机器间（Machine-to-Machine,M2M）通信是指在没有人为干预的条件下,机器与机器之间通过通信网络自主地进行数据传输。作为第五代（Fifth Generation,5G）移动通信实现万物互联的主要连接方式,它被逐步地应用到智慧交通、智能家居、电子医疗、远程监控等物联网行业,这使得机器类型通信（Machine Type Communication,MTC）设备的连接需求与日俱增。当大量的MTC设备同时接入现有的为人与人（Human-to-Human,H2H）通信设计的移动通信网络时,将不可避免地造成无线接入网络（Radio Access Network,RAN）过载,严重影响MTC设备成功接入网络,从而增加MTC设备的接入时延和能量消耗,甚至导致接入中断。因此,在现有的LTE-A网络架构下,研究一种适用于M2M通信的随机接入方案已然迫在眉睫。本文针对LTE-A网络架构下M2M通信的接入拥堵问题,利用线性与非线性优化理论、随机分析理论、概率论以及统计学等相关理论,研究适用于M2M通信的高效随机接入方案。具体的研究工作如下:1.针对M2M通信中联合接入类控制参数和定时提前量（Access Class Barring combined Timing Advance,ACB-TA）方案的接入碰撞概率高的问题,设计了一种前导码的放置方法,并基于此提出了一种缓解碰撞的TA选择（Alleviating-Collision Based Timing-Advance Selection,ACTAS）正交随机接入方案。利用所设计的前导码放置方法以及前导码的正交特性,基站可以为每个前导码选择出碰撞概率最小的TA信息,从而减小了随机接入过程的碰撞概率。在此基础上,结合MTC设备的空间分布,进一步设计了一种增强ACB参数的ACTAS（Enhance ACB combined ACTAS,EACB-ACTAS）随机接入方案。该方案通过引入EACB参数使得不同位置的MTC设备具有相同的成功接入概率。仿真结果表明,提出的这两种方案均比ACB-TA方案具有更高的接入吞吐量。2.针对正交随机接入方案中时频资源利用率低的问题,提出了一种基于控制面数据传输的联合正交和非正交随机接入方案。该方案允许MTC设备在发送前导码时附上自己的ID信息,使得基站能够检测到成功传输的前导码。结合混合随机接入和数据传输机制（Hybrid Random Access and Data Transmission,HRA-DT）的原理,将成功传输前导码的MTC设备以非正交的形式传输数据消息的同时,失败传输前导码的MTC设备以正交的形式竞争空闲的时频资源,从而实现对空闲时频资源的重复利用。仿真结果表明,所提方案能够显著提高MTC设备的成功接入概率以及系统资源利用率。3.针对功率域非正交随机接入方案中MTC设备的传输功率违背随机性选择的问题,设计了一种TA信息辅助的功率域非正交随机接入方案。该方案预先设定多个可用功率级。在随机接入过程中,通过ACB检测并且TA信息匹配成功的MTC设备随机选择一个可用功率级作为目标接收功率进行数据传输。在接收端,基站使用串行干扰消除技术（Successive Interference Cancellation,SIC）对叠加传输的数据信号进行恢复。为了分析该方案的性能,推导了随机接入吞吐量的理论下限表达式,并设计了一种区域化功率选择策略来降低MTC设备的平均传输功率。仿真结果表明,该方案能够获得较高的接入吞吐量,并且采用区域化功率选择策略能够显著降低MTC设备的平均功耗。4.针对多时延约束共存的大规模MTC（Massive MTC,m MTC）场景,提出了一种面向多时延约束的自适应非正交随机接入方案。该方案能够根据不同时延约束设备组的业务负载和时延约束要求自适应地调整ACB参数的大小。通过ACB检测的MTC设备能够以功率域复用的方式共享一个时频资源进行数据传输。为了能够满足时延敏感设备的时延约束要求,给出了一个不同设备组在每个接入时隙中的ACB参数矩阵计算算法。为了使得时延容忍设备组的接入更高效,结合ACB参数矩阵,给出了一个时延容忍设备组最大吞吐量的解析表达式。仿真结果表明,该方案能够满足不同MTC设备时延约束要求的同时最大化时延容忍设备组的接入吞吐量。