This paper considers a massive random access problem in which a large number of sporadically active devices wish to communicate with a base station (BS) equipped with massive multiple-input multiple-output (MIMO) antennas. Each device is preassigned a unique signature sequence, and the BS identifies the active devices by detecting which sequences are transmitted. This device activity detection problem can be formulated as a maximum likelihood estimation (MLE) problem for which the sample covariance matrix of the received signal is a sufficient statistic. The goal of this paper is to characterize the feasible set of problem parameters under which this covariance based approach is able to successfully recover the device activities in the massive MIMO regime. Through an analysis of the asymptotic behaviors of MLE via its associated Fisher information matrix, this paper derives a necessary and sufficient condition on the Fisher information matrix to ensure a vanishing probability of detection error as the number of antennas goes to infinity, based on which a numerical phase transition analysis is obtained. This condition is also examined from a perspective of covariance matching, which relates the phase transition analysis to a recently derived scaling law. Further, we provide a characterization of the distribution of the estimation error in MLE, based on which the error probabilities in device activity detection can be accurately predicted. Finally, this paper studies a random access scheme with joint device activity and data detection and analyzes its performance in a similar way.


翻译:本文审议了一个巨大的随机访问问题, 大量零星活跃的装置希望与配备大量多输出多输出多输出天线的基础站( BS) 通信。 每个装置都预先指定了独特的签名序列, 并且 BS通过检测传输序列的顺序来识别活动装置。 设备活动探测问题可以作为一种最大可能性估计( MLE) 问题来表述, 接收信号的样本共变矩阵足以提供足够统计数据。 本文件的目的是描述一套可行的问题参数, 使基于共变方法能够成功地恢复大型MIMO系统中的装置活动。 通过分析MLE的无干扰行为, 并通过其相关的Fisherish信息矩阵, 从而确定一个独特的特征。 本文对Fishercher信息矩阵提出了一个必要和充分的条件, 以确保随着天线数量变得不精确, 从而获得数字阶段过渡分析分析分析分析分析分析分析结果。 本文还从变量匹配的角度, 将阶段过渡分析分析方法与最近推算的定尺度法中的设备活动。 最后, 我们提供了一种预测性能测测测测测测的精确性活动方法, 。

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