为了实现全球互联,对于地面通信网络难以覆盖的偏远区域,卫星通信提供了一种更具有成本效益的解决方案。同时,在智能电网、公用事业等应用场景下,地面网络的中断可能会损坏固定的无线基础设施。为了在合理的成本内实现最高的数据通信可用性,卫星可以提供真正的替代途径。因此,在支持物联网的应用中,卫星网络发挥着关键的作用。随机接入协议用于卫星网络的初始接入,可以避免频繁的资源申请和动态调度过程,但随着物联网节点的增加,随机接入信道中的碰撞概率将增加,系统资源利用率将降低,导致接入性能恶化。因此高吞吐量随机接入协议的研究对于卫星物联网有着非常重要的意义。本文从同步随机接入协议的研究出发,以增大用户信道资源竞争空间为切入点,充分利用物理层信号参数引入的自由维度,深入分析并研究了基于新维度的跨层同步随机接入方案,论文的主要研究内容和贡献具体如下:1.引入极化维度,提出了基于极化多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)传输方案的随机接入协议。从极化MIMO传输方案着手,详细介绍了系统模型和极化MIMO传输框架。针对传统时隙ALOHA(Slotted ALOHA,SA)协议低峰值吞吐量的缺陷,提出了极化MIMO时隙ALOHA(Polarized MIMO Slotted ALOHA,PMSA)协议。针对冲突解决分集时隙ALOHA(Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,CRDSA)类协议中的死锁问题,提出了极化MIMO-CRDSA(PM-CRDSA)类方案。在所提的PMSA和PM-CRDSA协议中,详细地描述了收发机处理细节,并对PMSA和PM-CRDSA的理论性能进行了推导和分析,仿真验证了PMSA和PM-CRDSA类协议在吞吐量、丢包率、能量效率和时延方面带来的性能增益。将极化MIMO传输方案应用于现有随机接入协议可以有效地提高系统的接入性能,在卫星随机接入系统中有较大的吸引力。2.引入分组长度维度,提出了基于自适应分组长度辅助(Adaptive Packet-length Assisted,APL-assisted)方案的随机接入协议。其主要思想是根据信道的传输质量,通过采用不同的自适应编码调制技术(Modulation and Coding Scheme,MCS)来改变数据包的长度,降低时隙中数据包的冲突概率。在低轨道卫星网络下,介绍了在所提APL辅助方案中,发射端用户节点产生不同长度数据包的方法和不同长度数据包的分布情况。为了提高SA和CRDSA类协议的峰值吞吐量和线性吞吐量区间,分别提出了APL-SA协议和APL-CRDSA类协议。从理论分析和计算机仿真两个方面验证了所提方案在吞吐量、丢包率、能量效率和时延方面的性能优于现有协议,并且可以实现更高的线性区吞吐量。3.引入功率维度,提出了给富优化方案并讨论了基于功率分集的CRDSA类优化方案。从理论上分析了引入传输功率分集对CRDSA协议性能带来的积极影响并对此进行了仿真验证。结合LEO卫星网络的特点,以增强捕获效应为目的,提出了给富优化方案,给出了具体的功率控制方法。仿真表明,相比于现有协议,所提方案实现了更高的吞吐量和丢包率性能。最后,本文对所提的极化MIMO传输方案、自适应分组长度辅助方案和功率优化方案进行了全面的性能仿真分析,进一步说明了所提方案在卫星物联网中的应用潜力。