随着第五代移动通信系统(5th Generation,5G)的发展,机器与机器之间(Machine to Machine,M2M)通信在没有或轻微人工干预情况下可以在一个或多个自主设备之间实现相互连接。M2M通信的核心思想是实现机器终端间的智能交互并提供网络化的服务和应用。随着物联网技术的兴起与飞速发展,越来越多的设备具有了通信和连网能力,万物互联逐步变为现实。与此同时,M2M通信必然会引入大量用户设备和数据量,当大量的机器类型通信设备(Machine Type Communication Device,MTCD)在短时间内请求接入网络时,随机接入过程由于频繁的传输碰撞而效率低下,这就导致网络拥塞和资源浪费。因此,怎样提高随机接入过程的成功接入概率和资源效率成为一个很重要的问题。为了深刻了解随机接入过程,本文首先详细介绍长期演进(Long Term Evolution,LTE)系统下的随机接入方案,重点介绍基于竞争的随机接入方案。随后,介绍适用于M2M通信的随机接入过程中存在的问题以及针对M2M通信的非正交随机接入方案。为了解决蜂窝网络中M2M通信的资源浪费和信令消耗问题,本文提出了一个联合非正交随机接入(Non-orthogonal Random Access,NORA)和数据传输(Data Transmission,DT)的方案,即NORA-DT方案。该方案利用M2M通信短数据包传输的特性,允许M2M用户发送前导码后调度相应的物理上行链路共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)资源,直接在传输连接建立请求消息(Connection Setup Request Message,Msg.3)的过程中附加传输数据包以简化随机接入过程。基于提出的NORA-DT方案,本文提出了一种资源分配方案,以系统平均接入吞吐量和资源利用率最大化为目标,在物理随机接入信道(Physical Random Access Channel,PRACH)和PUSCH之间合理的分配上行链路资源。仿真结果表明,与正交随机接入方案相比,提出的方案可以提高资源利用率30%左右。考虑到在适用于M2M通信的随机接入过程中巨大的MTCD数量和有限的前导码数量不匹配的问题,本文在NORA-DT方案的接入过程中引入空间分组的思想,提出基于空间分组的非正交随机接入和数据传输方案(Spatial Group Based NORA-DT,SG-NORA-DT),通过距离优化方法将小区覆盖范围划分为多个空间分组,并且在每个分组内采用单独的前导码根索引来增加可用前导码的数量,从而进一步有效增加小区可容纳用户的数量、降低前导码碰撞概率和提升资源利用率。