In dieser Arbeit betrachten wir ein drahtloses Relaisnetzwerk, bei dem eine Halbduplex-Mehrantennen-Relaisstation (RS) mehrere Kommunikationsgruppen unterstüzt. Jede Kommunikationsgruppe besteht aus mehreren Halbduplexknoten, die untereinander Nachrichten austauschen. Jeder Knoten hat eine Nachricht und will die Nachrichten der anderen Knoten in seiner Gruppe dekodieren. In solch einem Multi-Way-Relaiskanal kann die Kommunikation nur mit Hilfe einer Relaisstation durchgeführt werden, da angenommen wird, dass es keine direkten Verbindungen zwischen den kommunizierenden Knoten gibt.

Auf Grund der Halbduplexeinschränkung wird eine höhere Anzahl von Zeit-Frequenz Kommunikationsressourcen benötigt im Vergleich zum Fall, wenn Vollduplexknoten ihre Nachrichten mit Hilfe einer Vollduplex-RS austauschen. Daher schlagen wir ein spektral effizientes Kommunikationsprotokoll für Mehr-Gruppen Multi-Way (MGMW) Kommunikation vor, das eine Halbduplex-Mehrantennen RS verwendet. Die erforderliche Anzahl von Kommunikationsphasen wird durch die maximale Anzahl von Knoten innerhalb der Gruppen bestimmt. In der ersten Kommunikationsphase, der sogenannten Vielfachzugriffsphase (Multiple Access - MAC), senden alle Knoten ihre Datenströme gleichzeitig zur RS. Nachdem die RS die entsprechende Signalverarbeitung durchgeführt hat, sendet die RS in den verbleibenden Kommunikationsphasen, den sogenannten Broadcast (BC) Phasen, die Datenströme an die Knoten, wobei sichergestellt wird, dass jeder Knoten den für ihn vorgesehenden Datenstrom von seinen Kommunikationsgruppenmitgliedern empfängt.

In dieser Arbeit werden drei BC Strategien entworfen: die Unicasting Strategie, die hybride Uni/multicasting Strategie und die Multicasting Strategie, wobei jede dieser Strategien gewährleistet, dass die MGMW Kommunikation innerhalb der gegebenen Zahl der Kommunikationsphasen durchgeführt wird. Bei der Unicasting Strategie sendet die RS in jeder BC Phase unterschiedliche Datenströme zu den unterschiedlichen Knoten. Jeder Datenstrom ist nur für einen Empfangsknoten vorgesehen. Bei der hybriden Uni/multicasting Strategie sendet die RS zu jeder bedienten Gruppe zwei Datenströme. Ein Datenstrom wird ausschliesslich nur zu einem Knoten gesendet, während der andere Datenstrom zu den anderen Knoten der Gruppe gesendet wird. Bei der Multicasting Strategie sendet die RS zu jeder bedienten Gruppe einen Datenstrom für alle Knoten in der Gruppe. Hierbei wird Netzwerkcodierung angewendet, um die Anzahl der Kommunikationsphasen im Vergleich zu den anderen BC Strategien beizubehalten. Die angewandte Netzwerkcodierung kann als eine Form von drahtloser Kooperation zwischen der RS und den Knoten angesehen werden. Für jede Gruppe führt die RS in jeder BC Phase eine lineare Operation mit zwei ausgewählten Datenströmen zweier Mitgliederknoten der Gruppe durch und sendet das Ergebnis an alle Gruppenmitgliederknoten. Die ausgewählten Datenströme werden in jeder BC Phase so gewählt, dass der Datenstrom jedes Knotens mindestens einmal berücksichtigt wird. Folglich muss jeder Knoten bezüglich jedes Datenstroms, den der Knoten empfangen hat, Selbstinterferenz- und bekannte Interferenzunterdrückung durchführen. Dazu wird als verfügbare Seiteninformation sein eigener gesendeter Datenstrom oder ein Datenstrom, der in einer vorherigen BC Phase dekodiert worden ist, verwendet.

Weiterhin betrachten wir sowohl eine nicht-regenerative als auch eine regenerative RS für MGMW Relaisverfahren. Eine nicht-regenerative RS wendet ein Transceive (Sende und Empfängs-) Beamforming auf die empfangenen Signale gemäss der gewählten BC Strategie an und sendet das Ergebnis zu den Knoten weiter. Hierzu entwerfen wir ein vereinheitlichtes Systemmodell für nicht-regenerative MGMW Relaisverfahren, das gültig für alle BC Strategien ist, und leiten Ausdrücke für die Summenrate nichtregenerativer MGMW Relaisverfahren für zwei Fälle her: asymmetrischer und symmetrischer Datenverkehr. Wir erarbeiten Transceive Beamforming Verfahren, die die Summenrate nicht-regenerativer MGMW Relaisverfahren maximieren. Auf Grund der hohen Komplexität, das optimale Transceive Beamforming zu finden, das die Summenrate maximiert, entwerfen wir allgemeingültige Transceive Beamforming-Algorithmen mit geringer Komplexität für alle BC Strategien unter der Berücksichtigung von drei verschiedenen Optimierungskriterien: Matched Filter (MF), Zero Forcing (ZF) und Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers (Minimisation of Mean Square Error - MMSE). Desweiteren führen wir ein sich der BC-Strategie bewusstes (BC-Strategy-aware - BCSA) Transceive Beamforming ein. Das BCSA Transceive Beamforming wird entweder basierend auf Block-Diagonalisation (BD) oder auf regularised BD entworfen. Wir zeigen, dass die Summenratenperformanz nicht-regenerativer MGMW Relaisverfahren von der gewählten BC Strategie und dem angewandten Transceive Beamforming abhängt. Verwendet man MF, ZF oder MMSE, führt die hybride Uni/multicasting Strategie zu den besten Ergebnissen, gefolgt von der Unicasting Strategie und der Multicasting Strategie. Verwendet man BCSA Transceive Beamforming, so ist Multicasting die beste Strategie gefolgt von der hybriden Uni/multicasting Strategie und der Unicasting Strategie. BCSA transceive Beamforming kann sowohl die Performanz der hybrid Uni/multicasting Strategie als auch der Multicasting Strategie auf Grund der besseren Verarbeitung von Störungen im Netz verbessern.

Eine regenerative RS dekodiert in der MAC Phase alle empfangenen Datenströme aller Knoten. Wir verwenden MMSE mit sukzessiver Interferenzunterdrückung zum Dekodieren der Datenströme aller Knoten an der RS. Nachdem die Informationsbits dekodiert worden sind, kodiert die RS die dekodierten Bits wieder und sendet die erneut kodierten Datenströme an die Knoten gemäss der gewählten BC Strategie. Bezüglich der Multicasting Strategie werden zwei lineare Operationen berücksichtigt: ein modifizierter Superpositions-Code (mSPC) und ein Exclusives-Oder (exclusive-or - XOR). Hierzu entwerfen wir ein vereinheitlichtes Systemmodell für regenerative MGMW Relaisverfahren, das für alle BC Strategien gültig ist, und leiten Ausdrücke für die Summenraten regenerativer MGMW Relaisverfahren für zwei Fälle her: asymmetrischer und symmetrischer Datenverkehr. Wir schlagen weiterhin Sendebeamforming-Verfahren vor, die die Sendeleistung der RS minimieren und gleichzeitig sicherstellen, dass in der BC Phase jeder Empfangsknoten die Daten mit der gleichen Rate empfängt, mit der die RS in der MAC Phase den entsprechenden Datenstrom empfangen hat. Auf Grund der Komplexität, ein optimales Sendebeamforming zu finden, das die Sendeleistung der RS minimiert, und da in manchen Fällen die verfügbare Sendeleistung der RS begrenzt ist, entwerfen wir allgemeingültige Sendebeamforming Verfahren für alle BC Strategien unter der Berücksichtigung von drei verschiedene Optimierungskriterien: MF, ZF und MMSE. Desweiteren entwerfen wir allgemeingültige BCSA Sendebeamforming-Verfahren. Es zeigt sich, dass die Multicasting-XOR Strategie im Vergleich zu den anderen BC Strategien die niedrigste Sendeleistung an der RS benötigt. Die Summenratenperformanz der regenerativen MGMW Relaisverfahren hängt im allgemeinen von der gewählten BC Strategie und dem angewandten Sendebeamforming ab. Auf Grund der besseren Verarbeitung von Störungen im Netz führt das BCSA Sendebeamforming zu einer Verbesserung der Summenratenperformanz regenerativer MGMW Relaisverfahren. Weiterhin zeigt sich, dass die Multicasting-XOR Strategie zu den besten Resultaten führt, gefolgt von der hybriden Uni/multicasting Strategie und der Unicasting Strategie. Ferner übertrifft die Multicasting-XOR Strategie die Multicasting-mSPC Strategie.