随着飞行自组织网络、短时突发通信、卫星通信等理论的进步和发展,广域捷变场景下节点间的通信日益受到关注。在此场景下,节点间载波同步的性能决定了系统的解调和译码准确率。然而,广域捷变场景下载波同步技术的实现面临信噪比低、载波频偏大、数据帧长度较短的挑战。本文对在低信噪比情况下,设计载波同步算法利用较小的导频开销提高频偏估计的范围和精度进行了深入研究,提出了面向此场景的频偏估计算法。本文的创新如下:针对现有频偏估计算法难以同时保证估计范围和估计精度的问题,本文提出了一种基于快速傅里叶变换的高精度大频偏估计算法。该算法首先进行基于快速傅里叶变换的频域载波频偏粗估计,实现了对大载波频偏的估计要求。随后进行基于插值的载波频偏细估计,进一步提高载波频偏估计的精度。由于在进行细估计时对信号进行了补零操作,等效于降低了噪声的影响,因此算法在低信噪比的情况下表现较好。仿真结果表明,该算法与现有的基于插值的载波频偏细估计算法相比,估计精度和信噪比门限性能均有显著提高。针对短时突发通信系统中数据帧长度有限的挑战,论文提出了一种联合数据辅助和非数据辅助的两步载波频偏估计算法。第一步,基于通用数据帧结构,同时利用导频序列和数据序列进行基于最大似然理论的频偏估计,在有限的数据帧长度下提高了频偏估计精度,降低了信噪比门限。在对载波信号进行频偏补偿之后,在第二步中采用改进的时域估计算法对剩余频偏进行精确估计,进一步提升总体算法性能。仿真结果表明,该算法比仅使用数据辅助算法或非数据辅助算法的估计精度更高,且导频开销更小,提高了数据帧的利用率,适合在短时突发通信系统中使用。本论文为广域捷变场景下的节点载波同步研究工作奠定了理论基础,同时也为载波频偏估计提供了技术保障。