随着物联网(IoT)行业日益繁荣,机器类型通信(MTC)对于接近第五代无线通信需求而言变得越来越重要,其中机器类型通信的特征在于全自动数据生成、交换、智能机器之间的加工和驱动,无需或不经过人工的干预。随着嵌入式设备的迅速普及,MTC正在成为包括医疗保健、制造、公用事业、建筑、消费品和运输在内的各种新兴智能服务的主导通信范例。行业分析师预测,到2020年将有500亿台设备连接到全球的移动网络。尽管人类之间进行通信的移动电话设备仍然存在,但机器类型设备向其他机器、服务器、云端或人类发送信息的部分将占据更大比例,从而创建所谓的大规模机器通信(MMTC)。大规模MTC模型的要求与当前人类通信模型的要求不同,因为它涉及潜在大量的小型和功率受限设备,其中每个设备不频繁地传输少量非延迟敏感信息。此外,不同的MMTC服务将呈现不同的流量模式,与设备数量相结合,使得资源分配问题非常具有挑战性。虽然目前的无线网络主要是为人类通信设计的,但MMTC具有各种设备类型、流量模式和性能要求,会导致不同的网络结构。第三代合作伙伴计划(3GPP)目前致力于下一代蜂窝通信的标准化,其中MTC开创了一个新的发展时代,因为预计全球将连接多达数百亿台机器以支持用于下一代无线通信。为了接近5G的大规模MTC标准,LTE-MTC技术被首选作为研究的显着候选者,因为其可通过基站处的软件更新部署在当前的LTE网络中,并且为移动电话提供低成本和可靠的蜂窝连接。LTE-M被设想用于中档的物联网应用并可提供语音和视频服务。这种蜂窝技术在许可频谱中工作,因此除了用于第五代的大型机器类型通信之外,主要针对高质量移动语音和数据服务。后来NB-IoT技术研究了更广泛的室内覆盖区域,并且可以支持大量的低吞吐量设备。另一方面,低带宽可能会损坏最大容量,并且服务质量要求可达。因此,NB-IoT可以提供非常大的覆盖范围并支持超低成本设备。与LTE-MTC相比,对于低数据速率应用,NB-IoT似乎是MTC更好的解决方案。在接近5GMMTC需求的过程中,业主成立了长距离广域网(LoRaWAN)技术,这是LPWA技术在非授权频谱(ISM频段)中的工作原理。它的开发和设计完全针对机器型通信应用,针对超低端传感器部分,对吞吐量,可靠性和服务质量提出了精确的要求。LoRaWAN Technology提供了一个非常引人注目的远距离,低功耗和安全数据传输的组合。与现在的蜂窝网络相比,使用这种技术的公共和私人网络可以提供更好的覆盖范围。插入当前基础设施并提供解决方案来服务MTC应用是最好的技术。但目前用于MMTC的低功耗广域网(LPWAN)技术LoRa,LTE-M和NB-IoT还不够成熟,无法满足5G MMTC的要求,这些MTC技术无法处理大量未配合的设备作为并发连接和传输数据。这是因为可用的无线接入资源不足,并且大量的并发网络接入尝试可能导致高冲突率,然后出现多接入干扰(MAI)的问题。这个多址干扰问题影响数据检测,用户识别和信道估计。因此,OFDM技术不再适用于5G无线通信。随着现有技术面临的困境:有限的频谱资源,日益增长的数据速率和大量无线接入的需求,已经导致开发出能够更好地利用无线信道的更为复杂的技术,并且由于大规模MTC中的大量连接需求,为了节省控制信令开销,优选无授权随机接入。因此,世界各地的许多研究人员和机构强烈建议非正交多址(NOMA)参与5G标准,这将达到高频谱效率和大规模连接。传统的正交传输方案改变为NOMA后会利用发射机的非正交传输。因此,它会导致小区间干扰。在接收端,多用户信号分离伴随着多用户检测(MUD)算法,如连续干扰消除(SIC)等。NOMA的基本原则是通过提高接收机的复杂性为代价来提高频谱效率。随着设备处理能力的发展,将NOMA作为理想的许可技术加速大规模机器通信将成为可能。与OFDMA相比,NOMA利用子信道之间的正交传输,没有远近效应,这对5G非常有吸引力,并且MAI问题不那么严重。由于不需要来自用户侧的良好反馈信令或信道状态信息,通过利用自适应调制和编码(AMC)和功率域复用技术,NOMA尤其在高速移动环境中更容易响应各种变化的链路状态。最重要的是同一个信道可以被多个用户共享,因此与4G(OFDMA)相比,NOMA可以以相同的传输速度提高频谱效率。然而,NOMA在技术实施中遇到了一些问题。除功率域NOMA之外,世界各地的各种研究人员在5G中提出了不同的基于其他域NOMA的多址方案作为大规模机器型通信解决方案。对于访问大量机器,ISO/OSI模型不同层面上的广泛技术需要为将来的大规模MTC应用提供令人满意的解决方案。随着现有技术面临有限的频谱资源,支持不断提高的数据速率的需求导致了物理和媒体接入控制(MAC)层技术的发展,使其能够更好地使用无线信道。在FP7项目中,METIS引入了稀疏码多址(SCMA)和基于压缩感知的多用户检测(CS-MUD)等关键物理层和MAC层解决方案,以支持广域覆盖和深入的室内普及,同时成本低廉高能效的大型机器系统和大规模MTC上行链路占据主导地位,也意味着由于大量免授权的连接而造成的主要挑战。因此,物理层和MAC层解决方案(SCMA,CS-MUD)主要关注上行链路通信。尽管SCMA和CS-MUD技术分别是解决MAC层和物理层碰撞问题的两种有利技术,这两种技术有其自身的局限。首先,SCMA的主要限制在于很难完成码本的设计和优化,并且随着无线电连接数量的增加,用户之间的干扰也会升级。另一方面,尽管CS-MUD与SCMA技术相比能够更好地解决MAI对系统的影响,但随着连接数的增加,算法的复杂性和数据缓冲的必要性,性能下降仍然会恶化。因此,很少有研究人员提出一种潜在的跨层技术来缓解CS-MUD中CS-MUD和编码时隙ALOHA(CSA)的组合的约束,以提供高效的物理层和MAC层解决方案来解决零星的大规模MTC异步问题,在零星大规模MTC上行链路通信中,激活用户,延迟和信道通常未被识别。与传统的正交多址(OMA)相比,跨层技术可以有效缓解大规模连接所带来的性能下降。最近,提出了一种新兴的创新技术,称为编码串联扩展多址(CTSMA),以缓解信道估计,用户识别和数据检测中的MAI问题。与CSMUD相比,由于聚合连接已被证明,CTSMA为性能下降提供了更高的鲁棒性。CTSMA的基本思想是将每个活动用户的数据分组分割成片段,并通过数据片段编码生成冗余片段,再利用多个正交扩展码串联扩展来自一个激活用户的各个片段的数据符号。因此,仅在使用相同扩频码的分段上会出现冲突,这可以通过冗余分段来解决以获得一致的无线电接入。因此,如果连接数量不大于串联扩展码本大小,则CTSMA能够解决确定数量的激活用户的冲突。如果连接数大于码本大小,则需要改变串联扩频码本以增加任何两个用户之间可支持的冲突段的数量。码本大小与任何两个用户之间的冲突段的数量成指数聚合。因此,CTSMA能够在各种连接范围内为静态数量的活动用户保证相对稳定的数据速率。一种称为编码时隙ALOHA(CSA)的MAC层技术引入了机器对机器通信重新产生了对随机访问协议的兴趣,作为对大量非协调传输设备的支持。CSA主要是基于多个时隙来调整碰撞问题(MAI)。在CSA中,每个用户随机选择时隙在上行竞争周期中传输数据包的副本。同时,在每个副本上添加一个指针以指定其他副本的槽位置。在接收机侧,识别来自上行链路竞争周期中的所有时隙的信号以找出仅由一个活动用户参与的无冲突时隙。该插槽称为单个插槽,占用用户可解码。在单一时隙对用户的数据包进行解码之后,接收机能够通过指针了解其他副本的时隙位置。然后执行SIC以删除这个活动用户的副本,并且一些对应的槽可能变成无冲突状态。通过考虑这些贡献,CTSMA物理层技术比CS-MUD具有更高的数据检测和用户识别潜力以及高可靠性和海量设备连接性。已经设计了跨层技术CTSMA和CSA系统模型(作为物理层技术的CTSMA和作为MAC层技术的编码时隙ALOHA(CSA))以进一步增强大量非协调传输设备的可靠性和连接性,并绘制了未来很有潜力的研究工作。