This paper considers the massive random access problem in MIMO quasi-static Rayleigh fading channels. Specifically, we derive achievability and converse bounds on the minimum energy-per-bit required for each active user to transmit $J$ bits with blocklength $n$ and power $P$ under a per-user probability of error (PUPE) constraint, in the cases with and without \emph{a priori} channel state information at the receiver (CSIR and no-CSI). In the case of no-CSI, we consider both the settings with and without knowing the number $K_a$ of active users. The achievability bounds rely on the design of the ``good region''. Numerical evaluation shows the gap between achievability and converse bounds is less than $2.5$ dB in the CSIR case and less than $4$ dB in the no-CSI case in most considered regimes. When the distribution of $K_a$ is known, the performance gap between the cases with and without knowing the value of $K_a$ is small. For example, in the setup with blocklength $n=1000$, payload $J=100$, error requirement $\epsilon=0.001$, and $L=128$ receive antennas, compared to the case with known $K_a$, the extra required energy-per-bit when $K_a$ is unknown and distributed as $K_a\sim\text{Binom}(K,0.4)$ is less than $0.3$ dB on the converse side and $1.1$ dB on the achievability side. The spectral efficiency grows approximately linearly with $L$ in the CSIR case, whereas the growth rate decreases with no-CSI. Moreover, we study the performance of a pilot-assisted scheme, which is suboptimal especially when $K_a$ is large. Building on non-asymptotic results, when all users are active and $J=\Theta(1)$, we obtain scaling laws as follows: when $L=\Theta \left(n^2\right)$ and $P=\Theta\left(\frac{1}{n^2}\right)$, one can reliably serve $K=\mathcal{O}(n^2)$ users with no-CSI; under mild conditions with CSIR, the PUPE requirement is satisfied if and only if $\frac{nL\ln KP}{K}=\Omega\left(1\right)$.
翻译:本文考虑了 mIMO 准 Raylei 的随机访问问题 {P2 流渠道 {P2 快速 {P2 流渠道 。 具体地说, 我们从每个活动用户传输以块长美元和电源每平方美元为单位的美元比特, 在有或没有 emph{a 前置) 情况下, 在接收器( CIR 和无 CSI ) 中, 巨大的随机访问问题 ( CIR 和无 CSI ) 。 在无 CSI 的情况下, 我们既考虑到有且不知道 $K 美元 的设置, 也没有知道活动用户的美元 美元 。 在“ 良好区域” 的设计上, 最小的能量约束值是 $- 美元 。 在 CSIR 中, 显示可实现性与反差值之间的差距小于 $- 美元 。 当知道 美元时, 当我们使用 美元 和 以 美元 美元 以 美元 和 美元 以 以 美元 以 美元 以 美元 以 以 美元 以 美元 以 美元 流 流 以 以 以 以 以 以 以 以 美元 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 美元 以 以 以 以 以 以 美元 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 美元 以 美元 以 以 以 以 以 的 以 以 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 的 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以