There is an increasing demand of massive machine-type communication (mMTC) to provide scalable access for a large number of devices, which has prompted extensive investigation on grant-free massive random access (RA) in 5G and beyond wireless networks. Although many efficient signal processing algorithms have been developed, the limited radio resource for pilot transmission in grant-free massive RA systems makes accurate user activity detection and channel estimation challenging, which thereby compromises the communication reliability. In this paper, we adopt retransmission as a means to improve the quality of service (QoS) for grant-free massive RA. Specifically, by jointly leveraging the user activity correlation between adjacent transmission blocks and the historical channel estimation results, we first develop an activity-correlation-aware receiver for grant-free massive RA systems with retransmission based on the correlated approximate message passing (AMP) algorithm. Then, we analyze the performance of the proposed receiver, including the user activity detection, channel estimation, and data error, by resorting to the state evolution of the correlated AMP algorithm and the random matrix theory (RMT). Our analysis admits a tight closed-form approximation for frame error rate (FER) evaluation. Simulation results corroborate our theoretical analysis and demonstrate the effectiveness of the proposed receiver for grant-free massive RA with retransmission, compared with a conventional design that disregards the critical user activity correlation.


翻译:随着越来越多的机器类型通信需求,提供可扩展的大量设备访问的无授权大规模随机接入(RA)在5G及其后续无线网络中得到了广泛研究。虽然已经开发了许多有效的信号处理算法,但是在无授权大规模RA系统中为导频传输分配的有限无线电资源使得准确的用户活动检测和信道估计变得具有挑战性,因此影响了通信的可靠性。在本文中,我们采用重传作为改善无授权大规模RA的服务质量(QoS)的手段。具体而言,通过共同利用相邻传输块之间的用户活动相关性和历史信道估计结果,我们首先基于相关精确信息传递(AMP)算法,开发了一个具有重传的无授权大规模RA系统的活动相关性感知接收器。然后,通过利用相关AMP算法的状态演化和随机矩阵理论(RMT),我们分析了所提出的接收机的性能,包括用户活动检测,信道估计和数据误差。我们的分析给出了一个紧密的闭式近似,用于评估帧错误率(FER)。模拟结果证实了我们的理论分析,并证明了所提出的具有重传的无授权大规模RA的接收器相比忽略关键用户活动相关性的传统设计更具有效性。

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