面向大规模机器通信的多址接入

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书名：面向大规模机器通信的多址接入

ISBN：978-7-115-65842-5

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版　　权

著    马国玉 艾 渤

责任编辑 邓昱洲

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

读者服务热线：(010)81055410

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内容提要

大规模机器通信（mMTC）作为5G/6G核心场景之一，是海量连接物联网的重要支撑。多址接入技术可以实现多个用户共享同一无线通信信道，是解决mMTC关键问题的突破口。本书聚焦mMTC多址接入技术，论述mMTC的系统特性、随机接入过程及mMTC的研究现状等，介绍面向mMTC的新型多址接入技术，并重点讲解串联扩频多址接入（TSMA），详细阐述基于该技术的多种方案的研究过程，包括初步构想、方案设计、理论分析、性能改进、平台验证等，以及对mMTC多址接入技术的未来展望，旨在为mMTC新型多址接入技术的研究与创新提供参考。

本书可以作为信息与通信工程相关专业高年级本科生和研究生的参考书，也适合物联网领域的技术人员和科研人员阅读。

电子信息前沿专著系列·第二期

学术委员会

主任：郝跃，西安电子科技大学教授，中国科学院院士

委员（以姓氏拼音排序）：

   陈建平 上海交通大学

   陈景东 西北工业大学

   高会军 哈尔滨工业大学

   黄庆安 东南大学

   纪越峰 北京邮电大学

   季向阳 清华大学

   吕卫锋 北京航空航天大学

   辛建国 北京理工大学

   尹建伟 浙江大学

   张怀武 电子科技大学

   张 兴 北京大学

   庄钊文 国防科技大学

秘书长：张春福，西安电子科技大学教授

编辑出版委员会

主任：陈英，中国电子学会副理事长兼秘书长、总部党委书记

   张立科，中国工信出版传媒集团有限责任公司副总经理

委员：曹玉红，张春福，王威，荆博，韦毅，贺瑞君，郭家，林舒媛，

   邓昱洲，顾慧毅，龚昕岳

总  序

电子信息科学与技术是现代信息社会的基石，也是科技革命和产业变革的关键，其发展日新月异。近年来，我国电子信息科技和相关产业蓬勃发展，为社会、经济发展和向智能社会升级提供了强有力的支撑，但同时我国仍迫切需要进一步完善电子信息科技自主创新体系，切实提升原始创新能力，努力实现更多“从 0到1”的原创性、基础性研究突破。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出，要发展壮大新一代信息技术等战略性新兴产业。面向未来，我们亟待在电子信息前沿领域重点发展方向上进行系统化建设，持续推出一批能代表学科前沿与发展趋势，展现关键技术突破的有创见、有影响的高水平学术专著，以推动相关领域的学术交流，促进学科发展，助力科技人才快速成长，建设战略科技领先人才后备军队伍。

为贯彻落实国家“科技强国”“人才强国”战略，进一步推动电子信息领域基础研究及技术的进步与创新，引导一线科研工作者树立学术理想、投身国家科技攻关、深入学术研究，人民邮电出版社联合中国电子学会、国务院学位委员会电子科学与技术学科评议组启动了“电子信息前沿青年学者出版工程”，科学评审、选拔优秀青年学者，策划“电子信息前沿专著系列”，计划分批出版约 50 册具有前沿性、开创性、突破性、引领性的原创学术专著，在电子信息领域持续总结、积累创新成果。“电子信息前沿青年学者出版工程”通过设立学术委员会和编辑出版委员会，以严谨的作者评审选拔机制和对作者学术写作的辅导、支持，实现对领域前沿的深刻把握和对未来发展的精准判断，从而保障系列图书的战略高度和前沿性。

“电子信息前沿专著系列”内容面向电子信息领域战略性、基础性、先导性的理论及应用。首期出版的10册学术专著，涵盖半导体器件、智能计算与数据分析、通信和信号及频谱技术等主题，包含清华大学、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学（深圳）、东南大学、北京理工大学、电子科技大学、吉林大学、南京邮电大学等高等学校国家重点实验室的原创研究成果。

第二期出版的9册学术专著，内容覆盖半导体器件、雷达及电磁超表面、无线通信及天线、数据中心光网络、数据存储等重要领域，汇聚了来自清华大学、西安电子科技大学、国防科技大学、空军工程大学、哈尔滨工业大学（深圳）、北京理工大学、北京邮电大学、北京交通大学等高等学校国家重点实验室或军队重点实验室的原创研究成果。

本系列图书的出版不仅体现了传播学术思想、积淀研究成果、指导实践应用等方面的价值，而且对电子信息领域的广大科研工作者具有示范性作用，可为其开展科研工作提供切实可行的参考。

希望本系列图书具有可持续发展的生命力，成为电子信息领域具有举足轻重影响力和开创性的典范，对我国电子信息产业的发展起到积极的促进作用，对加快重要原创成果的传播、助力科研团队建设及人才的培养、推动学科和行业的创新发展都有所助益。同时，我们也希望本系列图书的出版能激发更多科技人才、产业精英投身到我国电子信息产业中，共同推动我国电子信息产业高速、高质量发展。

2024年8月22日

前  言

“十四五”规划将物联网明确为数字经济重点产业之一，并提出加快5G网络规模化部署，前瞻布局6G网络技术储备，推动物联网全面发展。近些年，我国物联网产业蓬勃发展，终端连接数量的增长呈井喷态势。2022年，我国的物联网终端连接数量首次超过移动电话用户数量，成为终端设备数量增长的主力，这也使我国成为全球主要经济体中率先实现“物超人”的国家。大连接物联网，业界称大规模机器通信（massive Machine-Type Communication，mMTC）作为5G/6G核心场景之一，是使能物联网海量连接，支撑诸如智能高铁、智能电网等新型基础设施数字化转型及智能升级的关键，也是物联网终端设备数量不断增长的重要驱动。目前，世界各国纷纷开展围绕mMTC的相关研究项目，旨在从基础理论、关键技术及系统应用等多层面实现面向未来物联网的海量连接及“万物互联”。因此，对mMTC的研究不仅聚焦国家的重大需求及产业发展，更代表国际研究的前沿，具有重要的意义。

国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）无线电通信部门在《IMT愿景——2020年及之后IMT未来发展的框架和总体目标》建议书中明确总结了mMTC的特点，即“连接设备数量庞大，这些设备通常传输相对少量的非延迟敏感数据。设备成本需要降低，电池续航时间需要大幅延长”。随机接入是终端与网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，终端与网络之间才能正常进行数据传输。针对mMTC的特性，传统的基于授权的随机接入方式将产生大量的控制信令开销，因而业界研究人员提出了免授权随机接入，以尽可能地减少或消除接入过程中用户与网络之间的协作开销。然而，由于缺乏用户与网络之间的协作，基站接收的数据包都是匿名的，需要进行相应的用户识别。同时，由于省去了授权步骤，信道资源有限的系统无法给海量的连接用户正交地分配资源，难以避免数据包碰撞。因此，针对mMTC的一个核心问题就是如何在信道资源有限的情况下实现大规模用户的免授权接入，即如何解决“协作缺乏、有限信道与大规模用户高可靠接入”的矛盾。

多址接入技术作为无线通信系统最基本的技术之一，可以实现同一无线通信信道被多个用户共享，是解决上述问题的关键突破口。本书将聚焦mMTC系统和面向mMTC的新型多址接入技术，系统梳理mMTC多址接入技术的发展现状，着重介绍一种新型mMTC多址接入技术——串联扩频多址接入（Tandem Spreading Multiple Access，TSMA）技术。本书的主要内容包括mMTC多址接入技术的研究现状、TSMA技术的研究过程，以及对mMTC新型多址接入技术的未来展望等。针对TSMA技术，本书从初步构想、方案设计、理论分析、性能改进到平台验证，全面介绍编码方案、异步方案、多时隙方案、高并发方案、高速移动方案、多天线方案，以及原型机平台搭建。

本书共10章，第1章和第10章介绍背景和展望，第2～9章分别阐述TSMA原型技术方案和技术扩展方案。其中原型技术方案包括收发机设计方案（第2、3章）、异步解决方案（第4章）、多时隙方案（第5章）及高并发方案（第6章），技术扩展方案包括高速移动方案（第7章）、多天线方案（第8章）及原型机平台搭建（第9章）。这8章之间存在一定的递进关系，即每一章介绍的内容会为下一章提供相应的研究基础与动机。第2章初步确定TSMA收发机的设计方案，为后续对TSMA的完善和改进奠定基础。由于第2章的设计方案灵活性不足，第3章在第2章的基础上，对TSMA收发机的设计方案进行了改进，同时探究CTSMA在连接用户数量、用户碰撞解决概率及用户速率三者之间的权衡关系。第3章虽然提供了改进的TSMA收发机设计方案，但缺少相应的异步解决方案，因此，第4章在前两章的基础上推出异步解决方案。第2～4章在物理层方面完善了TSMA技术，但缺少与MAC层技术相结合的跨层联合设计方案，因此，第5章推出基于时隙随机接入系统的多时隙方案。同时，针对未来随着物联网业务的多元化需求，考虑如何满足系统中用户高并发传输的情况，第6章介绍高并发方案。第2～6章介绍的是TSMA原型技术方案，缺少TSMA针对不同场景及需求的技术扩展方案。因此，第7章介绍高速移动方案，第8章介绍面向用户规模扩展需求的多天线方案，第9章则介绍TSMA原型机平台搭建。

我们所在的科研团队——北京交通大学电子信息工程学院现代通信研究所对本书的写作与出版给予了大力支持。本团队致力于5G关键技术及其面向高铁场景的研究，具有良好的理论及工程实践基础。

我本人近十年来一直从事mMTC多址接入技术的研究，并十分荣幸地得到钟章队教授和王方刚教授的指导，这为本书的撰写奠定了坚实的学术基础。在撰写过程中，特别感谢王方刚教授对本书具体内容和格式的完善所提供的大力帮助。同时，十分感谢马毅琰、戴基明、薛珍以及冯博涛对书稿的整理和校对，也十分感谢人民邮电出版社的编辑对本书所提出的宝贵意见。

由于我们水平有限，本书难免存在不足之处，恳请各位读者批评指正，并将意见发送到magy@bjtu.edu.cn进行反馈。

马国玉

2025年4月22日

缩略语

常用符号

第1章　面向mMTC系统的多址接入技术

信息通信技术及产业的不断突破与发展，引发了社会生产力的持续提升和生产关系的不断变革。历经4代移动通信网络的演进，人与人之间的通信服务质量得到了空前的提升。4G推动了移动互联网的蓬勃发展，进而通过诸如移动支付、移动定位、移动直播等新兴应用改变了人们的生活方式。然而，未来包括我国在内的多个国家将迈入老龄化社会，劳动年龄人口逐步老化给社会生产力的增长带来挑战。在此背景下，世界各国基于信息通信技术及产业的发展相继提出产业升级战略，从而推动了第四次工业革命，以减缓未来产业链中劳动年龄人口老化的趋势。其中，物联网（Internet of Things，IoT）起到了十分重要的作用。工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）的大规模部署是实现该信息产业变革的关键之一。物联网能使所有参与社会生产生活的物体互联互通以实现“万物互联”，从而驱动诸如智能制造、智能交通、智能家居、智能健康管理等智能化新兴产业。这就需要未来的移动通信网络有效地支持物联网中大规模机器的通信，以使能工业物联网等新兴应用。5G提出了三大核心应用场景，分别是增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景、超可靠低时延通信（Ultra-Reliable Low Latency Communication，URLLC）场景，以及mMTC场景。其中，mMTC场景是针对未来大规模物联网的应用而提出的。在mMTC系统中，大量机器设备需要以低功耗运行维持电池寿命以节省维护成本，且大规模机器通信将使原本有限的无线电资源变得更加稀缺。因而为了实现大规模低功耗设备的有效通信，先进的多址接入技术变得十分关键。

本章首先介绍什么是mMTC，其中包括mMTC的研究背景与意义以及mMTC系统的特性。同时，基于mMTC系统的特性对相应的随机接入过程进行探讨。然后，本章对mMTC系统的多址接入技术研究现状进行综述，指出现有研究存在的不足。最后，本章介绍本书的创新工作与各章的安排。

1.1　什么是mMTC

1.1.1　mMTC的研究背景与意义

联合国2017年发布的《世界人口展望（2017年修订版）》^[1]显示，2010—2015年，世界上约46%的人口生活在生育率低于2.1的国家，并且预示将有越来越多的国家进入低生育率阶段。该报告还显示，2017年全球约有9.62亿60岁及以上的人口，占全球总人口的13%，并以每年约3%的速度增长；2050年，60岁及以上的人口将达21亿，大致相当于15岁以下的人口数量。同时，中国社会科学院人口与劳动经济研究所在2019年1月所发布的报告^[2]中预测，我国人口将在2029年达到14.42亿的峰值水平，2030年开始进入负增长时代。该报告重点指出，我国的劳动年龄（16～64岁）人口自2013年开始逐年加速缩减，至2050年将减少2亿人。劳动年龄人口的负增长将会给包括我国在内的世界众多国家的生产力发展带来挑战，从而对经济、政治及社会产生无法确定的影响。为了应对上述挑战，世界各国相继提出了产业升级战略以推动第四次工业革命。其中，德国在2013年提出了“工业4.0”项目；日本在2016年提出了“社会5.0”愿景；美国在2018年提出了“先进制造业领导力战略”；我国在2021年针对“十四五”规划提出了“‘十四五’智能制造发展规划”^[3]。这些战略将利用大量的智能化机器设备替代未来产业链中缺失的劳动年龄人口，从而应对劳动年龄人口结构的变化。物联网就成为连接大量机器设备、实现生产制造智能化的关键。

1999年，美国的自动识别中心基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术及互联网技术提出了物联网的概念^[4]。2005年，ITU发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，指出物联网的时代即将来临，物联网受到人们的广泛关注。欧盟委员会在2009年出台了《欧盟物联网行动计划》，表示物联网在应对其后诸多社会挑战方面将发挥关键作用，并对社会产生深远的影响，需要采取必要的措施保证欧盟在构建物联网过程中的主导地位。同年，美国IBM提出了与物联网相关的“智慧地球”概念，旨在利用物联网技术对传统的社会交互方式进行变革以实现智能型社会。美国政府对此积极回应，通过出台相关文件将物联网摆在国家发展的关键战略地位。面对物联网的兴起，我国也积极做出战略部署以抓住发展机遇。2011年，国务院在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中明确指出要推动物联网关键技术研发和重点领域的应用示范，将物联网升级为国家战略。如今，我国物联网产业已全面进入高速发展阶段。多年来，随着信息通信技术的发展，物联网已拥有成熟的技术背景及市场环境。特别是低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）的提出，解决了之前无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）功耗高、传输距离短的问题，从而降低了物联网的应用成本，扩大了应用范围。同时，根据高盛的报告^[5]，物联网中传感器的平均价格从2004年的1.3美元降到2014年的0.6美元。低廉的终端成本也为物联网的井喷式发展奠定了基础。目前，物联网在全球范围内呈现出爆炸式增长的态势，每年都要接纳数以亿计的新增设备，创造出空前的市场规模。根据IoT Analytics Research的报告，至2024年年末，全球物联网终端规模已达188亿左右，较2023年的166亿增长约13%。同时，IoT Analytics Research预测其后全球物联网终端规模的增长率将维持在14%左右，至2030年达到411亿，可见物联网终端连接数量的增长具有巨大的潜能^[6-7]。

如今已有多种LPWAN技术，分为工作在工业、科学和医疗频段（Industrial, Scientific and Medical Band，ISM）的非频谱授权技术和工作在蜂窝网络频段的频谱授权技术两类。非频谱授权的LPWAN技术包括由美国Semtech提出的LoRa技术、法国Sigfox提出的超窄带（Ultra-Narrowband，UNB）技术，以及美国On-Ramp Wireless提出的随机相位多址接入（Random Phase Multiple Access，RPMA）技术等^[8]。频谱授权技术被称为蜂窝物联网（Cellular Internet of Things，CIoT）技术，包括窄带物联网（Narrowband Internet of Things，NB-IoT）技术及增强机器通信（enhanced Machine-Type Communication，eMTC）技术，它们是3GPP组织针对蜂窝物联网提出的代表性技术。

蜂窝物联网将成为主要的LPWAN应用。在蜂窝物联网中，终端使用蜂窝网络进行连接。随着物联网终端大规模、广范围的部署，以及低功耗设备价格的降低，蜂窝物联网的终端连接数量同样呈现猛增态势。2018年，爱立信的相关报告显示，2024年全球LPWAN终端连接数量约45亿个，其中蜂窝物联网终端连接数量约41亿个，约为2018年连接数量的4倍，年复合增长率为27%^[9]。我国在全球蜂窝物联网终端连接数量的增长中起主导作用。2015年，我国蜂窝物联网终端连接数量突破1亿个，约占全球的31%；2018年，终端连接数量约5.4亿个；2020年，连接数量约17亿个^[10]。而截至2022年8月，我国蜂窝物联网终端连接数量已达16.98亿个，首次超出代表“人与人”连接的移动电话用户数量16.78亿个^[11]。

在频谱方面，蜂窝物联网多以低频段信号为主。ITU指出，低于1 GHz的频段更容易实现有效覆盖^[12]。然而，大部分低频段已被多种无线通信标准占用，空白频谱十分稀缺。因此，现有蜂窝物联网的运行带宽十分有限。3GPP标准规定NB-IoT和eMTC的运行带宽分别为180 kHz和1.08 MHz^[13]。有限的带宽将使NB-IoT和eMTC等现有物联网技术无法支持未来爆炸式增长的蜂窝物联网终端连接。因而，ITU在2015年将mMTC场景定义为5G的三大核心应用场景之一^[14]。通过结合NB-IoT和eMTC等技术，mMTC将使5G成为未来蜂窝物联网终端连接数量增长的主要内在驱动力。

1.1.2　mMTC系统的特性

mMTC系统的特性及应用如图1.1所示。该系统具有以下4个特性。

图1.1　mMTC系统的特性及应用

mMTC系统的第一个特性是具有覆盖面广的海量连接用户。3GPP组织和ITU在报告中规划未来mMTC系统能满足的终端连接密度约为每平方千米10万～100万个^[15-16]。另外，ITU规划接入点（Access Point，AP）或基站的覆盖密度通常为每平方千米0.1个。因此，未来eMTC系统中单个基站基本需要承载10平方千米内100万～1000万个连接终端。在利用低频段实现广覆盖的前提下，克服无线电资源稀缺的瓶颈是实现mMTC系统面临的首要挑战。

mMTC系统的第二个特性是具有低功耗的终端。mMTC系统中的用户通常为小型、低成本的传感器等终端。将这些大量的、分散布置的小型终端连接到电网中是不切实际的，所以每个设备主要由配置的小型电池供电。若每个终端都在高功耗的状态中运行，则会大大缩短电池的使用寿命，而频繁地更换电池会导致运营效率低、服务质量差。因此，mMTC系统中的终端需要在低功耗的状态中运行，以确保较长的电池使用寿命。ITU在报告中要求终端的电池使用寿命达到15年^[16]。为了实现该目标，ITU给出了两条建议来降低终端中的功耗：一是让终端使用低发射功率；二是减少睡眠模式中的协议开销，例如使终端在没有事先同步或连接到网络的情况下进行传输。

mMTC系统的第三个特性是通常传输小数据包。由于mMTC系统中的终端通常为传感器，不会传输语音或视频等大数据包，而大多为传感信息等小数据包。ITU在报告中指出，数据包大小基本不超过1 KB。欧洲电信标准组织给出了多种业务场景下的数据包大小^[17]。例如，水、电及天然气的抄表数据包大小为10～200 B，智慧城市中空气质量监测的数据包大小为1～15 B，车联网中车辆远程故障报修数据包大小为100～750 B，智能电网中变压器状态数据包大小为10～20 B。

mMTC系统的第四个特性是传输通常为零星传输。和人与人的通信不同，mMTC系统中很少有语音、视频等持续性的业务数据包，通常为传感信息等突发性业务数据包，且日常业务流量较低。欧洲电信标准组织给出了多种业务场景下的流量假设^[18]。例如，可穿戴终端业务每日发送约10个数据包；水电抄表业务每日发送约8个数据包；工业物联网中，安全监控业务每日发送约2个数据包，终端控制业务每日发送约100个数据包；智慧农业中的监测业务每日发送约4个数据包。这种低流量的突发性业务，通常一段时间内仅有零星的用户处于激活状态并传输数据，而其他大部分用户均处于非激活的睡眠状态。这种特性称为mMTC系统的零星传输特性^[19]。值得注意的是，mMTC系统中的“大规模”并不是指同时进行传输的用户数量，而是指连接用户数量，连接用户包括正在传输的激活用户与处于睡眠状态非激活用户。而由于零星传输特性，一段时间内同时进行传输的激活用户远远少于连接用户。在mMTC系统中，处于非激活的睡眠状态的用户仍然保持与基站的连接，而非完全进入睡眠状态。为了描述该非激活状态，3GPP组织引入了一种称为RRC_INACTIVE的新状态^[20]。在RRC_INACTIVE状态中，用户并不发送数据，但仍保留部分无线电接入网信息，并且可以通过类似寻呼的消息快速转换到激活状态，即RRC_CONNECTED状态。3GPP通过引入RRC_INACTIVE状态减少了mMTC系统中的信令开销及能量消耗。

1.1.3　mMTC系统中的随机接入过程

面向mMTC系统的随机接入过程包括协作式随机接入和非协作式随机接入两种形式，又分别称为基于授权的随机接入（Grant-Based Random Access）和免授权随机接入（Grant-Free Random Access）。

1．基于授权的随机接入

在基于授权的随机接入中，用户需要与其他用户或基站进行协作，从而获得授权以接入。目前广泛应用的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）可以被视为一种基于授权的随机接入方式^[21]。在CSMA中，用户具有收发功能，并在发送数据之前监听信道是否正在被其他用户占用。若监听到信道被其他用户占用，则该用户无法获得授权，需要等其他用户发送完毕。只有当监听到信道空闲时，该用户才获得授权以发送数据。然而，当多个用户需要发送数据且同时监听到信道空闲时，多个用户同时发送数据会在接收端发生碰撞。此时，尽管碰撞会使多个用户的数据接收失败，但碰撞的用户依然会持续发送直至将数据发送完毕。这样，系统的频谱效率和能量效率会大大降低。因而CSMA产生了两种扩展形式，分别为带冲突检测的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）和带冲突避免的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。在CSMA/CD中，用户在发送数据时依然持续地监听信道。若监听到碰撞的发生，则用户立即停止发送，并随机等待一段时间后再次监听信道，以获得授权进行发送^[22]。在CSMA/CA中，若用户监听到信道空闲，则需要等待一个帧间空隙（Inter-Frame Space，IFS）后才能开始发送。在发送数据前，用户需要与接收端进行“握手”，即要向接收端发送一个请求发送（Request to Send，RTS）报文，并接收到接收端的允许发送（Clear to Send，CTS）报文后才能发送数据^[23]。CSMA/CD与CSMA/CA相较CSMA在一定程度上减少了碰撞对系统的频谱效率和能量效率的影响。

除了CSMA，长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）中的随机接入信道（Random Access CHannel，RACH）是另一种基于授权的随机接入方式。该技术需要用户与基站进行类似CSMA/CA中“握手”的信令交互协作过程，以获得授权接入。目前，LTE RACH已被应用于物联网标准化技术NB-IoT中^[24]。LTE RACH又分为无竞争的随机接入和基于竞争的随机接入^[25]。图1.2（a）所示为无竞争的随机接入，包含3个步骤。①基站向所有用户分配随机接入前导码。②每个用户利用所分配的前导码向基站发送前导信号。③基站接收用户的前导信号，并发送随机接入响应（Random Access Response，RAR）至所有用户。在无竞争的随机接入中，由于每个用户均被分配了唯一的前导码，因此可以避免用户碰撞。图1.2（b）所示为基于竞争的随机接入，包含4个步骤。①每个用户从伪随机序列中随机选择一个作为前导码发送给基站。伪随机序列在整个竞争随机接入周期之前由基站广播至各个用户。如果多个用户选择相同的前导码，就会不可避免地产生碰撞。②若用户的前导信号没有发生碰撞且成功地被接收端接收，那么基站发送RAR，以对相应的接入用户进行资源调度。③接收到RAR的用户利用相应的调度资源发送上行消息至基站，即Msg3。④基站发送竞争解决消息给相应用户，使其可以进行上行传输。

2．免授权随机接入

在mMTC系统中，随机接入通常由用户发起，且上行传输占主导地位，因此针对mMTC的基于授权的随机接入方式通常为基于竞争的随机接入。然而，由于mMTC系统中大量的低功耗终端传输小尺寸数据包，基于授权的随机接入用户间的协作及用户与基站间的信令交互将产生过长的传输时延及相对巨大的控制信令开销^[26]。为了尽可能地避免或减少mMTC系统中用户间及用户与基站间的协作过程，研究人员引入了免授权随机接入。在免授权随机接入中，用户间不存在相互协作，也不需要基站动态地进行确切的调度授权，而是使用“即到即发”（Arrive-and-Go）的传输方式，即一旦数据到达某用户，则该用户在下一帧或时隙中立即发送该数据。如图1.3所示，免授权的随机接入将在包括系统消息广播在内的两个步骤中实现。

图1.2　基于授权的随机接入

图1.3　免授权的随机接入

传统的ALOHA协议就是一种免授权的随机接入^[27]。ALOHA协议可以分为纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议。在纯ALOHA协议中，如果用户需要发送数据至基站，就会立即开始发送。当多个数据包同时到达基站时，则会产生碰撞并导致接收失败。失败后，碰撞用户将等待一段时间并再次尝试发送数据。时隙ALOHA协议是纯ALOHA协议的改进版，其思想是使用时钟来构建传输时隙，从而统一用户的数据发送时机。在时隙ALOHA协议中，上行随机接入周期被分成多个时隙。每个用户的数据发送只能在时隙开始时触发。若用户在一个时隙中收到数据，则必须等到下一个时隙开始才能发送数据。数据包的大小应不大于时隙长度。与纯ALOHA协议相比，时隙ALOHA协议降低了数据发送的随机性，从而降低了碰撞的可能性。可以看到，LTE RACH中基于竞争的随机接入过程中的前导码发送也是以时隙ALOHA协议方式进行的。相较基于授权的随机接入，免授权随机接入的mMTC系统具有以下优点。

① 因为没有或很少需要协作或调度，所以减少了系统的信令开销和传输时延。

② 由于可以即时发送数据包，用户端只需要在有传输请求时激活，在其他时间可以处于非激活的睡眠状态，因此可以使用户端具有更高的能量效率。

③ 由于用户端主要负责发送数据，对其可以用非常低的成本进行设计。

3．多址接入技术在mMTC系统中面临的挑战

多址接入技术作为无线通信系统中最基本的技术之一，可以实现同一无线通信信道被多个用户共享，从而提高频谱的利用效率。针对mMTC的特性和随机接入过程，多址接入技术在mMTC系统中面临的挑战及相应的科学问题主要包括以下两个方面。

（1）用户间缺乏协作

尽管免授权随机接入在mMTC系统中具有众多优势，但它也面临相应的挑战。免授权随机接入中，用户采用“即到即发”的传输方式，用户间缺乏协作，基站接收到的数据包都是匿名的。尽管mMTC系统的零星传输特性使得一段时间内仅有少量激活用户正在传输数据，但接收端仍无法基于匿名数据包直接从大规模的连接用户中识别出这些少量的激活用户。因此，针对该挑战的科学问题就是如何利用多址接入技术实现mMTC系统中激活用户的身份识别。

（2）无线电资源稀缺

在mMTC系统中，尽管由于零星传输特性使得一段时间内仅有少量的连接用户激活并进行传输，但用户的激活行为是不确定的，即大规模连接用户中的任何一个用户都有可能被激活。因此，mMTC系统需要给所有大规模的连接用户分配相应的无线电资源，使其可以随时激活并接入。然而，目前稀缺的无线电资源使传统的多址接入技术无法有效地支持mMTC系统中大规模的连接用户。传统的多址接入技术包括时分多址接入（Time-Division Multiple Access，TDMA）、频分多址（Frequency-Division Multiple Access，FDMA）、码分多址（Code-Division Multiple Access，CDMA）均为正交多址接入（Orthogonal Multiple Access，OMA）技术。这种技术将公共无线电资源从时间、频谱及码字等方面分割成若干正交子信道，从而使多个用户实现无干扰接入。但如前文所述，蜂窝物联网多以低频段为主，运行带宽十分有限。稀缺的无线电资源使得正交子信道的数量不足以分配给众多的用户，从而使OMA的单个子信道将被多个用户占用并产生碰撞。传统的ALOHA协议就采用了OMA技术。若ALOHA协议中多个占用同一正交子信道的用户同时激活，则这些用户的信号会在基站发生碰撞。对于mMTC系统中大规模的连接用户，使用OMA技术产生碰撞的可能性非常高，导致低吞吐量、高传输时延，从而显著降低mMTC系统的性能。因此，针对该挑战的科学问题就是如何在无线电资源有限的情况下设计新型的多址接入以解决碰撞，从而实现大规模机器设备的上行有效传输。

1.2　mMTC系统多址接入技术的研究现状

目前，工业界和学术界针对mMTC系统免授权的随机接入已提出了若干多址接入技术^[28]。这些多址接入技术分别从物理层及介质访问控制（Medium Access Control，MAC）层来解决免授权随机接入中的碰撞问题。物理层多址接入技术与MAC层多址接入技术的不同之处在于，物理层多址接入技术针对的是用户单个数据包的传输，而MAC层多址接入技术针对的则是用户多个数据包的传输。下面分别对这两类技术进行介绍。

1.2.1　物理层多址接入技术

现有的物理层多址接入技术大部分是基于非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术实现的。与OMA相比，NOMA将无线电资源非正交地分配给所有接入用户，使多个用户共享同一信道，并利用先进的接收机算法解决非正交无线电资源分配所产生的碰撞或多址干扰（Multiple Access Interference，MAI）问题，从而实现大规模用户的有效随机接入^[29-31]。

NOMA技术包括功率域NOMA技术和码域NOMA技术。功率域NOMA技术通过使不同用户的信号以不同的发射功率在相同的时频（Time Frequency，TF）资源内叠加，并在接收端使用串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）解决相应的MAI问题，以实现同一信道的共享接入^[32-33]。目前已有若干面向mMTC系统的功率域NOMA技术研究工作。文献[34]提出了基于功率域NOMA技术的非正交随机接入方式。文献[35]利用功率域NOMA技术将基于授权的接入用户信号与免授权的接入用户信号叠加，从而提出了半免授权随机接入过程。除了功率域NOMA技术，面向mMTC的NOMA技术更多是在码域上实现的。码域NOMA技术又可以分为基于码本的多址接入技术、基于交织的多址接入技术，以及基于扩频序列的多址接入技术^[36]。

基于码本的多址接入技术主要有稀疏码多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技术^[37-39]和图样分多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技术^[40-41]。SCMA由低密度扩频（Low Density Spreading，LDS）技术演化而来^[42]。在LDS中，扩频序列仅在部分码片上为非零，而在其他码片上均为零。因而相对于传统CDMA中的扩频，LDS在每个码片上的MAI较小。与LDS的不同之处在于，SCMA额外引入了多维星座图调制以生成用户特定的码本。稀疏扩频码本在整个接入过程之前被分配给所有的连接用户。同时，SCMA在接收端利用消息传递算法（Message Passing Algorithm，MPA）区分激活用户与非激活用户，并解决碰撞问题^[43]。与SCMA中的码本类似，PDMA生成不同的图样矩阵，以分配给不同接入用户。每个连接用户根据分配的图样矩阵选择相应的TF资源及PDMA图样。PDMA的接收端利用SIC区分用户，并解决碰撞问题。即使两个接入用户选择了相同的TF资源，只要它们的PDMA图样不同，接收端也能够成功地解码两个用户的数据。

基于交织的多址接入技术主要包括交织分多址接入（Interleave Division Multiple Access，IDMA）技术^[44-45]和交织网格多址接入（Interleave Grid Multiple Access，IGMA）技术^[46]。在IDMA中，不同接入用户独立、随机地生成不同的交织器以处理数据。通过交织，相邻码片的相关性降低，从而有利于接收端对码片逐个检测。IDMA接收机采用迭代式层级结构，由基本信号估计器和用户后验概率解码器组成。用户后验概率解码器的数量与系统内用户的数量一致。在IGMA中，基于不同的比特级交织方式或网格映射图案区分用户。同时，接收端在基本信号估计器的基础上使用最大后验概率及MPA检测器来提升检测性能。

基于扩频序列的多址接入技术包括多用户共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）技术^[47-48]和基于压缩感知的多用户检测（Compressive Sensing based Multi-User Detection，CSMUD）技术^[19,49]。在MUSA中，每个用户采用非正交扩频序列对数据符号进行扩频。该技术使用的非正交扩频序列为长度较短的复数序列，且序列中每个码片的实部与虚部取值为-1、0、1。所有生成的非正交扩频序列构成基站及所有用户已知的序列池。每个用户在接入时自主、随机地从序列池中选择扩频序列，并不需要与基站进行资源协调，从而实现免授权随机接入。在接收端，MUSA使用SIC算法来区分用户。同时，MUSA利用成功解码的数据进行信道估计及用户识别，而非使用传统的导频或前导码。CSMUD也使用了非正交扩频序列，但与MUSA不同的是，CSMUD利用了mMTC系统的零星传输特性带来的用户行为稀疏性进行用户识别及数据检测。CSMUD中的每个接入用户事先均被分配一个独有的非正交扩频序列，因而CSMUD中的MAI主要来自非正交扩频序列之间的互相关性。CSMUD系统的接收端采用压缩感知技术中的正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）算法。该算法可以有效地减少MAI对用户识别及数据检测造成的负面影响。目前，针对CSMUD已有较多研究成果。文献[50]提出对CSMUD中的数据检测与信道解码进行联合设计，从而实现更高的识别性能。同时，文献[51]将非正交扩频序列作为导频，并提出基于CSMUD的mMTC系统上行信道估计方案。文献[52]针对异步mMTC系统提出基于CSMUD的用户时延估计方案。另外，文献[53]基于mMTC的小数据包传输场景对CSMUD技术进行了评估。该研究利用具有不同根的扎道夫-朱序列作为非正交扩频序列，并将CSMUD与多载波码分多址（Multi-Carrier Code Division Multiple Access，MC-CDMA）系统结合以进行评估。评估结果显示，扎道夫-朱序列具有较低的互相关性，从而可以使CSMUD有效地实现用户识别及数据检测。文献[54]针对具有高速移动用户的mMTC系统提出了CSMUD的适应性方案，该文献同样在MC-CDMA系统中使用扎道夫-朱序列进行非正交扩频，并针对由高速移动引起的多普勒载波频偏提出相应的改进OMP算法。仿真结果显示，高速移动适应性方案可以有效地减少多普勒载波频偏对检测性能的影响。由于扩频技术可以自适应地支持不同的数据传输速率、传输功率及通信服务质量，且它支持的终端数量具有灵活的可扩展性，上述两种基于扩频序列的多址接入技术在mMTC场景中应用非常广泛。

1.2.2　MAC层多址接入技术

MAC层的新型多址接入技术基本为ALOHA的改进与扩展，利用多个ALOHA数据包解决碰撞问题。由前文可知，ALOHA是一种免授权随机接入方式，但由于碰撞问题，在mMTC系统中使用ALOHA会产生过低的吞吐量及过高的传输时延。因而基于时隙ALOHA，文献[55]提出了分集时隙ALOHA（Diversity Slotted ALOHA，DSA），使接入用户将相同的数据包在上行周期内的不同时隙上重复发送多次。在适中的用户数量条件下，DSA相较传统的时隙ALOHA具有更高的吞吐量及更低的传输时延。目前，DSA已被应用到卫星网络及小包传输系统中，然而对于mMTC系统中的大规模用户，DSA仍未具备理想的碰撞解决能力。

文献[56]在DSA的基础上提出了碰撞解决分集时隙ALOHA（Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA，CRDSA）。相较DSA，CRDSA在接收端引入了SIC。CRDSA的原理是接收端收集上行周期内所有时隙上的接收信号，并在每次SIC迭代中寻找仅被单个用户占用的时隙进行解码，而后将该用户在其他时隙上重复发送的副本删除，于是这些时隙在下一个SIC迭代时就有可能仅被单个用户占用，从而可以被解码。这里的被单个用户占用的时隙称为单独时隙，即无碰撞时隙。因此，相较DSA，CRDSA具有更强的碰撞解决能力。文献[57]利用捕获效应进一步提升了CRDSA的性能。这里的捕获效应指对于被多个用户占用的时隙，当其中一个用户的信号功率强于其他信号功率时，接收端可以成功接收该用户的信号。文献[58]表示，CRDSA中的SIC过程可以通过二分图进行表述，从而方便了CRDSA的性能分析与优化。由于二分图可以用于低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码的性能分析，因而该文献将基于图形的编译码与MAC层多址接入技术的设计建立了联系。基于这种联系，CRDSA可以类比重复编码。基于非规则LDPC码，文献[58]提出了不规则重复时隙ALOHA（Irregular Repetition Slotted ALOHA，IRSA）技术。与CRDSA不同，IRSA系统内每个用户均具有不同的数据包重复发送次数，并在接收端利用置信传播对数据包解码。通过选择数据包的重复发送次数，IRSA可以实现比CRDSA更高的吞吐量。

基于文献[58]的启发式工作，文献[59-60]基于无率码设计了无帧ALOHA。无率码又被称为数字喷泉码，它与传统信道编码的不同之处在于，发射端并不设定固定码率，而是持续地产生编码数据包，并将其发送至接收端，直到它实现正确解码。同样，无帧ALOHA的独特之处在于并不预先固定上行接入周期的长度，而是让用户持续地选择时隙进行发送，直至基站接收端成功接收。

随后，文献[61]将上述改进型技术综合为一种更通用的时隙ALOHA技术——编码时隙ALOHA（Coded Slotted ALOHA，CSA）技术。在CSA中，用户采用了数据包删余码，即以用户数据包为单位对多个数据包进行编码以产生冗余数据包，并在接收端利用SIC来解决碰撞问题。因此，CRDSA和IRSA中的重复发送以及无帧ALOHA中的持续发送可以被视为利用重复编码和无率码设计的CSA技术。而CRDSA、IRSA及无帧ALOHA均为CSA的特例。文献[62]基于二分图推导出CSA的概率密度演化方程，从而分析CSA在迭代干扰消除过程中的性能，并对删余码的选择概率进行了优化。

1.2.3　现有多址接入技术研究的不足之处

尽管现有的新型多址接入技术可以从物理层及MAC层解决mMTC系统中的碰撞问题，但仍存在以下几点不足之处。

① 现有的面向mMTC系统的多址接入技术大多在接收端依靠干扰消除及置信传播这两类迭代式算法来解决碰撞问题，鲜有基于其他方式来实现大规模用户的免授权的随机接入。上述两类迭代式算法均存在一定的局限性^[63-64]。首先，这两类迭代式算法为了实现理想的碰撞解决能力，往往具有较高的计算复杂度，从而需要在硬件方面配备具有较强处理能力的芯片。其次，迭代式算法的执行过程是一种多级处理过程，有可能会让接收端具有较大的处理时延，必须借助相关优化算法以减少负面影响。最后，SIC算法会出现误差传播，即若在一次迭代中出现解码错误，则该解码错误将会被传递至后续的迭代中，从而显著地影响系统性能。对于减少误差传播的影响，适当的信号迭代消除排序具有十分重要的作用，因而接收机需要有一定的能力可以持续地对用户的特征进行有效的排序。综上所述，以硬件实现而言，迭代式算法的复杂性可能会给现有多址接入技术带来诸多限制。

② 现有的面向mMTC系统的多址接入技术研究大多关注如何提升系统的连接性，鲜有研究关注多种系统性能需求的兼顾与权衡问题。如前文所述，5G提出了eMBB、URLLC及mMTC三大核心应用场景，旨在满足不同信息通信产业应用对用户速率、传输可靠性及连接性的需求。然而，物联网应用的种类日益繁多，未来可能会出现同时满足用户速率、传输可靠性及连接性等多种需求的物联网应用。针对未来物联网中可能出现兼顾系统连接性和传输可靠性的相关应用，mMTC系统需要在可以支持大规模用户的免授权随机接入的基础上，继续考虑实现较高的接入成功率，但现有的相关多址接入技术很少考虑如何同时实现高连接数量及高可靠接入。现有的mMTC多址接入技术大多依靠复杂接收机，以计算复杂度为代价实现高连接性，而很少探究用户速率、传输可靠性及连接性这3个需求之间的权衡关系，进而可以通过牺牲用户速率来实现高连接性和高可靠性。

③ 在mMTC系统中，由于用户设备位置的不同，上行传输信号通常异步到达接收端。但是目前部分多址接入技术研究仅在用户上行传输信号同步到达接收端的假设下进行，并没有相关的行之有效的异步解决方案。解决异步问题的一种可能方案是通过基站广播参考信号，然后用户基于接收的参考信号估计相应的传输时延并在上行时进行预补偿。在mMTC系统中，准确的时延预补偿需要大规模用户与基站进行可靠的时钟同步，从而会造成大量的控制信令开销。因此，面向mMTC的新型多址接入技术，需要考虑配套的上行异步解决方案。

④ 现有的面向mMTC系统的多址接入技术大多为单一的物理层或MAC层技术，鲜有跨层联合设计方案。单一层面的多址接入技术有一定的局限性。物理层技术无法利用多个数据包或时隙实现更高的碰撞解决能力，而MAC层技术需要寻找无碰撞的单独时隙或利用捕获效应提高针对单个时隙的碰撞解决能力。因而需要考虑将物理层技术与MAC层技术相结合，形成相应的多时隙设计方案。

⑤ 现有的面向mMTC系统的多址接入技术鲜有面向高速移动的适应性方案。未来诸如智能高铁等一系列高速移动相关的应用需要海量的新型感知设备进行支撑。目前，面向高速移动的大规模物联网研究仍存在如大规模用户无法高可靠接入、用户间缺乏协作、信道资源稀缺、多普勒频偏及信道快速时变等诸多问题亟待解决。多址接入技术作为无线通信系统最基本的技术之一，可以实现同一无线通信信道被多个用户共享，是解决上述问题的关键突破口。然而，现有多址接入技术研究很少基于高速移动场景来综合考虑用户间协作缺乏、信道资源有限，以及多普勒频偏对大规模用户接入可靠性的影响。因而需要开展相关研究，提出具有适应性的多址接入方案，从而在信道资源有限的高速移动场景下保证大规模连接用户的高可靠接入。

⑥ 现有的面向mMTC系统的多址接入技术需要考虑如何实现用户规模的扩展，以满足mMTC场景中不断增长的海量连接需求。用户规模可基于多天线和多小区技术在空域进行扩展。多天线技术能够在基站配置多根天线，将空间划分为多个波束，并在每个波束内叠加多个用户，从而实现资源的进一步复用，获得更大的系统容量。因而需要考虑将多天线技术与mMTC多址接入技术结合，研究相应的波束赋形方案和用户分组方案，以增加系统连接能力。

1.3　本书的创新工作与各章的安排

1.3.1　本书的创新工作

针对mMTC多址接入技术研究的不足之处，本书介绍一种面向mMTC系统的多址接入技术——串联扩频多址接入（Tandem Spreading Multiple Access，TSMA）技术。该技术的研究思路与方法如图1.4所示。TSMA技术综合考虑mMTC系统中的用户特性、性能需求及系统模型，以“海量连接”“可靠接入”“低复杂度”和“高速移动”为主要研究目标，基于“编码理论”“组合数学”“信号检测估计”“阵列信号处理”等理论方法，形成包括多种原型技术方案及技术扩展方案的研究内容。原型技术方案包括收发机设计方案、异步解决方案、多时隙方案等，技术扩展方案包括高速移动方案、多天线方案，以及原型机平台搭建。本书将详细论述上述技术方案，介绍TSMA技术在连接性、传输可靠性及用户速率三者之间的权衡关系，并进行相应的性能分析。

本书介绍的技术方案包含8个研究点，以解决现有研究存在的不足之处，各个研究点循序渐进，基于前一个研究点的贡献及不足开展下一研究。8个研究点共同构成了TSMA技术的创新体系。

① 串联扩频网络编码分多址（Tandem Spreading Network-coded Division Multiple Access，TSNDMA）方案。针对现有的大多数多址接入技术均依靠迭代式算法的局限，本研究点提出了一种新型的面向mMTC系统的多址接入方案——TSNDMA方案。该方案为TSMA方案的基础版本，确定了TSMA收发机的设计雏形，为后续对TSMA的改进与完善提供了基础。首先，本方案提出了TSNDMA发射机的结构，该结构包含数据分段、利用物理层网络编码（Physical Layer Network Coding，PLNC）生成冗余段、串联扩频，以及信道预补偿4个新部分。同时，本研究点针对串联扩频部分设计了相应的串联扩频码本，从而使该方案可以支持大规模用户的零星免授权随机接入。其次，本方案提出了TSNDMA接收机的结构，其中包括针对免授权随机接入的用户识别和解决用户间碰撞问题的数据检测。TSNDMA方案通过串联扩频可以控制单个用户数据包中被碰撞的数据段的数量，并利用由PLNC生成的冗余段进行恢复，从而使接收端可以不依靠迭代式算法来解决碰撞问题。最后，本方案通过数值仿真对所提出的TSNDMA进行了性能分析，结果显示TSNDMA可以较为有效地支持大规模用户的零星免授权随机接入。

图1.4　TSMA技术的研究思路与方法

② 编码串联扩频多址接入（Coded Tandem Spreading Multiple Access，CTSMA）方案。TSNDMA方案初步确定了TSMA收发机的结构，实现了大规模用户的零星免授权随机接入。然而，TSNDMA方案同样无法灵活地兼顾多种系统的性能需求。首先，TSNDMA串联扩频码本的设计准则限制了该方案扩频因子的配置和可支持的用户数量；其次，由于TSNDMA基于物理层网络编码，仅能生成单个冗余段，限制了该方案的碰撞解决能力。因此，本方案在TSNDMA的基础上提出了CTSMA，对TSNDMA收发机的结构进行了改进。本方案将TSNDMA中基于PLNC的冗余段生成方式改进为一种以数据段为单位的段编码方式，从而实现生成多个冗余段。本方案利用编码理论改进了TSNDMA中串联扩频码本的设计方式，提出了一种新型且更为通用的串联扩频码本设计算法。该算法通过改变码本相关设计参数可以支持更多用户的零星免授权随机接入。同时，本方案基于CTSMA的段编码和串联扩频推导出TSMA技术在支持用户数量、用户碰撞解决概率及用户速率三者之间的权衡关系，并指出TSMA可以通过牺牲用户速率来灵活地实现高连接性及高可靠性。本方案兼顾与权衡了多种系统的性能需求，弥补了现有研究中存在的不足之处。

③ 异步TSMA方案。CTSMA确定及改进了TSMA收发机的结构，使其通过串联扩频和段编码以牺牲用户速率为代价，实现高连接性、高可靠性，从而为mMTC系统提供了一种不依靠迭代式算法的多址接入方案。然而，与现有的部分多址接入技术研究相似，CTSMA是在用户上行传输信号同步到达接收端这一假设下考虑收发机设计的，缺少针对异步情况的研究。同时，上述研究点提出的方案均采用下行信道估计，进而基于信道互易性假设在上行进行信道预补偿。这里的下行信道估计需要基站与用户进行交互，并不能完全实现免授权随机接入，且完美信道互易性假设在实际中通常不成立。因此，本方案基于CTSMA提出了相应的异步解决技术和上行信道估计。另外，本方案对CTSMA的发射端进一步完善，引入了扩频码片交织，并采用新的扩频序列，使该序列在异步的情况下依然保持低互相关性，从而可以有效地抑制由异步导致的MAI。

④ 多时隙TSMA方案。CTSMA提供了一个基本的TSMA收发机设计方案，使其可以实现有效的用户识别、时延估计、信道估计及数据检测。然而，CTSMA仅从物理层角度考虑单个数据包的传输过程，没有考虑TSMA与MAC层技术相结合的跨层联合设计方案。因此，本方案基于时隙随机接入系统，提出了多时隙TSMA方案。本方案将CTSMA与MAC层技术（CSA）相结合。单个时隙内的碰撞解决依然由CTSMA主导，CTSMA无法解决的碰撞则由CSA利用多个时隙来解决。本方案可以使CTSMA和CSA形成互补，从而有效地提升系统的碰撞解决能力，以进一步牺牲用户速率为代价实现更高的接入可靠性。同时，由于CSA利用迭代式算法解决碰撞问题，本方案表明了尽管TSMA本身可以不依靠迭代式算法解决碰撞问题，但迭代式算法依旧可以用于TSMA，并增强其碰撞解决能力。

⑤ 面向高并发的TSMA方案。多时隙TSMA针对mMTC系统的零星传输特性给出了相应的新型多址接入方案，能够在大规模连接场景下实现可靠接入。然而，未来随着物联网业务的多元化，大规模物联网也需要考虑如何应对系统中用户高并发传输的情况。相比零星传输，高并发传输时，系统中激活用户的数量较大，甚至超过所用信道资源数量。而TSMA方案无法实现用户的高可靠传输，因为高并发接入会导致单个用户碰撞数量增多，影响用户识别性能及数据检测性能。因此，本方案基于多时隙TSMA联合设计，考虑将SIC技术应用在TSMA方案中，提出了面向高并发的TSMA用户识别算法及数据检测算法，并通过理论推导分析了改进接收机算法的有效性。在针对零星传输场景时，TSMA可以不借助迭代式算法以低复杂度实现大规模接入；而在高并发接入时，TSMA可以与迭代式算法结合来实现大规模用户的可靠接入。

⑥ 高速移动TSMA方案。面向高并发的TSMA场景提供了静态场景下的TSMA方案。然而，针对高铁物联网等高速移动场景，仍缺少适应性方案。高速移动TSMA方案需同时考虑两个矛盾的问题。第一个是如何在信道资源有限的情况下实现大规模用户的高可靠、免授权接入，即如何解决“协作缺乏、有限信道、大规模用户高可靠接入”这一矛盾。第二个是如何在高速移动场景中处理多普勒频偏及信道快速时变，以实现可靠传输，即如何解决“高速移动与可靠传输”这一矛盾。针对这两个问题，本方案拟将TSMA与新波形技术，即正交时频空（Orthogonal Time Frequency Space，OTFS）结合，对系统框架、用户识别方案及数据检测方案开展研究，并进行性能分析，从而在信道资源有限的高速移动场景下保证大规模连接用户的高可靠、免授权接入。

⑦ MIMO-TSMA方案。高速移动TSMA方案在考虑系统模型时，假设基站与所有连接用户均配置单天线，未对多天线系统的可扩展性进行探索，进而没有充分发挥方案在mMTC系统中的优势。尽管在mMTC系统中的用户出于低成本考虑往往配置单天线，但基站可采用多天线配置。因此，本方案将多天线技术与TSMA结合，围绕用户分组方案、用户识别改进方案以及数据检测改进方案进行研究，使不同组内的用户共用一套TSMA串联扩频码本，从而让系统在无线电资源相同的情况下能够支持更多的连接用户，进一步提升频谱效率。

⑧ TSMA原型机平台搭建。基于多天线的TSMA方案仅停留在理论设计及软件仿真模拟层面，缺少针对TSMA平台的搭建与验证。因此，本书开展基于通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）的TSMA平台搭建研究。TSMA的收发平台主要由计算机、硬件设备（即USRP）与天线3个部分构成。本书分别介绍如何搭建TSMA的单发单收平台和二发一收平台，实现TSMA在真实应用场景中的有效部署。

1.3.2　本书的各章安排

图1.5所示为本书各章安排与对应研究内容。本书共10章，第1章和第10章分别介绍背景和展望，第2～9章分别阐述TSMA原型技术方案和技术扩展方案。其中原型技术方案包括收发机设计方案（第2、3章）、异步解决方案（第4章）、多时隙方案（第5章）及高并发方案（第6章），技术扩展方案包括高速移动方案（第7章）、多天线方案（第8章）及原型机平台搭建（第9章）。

图1.5　本书各章安排与对应研究内容