随着全球能源互联网概念的提出,“一极一道”通信与全球通信成为了国内外研究重点之一。卫星由于其空间位置优势,在全球通信和“一极一道”通信中起着关键性的作用。目前我国并没有能全天候实时覆盖北极地区的卫星通信系统,北极地区通信能力非常差,急需建立能够实现北极地区实时通信的卫星通信系统。传统的卫星通信多是使用透明转发的方式,具有通信时延长等缺点,而星上交换技术可以减少空间通信对地面设备的依赖,减小通信时延并增强网络的健壮性。相比于电交换方式,光交换具有通信容量大、功耗低和设备体积小质量轻的优点,因此星上光交换成为了未来空间网络发展的一大目标。论文在研究国内外覆盖北极的通信卫星星座的基础上,研究覆盖全球及覆盖“一极一道”的卫星星座设计。在研究卫星星上光交换理论的基础上,重点研究了星上光突发交换数据突发汇聚组装机制和资源预留协议两项关键技术。论文的主要研究工作如下:1)在研究国内外覆盖全球及覆盖“一极一道”的卫星星座结构、卫星星座轨道设计方法的基础上,提出了一种基于地球静止轨道(GEO)、低轨道(LEO)和大椭圆轨道(HEO)的三层卫星星座,设计了该三层卫星星座的轨道高度、倾角和周期等主要参数,仿真研究结果表明所提出的卫星星座能够全天候实时覆盖全球、北极地区和赤道地区。2)在深入研究星上光突发交换数据突发汇聚组装策略原理和性能的基础上,提出了一种基于QoS保证的星上光突发交换加权轮询组装策略。仿真研究结果表明所提出的汇聚组装策略能够提供良好的区分服务,并且在提高高优先级业务传输质量的同时,也能保证低优先级业务的传输质量,性能优于基于混合门限的轮询算法(FZTFR)及最大长度最大汇聚时间算法(MSMAP)等。3)在研究星上资源预留策略的原理与实现方法的基础上,提出了一种基于宏突发的动态缓存星上光突发交换资源预留策略,该方法通过在核心节点采用可调光延时器来实现二次预留,提升目前的星上光突发交换资源预留的时延性能与丢包率性能。仿真结果表明所提出算法相比于传统的资源预留策略JET、LAUC和LAUC-VF等,在网络的丢包率及端到端时延性能方面表现更加优秀,都降低了 10%以上。