Antenna Combining for the MIMO Downlink Channel

A multiple antenna downlink channel where limited channel feedback is available to the transmitter is considered. In a vector downlink channel (single antenna at each receiver), the transmit antenna array can be used to transmit separate data streams to multiple receivers only if the transmitter has very accurate channel knowledge, i.e., if there is high-rate channel feedback from each receiver. In this work it is shown that channel feedback requirements can be significantly reduced if each receiver has a small number of antennas and appropriately combines its antenna outputs. A combining method that minimizes channel quantization error at each receiver, and thereby minimizes multi-user interference, is proposed and analyzed. This technique is shown to outperform traditional techniques such as maximum-ratio combining because minimization of interference power is more critical than maximization of signal power in the multiple antenna downlink. Analysis is provided to quantify the feedback savings, and the technique is seen to work well with user selection and is also robust to receiver estimation error.Comment: Submitted to IEEE Trans. Wireless Communications April 2007. Revised August 200

Linear Transmit-Receive Strategies for Multi-user MIMO Wireless Communications

Die Notwendigkeit zur Unterdrueckung von Interferenzen auf der einen Seite und zur Ausnutzung der durch Mehrfachzugriffsverfahren erzielbaren Gewinne auf der anderen Seite rueckte die raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren (Space Division Multiple Access, SDMA) in den Fokus der Forschung. Ein Vertreter der raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren, die lineare Vorkodierung, fand aufgrund steigender Anzahl an Nutzern und Antennen in heutigen und zukuenftigen Mobilkommunikationssystemen besondere Beachtung, da diese Verfahren das Design von Algorithmen zur Vorcodierung vereinfachen. Aus diesem Grund leistet diese Dissertation einen Beitrag zur Entwicklung linearer Sende- und Empfangstechniken fuer MIMO-Technologie mit mehreren Nutzern. Zunaechst stellen wir ein Framework zur Approximation des Datendurchsatzes in Broadcast-MIMO-Kanaelen mit mehreren Nutzern vor. In diesem Framework nehmen wir das lineare Vorkodierverfahren regularisierte Blockdiagonalisierung (RBD) an. Durch den Vergleich von Dirty Paper Coding (DPC) und linearen Vorkodieralgorithmen (z.B. Zero Forcing (ZF) und Blockdiagonalisierung (BD)) ist es uns moeglich, untere und obere Schranken fuer den Unterschied bezueglich Datenraten und bezueglich Leistung zwischen beiden anzugeben. Im Weiteren entwickeln wir einen Algorithmus fuer koordiniertes Beamforming (Coordinated Beamforming, CBF), dessen Loesung sich in geschlossener Form angeben laesst. Dieser CBF-Algorithmus basiert auf der SeDJoCo-Transformation und loest bisher vorhandene Probleme im Bereich CBF. Im Anschluss schlagen wir einen iterativen CBF-Algorithmus namens FlexCoBF (flexible coordinated beamforming) fuer MIMO-Broadcast-Kanaele mit mehreren Nutzern vor. Im Vergleich mit bis dato existierenden iterativen CBF-Algorithmen kann als vielversprechendster Vorteil die freie Wahl der linearen Sende- und Empfangsstrategie herausgestellt werden. Das heisst, jede existierende Methode der linearen Vorkodierung kann als Sendestrategie genutzt werden, waehrend die Strategie zum Empfangsbeamforming frei aus MRC oder MMSE gewaehlt werden darf. Im Hinblick auf Szenarien, in denen Mobilfunkzellen in Clustern zusammengefasst sind, erweitern wir FlexCoBF noch weiter. Hier wurde das Konzept der koordinierten Mehrpunktverbindung (Coordinated Multipoint (CoMP) transmission) integriert. Zuletzt stellen wir drei Moeglichkeiten vor, Kanalzustandsinformationen (Channel State Information, CSI) unter verschiedenen Kanalumstaenden zu erlangen. Die Qualitaet der Kanalzustandsinformationen hat einen starken Einfluss auf die Guete des Uebertragungssystems. Die durch unsere neuen Algorithmen erzielten Verbesserungen haben wir mittels numerischer Simulationen von Summenraten und Bitfehlerraten belegt.In order to combat interference and exploit large multiplexing gains of the multi-antenna systems, a particular interest in spatial division multiple access (SDMA) techniques has emerged. Linear precoding techniques, as one of the SDMA strategies, have obtained more attention due to the fact that an increasing number of users and antennas involved into the existing and future mobile communication systems requires a simplification of the precoding design. Therefore, this thesis contributes to the design of linear transmit and receive strategies for multi-user MIMO broadcast channels in a single cell and clustered multiple cells. First, we present a throughput approximation framework for multi-user MIMO broadcast channels employing regularized block diagonalization (RBD) linear precoding. Comparing dirty paper coding (DPC) and linear precoding algorithms (e.g., zero forcing (ZF) and block diagonalization (BD)), we further quantify lower and upper bounds of the rate and power offset between them as a function of the system parameters such as the number of users and antennas. Next, we develop a novel closed-form coordinated beamforming (CBF) algorithm (i.e., SeDJoCo based closed-form CBF) to solve the existing open problem of CBF. Our new algorithm can support a MIMO system with an arbitrary number of users and transmit antennas. Moreover, the application of our new algorithm is not only for CBF, but also for blind source separation (BSS), since the same mathematical model has been used in BSS application.Then, we further propose a new iterative CBF algorithm (i.e., flexible coordinated beamforming (FlexCoBF)) for multi-user MIMO broadcast channels. Compared to the existing iterative CBF algorithms, the most promising advantage of our new algorithm is that it provides freedom in the choice of the linear transmit and receive beamforming strategies, i.e., any existing linear precoding method can be chosen as the transmit strategy and the receive beamforming strategy can be flexibly chosen from MRC or MMSE receivers. Considering clustered multiple cell scenarios, we extend the FlexCoBF algorithm further and introduce the concept of the coordinated multipoint (CoMP) transmission. Finally, we present three strategies for channel state information (CSI) acquisition regarding various channel conditions and channel estimation strategies. The CSI knowledge is required at the base station in order to implement SDMA techniques. The quality of the obtained CSI heavily affects the system performance. The performance enhancement achieved by our new strategies has been demonstrated by numerical simulation results in terms of the system sum rate and the bit error rate

Feedback of channel state information in multi-antenna systems based on quantization of channel Gram matrices

This dissertation deals with the proper design of efficient feedback strategies for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication systems. MIMO systems outperform single antenna systems in terms of achievable throughput and are more resilient to noise and interference, which are becoming the limiting factors in the current and future communications. Apart from the clear performance advantages, MIMO systems introduce an additional complexity factor, since they require knowledge of the propagation channel in order to be able to adapt the transmission to the propagation channel’s characteristics and achieve optimum performance. This channel knowledge, also known as Channel State Information (CSI), is estimated at the receiver and sent to the transmitter through a limited feedback link. In this dissertation, first, the minimum channel information necessary at the transmitter for the optimum precoding design is identified. This minimum information for the optimum design of the system corresponds to the channel Gram matrix. It is essential for the design of optimized systems to avoid the transmission of redundant feedback information. Following this idea, a quantization algorithm that exploits the differential geometry of the set of Gram matrices and the correlation in time present in most propagation channels is developed in order to greatly improve the feedback performance. This scheme is applied first to single-user MIMO communications, then to some particular multiuser scenarios, and finally it is extended to general multiuser broadcast communications. To conclude, the feedback link sizing is studied. An analysis of the tradeoff between size of the forward link and size of the feedback link isformulated and the radio resource allocation problem, in terms of transmission energy, time, and bandwidth of the forward and feedback links is presented.En un mundo cada vez más interconectado, donde hay una clara tendencia hacia un mayor número de comunicaciones inalámbricas simultáneas (comunicaciones M2M: Machine to Machine, redes de sensores, etc.) y en el que las necesidades de capacidad de transmisión de los enlaces de comunicaciones aumentan de manera vertiginosa (audio, video, contenidos multimedia, alta definición, etc.) el problema de la interferencia se convierte en uno de los factores limitadores de los enlaces junto con los desvanecimientos del nivel de señal y las pérdidas de propagación. Por este motivo los sistemas que emplean múltiples antenas tanto en la transmisión como en la recepción (los llamados sistemas MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) se presentan como una de las soluciones más interesantes para satisfacer los crecientes requisitos de capacidad y comportamiento relativo a interferencias. Los sistemas MIMO permiten obtener un mejor rendimiento en términos de tasa de transmisión de información y a su vez son más robustos frente a ruido e interferencias en el canal. Esto significa que pueden usarse para aumentar la capacidad de los enlaces de comunicaciones actuales o para reducir drásticamente el consumo energético manteniendo las mismas prestaciones. Por otro lado, además de estas claras ventajas, los sistemas MIMO introducen un punto de complejidad adicional puesto que para aprovechar al máximo las posibilidades de estos sistemas es necesario tener conocimiento de la información de estado del canal (CSI: Channel State Information) tanto en el transmisor como en el receptor. Esta CSI se obtiene mediante estimación de canal en el receptor y posteriormente se envía al transmisor a través de un canal de realimentación. Esta tesis trata sobre el diseño del canal de realimentación para la transmisión de CSI, que es un elemento fundamental de los sistemas de comunicaciones del presente y del futuro. Las técnicas de transmisión que consideran activamente el efecto de la interferencia y el ruido requieren adaptarse al canal y, para ello, la realimentación de CSI es necesaria. En esta tesis se identifica, en primer lugar, la mínima información sobre el estado del canal necesaria para implementar un diseño óptimo en el transmisor, con el fin de evitar transmitir información redundante y obtener así un sistema más eficiente. Esta información es la matriz de Gram del canal MIMO. Seguidamente, se desarrolla un algoritmo de cuantificación adaptado a la geometría diferencial del conjunto que contiene la información a cuantificar y que además aprovecha la correlación temporal existente en los canales de propagación inalámbricos. Este algoritmo se implementa y evalúa primero en comunicaciones MIMO punto a punto entre dos usuarios, después se implementa para algunos casos particulares con múltiples usuarios, y finalmente se amplía para el caso general de sistemas broadcast multi-usuario. Adicionalmente, esta tesis también estudia y optimiza el dimensionamiento del canal de realimentación en función de la cantidad de recursos radio disponibles, en términos de ancho de banda, tiempo y potencia de transmisión. Para ello presenta el problema de la distribución óptima de dichos recursos radio entre el enlace de transmisión de datos y el enlace de realimentación para transmisión de información sobre estado del canal como un problema de optimización

Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems

Nach einer Einleitung behandelt Teil 2 Mehrbenutzer-Scheduling für die Abwärtsstrecke von drahtlosen MIMO Systemen mit einer Sendestation und kanaladaptivem precoding: In jeder Zeit- oder Frequenzressource kann eine andere Nutzergruppe gleichzeitig bedient werden, räumlich getrennt durch unterschiedliche Antennengewichte. Nutzer mit korrelierten Kanälen sollten nicht gleichzeitig bedient werden, da dies die räumliche Trennbarkeit erschwert. Die Summenrate einer Nutzermenge hängt von den Antennengewichten ab, die wiederum von der Nutzerauswahl abhängen. Zur Entkopplung des Problems schlägt diese Arbeit Metriken vor basierend auf einer geschätzten Rate mit ZF precoding. Diese lässt sich mit Hilfe von wiederholten orthogonalen Projektionen abschätzen, wodurch die Berechnung von Antennengewichten beim Scheduling entfällt. Die Ratenschätzung kann basierend auf momentanen Kanalmessungen oder auf gemittelter Kanalkenntnis berechnet werden und es können Datenraten- und Fairness-Kriterien berücksichtig werden. Effiziente Suchalgorithmen werden vorgestellt, die die gesamte Systembandbreite auf einmal bearbeiten können und zur Komplexitätsreduktion die Lösung in Zeit- und Frequenz nachführen können. Teil 3 zeigt wie mehrere Sendestationen koordiniertes Scheduling und kooperative Signalverarbeitung einsetzen können. Mittels orthogonalen Projektionen ist es möglich, Inter-Site Interferenz zu schätzen, ohne Antennengewichte berechnen zu müssen. Durch ein Konzept virtueller Nutzer kann der obige Scheduling-Ansatz auf mehrere Sendestationen und sogar Relays mit SDMA erweitert werden. Auf den benötigten Signalisierungsaufwand wird kurz eingegangen und eine Methode zur Schätzung der Summenrate eines Systems ohne Koordination besprochen. Teil4 entwickelt Optimierungen für Turbo Entzerrer. Diese Nutzen Signalkorrelation als Quelle von Redundanz. Trotzdem kann eine Kombination mit MIMO precoding sinnvoll sein, da bei Annahme realistischer Fehler in der Kanalkenntnis am Sender keine optimale Interferenzunterdrückung möglich ist. Mit Hilfe von EXIT Charts wird eine neuartige Methode zur adaptiven Nutzung von a-priori-Information zwischen Iterationen entwickelt, die die Konvergenz verbessert. Dabei wird gezeigt, wie man semi-blinde Kanalschätzung im EXIT chart berücksichtigen kann. In Computersimulationen werden alle Verfahren basierend auf 4G-Systemparametern überprüft.After an introduction, part 2 of this thesis deals with downlink multi-user scheduling for wireless MIMO systems with one transmitting station performing channel adaptive precoding:Different user subsets can be served in each time or frequency resource by separating them in space with different antenna weight vectors. Users with correlated channel matrices should not be served jointly since correlation impairs the spatial separability.The resulting sum rate for each user subset depends on the precoding weights, which in turn depend on the user subset. This thesis manages to decouple this problem by proposing a scheduling metric based on the rate with ZF precoding such as BD, written with the help of orthogonal projection matrices. It allows estimating rates without computing any antenna weights by using a repeated projection approximation.This rate estimate allows considering user rate requirements and fairness criteria and can work with either instantaneous or long term averaged channel knowledge.Search algorithms are presented to efficiently solve user grouping or selection problems jointly for the entire system bandwidth while being able to track the solution in time and frequency for complexity reduction. Part 3 shows how multiple transmitting stations can benefit from cooperative scheduling or joint signal processing. An orthogonal projection based estimate of the inter-site interference power, again without computing any antenna weights, and a virtual user concept extends the scheduling approach to cooperative base stations and finally included SDMA half-duplex relays in the scheduling.Signalling overhead is discussed and a method to estimate the sum rate without coordination. Part 4 presents optimizations for Turbo Equalizers. There, correlation between user signals can be exploited as a source of redundancy. Nevertheless a combination with transmit precoding which aims at reducing correlation can be beneficial when the channel knowledge at the transmitter contains a realistic error, leading to increased correlation. A novel method for adaptive re-use of a-priori information between is developed to increase convergence by tracking the iterations online with EXIT charts.A method is proposed to model semi-blind channel estimation updates in an EXIT chart. Computer simulations with 4G system parameters illustrate the methods using realistic channel models.Im Buchhandel erhältlich: Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems / Fuchs-Lautensack,Martin Ilmenau: ISLE, 2009,116 S. ISBN 978-3-938843-43-

Limited feedback MIMO techniques for temporally correlated channels and linear receivers

Advanced mobile wireless networks will make extensive use of multiantenna (MIMO) transceivers to comply with high requirements of data rates and reliability. The use of feedback channels is of paramount importance to achieve this goal in systems employing frequency division duplexing (FDD). The design of the feedback mechanism is challenging due to the severe constraints imposed by computational complexity and feedback bandwidth restrictions. This thesis addresses the design of transmission strategies in both single-user and multi-user MIMO systems, based on compact feedback messages. First, recursive feedback mechanisms for single-user transmission scenarios are proposed, including stochastic gradient techniques, deterministic updates based on Givens rotations and low computational complexity schemes based on partial update filtering concepts. Thereafter, channel feedback algorithms are proposed, and a convergence analysis for static channels is presented. These algorithms can be used to provide channel side information to any multi-user MIMO solution. A limited-feedback decentralized multi-user MIMO solution is proposed, which avoids the need for explicit channel feedback. A feed-forward technique is proposed, which allows our methods to operate in presence of feedback errors. The performance of all the proposed algorithms is illustrated via link-level simulations, where the effect of different parameter values is assessed. Our results show that the proposed methods outperform existing limited-feedback counterparts over a range of low to medium mobile speeds, for moderate antenna array sizes that are deemed practical for commercial deployment. The computational complexity reduction of some of the proposed algorithms is also shown to be considerable, when compared to existing techniques

Multi-Antenna Techniques for Next Generation Cellular Communications

Future cellular communications are expected to offer substantial improvements for the pre- existing mobile services with higher data rates and lower latency as well as pioneer new types of applications that must comply with strict demands from a wider range of user types. All of these tasks require utmost efficiency in the use of spectral resources. Deploying multiple antennas introduces an additional signal dimension to wireless data transmissions, which provides a significant alternative solution against the plateauing capacity issue of the limited available spectrum. Multi-antenna techniques and the associated key enabling technologies possess unquestionable potential to play a key role in the evolution of next generation cellular systems. Spectral efficiency can be improved on downlink by concurrently serving multiple users with high-rate data connections on shared resources. In this thesis optimized multi-user multi-input multi-output (MIMO) transmissions are investigated on downlink from both filter design and resource allocation/assignment points of view. Regarding filter design, a joint baseband processing method is proposed specifically for high signal-to-noise ratio (SNR) conditions, where the necessary signaling overhead can be compensated for. Regarding resource scheduling, greedy- and genetic-based algorithms are proposed that demand lower complexity with large number of resource blocks relative to prior implementations. Channel estimation techniques are investigated for massive MIMO technology. In case of channel reciprocity, this thesis proposes an overhead reduction scheme for the signaling of user channel state information (CSI) feedback during a relative antenna calibration. In addition, a multi-cell coordination method is proposed for subspace-based blind estimators on uplink, which can be implicitly translated to downlink CSI in the presence of ideal reciprocity. Regarding non-reciprocal channels, a novel estimation technique is proposed based on reconstructing full downlink CSI from a select number of dominant propagation paths. The proposed method offers drastic compressions in user feedback reports and requires much simpler downlink training processes. Full-duplex technology can provide up to twice the spectral efficiency of conventional resource divisions. This thesis considers a full-duplex two-hop link with a MIMO relay and investigates mitigation techniques against the inherent loop-interference. Spatial-domain suppression schemes are developed for the optimization of full-duplex MIMO relaying in a coverage extension scenario on downlink. The proposed methods are demonstrated to generate data rates that closely approximate their global bounds

Proceedings of the 35th WIC Symposium on Information Theory in the Benelux and the 4th joint WIC/IEEE Symposium on Information Theory and Signal Processing in the Benelux, Eindhoven, the Netherlands May 12-13, 2014

Compressive sensing (CS) as an approach for data acquisition has recently received much attention. In CS, the signal recovery problem from the observed data requires the solution of a sparse vector from an underdetermined system of equations. The underlying sparse signal recovery problem is quite general with many applications and is the focus of this talk. The main emphasis will be on Bayesian approaches for sparse signal recovery. We will examine sparse priors such as the super-Gaussian and student-t priors and appropriate MAP estimation methods. In particular, re-weighted l2 and re-weighted l1 methods developed to solve the optimization problem will be discussed. The talk will also examine a hierarchical Bayesian framework and then study in detail an empirical Bayesian method, the Sparse Bayesian Learning (SBL) method. If time permits, we will also discuss Bayesian methods for sparse recovery problems with structure; Intra-vector correlation in the context of the block sparse model and inter-vector correlation in the context of the multiple measurement vector problem

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