作为物联网通信的重要组成部分,卫星物联网通信已经受到了工业界和学术界的广泛关注。然而,在极低信噪比、大多普勒频移和传输时延等不利条件下实现可靠的卫星物联网通信具有很大的挑战性。鉴于此,探索高效的物理层帧结构方案、编码调制方案和接收机同步方案以及多用户传输方案就变得尤为重要了。本论文针对卫星物联网传输中物理层帧结构方案、编码非相干LoRa系统方案、接收机同步方案和多用户传输方案的设计与优化展开研究工作,主要研究成果概括如下:（1）针对卫星物联网传输的导频资源受限和标准导频符号辅助调制（PSAM）帧结构局限性的问题,设计并优化了一种通用的PSAM帧结构。以联合数据辅助与非数据辅助的频偏估计克拉美罗界为准则,利用经典的控制变量法分别对通用PSAM帧结构中的导频图样和数据图样进行优化,从而得到了一类实用的优化PSAM帧结构。仿真结果表明,在短数据包传输和长数据包传输下,优化PSAM帧结构的CRB性能要优于标准PSAM帧结构的1～2个数量级;基于优化PSAM帧结构的几种编码调制方案均获得了接近于理想情况的误码性能,且要比基于标准PSAM帧结构的方案好0.6 dB～2.25 dB。（2）针对卫星物联网传输的极低信噪比环境和现有Hamming-LoRa方案难以保证高可靠性问题,研究了编码非相干LoRa系统的非相干解调方法及其最优码率,由此提出了一种低复杂度的软输出非相干解调方法和选择了最优码率下性能优异的编码方案。所提的解调方法可以降低原方法的对数运算量且不会带来性能损失。根据编码非相干LoRa系统的信道容量与信噪比及编码码率之间的关系,仿真发现了不同扩频因子下该系统在码率接近于0.5时达到了相应的信噪比门限;同时比较了码率等于或接近0.5的Hamming码、BCH码、RS码、Turbo码、LDGM码和LDPC码级联LoRa调制方案性能。仿真结果表明Turbo-LoRa和LDPC-LoRa方案获得了最优的误码性能且优于Hamming-LoRa方案5 dB以上。（3）针对卫星物联网传输中存在的导频资源和存储资源双重受限问题,提出了一种基于数据辅助的联合并行频相估计与分块数据补偿方案。该方案提供了一个对莱斯K因子不敏感的自相关频偏估计器和一个低复杂度且强鲁棒性的最大似然相偏估计器,同时使用了比传统补偿方案更低的存储消耗来改善残留频偏对系统性能的影响。另一方面,针对卫星物联网传输中存在的大多普勒频移和传输时延问题,设计了一种基于DFT的联合定时同步与频偏估计方案。与现有同步方案不同,该方案只需要估计出一个关于传输时延和多普勒频移的联合偏移量。仿真结果表明,当多普勒频移和传输时延同时存在时,基于所提同步方案的Turbo-LoRa系统仍可以在极低信噪比下获得接近于理想情况的误码性能。（4）针对卫星物联网多用户传输中存在的极低信噪比、大多普勒频移和传输时延问题,尝试将LoRa技术应用到卫星物联网中,由此设计了基于不同扩频因子LoRa调制的多用户上行传输方案和基于Walsh-LoRa技术的多用户下行传输方案。同时利用所提的同步方案来消除每个用户上的多普勒频移和传输时延。仿真结果表明当多普勒频移和传输时延同时存在时,这两种多用户传输方案仍能够获得优异的误码性能,但会牺牲存储资源或增加复杂度。