随着第五代移动通信网络的广泛部署,以智慧城市、智慧农业及工业互联网为代表的新型物联网正成为支撑现代信息化社会的重要基础设施,并面临着高可靠低时延、海量连接、设备能源有限及频谱资源受限等诸多技术挑战。相较于传统语音和视频通信的长包数据,物联网主要传输传感和控制信息等短包数据,因此基于无限码长假设的经典香农定理无法准确刻画物联网通信信号传输的可达速率和可靠性。2010年,Polyanskiy等人推导出有限码长下信号传输的最大可达速率与可靠性的解析表达式,为物联网短包通信（Short Packet Communications,SPC）系统解决上述挑战提供了理论基础。本文将以SPC系统为核心,融合非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）技术、能量收集技术及智能反射表面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）技术,对物联网资源配置展开深入研究。具体而言,通过建立可平衡传输速率与可靠性的折中优化性能指标,设计时域、频域及空域等多种无线通信资源联合配置优化算法,以实现高可靠低时延、海量连接及低功耗高谱效的物联网通信。本文的主要研究内容及创新点概括如下:1)基于NOMA的SPC系统资源配置:NOMA技术将多个用户信息在时域、频域及码域上进行叠加传输,提升接入设备数量和频谱效率,以解决物联网海量接入及频谱受限问题。本文针对多用户多载波NOMA-SPC系统进行多域资源配置研究,以有效吞吐量作为平衡传输可靠性与可达速率的折中性能指标,通过优化用户配对、子载波分配、传输功率及传输速率等无线通信多域资源联合配置,在公平性准则和传输可靠性等限制条件下最大化系统加权和有效吞吐量。本文提出了基于动态规划的最优资源配置算法以探明系统吞吐量极限性能,再提出了低复杂度次优资源配置算法以降低对物联网设备计算能力的需求。仿真结果表明,所提出的次优资源配置算法性能可有效逼近最优算法,且优于无限包长假设下的传统资源配置算法,证实了所提算法的有效性。2)基于能量收集的SPC系统资源配置:无线能量收集技术从周围环境中收集射频信号并将其转变为电能存储在物联网设备里面以供设备信息传输,可用于解决设备能源有限问题。本文针对基于能量收集的多用户SPC系统进行时域资源配置研究。以有效吞吐量和有效信息量作为衡量SPC系统成功传输信息的速率和总量的性能指标,通过优化能量收集时间、用户信息传输时间及用户传输可靠性,研究了在总传输时间受限和最大传输误差概率等条件下的系统有效吞吐量最大化问题,以及在满足各用户最小有效信息量传输需求和最大传输误差概率等条件下的总传输时间最小化问题。由于时间变量为与包长相关的整数变量,本文利用块坐标下降、连续凸逼近及连续变量整数化等方法对原问题进行近似求解。仿真结果表明,所提资源配置算法性能可接近基于穷搜索的最优算法,且优于无限包长假设下的传统资源分配算法。3)IRS辅助的SPC系统信道估计:IRS通过调整自身反射系数以改变无线信号传播环境,使得无线信号在接收机处实现信号增强或干扰消除,是提升物联网能效及谱效的关键技术。本文针对IRS辅助的多用户SPC系统进行信道估计研究,为该系统资源配置奠定基础。首先,设计了一种新颖的导频传输帧结构,再通过建立信道稀疏模型将原信道估计问题转化为稀疏矩阵恢复问题,并提出基于匹配追踪的单用户信道估计算法对其进行求解。为进一步降低导频开销,建立了多用户信道的公共行-列-块稀疏模型,并提出了基于公共子空间投影的多用户信道联合估计算法。仿真结果表明,所提多用户联合估计算法只需极少导频消耗就可达到较高估计性能,且明显优于传统信道估计算法。4)IRS辅助的SPC系统资源配置:继完成IRS辅助的多用户SPC系统信道估计研究后,本文对该系统的空域资源配置进行研究。通过优化各用户传输可靠性、基站主动波束赋形与IRS被动波束赋形,研究了在发送总功率、传输可靠性及IRS离散反射系数等实际限制条件下的所有用户最小有效吞吐量最大化问题。然后,提出了基于块坐标下降和连续凸逼近的算法对该非凸优化问题进行高效求解。仿真结果表明,引入IRS可明显提升SPC系统传输性能,且所提算法性能明显优于其它启发式算法。此外,所提算法在IRS反射系数3比特离散精度限制下的性能可逼近连续反射系数限制下的性能,为上述系统的实际应用提供了指导依据。