Relaisverfahren sind höchst vorteilhaft, um in drahtlosen Kommunikationssystemen Abschattungseffekte zu überwinden, Reichweiten zu erhöhen, die Energieeffizienz zu verbessern und den erzielbaren Datendurchsatz zu steigern. Um den erzielbaren Datendurchsatz weiter zu steigern, können Mehrantennentechniken genutzt werden. In dieser Arbeit werden Sendestrategien sowie Filterentwürfe für drei verschiedene nicht-regenerative Mehrantennen-Relais-Szenarien vorgeschlagen. Um Relaisverfahren in zukünftigen zellularen Szenarien zu untersuchen, wird ein zellulares Mehrnutzer-Relaisszenario betrachtet, in welchem eine Mehrantennen-Basisstation mit mehreren Mehrantennen-Mobilstationen bidirektional kommuniziert. Um Relaisverfahren in zukünftigen Ad-Hoc-Netzwerken und Sensornetzwerken zu untersuchen, werden ein Mehrpaar-Relaisszenario und ein Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario betrachtet. In dem Mehrpaar-Relaisszenario kommunizieren mehrere Mehrantennen-Knoten paarweise bidirektional miteinander. In dem Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario besteht jede Gruppe aus mehreren Mehrantennen-Knoten und jeder dieser Knoten teilt seine Daten mit allen anderen Knoten in seiner Gruppe. In allen Szenarien senden die Knoten während einer Vielfachzugriffsphase zeitgleich zur Relaisstation. Anschließend sendet die Relaisstation während mehrerer Broadcast (BC) Phasen linear verarbeitete Versionen dieser empfangenen Signale zu den Knoten. In dem zellularen Mehrnutzer-Relaisszenario und dem Mehrpaar-Relaisszenario wird nur eine BC Phase benötigt, da bidirektionale Kommunikationen betrachtet werden. In dem Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario werden mehrere BC Phasen benötigt, da jeder Knoten die Nachrichten von allen anderen Knoten in seiner Gruppe empfangen muss.

Jeder Knoten benötigt in der Regel eine unterschiedliche Datenrate zum Senden und Empfangen. So ist zum Beispiel die benötigte Datenrate in der Abwärtsstrecke von der Basisstation zu den Mobilstationen normalerweise höher als die benötigte Datenrate in der Aufwärtsstrecke von den Mobilstationen zur Basisstation. Um dies zu berücksichtigen, werden asymmetrische Datenraten-Forderungen (ADRF) eingeführt. Jedoch ist das Problem, die Summenrate für die betrachteten Szenarien mit und ohne Berücksichtigung der eingeführten ADRF zu maximieren, nicht konvex und die Suche nach einer optimalen Lösung hat eine sehr hohe Berechnungskomplexität. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit für jedes betrachtete Szenario eine Zerlegung des Problems der Summenratenmaximierung vorgeschlagen. Basierend auf diesen Problemzerlegungen werden die folgenden Verfahren eingeführt.

Im zellularen Mehrnutzer-Relaisszenario können die Sende- und Empfangssignale der Basisstation gemeinsam über alle Antennen verarbeitet werden. Für dieses Szenario wird ein Filterentwurf für das Sendeempfangsfilter der Relaisstation vorgeschlagen, welcher ausnutzt, dass die Sendesignale der Mobilstationen gemeinsam an der Basisstation verarbeitet werden können. Für den vorgeschlagenen Filterentwurf werden die Fähigkeiten der Selbst- und der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Knoten ausgenutzt. Zudem wird eine analytische Lösung basierend auf der Minimierung des gewichteten mittleren quadratischen Fehlers hergeleitet. Zusätzlich wird ein Entwurf des Sendefilters an der Basisstation vorgeschlagen, der die Fähigkeit der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Mobilstationen ausnutzt. Außerdem wird ein Verfahren eingeführt, welches den gemeinsamen Entwurf der Filter an den Knoten und des Filters an der Relaisstation ermöglicht. Weiterhin werden zwei Sendestrategien vorgeschlagen, welche die Sendeleistungen an den Knoten und die Sendeleistungsverteilungen an der Basisstation und an der Relaisstation anpassen, um die betrachteten ADRF zu erfüllen. Zudem wird bei einer der vorgeschlagenen Sendestrategien eine Subträger-Zuweisung durchgeführt, um die Anzahl der gleichzeitig gesendeten Datenströme unter Berücksichtigung der ADRF anzupassen. Durch numerische Ergebnisse wird gezeigt, dass die Performanz der vorgeschlagenen Sendestrategien kombiniert mit den vorgeschlagenen Filterentwürfen an den Knoten und an der Relaisstation signifikant besser ist als die Performanz konventioneller Verfahren. So benötigen die vorgeschlagenen Verfahren zum Beispiel bis zu drei Antennen an der Relaisstation weniger als konventionelle Verfahren, um dieselbe Summenrate zu erzielen.

Im Mehrpaar-Relaisszenario können weder die Sende- noch die Empfangssignale, die zu unterschiedlichen Paaren gehören, gemeinsam an einem Knoten verarbeitet werden. Für dieses Szenario wird ein Filterentwurf für das Sendeempfangsfilter der Relaisstation vorgeschlagen, welcher die Interferenz zwischen den Knoten verschiedener Paare unterdrückt und somit eine gleichzeitige Kommunikation aller Paare ermöglicht. Zudem nutzt der vorgeschlagene Filterentwurf die Fähigkeiten der Selbst- und der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Knoten aus. Basierend auf der Minimierung des gewichteten mittleren quadratischen Fehlers wird für den vorgeschlagenen Filterentwurf eine analytische Lösung hergeleitet. Zusätzlich werden zwei Verfahren vorgeschlagen, um die Sende- und Empfangsfilter an den Knoten zu entwerfen. Weiterhin werden zwei Sendestrategien vorgeschlagen, welche die Sendeleistungen an den Knoten und die Sendeleistungsverteilung an der Relaisstation anpassen, um die betrachteten ADRF zu erfüllen. Zudem wird bei einer der vorgeschlagenen Sendestrategien eine vollständige Suche durchgeführt, um die Anzahl der gleichzeitig gesendeten Datenströme unter Berücksichtigung der ADRF zu optimieren. Durch numerische Ergebnisse wird gezeigt, dass die Performanz der vorgeschlagenen Sendestrategie, welche die Anzahl der gleichzeitig gesendeten Datenströme optimiert, kombiniert mit den vorgeschlagenen Filterentwürfen an den Knoten und an der Relaisstation signifikant besser ist als die Performanz konventioneller Verfahren. So benötigt das vorgeschlagene Verfahren zum Beispiel bis zu drei Antennen an der Relaisstation weniger als konventionelle Verfahren, um dieselbe Summenrate zu erzielen.

Im Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario kann die Auswahl der Signale, die in den einzelnen BC Phasen ausgesendet werden, optimiert werden. Dies stellt eine zusätzliche Herausforderung im Vergleich zu den anderen zwei Relaisszenarien dar. Zudem kann an jedem Knoten eine gemeinsame zeitliche Verarbeitung der Empfangssignale aus den verschiedenen BC Phasen durchgeführt werden. Für dieses Szenario werden zwei Sendestrategien vorgeschlagen, welche die analoge Netzwerkcodierung verwenden, um die Fähigkeit der räumlichen Signalverarbeitung an den Knoten und an der Relaistation auszunutzen sowie um die Fähigkeit der zeitlichen Signalverarbeitung an den Knoten auszunutzen. Außerdem nutzen die vorgeschlagenen Sendestrategien die Fähigkeiten der Selbst- und der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Knoten aus. Um eine effiziente Anwendung der vorgeschlagenen Sendestrategien zu ermöglichen, wird ein Entwurf des Sendeempfangsfilters der Relaisstation vorgeschlagen, welcher die Umsetzung von analoger Netzwerkcodierung ermöglicht. Der vorgeschlagene Filterentwurf basiert auf der Minimierung des gewichteten mittleren quadratischen Fehlers und es wird eine analytische Lösung für das Sendeempfangsfilter hergeleitet, welche Mithilfe von Gewichtsparametern angepasst werden kann. Zusätzlich wird ein Verfahren eingeführt, welches den gemeinsamen Entwurf der Empfangsfilter an den Knoten und des Sendeempfangsfilters an der Relaisstation ermöglicht. Durch numerische Ergebnisse wird gezeigt, dass die Performanz der vorgeschlagenen Sendestrategien kombiniert mit dem vorgeschlagenen gemeinsamen Entwurf der Empfangsfilter an den Knoten und des Sendeempfangsfilters an der Relaisstation signifikant besser ist als die Performanz konventioneller Verfahren. So benötigen die vorgeschlagene Verfahren zum Beispiel bei Betrachtung einer einzelnen Gruppe mit zehn Knoten bis zu sechs Antennen an der Relaisstation weniger als konventionelle Verfahren, um dieselbe Summenrate zu erzielen.