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大规模MIMO(Mutiple-Input Mutiple-Output)技术在基站(Base Station, BS)配置大量天线并利用同一时频资源同时服务多个用户(User Equipments, UEs)，可大大提高频谱效率、数据速率、以及能量效率，成为未来5G无线通信系统的关键技术之一。未来5G移动通信系统将大力发展物联网(Internet of Things，IoT)应用、机器到机器(Machine-to-Machine，M2M)或以机器为中心的通信，这使得接入网络的用户数急剧增加。由于信道延迟扩展及相干时间的限制，大规模MIMO系统中的导频数远远小于接入网络的用户数。此时，传统的专用导频分配方案已经无法满足巨连接场景需求，新的导频分配方案应运而生，即导频随机接入(Pilot Random Access， PRA)。导频随机接入允许用户从可用导频集合中随机地选择导频序列，从而解决导频短缺问题，进而支持更多的用户接入网络。但是，导频随机接入会不可避免地引入导频碰撞问题，导致基站无法获得用户的信道状态信息，极大制约了大规模MIMO系统的性能。因此，研究有效的导频随机接入方案对于极大地发挥大规模MIMO系统的优势是至关重要的。
本论文针对大规模MIMO系统中的巨连接场景，利用线性与非线性优化理论与方法、随机分析理论、概率论以及编码和检测相关理论设计有效的导频随机接入方案，为5G相关技术的标准化提供理论支撑和技术指导。具体的研究工作如下：
首先，针对M2M通信中最强用户冲突解决(Strongest User Collision Resolution, SUCR)方案的导频资源利用率低的问题，设计了一种联合空导频与SUCR的导频随机接入方案(SUCR combined Idle Pilot Access，SUCR-IPA)。SUCR是近年来提出的一种具有较高冲突解决概率的导频随机接入方案，但该方案仅涉及用户选择的导频资源，忽略了空导频(没有被任何用户选择的导频)的存在。所提SUCR-IPA方案允许SUCR判断失败的用户竞争空导频资源，从而提高导频资源利用率，改善成功接入用户数。此外，为了充分利用空导频资源，提出利用接入等级限制(Access Class Barring, ACB)对竞争空导频的用户数进行拥塞控制，缓解导频碰撞。仿真结果表明，与SUCR相比，SUCR-IPA方案具有更高成功接入用户数以及更少成功接入次数。
其次，针对SUCR无法恢复碰撞用户信道状态信息的问题，提出了一种基于二分图的导频随机接入方案(SUCR combined Graph-Based Pilot Access, SUCR-GBPA)。该方案利用相干时间内信道状态信息的不变性和大规模MIMO系统信道的渐进最优传播特性，构造二分图。针对构造的二分图，设计了一种迭代干扰消除(Successive Interference Cancellation, SIC)算法，该算法能够恢复碰撞用户的信道状态信息，从而提升吞吐量。此外，基于构造的二分图的度分布，对所提方案的性能进行分析。仿真结果表明，与SUCR和SUCR-IPA相比，SUCR-GBPA可以显著提高吞吐量，并能较准确的估计用户信道状态信息。
然后，针对大规模MIMO-IDMA(Mutiple-input Mutiple-output with Interleave-Division Multiple-Access)系统的巨连接场景，提出了一种基于用户识别码的导频随机接入方案(User Identity-Aided Pilot Access, IDPA)。据调研，目前还没有有效的导频随机接入方案来应对大规模MIMO-IDMA系统下的巨连接场景。所提方案允许用户将ID信息发送至基站，使得基站可以获得用户的交织方式，进而利用多用户检测(Multi-User Detection, MUD)算法解调用户的数据信息。该方案无需计算各用户的信道信息，只需计算用户的和信道信息，从而降低基站端复杂度。此外，提出了一种估计激活用户数的方法，使得可以利用ACB机制缓解导频碰撞，提升吞吐量。仿真实验结果表明，该方案能够获得较高吞吐量，并获得较小激活用户数估计误差。
最后，针对Grant-Free导频随机接入机制中数据处理时延较高的问题，设计了一种基于集成独立成分分析的Grant-Free导频随机接入方案(Ensemble Independent-Component-Analysis Based Pilot Access, EICA-PA)。针对该接入方案，设计了一种EICA检测算法，其利用ICA分类器强大的信号分离功能及集成分类器优异的解调性能，在不估计信道状态信息的情况下实现对激活用户和上行数据信息的联合检测，降低数据处理时延。此外，针对此检测算法，提出一符号插值方法解决ICA分类器的相位模糊性，并提出将用户的ID信息作为数据信息的一部分发送至基站从而识别ICA分类器分离的用户。仿真结果表明，该方案能够获得较高的吞吐量，并能获得较小的漏检概率及误帧率。
本论文针对大规模MIMO系统中的巨连接场景，利用线性与非线性优化理论与方法、随机分析理论、概率论以及编码和检测相关理论设计有效的导频随机接入方案，为5G相关技术的标准化提供理论支撑和技术指导。具体的研究工作如下：
首先，针对M2M通信中最强用户冲突解决(Strongest User Collision Resolution, SUCR)方案的导频资源利用率低的问题，设计了一种联合空导频与SUCR的导频随机接入方案(SUCR combined Idle Pilot Access，SUCR-IPA)。SUCR是近年来提出的一种具有较高冲突解决概率的导频随机接入方案，但该方案仅涉及用户选择的导频资源，忽略了空导频(没有被任何用户选择的导频)的存在。所提SUCR-IPA方案允许SUCR判断失败的用户竞争空导频资源，从而提高导频资源利用率，改善成功接入用户数。此外，为了充分利用空导频资源，提出利用接入等级限制(Access Class Barring, ACB)对竞争空导频的用户数进行拥塞控制，缓解导频碰撞。仿真结果表明，与SUCR相比，SUCR-IPA方案具有更高成功接入用户数以及更少成功接入次数。
其次，针对SUCR无法恢复碰撞用户信道状态信息的问题，提出了一种基于二分图的导频随机接入方案(SUCR combined Graph-Based Pilot Access, SUCR-GBPA)。该方案利用相干时间内信道状态信息的不变性和大规模MIMO系统信道的渐进最优传播特性，构造二分图。针对构造的二分图，设计了一种迭代干扰消除(Successive Interference Cancellation, SIC)算法，该算法能够恢复碰撞用户的信道状态信息，从而提升吞吐量。此外，基于构造的二分图的度分布，对所提方案的性能进行分析。仿真结果表明，与SUCR和SUCR-IPA相比，SUCR-GBPA可以显著提高吞吐量，并能较准确的估计用户信道状态信息。
然后，针对大规模MIMO-IDMA(Mutiple-input Mutiple-output with Interleave-Division Multiple-Access)系统的巨连接场景，提出了一种基于用户识别码的导频随机接入方案(User Identity-Aided Pilot Access, IDPA)。据调研，目前还没有有效的导频随机接入方案来应对大规模MIMO-IDMA系统下的巨连接场景。所提方案允许用户将ID信息发送至基站，使得基站可以获得用户的交织方式，进而利用多用户检测(Multi-User Detection, MUD)算法解调用户的数据信息。该方案无需计算各用户的信道信息，只需计算用户的和信道信息，从而降低基站端复杂度。此外，提出了一种估计激活用户数的方法，使得可以利用ACB机制缓解导频碰撞，提升吞吐量。仿真实验结果表明，该方案能够获得较高吞吐量，并获得较小激活用户数估计误差。
最后，针对Grant-Free导频随机接入机制中数据处理时延较高的问题，设计了一种基于集成独立成分分析的Grant-Free导频随机接入方案(Ensemble Independent-Component-Analysis Based Pilot Access, EICA-PA)。针对该接入方案，设计了一种EICA检测算法，其利用ICA分类器强大的信号分离功能及集成分类器优异的解调性能，在不估计信道状态信息的情况下实现对激活用户和上行数据信息的联合检测，降低数据处理时延。此外，针对此检测算法，提出一符号插值方法解决ICA分类器的相位模糊性，并提出将用户的ID信息作为数据信息的一部分发送至基站从而识别ICA分类器分离的用户。仿真结果表明，该方案能够获得较高的吞吐量，并能获得较小的漏检概率及误帧率。