[论文解读] Pilot-Based Unsourced Random Access with a Massive MIMO Receiver, MRC and Polar Codes.

Alexander Fengler, Peter Jung+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 31被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于导频的非源随机接入方案，用于瑞利块衰落信道下的大规模MIMO上行链路系统，采用非正交导频、最大比合并（MRC）合并以及逐次取消列表译码的极化码。结果表明，当相干块足够长时，该方法在低复杂度检测下实现了可扩展、节能的性能，具备闭式性能近似和强有限块长度性能结果。

ABSTRACT

In this work we treat the unsourced random access problem on a Rayleigh block-fading AWGN channel with multiple receive antennas. Specifically, we consider the slowly fading scenario where the coherence block-length is large compared to the number of active users and the message can be transmitted in one coherence block. Unsourced random access refers to a form of grant-free random access where users are considered to be a-priori indistinguishable and the receiver recovers a list of transmitted messages up to permutation. In this work we show that, when the coherence block length is large enough, a conventional approach based on the transmission of non-orthogonal pilot sequences with subsequent channel estimation and Maximum-Ratio-Combining (MRC) provides a simple energy-efficient solution whose performance can be well approximated in closed form. For the finite block-length simulations we use a randomly sub-sampled DFT matrix as pilot matrix, a low-complexity approximate message passing algorithm for activity detection and a state-of-the-art polar code as single-user error correction code with a successive-cancellation-list decoder. These simulations prove the scalability of the presented approach and the quality of the analysis.

研究动机与目标

• 解决大规模MIMO系统中用户不可区分、接收端必须恢复消息列表（至排列不变）的无源随机接入问题。
• 为慢衰落瑞利块衰落信道中的无调度上行链路传输设计一种低复杂度、节能的解决方案。
• 在有限块长度范围内，利用实用的编码与检测技术实现可扩展的性能表现。
• 在长相干块长度条件下，为所提方案提供闭式性能近似。
• 通过低复杂度的活动检测与最先进的极化码，证明该方法的可行性和鲁棒性。

提出的方法

• 在大规模MIMO基站处使用非正交导频序列进行用户识别与信道估计。
• 在接收端应用最大比合并（MRC）以相干合并来自多根天线的信号，提升信噪比。
• 使用随机子采样的DFT矩阵作为导频矩阵，实现高效且结构化的导频设计。
• 实施一种低复杂度的近似消息传递（AMP）算法，用于联合用户活动检测与信道估计。
• 集成最先进的极化码与逐次取消列表译码技术，实现可靠的单用户纠错。
• 利用长相干块长度，实现闭式下的精确性能近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于导频的非正交传输方案结合MRC合并，能否在瑞利块衰落信道下的大规模MIMO系统中实现可靠的无源随机接入？
• RQ2 在有限块长度条件下，随着活跃用户数增加，所提方案的性能如何变化？
• RQ3 当相干块长度足够大时，系统性能在多大程度上可实现闭式近似？
• RQ4 使用随机子采样的DFT导频矩阵与低复杂度AMP检测对系统性能有何影响？
• RQ5 将极化码与逐次取消列表译码相结合，在此无源接入框架中实现可靠消息恢复的效率如何？

主要发现

• 所提方案在有限块长度范围内实现了可扩展性能，对活跃用户数增加表现出强鲁棒性。
• 当相干块足够长时，系统性能可被良好地以闭式近似，支持分析性性能评估。
• 使用随机子采样的DFT矩阵作为导频矩阵，实现了具有优良相关特性、高效的导频设计。
• 低复杂度的近似消息传递算法实现了有效的联合用户活动检测与信道估计。
• 极化码与逐次取消列表译码的集成确保了高可靠性与近似最优的纠错性能。
• 整体系统实现了节能与可扩展性，适用于大规模无调度上行链路接入。