This paper investigates the effect of low-resolution analog-to-digital converters (ADCs) on device activity detection in massive machine-type communications (mMTC). The low-resolution ADCs induce two challenges on the device activity detection compared with the traditional setup with assumption of infinite ADC resolution. First, the codebook design for signal quantization by the low-resolution ADCs is particularly important since a good codebook design can lead to small quantization error on the received signal, which in turn has significant influence on the activity detector performance. To this end, prior information about the received signal power is needed, which depends on the number of active devices $K$. This is sharply different from the activity detection problem in traditional setups, in which the knowledge of $K$ is not required by the BS as a prerequisite. Second, the covariance-based approach achieves good activity detection performance in traditional setups while it is not clear if it can still achieve good performance in this paper. To solve the above challenges, we propose a communication protocol that consists of an estimator for $K$ and a detector for active device identities: 1) For the estimator, the technical difficulty is that the design of the ADC quantizer and the estimation of $K$ are closely intertwined and doing one needs the information/execution from the other. We propose a progressive estimator which iteratively performs the estimation of $K$ and the design of the ADC quantizer; 2) For the activity detector, we propose a custom-designed stochastic gradient descent algorithm to estimate the active device identities. Numerical results demonstrate the effectiveness of the communication protocol.


翻译:本文研究低分辨率模拟数字转换器(ADCs)对 massive machine-type communications(mMTC)下设备活动检测的影响。与传统假设无限制 ADC 分辨率的设置相比,低分辨率 ADCs 对设备活动检测带来了两个挑战。首先,在低分辨率 ADCs 下,用于信号量化的码簿设计特别重要,好的码簿设计可以使接收到的信号的量化误差变小,从而对活动检测器性能具有显著影响。为此,需要接收到的信号功率的先验信息,它取决于 active devices 的数量 $K$。这与传统设置下的活动检测问题极其不同,在那种情况下,$K$ 的知识不是 BS 的先决条件。其次,在传统设置下,协方差方法可以实现良好的活动检测性能,而在本文中不清楚它是否仍然能够实现良好的性能。为了解决上述挑战,我们提出了一种通信协议,其中包括一个用于估计 $K$ 和一个用于检测 active device 身份的检测器:1) 对于估计器,技术难点在于 ADC 量化器的设计和 $K$ 的估计是紧密相关的,一个需要另一个的信息/执行。我们提出了一个逐步估计器,它反复执行 $K$ 的估计和 ADC 量化器的设计; 2) 对于活动检测器,我们提出了一种定制的随机梯度下降算法来估计 active device identities。数值结果表明了通信协议的有效性。

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