空间信息网络(Space Information Network,SIN)是国际科学前沿和战略性国家基础设施,能够高效服务于导航定位、远洋航行、应急救援、航天运输、空间测控、深空探测等重大应用。因此,空间信息网络需要具备支撑大规模机器类型通信(massive Machine-Type Communications,mMTC)的能力。为解决未来空间信息网络面临超大规模的设备接入难题,设计高效的接入协议是亟需突破的关键技术。本文基于卫星通信场景下非协作用户基于竞争的随机接入协议框架,创新性的提出了多时隙随机导频接入(Joint Random Pilot and Multi-Slot Access,JRPMSA)协议,能够实现大规模设备的高效、可靠的随机接入。此外,针对空间信息网络不同用户具有多样化接入时延需求的特点,对接入时隙分级,提出了不同时延需求的用户在不同时隙等级中的导频随机接入反馈方案。具体研究内容如下:基于空间信息网络中星地链路往返高时延的特点,结合未来mMTC的大规模设备非协作突发接入通信需求的场景,在第二章研究了非协作用户基于竞争的随机接入流程,采用在接入卫星端执行连续干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)算法恢复冲突用户信息。重点研究CRDSA(Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,CRDSA)协议以及Frameless ALOHA协议在上述场景下的接入失败概率和吞吐量性能,通过理论分析和仿真验证,为本文后续的研究思路和分析方法奠定了坚实基础。由于空间信息网络大规模非协作MTC设备接入时,容易产生冲突而导致接入失败。在第三章提出了多时隙随机导频接入协议。设计了JRPMSA协议的具体流程,通过二分图建立设备在多个接入时隙中的导频选择情况,推导二分图中各类节点的度分布表达式。然后利用“与-或树”工具分析了各节点信息未被恢复的概率更新情况,推导了表征系统性能的接入失败概率和吞吐量的表达式。仿真结果表明该协议在系统稍微过载的情况下仍可以实现0接入失败概率,相对于现有接入协议能够大幅提升接入成功率。进一步的,考虑大规模非协作MTC设备可能具有不同的接入时延需求,第四章提出了分级JRPMSA协议,按接入时延需求分别将用户分组、时隙分级,以满足不同接入时延需求的设备接入效率。为缓解每级时隙中设备由于不同优先级而导致的导频冲突情况,引入了中间反馈机制,降低在前序时隙中已成功传输的设备对后续时隙的干扰。提出了三种反馈方案:全反馈,部分反馈和分组反馈,推导了三种方案中不同时延需求设备的接入失败概率。仿真结果表明,分级JRPMSA协议在不同负载区间内可以选取不同的反馈机制,有效的降低接入失败概率。