随着当前智能终端设备和移动互联网的快速发展,用户对于高速稳定、无缝覆盖的移动通信服务的需求愈发强烈,这给传统地面蜂窝网络带来了相当大的挑战。一方面,受限于频谱资源、干扰管理、能量效率等因素,传统的密集蜂窝网络在网络容量和接入性能上逐渐遇到发展瓶颈;另一方面,考虑到地理环境因素和基础设施成本,蜂窝网络往往只适用于人口密集的城市地区,对于地广人稀的偏远地区无能为力。为了解决传统地面网络所存在的问题,给用户提供全球覆盖、随遇接入、安全可信的通信服务,天地一体化信息网络应运而生。在传统地面网络的基础上,借助于卫星、航天器和无人机等所组成的异构网络,天地一体化信息网络可以为处在海陆空的各类用户提供全天候、无死角、无缝式的接入服务,具有十分广阔的发展前景。作为当前天地一体化信息网络的重要组成之一,卫星网络迎来了自身历史上的第二次研究热潮。在近些年,不但受到了学术界的广泛关注,并且包括SpaceX在内的众多工业界公司也已经开始布局自己的全球卫星接入计划。特别是针对低轨小卫星网络,凭借着低轨卫星在通信延时、信号质量、发射成本等方面优势,被广泛采纳为当下全球卫星组网的首选方案。然而,由于卫星所处的高度动态环境以及受限的星上资源,大规模卫星组网将面临着动态管理、数据路由、负载均衡等不同方面的挑战。同时,在卫星组网的基础上,为了实现未来的天地一体化信息网络构建,势必需要完成从卫星到地面的异构网络融合。因此,如何在星地之间达成高效互连,并继而向用户提供协同的数据服务就成为了另一项重要的基础研究。由于目前这些问题均处于初步的探索阶段,本文从低轨小卫星组网问题出发,对当前天地一体化信息网络所存在的部分问题展开相应的研究,分别涉及卫星组网、星地协同、卫星接入以及网络架构这四个方面。本文的主要研究包括:1.针对大规模低轨小卫星组网时的数据路由问题,本文在传统基于时间离散的卫星轨道预测方案基础上,提出了一种时间连续的网格拓扑模型用于预测卫星轨道和拓扑状态。通过网格模型所提供的拓扑信息,本文设计了一种基于网格的最短路径搜索算法,并结合邻居通信协议进行实时信息更新。由于在搜索过程中利用了网格信息的空间离散特性,因此该算法可以降低算法复杂度并提供多路径路由。仿真结果显示本文所提路由方案在显著降低算法开销的同时可以实现接近最优的端到端延时和丢包率,并能够根据网格划分精度的区分实现可调的路由性能。2.考虑到传统地面网络在进行内容分发时面临的流量压力,需要引入新型的异构网络架构来帮助地面基站提供传输服务。借助于具有缓存能力的低轨小卫星和地面无线接入点,本文提出了一种星地协同的内容传输方案,通过结合卫星单点的广播与地面多点的单播传输,帮助传统小区中的宏基站卸载用户对于缓存内容请求的流量。考虑到地面服务时的能效和卫星传输时的能耗约束,本文对相应的流量卸载问题进行建模得到了一个非线性分式优化问题,并利用子问题分解的方式求得相应的缓存与传输策略。仿真结果显示,本文所提的星地协同传输方案可以在保证数据吞吐量的同时最大化传输能效,相比传统纯地面传输方案实现了显著的性能提升。3.为了解决星地接入时低轨卫星高速运动所引发的频繁切换问题,本文针对密集低轨卫星网络的特点,提出了一种以用户为中心的卫星切换方案。通过为用户预分配接入卫星并预留星上资源来实现高效的卫星切换,保证用户在接入过程中的最优星地链路质量。仿真结果显示,相较于传统的动态切换方案,本方案在降低切换开销的基础上提升了用户的通信质量,同时在发生阴影衰落的链路状况下能够显著提升鲁棒性。4.随着因特网中数据内容和新型应用的爆炸式增长,传统的TCP/IP网络协议存在着网络管理、传输效率等方面的问题,这对于复杂多变的天地一体化网络的实际应用十分不利。因此,基于地面网络中所提出的新型网络架构,本文提出了一种基于信息中心网和软件定义网的融合网络架构,用于实现更加灵活的网络管理与高效的内容分发。通过充分利用不同轨道的卫星网络的特点,每一层卫星网络都被赋予了不同的功能,并且我们设计了新型的星上路由器用于支持信息中心网的功能。为了展示新型网络架构的潜力,本文针对内容分发类应用,提出了相应的高效内容传输方案,并对传输过程中具体的网内缓存策略进行了建模与分析。