近年来，随着通信技术的发展和人们对多媒体通信业务的广泛需求，宽带多媒体卫星通信已成为人们关注的焦点。通信卫星也已经从一个透明转发器逐步发展成为采用星上处理和星上交换技术的再生式转发器。星上处理及星上交换等技术不仅可以提高信息传输能力，还可以使系统更为灵活，适应性更强。与面向非连接的IP交换技术相比，面向连接的ATM交换技术发展的更为成熟稳定，它不仅可以灵活分配带宽、提供端到端服务质量保证，还可以在将来通过软件来进一步升级。本文在分析国内外相关文献的基础上，针对一种采用星上ATM交换体制的宽带多媒体卫星通信系统，从星上有效载荷部分所面临的问题出发，深入研究了以下几个问题：　　第一，对星上ATM交换结构进行了分析。随着卫星通信系统规模的扩大和交换技术的发展，星上交换结构从简单的单路径结构发展到复杂的多路径网络，对星上交换结构性能的要求也更侧重于擅长应对突发业务和热点业务。本文通过分析比较现有的几种星上ATM交换结构的时延特性，给出了一个基于Benes网络的星上ATM交换结构。　　第二，对星上ATM交换结构中路由算法的研究。分析Benes网络的路径特性，指出Benes网络的路由功能是由其分发网中的分发算法来决定。考虑到卫星业务流量的随机性和突发性会引发星上交换结构拥塞，并引起过多的交换时延，本文提出了一种将蚁群寻路机制与拥塞规避机制相结合的蚁群分发算法。该算法能够有效降低拥塞，减少交换时延，尤其是在处理突发业务和热点业务时比其他经典算法具有更佳的时延特性。　　第三，对多优先级缓存管理策略进行研究。缓存管理策略是缓存管理的重要组成部分，对保证端到端服务质量十分关键。鉴于当前缓存管理策略对流量变化的适应性方面的不足，本文提出了一种改进的多优先级动态阈值优化策略。该策略充分考虑输出带宽服务速率对不同优先级信元阈值的影响，结合输出带宽来调整阈值，与经典的缓存管理算法相比，在信元丢失率和吞吐性能等方面均有明显改善。　　第四，对基于队列和负载状态的早期分组丢弃算法的研究。信元丢弃策略是缓解星上缓存短期拥塞的重要手段，与星上缓存管理策略相结合能更好的提高星上缓存性能。鉴于现有星上信元丢弃策略在稳定性方面的不足，提出了一种基于队列和负载状态的早期分组丢弃算法，该算法利用队列长度和负载状态作为参数来调整信元丢弃概率，不仅在稳定性方面优于其他算法，同时在信元丢失率和吞吐性能方面也具有一定优势。　　第五，对星上拥塞控制机制的研究。卫星闭环拥塞控制机制可以有效缓解非实时业务的长时突发引起的星上拥塞。为了提高拥塞规避效果，目前主要采用定期监测定期反馈方案。但这种定期反馈方案在对多优先级业务进行拥塞控制时，其拥塞参数无法体现高优先级信元对资源的占用优势。因此，本文提出了一种基于动态缓存因子的多优先级拥塞控制机制。该方案利用不同优先级信元的缓存占用情况来调整特定优先级信元的拥塞参数，能够适应于不同优先级业务的突发特性，提高交换网络的拥塞控制能力。