Most existing studies on massive grant-free access, proposed to support massive machine-type communications (mMTC) for the Internet of things (IoT), assume Rayleigh fading and perfect synchronization for simplicity. However, in practice, line-of-sight (LoS) components generally exist, and time and frequency synchronization are usually imperfect. This paper systematically investigates maximum likelihood estimation (MLE)-based device activity detection under Rician fading for massive grant-free access with perfect and imperfect synchronization. Specifically, we formulate device activity detection in the synchronous case and joint device activity and offset detection in three asynchronous cases (i.e., time, frequency, and time and frequency asynchronous cases) as MLE problems. In the synchronous case, we propose an iterative algorithm to obtain a stationary point of the MLE problem. In each asynchronous case, we propose two iterative algorithms with identical detection performance but different computational complexities. In particular, one is computationally efficient for small ranges of offsets, whereas the other one, relying on fast Fourier transform (FFT) and inverse FFT, is computationally efficient for large ranges of offsets. The proposed algorithms generalize the existing MLE-based methods for Rayleigh fading and perfect synchronization. Numerical results show the notable gains of the proposed algorithms over existing methods in detection accuracy and computation time.


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极大似然估计方法(Maximum Likelihood Estimate,MLE)也称为最大概似估计或最大似然估计,是求估计的另一种方法,最大概似是1821年首先由德国数学家高斯(C. F. Gauss)提出,但是这个方法通常被归功于英国的统计学家罗纳德·费希尔(R. A. Fisher) 它是建立在极大似然原理的基础上的一个统计方法,极大似然原理的直观想法是,一个随机试验如有若干个可能的结果A,B,C,... ,若在一次试验中,结果A出现了,那么可以认为实验条件对A的出现有利,也即出现的概率P(A)较大。极大似然原理的直观想法我们用下面例子说明。设甲箱中有99个白球,1个黑球;乙箱中有1个白球.99个黑球。现随机取出一箱,再从抽取的一箱中随机取出一球,结果是黑球,这一黑球从乙箱抽取的概率比从甲箱抽取的概率大得多,这时我们自然更多地相信这个黑球是取自乙箱的。一般说来,事件A发生的概率与某一未知参数theta有关, theta取值不同,则事件A发生的概率P(A/theta)也不同,当我们在一次试验中事件A发生了,则认为此时的theta值应是t的一切可能取值中使P(A/theta)达到最大的那一个,极大似然估计法就是要选取这样的t值作为参数t的估计值,使所选取的样本在被选的总体中出现的可能性为最大。
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