We study the Gaussian multiple access channel with random user activity, in the regime where the number of users is proportional to the code length. The receiver may know some statistics about the number of active users, but does not know the exact number nor the identities of the active users. We derive two achievability bounds on the probabilities of missed detection, false alarm, and active user error, and propose an efficient CDMA-type scheme whose performance can be compared against these bounds. The first bound is a finite-length result based on Gaussian random codebooks and maximum-likelihood decoding. The second is an asymptotic bound, established using spatially coupled Gaussian codebooks and approximate message passing (AMP) decoding. These bounds can be used to compute an achievable tradeoff between the active user density and energy-per-bit, for a fixed user payload and target error rate. The efficient CDMA scheme uses a spatially coupled signature matrix and AMP decoding, and we give rigorous asymptotic guarantees on its error performance. Our analysis provides the first state evolution result for spatially coupled AMP with matrix-valued iterates, which may be of independent interest. Numerical experiments demonstrate the promising error performance of the CDMA scheme for both small and large user payloads, when compared with the two achievability bounds.


翻译:本文研究具有随机用户活动的高斯多址接入信道,其中用户数量与码长成比例。接收端可能知晓活跃用户数量的部分统计特性,但既不知道确切活跃用户数,也不掌握活跃用户的具体身份。我们推导了关于漏检概率、虚警概率及活跃用户错误概率的两个可达性界,并提出一种高效的CDMA型方案,其性能可与这些界进行比较。第一个界是基于高斯随机码本与最大似然解码的有限长度结果;第二个界为渐近界,通过空间耦合高斯码本与近似消息传递(AMP)解码建立。这些界可用于计算在固定用户载荷与目标错误率下,活跃用户密度与每比特能量之间的可达折衷关系。所提出的高效CDMA方案采用空间耦合特征矩阵与AMP解码,我们对其误码性能给出了严格的渐近保证。我们的分析首次为具有矩阵值迭代的空间耦合AMP提供了状态演化结果,该结果可能具有独立的研究价值。数值实验表明,与两个可达性界相比,该CDMA方案在用户载荷较小和较大时均展现出优异的误码性能。

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