作为未来第四次工业革命的关键技术支撑,物联网的蓬勃发展激起了业界对机器类通信的研究热情。与传统的人类通信不同,物联网中的机器类通信关注高连接性和高可靠性要求。为此,第五代移动通信系统中提出了两种新的应用场景,分别为大规模机器通信场景和超可靠低时延通信场景。其中,大规模机器通信场景主要为未来物联网智能传感和控制系统中大量微型传感器和作动器提供通信服务。由于所服务的微型设备往往具有低功耗要求,因而业界引入了免授权随机接入过程以降低设备的信令开销。同时,由于低频段频谱的稀缺性,如何利用有限的无线电资源实现海量设备的免授权随机接入成为大规模机器通信场景的主要挑战,而应对这一挑战的关键就是行之有效的多址接入技术。因此,研究面向大规模机器通信的新型多址接入技术对实现海量低功耗用户设备的高效连接具有重要意义。本论文针对大规模机器通信系统中无线电资源有限及能量供应有限等问题,考虑大规模机器通信系统高连接、高可靠、低复杂度等需求,采用编码理论、组合数学、信号检测估计等理论方法以及模型建立、算法设计、性能评估、仿真验证等研究手段,提出了一种面向大规模机器通信的新型多址技术,称为串联扩频多址技术,并围绕该技术展开了收发机设计、异步解决方案及多时隙联合设计的研究。论文的创新性工作主要包括如下几个方面:1)对于免授权随机接入过程,考虑大规模机器通信的零星传输特性,针对现有多址技术研究中接收端大多依靠迭代式算法这一局限,本文提出了一种新型的多址方案,称为串联扩频网络编码多址方案,初步确定了串联扩频多址技术的收发机设计,为后续的改进与完善提供了基础。该方案将用户数据包进行分段,并利用物理层网络编码生成冗余数据段。同时,该方案引入了一种新型的扩频方式,称为串联扩频,即利用多个扩频序列对单个用户不同数据段上的调制符号进行扩频。基于物理层网络编码及串联扩频,该方案的接收端不再依靠迭代式算法便可以同时实现激活用户识别及数据检测,从而有效地支持大规模用户的零星随机接入。2)考虑未来同时要求高连接性及高可靠性的潜在物联网应用,以及现有研究在多种系统性能需求的兼顾与权衡上存在的不足,本文在串联扩频网络编码多址方案的基础上对串联扩频多址技术的收发机进行改进,提出了编码串联扩频多址方案。该方案引入了段编码,并改进了串联扩频的码本设计,从而不仅可以支持更高的用户连接数量,且可以实现用户的高可靠接入。针对编码串联扩频多址方案,本文探索了其在用户连接数量、用户碰撞解决概率以及用户速率三者之间的权衡制约关系,并指出串联扩频多址技术可以通过牺牲用户速率来灵活地实现大规模连接及高可靠接入。3)考虑大规模机器通信场景中由于用户设备位置不同而导致上行接入信号的异步到达,本文针对串联扩频多址技术提出了相应的异步解决方案。该方案在串联扩频多址技术的发射端采用新的扩频序列,并对扩频码片进行交织,从而有效地缓解异步对用户识别及数据检测性能的影响。同时,该方案提出了相应的上行信道估计方案,使串联扩频多址技术的实现具有可行性。4)针对面向大规模机器通信的物理层多址技术在碰撞解决能力上存在的局限,结合相关介质访问控制层多址技术,本文提出了多时隙串联扩频多址方案。该方案可以使物理层的串联扩频多址技术与介质访问控制层的编码时隙ALOHA技术在碰撞解决能力上进行互补,从而实现更可靠的大规模用户接入。在该方案的基础上,本文从理论层面分析了其碰撞解决能力,推导出相应的平均用户碰撞解决概率,并利用数值仿真进行了验证。仿真结果表明多时隙串联扩频多址方案可以通过进一步牺牲用户速率来提升用户的接入可靠性。