随着大规模机器类通信场景被国际电信联盟确定为第五代无线移动通信网络的三大应用场景之一,以大规模机器间(M2M)通信、大规模机器类通信等典型应用场景为代表的、具有极高机器通信密度的密集节点通信已经成为全球通信技术研究者关注的研究热点。作为目前最普及的无线通信系统,无线移动通信网络以其他无线通信系统无法比拟的覆盖范围和移动支持能力成为实现密集节点通信最有竞争力的方案。但是,由于密集节点通信与传统移动宽带通信之间的区别,无线移动通信网络难以满足密集节点通信的低资源消耗需求。具有低资源消耗的存储-携带-转发(SCFR)通信技术与概率信号处理技术(PPT)则成为满足密集节点通信需求的有力竞争者。本文着眼于密集节点通信的低资源消耗需求,从提高通信可靠性、通信信息传输有效性和信号处理效率三个方面,研究了M2M通信互干扰问题、中继传输信息冗余问题与设备资源消耗问题。针对密集节点通信过程中的M2M通信互干扰问题,本文提出了一种基于随机子信道选择的M2M通信互干扰规避方法;针对密集节点通信场景下SCFR通信的中继传输信息冗余问题,本文提出了基于最佳停止的SCFR中继选择方法;针对密集节点通信中的机器通信设备(即M2M通信节点)资源消耗问题与PPT存在的不足,本文提出了一种基于线性方程组满足概率的PPT迭代信号处理收敛判断条件与基于该收敛条件的PPT迭代信号处理算法,并设计了一款基于PPT的信号处理芯片。本文的主要工作与创新点如下:1、提出了一种基于随机子信道选择的M2M通信互干扰规避方法,提高了密集节点通信的M2M传输可靠性。针对密集节点通信过程的M2M通信可靠性问题,该方法通过让数据源设备随机选择正交子信道进行M2M通信来达到降低M2M通信互干扰的目的,有效地提高了M2M通信的信干噪比与M2M传输的可靠性,增加了传输速率和频率利用率,降低了M2M通信的传输延时与传输功耗,提升了系统的有效信息吞吐量与支持设备规模。另外,由于该方法不产生上行信令,所以其不会增加系统的上行链路资源消耗。2、提出了基于传输延时优先和传输功耗优先的中继选择条件与SCFR中继选择策略。针对密集节点通信场景下SCFR通信方法存在的中继传输信息冗余问题,本文从降低传输时延与传输功率两个角度,构建并求解相应的停止准则问题,提出了传输时延优先与传输功率优先的SCFR中继节点选择条件;进一步结合密集节点通信的特点,设计了基于两个中继节点选择条件的中继选择策略。该方法可以降低SCFR的信息冗余,提高数据包的成功传输概率,减少数据包的传输时延与传输功耗,削减密集节点通信的链路资源消耗。3、提出了一种基于线性方程组满足概率(ESP)的PPT迭代信号处理收敛判断条件和基于ESP收敛条件的PPT迭代信号处理算法。为了满足密集节点通信中M2M设备对高性能、低资源消耗信号处理的需求,针对PPT算法缺乏收敛判断条件与算法形式不统一的问题,本文定义了一种基于PPT的信号处理图模型以及其上的计算更新规则,提出了一种基于ESP的PPT迭代信号处理收敛判断条件和基于ESP收敛条件的PPT迭代信号处理算法。本文所提出的收敛判断条件填补了PPT迭代信号处理无法进行收敛判断的空白,且提出的算法则为一类迭代信号处理问题提供了一种统一形式的算法。同时,所提出的算法不仅具有与传统算法相同的性能,还能够降低实现电路的晶体管数量与信号处理延时,减少信号处理对M2M设备资源的消耗。4、提出了一种基于同构图模型的PPT信号处理芯片设计方法,设计了一款基于PPT的迭代信号处理芯片。为了实现密集节点通信的低资源消耗信号处理,针对现有PPT迭代信号处理芯片设计复杂度过高的问题,本文的方法通过寻找同构子图和设计可重复使用的电路模块,降低了PPT迭代信号处理器的设计复杂度,设计了基于PPT的LDPC迭代译码芯片。本文通过输入、输出接口电路的设计,解决了PPT迭代信号处理器与现有通信体系在信号处理方式、信号处理对象以及信号传输方面的兼容性问题。本文采用0.35μm CMOS工艺实现了该译码芯片。芯片测试结果表明,该芯片具有明显低于传统数字译码芯片的功耗;同时,该芯片也是迄今为止规模最大、编码增益最高的PPT迭代译码芯片,能够满足密集节点通信M2M设备对高通信可靠性与低资源消耗的需求。