Grant-free protocols exploiting compressed sensing (CS) multi-user detection (MUD) are appealing for solving the random access problem in massive machine-type communications (mMTC) with sporadic device activity. Such protocols would greatly benefit from a prior deterministic knowledge of the sparsity level, i.e., instantaneous number of simultaneously active devices $K$. Aiming at this, herein we introduce a framework relying on coordinated pilot transmissions (CPT) over a short phase at the beginning of the transmission block for detecting $K$ in mMTC scenarios under Rayleigh fading. CPT can be implemented either as: i) U-CPT, which exploits only uplink transmissions, or A-CPT, which includes also downlink transmissions for channel state information (CSI) acquisition that resolve fading uncertainty. We discuss two specific implementations of A-CPT: ii) A-CPT-F, which implements CSI-based phase corrections while leveraging the same statistical inverse power control used by U-CPT, and iii) A-CPT-D, which implements a dynamic CSI-based inverse power control, although it requires some active devices to remain in silence if their corresponding channels are too faded. We derive a signal sparsity level detector for each CPT mechanism by relaxing the original integer detection/classification problem to an estimation problem in the continuous real domain followed by a rounding operation. We show that the variance of the relaxed estimator increases with $K^2$ and $K$ when operating with U-CPT and A-CPT mechanisms, respectively. The distribution of the estimators under U-CPT, A-CPT-F and A-CPT-D is found to follow an exponential, Gaussian, and Student's $t-$like distribution, respectively. Analyses evince the superiority of A-CPT-D, which is also corroborated via numerical results. We reveal several interesting trade-offs and highlight potential research directions.


翻译:利用压缩遥感(CS)多用户检测(MUD)的免费协议,要求解决大规模机器型通信(MMTC)中随机接入问题,同时零星的装置活动。这些协议将极大地受益于事先对广度水平的确定性知识,即同步运行的装置数量,即瞬时使用同步运行的装置美元。为此,我们引入了一个框架,在传输区开始的短阶段内,依靠协调的试点传输(CPT),在雷利(RayLee)的MMTC假设中检测到美元。 CPT可以实施:i) U-CP,它仅利用上链路传输,或A-CPT,它包括频道状态信息的获取的下线传输,从而解决微不确定性。 我们讨论的是A-CPT的两个具体实施基于CSI的阶段更正,同时利用U-CPT使用的相同的统计偏差控制。 A-CPT-T-D, 以动态的CSI-中继器运行一个动态的轨道,同时通过不断的轨道检测A-直径, 也要求不断的C-PT-C-RO化的系统运行,而持续运行,而持续的A-直径测测测测测测,而不断的系统,而不断的C-直流的系统运行的系统运行的运行的机,而不断的运行的机,也需要不断的A-C-VD 不断的A-I-I 不断的运行的机能的运行的运行的运行的运行的机的机能水平,不断测测到一个持续的机的A-直压的A-直压的A-直压,不断的机能机制也需要不断不断不断不断不断的A-直压的A-直压的A-VD的根。

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