. In this thesis, weinvestigate how GFDM can support an efficient multiple-input multiple-output (MIMO) operation given its 3-dimensional interference structure. To this end, we first connect the mathematical theory of time-frequency analysis (TFA) with multicarrier waveforms in general, leading to theoretical insights into GFDM. Second, we show that the detection problem can be seen as a detection problem on a large, banded linear model under Gaussian noise. Basing on this observation, we propose methods for applying both space-time code (STC) and spatial multiplexing techniques to GFDM. Subsequently, we propose methods to decode the transmitted signals and numerically and theoretically analyze their performance in terms of complexiy and achieved frame error rate (FER). After showing that GFDM modulation and linear demodulation is a direct application of Gabor expansion and transform, we apply results from TFA to explain singularities of the modulation matrix and derive low-complexity expressions for receiver filters. We derive two linear detection algorithms for STC encoded GFDM signals and we show that their performance is equal to OFDM. In the case of spatial multiplexing, we derive both non-iterative and iterative detection algorithms which base on successive interference cancellation (SIC) and minimum mean squared error (MMSE)-parallel interference cancellation (PIC) detection, respectively. By analyzing the error propagation of the SIC algorithm, we explain its significantly inferior performance compared to OFDM. Using feedback information from the channel decoder, we can eventually show that near-optimal GFDM detection can outperform an optimal OFDM detector by up to 3dB for high SNR regions. We conclude that GFDM, given the obtained results, is not a general-purpose replacement for CP-OFDM, due to higher complexity and varying performance. Instead, we can propose GFDM for scenarios with strong frequency-selectivity and stringent spectral and FER requirements

Unified Framework for Multicarrier and Multiple Access based on Generalized Frequency Division Multiplexing

The advancements in wireless communications are the key-enablers of new applications with stringent requirements in low-latency, ultra-reliability, high data rate, high mobility, and massive connectivity. Diverse types of devices, ranging from tiny sensors to vehicles, with different capabilities need to be connected under various channel conditions. Thus, modern connectivity and network techniques at all layers are essential to overcome these challenges. In particular, the physical layer (PHY) transmission is required to achieve certain link reliability, data rate, and latency. In modern digital communications systems, the transmission is performed by means of a digital signal processing module that derives analog hardware. The performance of the analog part is influenced by the quality of the hardware and the baseband signal denoted as waveform. In most of the modern systems such as fifth generation (5G) and WiFi, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is adopted as a favorite waveform due to its low-complexity advantages in terms of signal processing. However, OFDM requires strict requirements on hardware quality. Many devices are equipped with simplified analog hardware to reduce the cost. In this case, OFDM does not work properly as a result of its high peak-to-average power ratio (PAPR) and sensitivity to synchronization errors. To tackle these problems, many waveforms design have been recently proposed in the literature. Some of these designs are modified versions of OFDM or based on conventional single subcarrier. Moreover, multicarrier frameworks, such as generalized frequency division multiplexing (GFDM), have been proposed to realize varieties of conventional waveforms. Furthermore, recent studies show the potential of using non-conventional waveforms for increasing the link reliability with affordable complexity. Based on that, flexible waveforms and transmission techniques are necessary to adapt the system for different hardware and channel constraints in order to fulfill the applications requirements while optimizing the resources. The objective of this thesis is to provide a holistic view of waveforms and the related multiple access (MA) techniques to enable efficient study and evaluation of different approaches. First, the wireless communications system is reviewed with specific focus on the impact of hardware impairments and the wireless channel on the waveform design. Then, generalized model of waveforms and MA are presented highlighting various special cases. Finally, this work introduces low-complexity architectures for hardware implementation of flexible waveforms. Integrating such designs with software-defined radio (SDR) contributes to the development of practical real-time flexible PHY.:1 Introduction 1.1 Baseband transmission model 1.2 History of multicarrier systems 1.3 The state-of-the-art waveforms 1.4 Prior works related to GFDM 1.5 Objective and contributions 2 Fundamentals of Wireless Communications 2.1 Wireless communications system 2.2 RF transceiver 2.2.1 Digital-analogue conversion 2.2.2 QAM modulation 2.2.3 Effective channel 2.2.4 Hardware impairments 2.3 Waveform aspects 2.3.1 Single-carrier waveform 2.3.2 Multicarrier waveform 2.3.3 MIMO-Waveforms 2.3.4 Waveform performance metrics 2.4 Wireless Channel 2.4.1 Line-of-sight propagation 2.4.2 Multi path and fading process 2.4.3 General baseband statistical channel model 2.4.4 MIMO channel 2.5 Summary 3 Generic Block-based Waveforms 3.1 Block-based waveform formulation 3.1.1 Variable-rate multicarrier 3.1.2 General block-based multicarrier model 3.2 Waveform processing techniques 3.2.1 Linear and circular filtering 3.2.2 Windowing 3.3 Structured representation 3.3.1 Modulator 3.3.2 Demodulator 3.3.3 MIMO Waveform processing 3.4 Detection 3.4.1 Maximum-likelihood detection 3.4.2 Linear detection 3.4.3 Iterative Detection 3.4.4 Numerical example and insights 3.5 Summary 4 Generic Multiple Access Schemes 57 4.1 Basic multiple access and multiplexing schemes 4.1.1 Infrastructure network system model 4.1.2 Duplex schemes 4.1.3 Common multiplexing and multiple access schemes 4.2 General multicarrier-based multiple access 4.2.1 Design with fixed set of pulses 4.2.2 Computational model 4.2.3 Asynchronous multiple access 4.3 Summary 5 Time-Frequency Analyses of Multicarrier 5.1 General time-frequency representation 5.1.1 Block representation 5.1.2 Relation to Zak transform 5.2 Time-frequency spreading 5.3 Time-frequency block in LTV channel 5.3.1 Subcarrier and subsymbol numerology 5.3.2 Processing based on the time-domain signal 5.3.3 Processing based on the frequency-domain signal 5.3.4 Unified signal model 5.4 summary 6 Generalized waveforms based on time-frequency shifts 6.1 General time-frequency shift 6.1.1 Time-frequency shift design 6.1.2 Relation between the shifted pulses 6.2 Time-frequency shift in Gabor frame 6.2.1 Conventional GFDM 6.3 GFDM modulation 6.3.1 Filter bank representation 6.3.2 Block representation 6.3.3 GFDM matrix structure 6.3.4 GFDM demodulator 6.3.5 Alternative interpretation of GFDM 6.3.6 Orthogonal modulation and GFDM spreading 6.4 Summary 7 Modulation Framework: Architectures and Applications 7.1 Modem architectures 7.1.1 General modulation matrix structure 7.1.2 Run-time flexibility 7.1.3 Generic GFDM-based architecture 7.1.4 Flexible parallel multiplications architecture 7.1.5 MIMO waveform architecture 7.2 Extended GFDM framework 7.2.1 Architectures complexity and flexibility analysis 7.2.2 Number of multiplications 7.2.3 Hardware analysis 7.3 Applications of the extended GFDM framework 7.3.1 Generalized FDMA 7.3.2 Enchantment of OFDM system 7.4 Summary 7 Conclusions and Future work

Real-Time Waveform Prototyping

Mobile Netzwerke der fünften Generation zeichen sich aus durch vielfältigen Anforderungen und Einsatzszenarien. Drei unterschiedliche Anwendungsfälle sind hierbei besonders relevant: 1) Industrie-Applikationen fordern Echtzeitfunkübertragungen mit besonders niedrigen Ausfallraten. 2) Internet-of-things-Anwendungen erfordern die Anbindung einer Vielzahl von verteilten Sensoren. 3) Die Datenraten für Anwendung wie z.B. der Übermittlung von Videoinhalten sind massiv gestiegen. Diese zum Teil gegensätzlichen Erwartungen veranlassen Forscher und Ingenieure dazu, neue Konzepte und Technologien für zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme in Betracht zu ziehen. Ziel ist es, aus einer Vielzahl neuer Ideen vielversprechende Kandidatentechnologien zu identifizieren und zu entscheiden, welche für die Umsetzung in zukünftige Produkte geeignet sind. Die Herausforderungen, diese Anforderungen zu erreichen, liegen jedoch jenseits der Möglichkeiten, die eine einzelne Verarbeitungsschicht in einem drahtlosen Netzwerk bieten kann. Daher müssen mehrere Forschungsbereiche Forschungsideen gemeinsam nutzen. Diese Arbeit beschreibt daher eine Plattform als Basis für zukünftige experimentelle Erforschung von drahtlosen Netzwerken unter reellen Bedingungen. Es werden folgende drei Aspekte näher vorgestellt: Zunächst erfolgt ein Überblick über moderne Prototypen und Testbed-Lösungen, die auf großes Interesse, Nachfrage, aber auch Förderungsmöglichkeiten stoßen. Allerdings ist der Entwicklungsaufwand nicht unerheblich und richtet sich stark nach den gewählten Eigenschaften der Plattform. Der Auswahlprozess ist jedoch aufgrund der Menge der verfügbaren Optionen und ihrer jeweiligen (versteckten) Implikationen komplex. Daher wird ein Leitfaden anhand verschiedener Beispiele vorgestellt, mit dem Ziel Erwartungen im Vergleich zu den für den Prototyp erforderlichen Aufwänden zu bewerten. Zweitens wird ein flexibler, aber echtzeitfähiger Signalprozessor eingeführt, der auf einer software-programmierbaren Funkplattform läuft. Der Prozessor ermöglicht die Rekonfiguration wichtiger Parameter der physikalischen Schicht während der Laufzeit, um eine Vielzahl moderner Wellenformen zu erzeugen. Es werden vier Parametereinstellungen 'LLC', 'WiFi', 'eMBB' und 'IoT' vorgestellt, um die Anforderungen der verschiedenen drahtlosen Anwendungen widerzuspiegeln. Diese werden dann zur Evaluierung der die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung herangezogen. Drittens wird durch die Einführung einer generischen Testinfrastruktur die Einbeziehung externer Partner aus der Ferne ermöglicht. Das Testfeld kann hier für verschiedenste Experimente flexibel auf die Anforderungen drahtloser Technologien zugeschnitten werden. Mit Hilfe der Testinfrastruktur wird die Leistung des vorgestellten Transceivers hinsichtlich Latenz, erreichbarem Durchsatz und Paketfehlerraten bewertet. Die öffentliche Demonstration eines taktilen Internet-Prototypen, unter Verwendung von Roboterarmen in einer Mehrbenutzerumgebung, konnte erfolgreich durchgeführt und bei mehreren Gelegenheiten präsentiert werden.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part listThe demand to achieve higher data rates for the Enhanced Mobile Broadband scenario and novel fifth generation use cases like Ultra-Reliable Low-Latency and Massive Machine-type Communications drive researchers and engineers to consider new concepts and technologies for future wireless communication systems. The goal is to identify promising candidate technologies among a vast number of new ideas and to decide, which are suitable for implementation in future products. However, the challenges to achieve those demands are beyond the capabilities a single processing layer in a wireless network can offer. Therefore, several research domains have to collaboratively exploit research ideas. This thesis presents a platform to provide a base for future applied research on wireless networks. Firstly, by giving an overview of state-of-the-art prototypes and testbed solutions. Secondly by introducing a flexible, yet real-time physical layer signal processor running on a software defined radio platform. The processor enables reconfiguring important parameters of the physical layer during run-time in order to create a multitude of modern waveforms. Thirdly, by introducing a generic test infrastructure, which can be tailored to prototype diverse wireless technology and which is remotely accessible in order to invite new ideas by third parties. Using the test infrastructure, the performance of the flexible transceiver is evaluated regarding latency, achievable throughput and packet error rates.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part lis

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