物与物(Machine-to-Machine, M2M)通信正在快速成为当前长期演进(Long Term Evolution,LTE)系统和未来第五代(the Fifh Generation, 5G)系统中支持物联网应用的生力军。随着M2M通信在安全监测、货物跟踪、智能支付、医疗保健、远程监控等重要行业的广泛应用,势必将会导致M2M通信终端的大规模增加。然而,大规模M2M通信终端利用现有的为人与人(Human-to-Human,H2H)通信设计的移动通信网络进行通信时,将会造成无线接入网(Radio Access Network, RAN)过载,严重影响大规模M2M通信终端成功接入网络,从而增加M2M通信终端的接入时延和能量消耗,甚至导致M2M通信服务中断。因此,网络接入容量成为限制大规模M2M应用的主要制约因素。由于无线资源的有限性,如何提高网络接入容量本质上是一个如何更加高效利用无线资源的问题。因此,针对大规模M2M随机接入设计合理的资源分配方式,提高网络接入容量成为实现大规模M2M通信的关键。由于M2M通信业务主要在上行,因此,随机接入信道和数据传输信道之间的资源分配是本文主要的研究内容。概括地讲,本文的研究成果主要包含以下几方面:1.为了实现接入容量性能与上行资源分配复杂度的折中,本文提出了一种基于有限终端数量区间的上行资源分配方法。首先,推导接入容量表达式,在最大接入容量准则下,分析接入容量与终端负载、随机接入信道和数据传输信道之间资源分配的关系,确定终端数量区间及对应的资源分配,同时确定最佳终端负载。其次,根据当前网络的终端负载情况,通过调整接入级别限制(Access Class Barring,ACB)参数的大小控制接入终端的实际数目,减少M2M终端的碰撞概率,提高接入容量。然后,确定允许接入M2M终端数量所属的终端数量区间。根据对应关系,获得与所确定终端数量区间对应的资源分配。此外,本文提出以新增通信终端作为接入控制对象的资源分配方案,经过控制后的新增通信终端与重传终端作为当前周期的实际接入终端,并按照本文提出的基于有限终端数量区间的上行资源分配方法进行接入。2.针对M2M通信丰富多样的业务类型以及差异巨大的业务特征,本文提出了一种基于业务服务质量(Quality of Service,QoS)保障的多元业务上行资源分配方法。针对两种不同时延敏感性业务竞争上行资源的场景,在保障所有业务时延要求的前提下进行有效的接入控制和上行资源分配。推导接入容量与不同业务ACB参数、业务之间资源分配和信道资源分配比例之间的关系。在满足不同业务QoS要求、最大整体接入容量以及最大资源效率准则下,将求解不同业务ACB参数、业务之间资源分配和信道资源分配比例问题转化为求解不同业务随机接入信道资源最优解的数学模型。求解不同业务随机接入信道资源最优解,从而确定不同业务最优ACB参数、业务之间最优资源分配和信道之间最优资源分配。3.实际系统中,必须通过相关方法预测当前待接入的终端负载,从而进行过载控制以及上行资源分配等过程。本文提出了一种联合终端负载预测的上行资源分配方法。首先推导出终端负载预测的数学模型,然后基于预测的终端负载优化随机接入信道和数据传输信道之间的资源分配。引入双重接入级别限制机制,其中,终端负载预测的数学模型与第一 ACB参数以及碰撞前导序列的数量有关。第一 ACB参数可以直接确定,而通过本文所设计的随机接入过程,通过判断终端身份信息与前导序列标识,可以判断终端发送前导序列是否发生碰撞,因此,本文提出的终端负载预测方法实现简单。此外,根据接入容量与ACB参数、预测终端负载以及资源分配的关系,以提高接入容量、资源效率最大化为准则,设计随机接入信道和数据传输信道之间的资源分配方法。4.针对5G无线网络密集海量接入和超大容量的需求,在频谱资源受限的情况下,非正交多址接入技术被视为下一代移动通信的演进趋势和突破方向,可以实现更高接入容量与更高效率通信。本文从多址接入和资源分配的角度出发,提出了一种混合多址接入上行资源分配方法,将正交多址接入的性能优势和非正交多址接入的频谱效率优势综合利用起来,最大限度地增加相同时频资源的终端连接数。设计混合多址接入上行资源分配方法,包括非正交多址接入和正交多址接入两种接入方式之间的资源分配,以及随机接入信道与数据传输信道之间的资源分配。设计混合多址接入的终端配对和功率分配算法,M2M通信终端发起接入前,根据信道状态信息、业务的数据速率以及终端发送功率判断M2M合适正交多址接入还是非正交多址接入,确定非正交多址接入和正交多址接入的终端负载。当小区内全部M2M通信终端都选择准确的多址方式进行随机接入时,小区内的接入容量和资源利用率得到提高。