随着全球宽带移动通信的飞速发展,构建覆盖全球的高速宽带网络具有重要的意义。地面长期演进(Long Term Evolution,LTE)技术已经发展成熟,能够为用户提供高速宽带网络服务,但是在部分偏远地区还没有部署LTE网络;卫星通信系统可以实现全球覆盖,但是目前大部分卫星通信系统是窄带通信系统,数据传输速率较低。因此,将LTE技术与卫星通信的优势进行结合具有重要意义。但是,卫星通信存在较长的传输时延、较大的多普勒频移、高动态、功率放大器的非线性失真等问题,给LTE应用于卫星通信带来了挑战。例如,长传输时延导致相关信息的更新滞后,影响相关流程的时效性;传统的频率同步算法无法对低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星环境下大的多普勒频移做出有效估计。这些问题对卫星LTE移动通信系统上行链路带来的影响是不可避免的,因此,研究卫星LTE移动通信系统上行链路关键技术具有重要意义。本文主要对卫星LTE移动通信系统上行链路中的随机接入技术、频率同步技术进行了深入研究。首先,本文介绍了LTE应用于卫星通信存在的问题以及发展现状,分析了卫星LTE移动通信系统中随机接入技术和频率同步技术的国内外研究现状。其次,建立了卫星信道模型,分析了LTE上行链路传输模型。再次,介绍了LTE随机接入过程,以及LTE随机接入前导序列的传统检测方法;针对对地静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星环境下多用户发起随机接入时存在的多址干扰问题,提出了一种基于串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)的卫星LTE随机接入前导检测算法,该算法相对于传统检测算法,降低了漏检概率,提高了卫星随机接入一次成功率。然后,针对多普勒频移对随机接入前导相关检测的峰值大小、位置等产生的影响,利用这些峰值信息,本文提出了一种频偏粗估计算法,可以实现地面终端初始接入卫星时的频偏粗估计。最后,针对LEO卫星存在的大的多普勒频移的问题,本文提出了一种基于多普勒特征的最大后验概率估计算法,该算法适用于卫星LTE上行链路,并且具有多普勒频移估计范围大、估计精度高等优点。