面向大规模机器通信的多址接入

本书紧扣5G/6G中物联网相关研究前沿，以多址技术为切入点，向读者展示物理层通信技术如何推动5G/6G物联网技术的发展。
本书作者之一的艾渤教授为IEEE Fellow，杰青，国家6G总体组专 家，在5G/6G领域具有一定的知 名度。
相较于其他图书，本书详细阐述了一种面向mMTC新型多址技术的完整研究过程以及在研究过程中的创新思路，可以启发读者对于mMTC新型多址技术的创新。

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。

马国玉
北京交通大学电子信息工程学院副教授，IEEE Member，中国电子学会会员，中国通信学会高 级会员。主要从事5G/6G新型波形及多址技术研究工作。目前主持国家自然科学基金项目一项、省部级课题2项。作为第 一/通信作者在SCI收录期刊上发表论文十三篇，出版学术专著一本，获得发明专利授权八项。入选第七届中国科协青年人才托举工程，博士学位论文获评2020年度中国电子学会优 秀博士学位论文，参与的项目获2021世界5G大会5G应用设计揭榜赛高校组三等奖。

艾渤
北京交通大学电子信息工程学院教授，IEEE Fellow，中国电子学会会士，中国通信学会会士，国家自然科学基金委员会创新研究群体项目带头人。2012年获得优 秀青年科学基金项目支持，2017年获得国家杰出青年科学基金项目支持，2024年获首 都劳动奖章。长期从事宽带移动通信和铁路专用移动通信领域的科研工作，担任中国电子学会智慧交通信息工程分会副主任兼总干事，5G应用产业方阵综合轨道交通5G产业项目组组长，国家6G技术研发总体专 家组专 家。获2023年度国家自然科学奖二等奖、2020中国电子学会科学技术奖自然科学一等奖，获IEEE Neal Shepherd Memorial Best Propagation Award, 在IEEE GLOBECOM、 IEEE ICC等国际会议上获优 秀论文奖。

第 1 章 面向 mMTC 系统的多址接入技术 1
1.1　什么是 mMTC.1
1.1.1　mMTC 的研究背景与意义　1
1.1.2　mMTC 系统的特性　3
1.1.3　mMTC 系统中的随机接入过程.　5
1.2　mMTC 系统多址接入技术的研究现状9
1.2.1　物理层多址接入技术　9
1.2.2　MAC 层多址接入技术 .　11
1.2.3　现有多址接入技术研究的不足之处　12
1.3　本书的创新工作与各章的安排14
1.3.1　本书的创新工作　14
1.3.2　本书的各章安排　17

第　2 章 TSNDMA 方案　19
2.1　引言.19
2.2　TSNDMA 的发射机设计20
2.2.1　TSNDMA 的系统模型　22
2.2.2　生成冗余段 .　23
2.2.3　串联扩频　23
2.2.4　信道预补偿 .　25
2.3　串联扩频码本的设计26
2.3.1　码本设计准则　27
2.3.2　码本设计算法　27
2.4　TSNDMA 的接收机设计28
2.4.1　TSNDMA 的用户识别　29
2.4.2　TSNDMA 的数据检测　32
2.5　TSNDMA 的性能分析.33
2.6　本章小结38

第　3 章 CTSMA 方案　39
3.1　引言.39
3.2　串联扩频码本设计的改进.40
3.2.1　改进的码本设计准则　41
3.2.2　改进的码本设计方案　42
3.3　CTSMA 收发机设计.44
3.3.1　CTSMA 发射机设计　44
3.3.2　CTSMA 接收机设计　47
3.4　CTSMA 权衡性分析.50
3.5　CTSMA 方案仿真性能分析.52
3.6　本章小结56

第　4 章 异步 TSMA 方案　58
4.1　引言.58
4.2　窄带异步 TSMA 系统研究59
4.2.1　窄带异步 TSMA 系统模型　60
4.2.2　窄带异步 TSMA 发射机设计　60
4.2.3　窄带异步 TSMA 接收机设计　63
4.3　窄带异步 TSMA 性能分析65
4.4　本章小结68

第　5 章 多时隙 TSMA 方案　70
5.1　引言.70
5.2　编码时隙 ALOHA71
5.3　多时隙 TSMA 设计73
5.3.1　多时隙 TSMA 传输方案 .　73
5.3.2　多时隙 TSMA 的理论分析　75
5.4　多时隙 TSMA 数值仿真分析78
5.5　本章小结82

第　6 章 面向高并发的 TSMA 方案.　84
6.1　引言.84
6.2　基于 SIC 的 TSMA 接收机设计　85
6.3　基于 SIC 的 TSMA 碰撞解决能力分析　94
6.3.1　基于能量检测的用户识别性能分析　96
6.3.2　基于 SIC 的用户碰撞解决概率　98
6.4　基于 SIC 的 TSMA 仿真性能分析　100
6.5　本章小结103

第　7 章 高速移动 TSMA 方案 .105
7.1　引言105
7.2　面向高铁的大规模物联网系统106
7.3　OTFS 方案108
7.3.1　OTFS 研究现状109
7.3.2　DD 域信道.　110
7.3.3　OTFS 收发机设计.　111
7.4　基于 OTFS 的 TSMA 发射机设计.　113
7.4.1　高铁大规模物联网系统模型 .　114
7.4.2　基于 OTFS 的 TSMA 发射机框架　115
7.5　基于 OTFS 的 TSMA 接收机设计.　118
7.5.1　TF 域处理流程　119
7.5.2　DD 处理流程121
7.6　基于 OTFS 的 TSMA 性能分析130
7.6.1　用户连接性评估　131
7.6.2　传输可靠性评估　134
7.7　本章小结136

第　8 章 MIMO-TSMA 方案　137
8.1　引言137
8.2　MIMO-TSMA 系统模型138
8.3　MIMO-TSMA 发射机设计.139
8.4　MIMO-TSMA 接收机设计.142
8.4.1　MIMO-TSMA 接收信号表示.143
8.4.2　MIMO-TSMA 用户识别算法.144
8.4.3　MIMO-TSMA 信道估计及数据检测.147
8.5　MIMO-TSMA 性能分析148
8.5.1　MIMO-TSMA 理论性能分析.148
8.5.2　MIMO-TSMA 仿真性能分析.150
8.6　本章小结153

第　9 章 TSMA 原型机平台搭建 .155
9.1　引言155
9.2　原型机平台概述156
9.2.1　平台硬件设备及软件程序　156
9.2.2　TSMA 资源映射方案 .158
9.3　单发单收平台搭建161
9.4　二发一收平台搭建163
9.5　本章小结165
第　10 章 展望 .167

参考文献169