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.


翻译:针对物联网(IoT)中大规模机器类通信(mMTC)需求提出的大规模免授权接入研究,现有文献为简化分析通常假设瑞利衰落与完美同步。然而在实际场景中,视距(LoS)分量普遍存在,且时间与频率同步往往不完美。本文系统研究了完美与不完美同步条件下莱斯衰落的基于极大似然估计(MLE)的设备活动检测问题。具体而言,我们将同步情形下的设备活动检测以及三种异步情形(即时间异步、频率异步、时间与频率异步)下的联合设备活动与偏移量检测建模为MLE问题。在同步情形中,我们提出一种迭代算法以获取MLE问题的驻点。针对每种异步情形,我们提出两种具有相同检测性能但计算复杂度不同的迭代算法:一种适用于偏移量范围较小时的高效计算场景,另一种基于快速傅里叶变换(FFT)及其逆变换,适用于偏移量范围较大时的高效计算场景。所提算法将现有基于MLE的瑞利衰落与完美同步方法进行了推广。数值结果表明,与现有方法相比,所提算法在检测精度与计算时间方面均具有显著优势。

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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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