第五代移动通信系统(5G)预计在2020年进入商业阶段,未来将有数以百万计的物联网设备接入网络,从而实现真正的“万物互联”。大规模机器类型通信(Massive Machine-Type Communications,mMTC)是5G应用最为广泛的三大重要场景之一,其特点包括海量上行接入数、小数据包、高设备能耗要求、低设备传输速率、高时延容忍性,以及突发通信。确保设备的高效接入是实现万物互联的前提,但传统通信技术在面对5G物联网的大规模低功耗上行接入场景时,存在一些关键问题:第一,由于需要支持的通信设备数量众多,用于mMTC的频域资源容量及其有限,因此无法满足海量设备上行业务突发、同步接入的需求;第二,传统蜂窝网络的上行接入技术采用正交多址接入(orthogonal multiple access,OMA)和基于调度(grant-based)接入的方式,在面对小包突发的mMTC业务时存在连接资源不足、调度信令开销占比巨大的问题。因此,本文从海量物联网设备上行接入的多样化业务特性出发设计有效的上行接入和数据传输方案,主要包括上行通信网络协作和新型分布式非正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,NOMA)相关的关键技术研究,从而有效实现海量物联网业务的高效接入。详细研究成果总结如下:1.针对5G物联网上行海量同步接入导致的机器类型通信资源不足的难题,本文给出一种高能效高频效的基于窄带NOMA的上行协同接入方案。首先建模了基于多信道NOMA的单时隙上行接入数量最大化数学问题,然后将该混合整数非线性优化问题等效转化成紧凸集上的广义线性乘法规划问题,最后通过设计一种有效的基于分支定界原理的上行动态用户聚簇和功率分配算法,得出全局最优解。该方案相对于传统OMA方案和两用户功率域复用NOMA方案,系统接入数成倍增加,实现了窄带条件下的高效同步上行接入。2.针对大规模上行接入场景小包突发现象导致的传统基于调度的接入方案信令开销巨大、设备能耗高的难题,本文给出一种非协作式的基于分布式NOMA的免调度上行传输方案。首先从随机突发的业务特征出发设计了一种新型的分布式分层NOMA虚拟网络框架,可实现分布式自主上行混合数据传输,然后推导出该框架下的系统预期连接数的闭式表达式。最后给出了一种简单有效的联合接入控制和NOMA层数选择算法,实现了预期连接数最优化。数值分析和仿真结果表明,该方案相比随机接入方案,在预期连接吞吐量方面优势达到三个数量级;与基于调度的OMA方案相比,预期连接数增益超过3 1.25%,并且信令开销减小至0.0189%。3.针对免调度传输的随机竞争接入机制导致的系统不稳定难题,本文从物联网上行通信小包突发、时延容忍的业务特点出发,给出一种基于分布式免调度NOMA的稳定传输方案。首先根据Foster-Lyapunov准则全面分析了基于快速重传机制的分布式免调度接入方案的系统不稳定性,然后通过用户自主最优化控制传输概率的方式设计一种确保系统稳定的非协作式NOMA上行接入策略。数值分析和仿真结果表明,当系统过载时,该方案相比无传输控制的免调度NOMA方案和考虑传输概率控制的OMA方案,预期系统吞吐量分别增加了45.2%和87.5%,且可以保证任意系统负载下的稳定高吞吐量性能。