低轨卫星具有覆盖面积广,信号衰减小、时延短等优点,将它与5G相互融合,共同构成覆盖全球的通信网络,是未来通信发展的重要方向。本文在搭建的5G低轨卫星移动通信系统基础上研究了上行链路信道估计方法以及适用于卫星系统的随机接入过程。由于5G低轨卫星导频利用频分复用和码分复用相结合的排布方式,导致信道估计没有求出完整信道信息,同时由于卫星的快速移动使得通信系统随机接入存在长延时和上行定时快速变化问题。本文针对上述问题开展工作取得如下成果。首先,研究了低轨卫星通信的信道估计算法。在低轨卫星系统模型下,针对5G协议当中不同天线端口的导频信号使用频分复用和码分复用两种方式相结合,对于使用相同时频的导频信号,使用码分复用区分,对于不同时频的信号,利用频分复用区分。在利用最小二乘估计方法、最小均方误差估计方法进行信道估计时并没有使用完整的信道信息,因此提出一个分组插值的方法,用来提高信道估计的精度,最终利用此方法改进的最小二乘估计和最小均方误差估计性能都有了提高,在此基础上的变换域信道估计方法既降低了计算复杂度又能保证信道估计的精确度。接着,研究了低轨卫星通信的压缩感知信道估计方法。由于利用传统奈奎斯特采样方法得到的信号包含冗余信息,不利于在系统中进行压缩传输,又因为较少的脉冲响应拥有信道的大部分能量,这样的卫星信道具有稀疏性,可以利用压缩感知算法进行信道估计研究。首先介绍了压缩感知的三个主体内容:信号稀疏化、观测矩阵的建立和信号重构。接着利用不同贪婪迭代算法进行信号重构的研究。仿真结果表明,压缩感知方法在使用更少导频信号的同时,能够获得比最小二乘估计方法更精确的估计响应。最后,对低轨卫星的随机接入过程进行研究。由于卫星的快速移动导致整个通信系统会出现长延时和上行定时快速变化两大问题,从而导致现有地面移动通信系统无法在卫星系统中直接使用。本文利用极性扩展提出了一个适用于卫星系统的随机接入序列,解决了系统的长延时问题。接着又利用提出的下行同步跟踪解决了上行定时快速变化问题。最终仿真表明,改进方法保证了随机接入过程的有效实现。