卫星物联网（Satellite-based Internet of Things,S-Io T）能够突破现有地面网络仅覆盖20%左右陆地范围的局限,实现全球立体覆盖下的宽带接入。S-Io T已成为下一代移动通信的重要发展方向之一。本文面向未来S-Io T服务于地面终端的典型业务场景,综合考虑卫星受限的功率资源、星地长距离链路导致的大传播延时以及信号衰落,设计了基于网络编码（Network Coding,NC）的混合自动重传机制（Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ）,以保障高能效和高时效的S-Io T端到端可靠传输。面向S-Io T典型的星地下行组播和双向卫星中继场景,设计了星地阴影莱斯信道下多种单播流下行传输（Multiple-Unicast Downlink Transmission,MUDT）和网络编码双向中继（Network Coding Bidirectional Relaying,NCBR）的NC HARQ传输协议。建立了S-Io T中基于能量累积的NC HARQ系统模型,推导了阴影莱斯衰落信道模型下NC HARQ传输协议的关键性能指标,包括传输次数期望,吞吐量和能量效率。针对衰落信道模型,利用拉普拉斯变换工具以及矩阵指数（Matrix Exponential,ME）分布,给出了推导NC HARQ理论性能指标的相关定理。然后,基于NC HARQ系统模型中的传输次数期望以及能量效率的理论分析,在第三章中,采用ME工具给出了MUDT和NCBR场景下NC HARQ的能量效率指标的闭合表达式。建模并分析了NC HARQ协议在S-Io T阴影莱斯衰落信道下的最大化能量效率的优化问题,充分考虑了能量受限和传输可靠性指标等限制条件,在上述S-Io T典型应用场景下分别设计了对应的优化算法进行求解,提高了系统的能量效率。采用蒙特卡洛仿真验证了NC HARQ性能指标理论推导的准确性,并与常规的HARQ进行对比,验证了NC HARQ不仅能够保障可靠传输,还能提高能量效率。为进一步保障S-Io T端到端可靠传输的信息时效性,基于NC HARQ协议进行优化,通过设计信息包和网络编码纠删包的混合传输策略,实现了低峰值信息年龄（Age of Information,Ao I）的NC HARQ前向纠删传输协议。第四章给出了前向纠删传输协议模型的详细传输流程,理论分析并推导了该模型下端到端传输的时延和Ao I性能指标。考虑到星地链路长传播延时和难以获得及时反馈的特性,为了更好地适应信道条件变化,进一步设计了动态前向纠删传输协议,通过构建部分可观测马尔科夫决策过程,并求解得到了最优的传输策略。综上,本文设计的NC HARQ传输机制能大大提升S-Io T系统的传输效率,能够应用于多种典型业务场景,并有效的提升了系统能量效率和信息时效性,对于未来实现高可靠、高能效、低时延和高时效的S-Io T通信网络具有理论指导意义。