Die Verbreitung allgegenwärtiger mobiler Breitbandkommunikation hat unseren Alltag und unsere Gesellschaft signifikant verändert. Der Einsatz mehrerer Antennen an Sendern und Empfängern, auch bekannt als Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Technologie, ist einer der Schlüssel für Fortschritte in der mobilen Kommunikation. Akkurate und aktuelle Kanalinformation auf der Senderseite (Channel State Information at the Transmitter, CSIT) ist dabei eine notwendige Voraussetzung, um Multiplexing-Gewinne, welche in der Literatur auch als Freiheitsgrade (Degrees of Freedom, DoF) bezeichnet werden, zu erzielen. Jedoch kann die Bereitstellung stets aktueller CSIT sehr aufwändig in Bezug auf die benötigten Ressourcen werden. Im Falle vollständig veralteter CSIT kann keine Kanal-Zeit-Korrelation ausgenutzt werden. Dennoch kann sogar vollständig veraltete CSIT sehr nützlich sein, um mehr DoF zu erzielen, als ohne jegliche CSIT möglich ist. Die Schlüsselidee ist dabei eine Mehrphasen-Übertragung, wobei in jeder Phase der mitgehörte Interferenzterm aus den vorherigen Übertagungsphasen erneut übertragen wird. Einerseits liefern diese Terme den Sendern neue Informationen über die gewünschten Symbole, andererseits können diese Terme auf Empfängerseite entfernt werden, wo sie zuvor mitgehört wurden. Dadurch kann die Menge an anfallender Interferenz in jeder der aufeinanderfolgenden Phasen reduziert werden, wobei in der letzten Phase eine interferenzfreie Übertragung erreicht wird. In dieser Arbeit entwerfen wir neue Übertragungsschemata, um für eine Vielzahl von Kommunikationsnetzwerken mit teilweise oder vollständig veralteter CSIT mehr DoF zu erzielen.

Zunächst wird ein Netzwerk mit zwei Sendern und zwei Empfängern betrachtet, in dem jeder Sender eine Nachricht an jeden Empfänger senden möchte. Ein solches Netzwerk wird in der Literatur auch als X-channel (XC) bezeichnet. Wir betrachten einen MIMO-Fall, in welchem die Sender über M_1 bzw. M_2 Antennen und die Empfänger über N_1 bzw. N_2 Antennen verfügen. Im XC empfäangt jeder Empfänger, ausgehend von den beiden verschiedenen Sendern, eine Überlagerung zweier Interferenzsignale. Daher kann die Interferenz in dieser Form nicht durch veraltete CSIT rekonstruiert werden. Durch den Einsatz von Redundanzübertragung (RT), kann jeder Sender dazu gebracht werden, nur einen Bruchteil des Signalraums jedes Empfängers zu überspannen. Desweiteren kann jeder Empfänger das Signal von einem Störer durch den Einsatz von Partial Interference Nulling (PIN) subtrahieren, wobei das verbleibende Interferenzsignal durch den Einsatz von veralteter CSIT am Sender rekonstruiert werden kann. Für den Fall, dass min{M_1, M_2} > min{N_1, N_2} gilt, kann eine effizientere mehrteilige Übertragung, auch bekannt als Interference Sensing and Redundancy Transmission (IS-RT), durchgeführt werden, bei der die Interferenz, welche im ersten Teil empfangen wird, die Interferenz aus dem zweiten Teil beinhaltet. In dieser Arbeit führen wir Dekodierbarkeitsanalysen des State-of-the-art Übertragungsschemas für den MIMO XC mit veralteter CSIT durch, welche auf IS-RT-PIN beruht. Unsere Analysen zeigen, dass trotz der Tatsache, dass die Empfänger eine ausreichende Anzahl von Linearkombinationen erhalten, die übertragenen Informationssymbole aufgrund von linearer Abhängigkeit der Linearkombinationen nicht immer dekodierbar sind. Um das identifierte Dekodierbarkeitsproblem zu lösen, schlagen wir ein neues Übertragungsschema vor, bei welchem die Parameter sorgsam gewählt werden, um die erzielbaren DoF zu maximieren und gleichzeitig die lineare Unabhängigkeit sicherzustellen. Das vorgeschlagene Übertragungsschema erzielt eine größere Anzahl an DoF als das State-of-the-art Übertragungsschema, bei welchem die Anzahl an übertragenen Informationssymbolen auf die Anzahl an dekodiebaren Informationssymbolen reduziert wird.

Desweiteren wird ein Netzwerk mit drei Sendern und drei Empfängern betrachtet, in dem jeder Sender eine Nachricht an seinen jeweiligen Partner-Empfänger senden möchte. Ein solches Netzwerk wird in der Literatur als Drei-Nutzer Interference Channel (IC) bezeichnet. Wir betrachten einen symmetrischen MIMO-Fall, in dem jeder Sender M Antennen und jeder Empfänger N Antennen hat. Für den Drei-Nutzer MIMO IC mit veralteter CSIT werden zwei neue Übertragungsschemata für M<N und M>N vorgeschlagen, welche höhere DoF erzielen als aus der Literatur bekannte Verfahren. Das erste Übertragungsschema für M<N beruht auf RT-PIN, wobei berücksichtigt wird, dass für M<N die Redundanz natürlicherweise vom Kanal eingebracht wird. Das vorgestellte Verfahren hat eine Drei-Phasen-Struktur, wobei in jeder Phase die Menge an eingebrachter Redundanz entsprechend M/N angepasst wird. Das zweite Übertragungsschema für M>N beruht auf IS-RT-PIN. Wie bereits für den MIMO XC mit veralteter CSIT und den Verfahren basierend auf IS-RT-PIN identifiert, kann es aufgrund von linearen Abhängigkeiten zu einem Verlust an Dekodierbarkeit kommen. Das Übertragungsschema aus der Literatur nutzt in Phase 1 eine zweiteilige IS-RT, wobei die Anzahl an verwendeten Sendeantennen für ausreichend große M/N begrenzt wird, um einen Verlust an Dekodierbarkeit zu verhindern. In diesem Fall werden die zusätzlichen Sendeantennen nicht ausgenutzt. Unser vorgeschlagenes Übertragungsschema nutzt stattdessen eine neue dreiteilige IS-RT in Phase 1, in welcher die IS und RT Teile verschiedener Sender eine unterschiedliche Länge haben. Eine solche Übertragung erlaubt die Reduzierung der Anzahl der linear abhängigen Linearkombinationen, wobei die Anzahl an genutzten Sendeantennen nur an einem einzigen Sender beschränkt ist. Die Parameter des vorgeschlagenen Übertragungsschemas werden sorgsam gewählt, um die erzielbaren DoF zu maximieren und gleichzeitig die lineare Unabhängigkeit sicherzustellen. Dabei wird eine größere Anzahl an DoF erzielt als in der Literatur. Zusätzlich zu den zwei vorgeschlagenen Verfahren wird eine obere Grenze der linearen DoF präsentiert, welche sich als sehr eng für 1/2 < M/N ≤ 3/5 und 2 ≤ M/N < 3 darstellt.

Außerdem wird der 2-Antennen 3-Nutzer Multiple-Input Single-Output (MISO) Broadcast Channel (BC) mit alternierender CSIT betrachtet, in welchem das CSIT für jeden Nutzer entweder perfekt (P) oder veraltet (D) sein kann, was in insgesamt 8 mögliche CSIT Zustände I_1I_2I_3, I_i ∈ {P, D}, i ∈ {1, 2, 3}, resultiert. Für dieses Szenario erhalten wir neue Ergebnisse über die DoF Charakterisierung. Das erste Ergebnis charakterisiert die DoF-Region für den Fall, in dem die CSIT Zustände die folgenden 5 Werte annehmen: PPP, PPD, PDP, PDD und DDD. Das zweite Ergebnis charakterisiert die DoF für den Fall, in dem die CSIT Zustände alle möglichen Werte annehmen können, die gemeinsamen CSIT Zustandswahrscheinlichkeiten jedoch bestimmte Verhältnisse erfüllen müssen. Um die optimalen DoF zu erzielen, wird eine gemeinsame Codierung über alle verfügbaren CSIT Zustände vorgeschlagen, was Gewinne im Vergleich zur individuellen Codierung über jeden einzelnen CSIT Zustand liefert. Um unsere Ergebnisse zu erhalten, schlagen wir zuerst vier neue konstituierende Kodierungsschemata (CSs) vor, welche eine gemeinsame Codierung der CSIT Zustands-Tupel (PPP, PDD), (PDD, DDD), (PDD, DPD, DDD) und (PDD, DPD, DDP) ausführen. Nach einer sorgfältigen Zuordnung der neu vorgeschlagenen und der in der Literatur existierenden CSs zu den verfügbaren CSIT Zuständen werden die optimalen DoF erzielt.