卫星通信技术具备覆盖范围大、通信距离远、频带宽、容量大、信道质量好、性能稳定及设备成本不随通信距离增加而增加等优点,能够支持用户在任何地点相互通信,是实现人们能在任何时间、任何地点与任何人通信的目标过程中必不可少的一种关键技术。本文研究卫星移动通信系统上行链路设计与实现,致力于设计一种可与地面移动通信系统兼容的卫星移动通信上行链路传输方案。首先,本文对卫星移动通信技术进行了探究。重点关注卫星通信中的多波束天线技术及数字波束形成技术,并对卫星信道的特性进行了分析。由于通信距离、大尺度衰落、小尺度衰落及多普勒效应的影响,卫星传输链路存在长延时、大损耗、高频偏等特性,地面移动通信技术无法直接应用于卫星场景。其次,本文针对卫星传输过程中的长延时特点,对卫星移动通信系统中随机接入信道的发送和接收方法进行了研究。基于地面移动通信的随机接入序列,在研究了多种扩展方法后,提出了一种基于极性扩展的随机接入序列。同时,本文对发送及检测方法进行了设计,发送端采用基于剪枝DFT的混合时频发射机,接收端采用基于降采样的频域接收机。仿真结果表明,扩展后的序列自相关能够保持单峰特性,并满足卫星通信的长延时特性,从而保证有效的随机接入。接着,本文研究了卫星移动通信系统上行链路中的信道估计方法。在传统变换域MMSE估计方法的基础上,利用卫星系统中多波束阵列天线带来的空间相关性,提出一种基于空间-频率域的二维变换域滤波方法,能够有效滤除空间域噪声,提升信道估计性能。仿真结果表明,该方法相对传统的变换域MMSE滤波方法有显著的增益,尤其在低信噪比情况下增益更为明显。最后,对本文设计的随机接入信道的发送端与接收端实现方法进行了研究。首先,对本文提出的极性扩展随机接入发送端和接收端进行了定点化,并建立定点仿真链路。仿真结果表明,与浮点链路性能相比,定点化后的链路仍能保持较好的性能。仿真完成后,对定点化后的发送和接收过程,采用Verilog进行编程并在Xilinx公司Kintex-7系列410T型号FPGA上进行了实现,实现测试结果与定点化仿真结果一致。