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低轨卫星通信与地面5G移动通信的融合是未来通信网络发展的重要方向之一。同时,随着低频段可用频谱资源的逐步耗尽,卫星通信也在逐步向高频毫米波频段发展。由于低轨卫星具有很高的运动速度,在高频段通信场景下,多普勒频偏将高达700kHz,是同频5G地面高速移动场景下多普勒频偏的几十倍。大多普勒频偏会严重破坏正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing,OFDM）系统子载波之间的正交性,产生子载波间干扰（inter-carrier interference,ICI）,影响信道估计精度。与此同时,低轨卫星的高速运动还会使信道产生严重的时间选择性衰落,导致信道估计的导频开销大,算法复杂度高。因此,如何针对星地通信网络中的这种高时变信道进行多普勒频偏补偿和高效的信道估计就成为了当前星地通信网络中的研究热点。本文首先针对低轨卫星通信场景,分析了卫星信道的传输特性,并给出了信道模型。接下来分析了多普勒频偏对星地通信链路传输性能的影响,并针对大频偏估计算法复杂度过高的问题设计了一种两级频偏补偿方案。该方案首先基于卫星的星历信息对多普勒频偏进行简单估计和预补偿,以较低的算法复杂度将多普勒频偏校正到一个较小的范围;进一步地,通过基于导频互相关和自相关的方法补偿残留的多普勒频偏。研究表明所提算法可以在SNR=15dB时,保证频偏估计均方误差为1%左右,同时算法复杂度降低为同类算法的1/4。其次,本文研究了对星地通信链路中高时变性信道的估计问题。针对高频段低轨卫星信道的低频率选择性和高时间选择性衰落特征,通过优化导频符号的时频插入密度,提高了信道估计精度;进一步地,结合信道的高时变性提出了一种基于导频簇和基扩展模型的信道估计算法,该算法在保持导频开销基本不变的条件下可获得较好的信道估计性能。