Sum-Rate Maximization in Two-Way AF MIMO Relaying: Polynomial Time Solutions to a Class of DC Programming Problems

Sum-rate maximization in two-way amplify-and-forward (AF) multiple-input multiple-output (MIMO) relaying belongs to the class of difference-of-convex functions (DC) programming problems. DC programming problems occur as well in other signal processing applications and are typically solved using different modifications of the branch-and-bound method. This method, however, does not have any polynomial time complexity guarantees. In this paper, we show that a class of DC programming problems, to which the sum-rate maximization in two-way MIMO relaying belongs, can be solved very efficiently in polynomial time, and develop two algorithms. The objective function of the problem is represented as a product of quadratic ratios and parameterized so that its convex part (versus the concave part) contains only one (or two) optimization variables. One of the algorithms is called POlynomial-Time DC (POTDC) and is based on semi-definite programming (SDP) relaxation, linearization, and an iterative search over a single parameter. The other algorithm is called RAte-maximization via Generalized EigenvectorS (RAGES) and is based on the generalized eigenvectors method and an iterative search over two (or one, in its approximate version) optimization variables. We also derive an upper-bound for the optimal values of the corresponding optimization problem and show by simulations that this upper-bound can be achieved by both algorithms. The proposed methods for maximizing the sum-rate in the two-way AF MIMO relaying system are shown to be superior to other state-of-the-art algorithms.Comment: 35 pages, 10 figures, Submitted to the IEEE Trans. Signal Processing in Nov. 201

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

An iterative pilot-data-aided estimator for SFBC relay-assisted OFDM-based systems

In this article, we propose and assess an iterative pilot-data-aided channel estimation scheme for space frequency block coding relay-assisted OFDM-based systems. The relay node (RN) employs the equalise-and-forward protocol, and both the base station (BS) and the RN are equipped with antenna arrays, whereas the user terminal (UT) is a single-antenna device. The channel estimation method uses the information carried by pilots and data to improve the estimate of the equivalent channels for the path BS-RN-UT. The mean minimum square error criterion is used in the design of the estimator for both the pilot-based and data-aided iterations. In different scenarios, with only one data iteration, the results show that the proposed scheme requires only half of the pilot density to achieve the same performance of non-data-aided schemes

Tensor-based signal processing with applications to MIMO-ODFM systems and intelligent reflecting surfaces

Der Einsatz von Tensor-Algebra-Techniken in der Signalverarbeitung hat in den letzten zwei Jahrzehnten zugenommen. Anwendungen wie Bildverarbeitung, biomedizinische Signalverarbeitung, radar, maschinelles Lernen, deep Learning und Kommunikation im Allgemeinen verwenden weitgehend tensorbasierte Verarbeitungstechniken zur Wiederherstellung, Schätzung und Klassifizierung von Signalen. Einer der Hauptgründe für den Einsatz der Tensorsignalverarbeitung ist die Ausnutzung der mehrdimensionalen Struktur von Signalen, wobei die Einzigartigkeitseigenschaften der Tensor-Zerlegung profitieren. Bei der drahtlosen Kommunikation beispielsweise können die Signale mehrere "Dimensionen" haben, wie Raum, Zeit, Frequenz, Polarisation, usw. Diese Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil betrachten wir die Anwendung von Tensor-basierten Algorithmen für multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) Systeme unter Berücksichtigung von Vorhandensein von Phasenrauschenstörungen. In diesem Teil schlagen wir einen zweistufigen tensorbasierten Empfänger für eine gemeinsame Kanal-, Phasenrausch- und Datenschätzung in MIMO-OFDM-Systemen vor. In der ersten Stufe zeigen wir, dass das empfangene Signal auf den Pilotunterträgern als PARAFAC-Tensor dritter Ordnung modelliert werden kann. Auf der Grundlage dieses Modells werden zwei Algorithmen für die Schätzung der Phasen- und Kanalrauschen in den Pilotton vorgeschlagen. In der zweiten Stufe werden die übertragenen Daten geschätzt. Zu diesem Zweck schlagen wir einen Zero Forcing (ZF)-Empfänger vor, der sich die Tensorstruktur des empfangenen Signals auf den Datenträgern zunutze macht, indem er den vorgeschlagenen selektiven Kronecker-Produkt-Operators (SKP) kapitalisiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Empfänger sowohl bei der Symbolfehlerrate als auch beim normalisierten mittleren quadratischen Fehler des geschätzten Kanal- und Phasenrauschmatrizen eine bessere Leistung im Vergleich zum Stand der Technik erzielt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Anwendung der Tensormodellierung zur Reduzierung des Kontrollsignalisierungsoverhead in zukünftigen drahtlosen Systemen, die durch intelligent reconfigurable surfaces (IRSs) unterstützt werden. Zu diesem Zweck schlagen wir eine Annäherung an die nahezu optimalen IRS-Phasenverschiebungen vor, die sonst einen prohibitiv hohen Kommunikationsoverhead auf den BS-IRS-Kontrollverbindungen verursachen würde. Die Hauptidee besteht darin, den optimalen Phasenvektor des IRSs, der Hunderte oder Tausende von Elementen haben kann, durch ein Tensormodell mit niedrigem Rang darzustellen. Dies wird erreicht durch Faktorisierung einer tensorisierten Version des IRS-Phasenverschiebungsvektors, wobei jede Komponente als Kronecker-Produkt einer vordefinierten Anzahl von Faktoren mit kleinerer Größe modelliert wird, die durch Tensor Zerlegungsalgorithmen erhaltet werden können. Wir zeigen, dass die vorgeschlagenen Low-Rank-Modelle die Rückkopplungsanforderungen für die BS-IRS-Kontrollverbindungen drastisch reduzieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode besonders in Szenarien mit einer starken Sichtverbindung attraktiv sind. In diesem Fall wird fast die gleiche spektrale Effizienz erreicht wie in den Fällen mit nahezu optimalen Phasenverschiebungen, jedoch mit einem drastisch reduzierten Kommunikations-Overhead.The use of tensor algebra techniques in signal processing has been growing over the last two decades. Applications like image processing, biomedical signal processing, radar, machine/deep learning, and communications in general, largely employ tensor-based techniques for recovery, estimating, and classifying signals. One of the main reasons for using tensor signal processing is the exploitation of the multidimensional structure of signals, while benefiting from the uniqueness properties of tensor decomposition. For example, in wireless communications, the signals can have several “dimensions", e.g., space, time, frequency, polarization, beamspace, etc. This thesis is divided into two parts, first, in the application of a tensor-based algorithm in multiple-input multiple-output (MIMO)-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with the presence of phase-noise impairments. In this first part, we propose a two-stage tensor-based receiver for a joint channel, phase-noise, and data estimation in MIMO-OFDM systems. In the first stage, we show that the received signal at the pilot subcarriers can be modeled as a third-order PARAFAC tensor. Based on this model, we propose two algorithms for channel and phase-noise estimation at the pilot subcarriers. The second stage consists of data estimation, for which we propose a ZF receiver that capitalizes on the tensor structure of the received signal at the data subcarriers using the proposed SKP operator. Numerical simulations show that the proposed receivers achieves an improved performance compared to the state-of-art receivers in terms of symbol error rate (SER) and normalized mean square error (NMSE) of the estimated channel and phase-noise matrices. The second part of this thesis focuses on the application of tensor modeling to reduce the control signaling overhead in future wireless systems aided by intelligent reconfigurable surfaces (IRS). To this end, we propose a low-rank approximation of the near-optimal IRS phase-shifts, which would incur prohibitively high communication overhead on the BS-IRS controller links. The key idea is to represent the potentially large IRS phase-shift vector using a low-rank tensor model. This is achieved by factorizing a tensorized version of the IRS phase-shift vector, where each component is modeled as the Kronecker product of a predefined number of factors of smaller sizes, which can be obtained via tensor decomposition algorithms. We show that the proposed low-rank models drastically reduce the required feedback requirements associated with the BS-IRS control links. Simulation results indicate that the proposed method is especially attractive in scenarios with a strong line of sight component, in which case nearly the same spectral efficiency is reached as in the cases with near-optimal phase-shifts, but with a drastically reduced communication overhead

Blind channel estimation and signal retrieving for MIMO relay systems

In this paper, we propose a blind channel estimation and signal retrieving algorithm for two-hop multiple-input multiple-output (MIMO) relay systems. This new algorithm integrates two blind source separation (BSS) methods to estimate the individual channel state information (CSI) of the source-relay and relay-destination links. In particular, a first-order Z-domain precoding technique is developed for the blind estimation of the relay-destination channel matrix, where the signals received at the relay node are pre-processed by a set of precoders before being transmitted to the destination node. With the estimated signals at the relay node, we propose an algorithm based on the constant modulus and signal mutual information properties to estimate the source-relay channel matrix. Compared with training-based MIMO relay channel estimation approaches, the proposed algorithm has a better bandwidth efficiency as no bandwidth is wasted for sending the training sequences. Numerical examples are shown to demonstrate the performance of the proposed algorithm

Exploiting Diversity in Broadband Wireless Relay Networks

Fading is one of the most fundamental impairments to wireless communications. The standard approach to combating fading is by adding redundancy - or diversity - to help increase coverage and transmission speed. Motivated by the results in multiple-input multiple-output technologies, which are usually used at base stations or access points, cooperation commutation has been proposed to improve the performance of wireless networks which consist of low-cost single antenna devices. While the majority of the research in cooperative communication focuses on flat fading for its simplicity and easy analysis, in practice the underlying channels in broadband wireless communication systems such as cellular systems (UMTS/LTE) are more likely to exhibit frequency selective fading. In this dissertation, we consider a frequency selective fading channel model and explore distributed diversity techniques in broadband wireless relay networks, with consideration to practical issues such as channel estimation and complexity-performance tradeoffs. We first study a system model with one source, one destination and multiple decode-and-forward (DF) relays which share a single channel orthogonal to the source. We derive the diversity-multiplexing tradeoff (DMT) for several relaying strategies: best relay selection, random relay selection, and the case when all decoding relays participate. The best relay selection method selects the relay in the decoding set with the largest sum-squared relay-to-destination channel coefficients. This scheme can achieve the optimal DMT of the system at the expense of higher complexity, compared to the other two relaying strategies which do not always exploit the spatial diversity offered by the relays. Different from flat fading, we find special cases when the three relaying strategies have the same DMT. We further present a transceiver design and prove it can achieve the optimal DMT asymptotically. Monte Carlo simulations are presented to corroborate the theoretical analysis. We provide a detailed performance comparison of the three relaying strategies in channels encountered in practice. The work has been extended to systems with multiple amplify-and-forward relays. We propose two relay selection schemes with maximum likelihood sequential estimator and linear zero- forcing equalization at the destination respectively and both schemes can asymptotically achieve the optimal DMT. We next extend the results in the two-hop network, as previously studied, to multi-hop networks. In particular, we consider the routing problem in clustered multi-hop DF relay networks since clustered multi-hop wireless networks have attracted significant attention for their robustness to fading, hierarchical structure, and ability to exploit the broadcast nature of the wireless channel. We propose an opportunistic routing (or relay selection) algorithm for such networks. In contrast to the majority of existing approaches to routing in clustered networks, our algorithm only requires channel state information in the final hop, which is shown to be essential for reaping the diversity offered by the channel. In addition to exploiting the available diversity, our simple cross-layer algorithm has the flexibility to satisfy an additional routing objective such as maximization of network lifetime. We demonstrate through analysis and simulation that our proposed routing algorithm attains full diversity under certain conditions on the cluster sizes, and its diversity is equal to the diversity of more complicated approaches that require full channel state information. The final part of this dissertation considers channel estimation in relay networks. Channel state information is vital for exploiting diversity in cooperative networks. The existing literature on cooperative channel estimation assumes that block lengths are long and that channel estimation takes place within a fading block. However, if the forwarding delay needs to be reduced, short block lengths are preferred, and adaptive estimation through multiple blocks is required. In particular, we consider estimating the relay-to-destination channel in DF relay systems for which the presence of forwarded information is probabilistic since it is unknown whether the relay participates in the forwarding phase. A detector is used so that the update of the least mean square channel estimate is made only when the detector decides the presence of training data. We use the generalized likelihood ratio test and focus on the detector threshold for deciding whether the training sequence is present. We also propose a heuristic objective function which leads to a proper threshold to improve the convergence speed and reduce the estimation error. Extensive numerical results show the superior performance of using this threshold as opposed to fixed thresholds

Transceiver Optimization for Two-Hop AF MIMO Relay Systems With DFE Receiver and Direct Link

In this paper, we consider precoding and receiving matrices optimization for a two-hop amplify-and-forward (AF) multiple-input multiple-output (MIMO) relay system with a decision feedback equalizer (DFE) at the destination node in the presence of the direct source-destination link. By adopting the minimum mean-squared error (MMSE) criterion, we develop two new transceiver design algorithms for such a system. The first one employs an iterative procedure to design the source, relay, feed-forward, and feedback matrices. The second algorithm is a non-iterative suboptimal approach which decomposes the optimization problem into two tractable subproblems and obtains the source and relay precoding matrices by solving the two subproblems sequentially. Simulation results validate the better MSE and bit-error-rate (BER) performance of the proposed algorithms and show that the non-iterative suboptimal method has a negligible performance loss when the ratio of the source node transmission power to the relay node transmission power is small. In addition, the computational complexity analysis suggests that the second algorithm and one iteration of the first algorithm have the same order of complexity. As the first algorithm typically converges within a few iterations, both proposed algorithms exhibit a low complexity order

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