卫星通信系统具有覆盖范围广、受地理环境因素影响小等特点,从而使得卫星通信成为当前通信领域中迅速发展的研究方向和现代信息交换强有力的手段之一。目前,下一代卫星通信网络正朝着更高速率、更大带宽的方向发展,其与地面通信网络联合组成全球无缝覆盖的信息交换网络。随着空间通信技术的飞速发展和业务需求的急速增长,有限的无线资源与多媒体业务不断提高的QoS要求之间的矛盾日益尖锐,使得设计可以支持高速、高质量多媒体传输的资源管理策略成为当前空间通信领域关注的重点。同时,卫星组网技术直接关系到卫星网络能否实现全球覆盖以及卫星网络的可扩展性问题,是卫星通信系统研究中的关键问题。相应的,路由协议、链路切换等都要针对卫星网络的特点重新设计,以星上路由交换为核心的新型卫星通信系统是空间通信领域的另一个研究重点。论文研究基于QoS保证的卫星通信系统若干关键技术,主要针对低轨道卫星星座网络中的路由算法和宽带高轨道卫星网络中的资源管理相关算法展开深入研究。本论文的主要创新点和研究工作如下：(1)基于跨层蚁群优化的低轨道卫星网络路由策略为了增强LEO卫星网络的鲁棒性和实现负载平衡,提出一种基于跨层蚁群优化的LEO卫星网络负载均衡路由算法CAL-LSN。该算法在进行路由决策时能够将物理层的信道状态信息考虑在内。为了实现负载平衡,算法CAL-LSN建立了一种多目标优化模型,利用蚁群算法对该模型进行求解。同时,本文对蚁群算法信息素挥发系数的取值进行了推导以便提高算法的鲁棒性,同时仿真研究了算法CAL-LSN的性能。研究结果表明算法CAL-LSN在有效实现负载平衡的同时可以提高接收端吞吐量,并且能够确保系统传输时延和时延抖动满足实时业务传输的需要。(2)基于改进蚁群系统的低轨道卫星网络多径路由策略本文针对LEO卫星网络的特点,提出一种基于改进蚁群系统的多径路由算法MPRA-AC,算法建立了从源用户到目的用户的多条路径。为了提高网络的鲁棒性,本文所建立的多目标优化模型旨在最小化主用路径和备用路径的公共节点数。同时,结合低轨卫星网络的特点,本文对原始蚁群算法做了改进,并在此基础上通过构建仿真平台来衡量算法MPRA-AC的性能。仿真结果表明,MPRA-AC算法能够更加快速的发现可行较优路径。和LEO卫星网络的DSR-LSN算法(低轨道卫星网络的动态源路由算法)相比,MPRA-AC不仅提高了网络链路利用率,同时也提高了卫星网络中数据包的投递率,提高率约为7.9%。(3)基于跨层混沌预测的宽带多媒体卫星网络资源请求策略本文提出一种基于跨层混沌预测的资源请求算法CBRA-CPM。该算法目的在于解决用户接入卫星网络的带宽请求问题,并且通过引入跨层架构以便能够对信道状态进行感知。在算法CBRA-CPM的设计过程中,卫星终端能够根据信道状态改变其向信关站申请带宽资源的数量,同时结合网络流量的自相似特性,算法引入混沌预测模型对流量进行预测。通过采用OPNET和MATLAB联合仿真的方法,算法仿真平台被构建。通过对本文所提算法和DAMA-CPM算法(基于混沌预测的按需分配多址接入算法)进行性能比较,本文所提算法在降低系统端到端时延的基础上提高了接收端的系统吞吐量。(4)基于OPNET的宽带多媒体卫星通信标准半实物仿真机制研究半实物仿真是一种将硬件测试和软件评估相结合的仿真方法,通过将实物接入系统从而尽可能取代虚拟模型,使仿真结果更接近实际情况。因此,采用半实物仿真对宽带多媒体卫星通信系统进行建模分析具有重要的研究价值。本文在基于对半实物仿真机制深入调研的基础上,进行DVB-RCS通信体制的研究,构建基于半实物的DVB-RCS通信体制仿真平台,解析影响系统的各种因素,并最终开发出应用于宽带多媒体卫星通信体制的仿真模型,建立相对复杂的半实物测试环境。