超可靠低时延通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communication,URLLC)是第五代移动通信(5G)的应用场景之一,其物理层的设计方案将直接影响低时延和高可靠指标的实现,因此在进行信号传输方案设计时需要兼顾可靠性以及时延方面的影响。传统的通信机制难以同时满足高可靠和低时延这两个相互矛盾的要求,大规模多用户多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统具有丰富的空间自由度、天线阵列增益、准确定性信道、高空间分集等特点,可以提供更多的可用资源来保证系统在低时延要求下的可靠性。将大规模多用户MIMO系统与空时调制方案相结合,能够联合利用系统的空间分集和多用户协作增益,在弥补短数据包传输丢失的时间增益的同时,进一步提高系统的可靠性。因此,本论文基于大规模多用户MIMO系统,研究面向短数据包的空时调制方案,在利用多天线系统空间分集和复用增益的基础上,通过多用户协作空时调制方案的设计,降低导频开销,提高传输效率,并利用协作增益进一步提高可靠性。研究内容和主要工作包括:1.在URLLC低时延、高可靠的要求下,URLLC的短数据包传输中相干时隙受限导致正交导频数量有限,且基于导频序列进行信道估计会带来延迟,降低系统性能,为了解决这些问题,本文以减少导频开销为出发点,提出了一种基于唯一可分的多用户配对联合星座设计方案。其思想是首先将同一小区中的用户进行配对,每对用户同一个导频序列,不同对的用户之间分配相互正交的导频序列,每对用户采用满足唯一分解条件的相移键控(Phase Shift Keying,PSK)星座进行空时调制。该方案可以在确保发送符号的唯一识别的同时减少导频开销。其次,为进一步提高系统的可靠性,研究了信道衰落系数对接收信号的信干噪比的影响,在此基础上提出了一种低复杂度的快速用户配对算法。仿真结果表明,所提快速用户配对方案可以有效提高系统的误码性能。2.为了降低用户间的干扰,进一步提高系统的可靠性,基于所提的快速用户配对方案,在总发送功率的约束下,对协作用户的功率分配方案和低复杂度的基于欧氏距离的相干检测算法展开研究,旨在提升系统整体能效的同时提高系统的检测性能。首先在总功率约束条件下设计空时调制星座,并采用基于欧氏距离的相干检测方案对信号进行估计。在此基础上,以最大化接收信号的最小欧氏距离为准则,建立了功率优化问题。通过求解优化问题,得到了功率分配的最优参数。仿真结果表明,所提功率分配方案能够在降低能效的同时显著地提升系统的可靠性。