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 the assumption of infinite ADC resolution. First, the codebook design for signal quantization by the low-resolution ADC is particularly important since a good design of the codebook 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:本文研究了低分辨率模拟数字转换器(ADC)对海量机器类型通信(mMTC)中设备活动检测的影响。 与传统的假设具有无限ADC分辨率的设置相比,低分辨率ADC会对设备活动检测产生两个挑战。 首先,与传统设置相比,低分辨率ADC的信号量化的码本设计特别重要,因为良好的码本设计可以导致接收信号上的小量化误差,从而对活动检测器性能产生重要影响。 为此,需要有有关接收信号功率的先前信息,这取决于活动设备数目K。 这与传统设置下的活动检测问题有着明显不同,在传统设置中,BS不需要知道K作为前提条件。 其次,传统设置中基于协方差的方法可以实现良好的活动检测性能,而在本文中是否仍然可以实现良好的性能尚不清楚。 为了解决上述挑战,我们提出了一种通信协议,它由K的估计器和主动设备身份的检测器组成:1)对于估计器,技术难点在于ADC量化器的设计和K的估计密切相关,在执行其中之一需要另一方的信息/执行。 我们提出了一种渐进式估计器,它迭代地执行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活动设备身份。 数值结果证明了通信协议的有效性。

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