低轨卫星通信系统可以实现全球无缝覆盖,解决地面通信网的盲区覆盖问题或稀有用户密度区域的基本通信问题,同时在出现自然灾害或热点地区,作为地面通信网的备份和补充。以蜂窝技术为起点,地面移动通信近年来得到了快速的发展,为实现更高的数据通信速率,3GPP提出OFDMA技术和MIMO技术,经过多年研究最终提出了LTE通信协议。近几年来LTE应用技术的快速发展,将LTE技术应用于低轨卫星的通信系统成为了一个全新的研究热点。本文研究了LTE协议在低轨卫星场景中的应用,分析卫星信道的特点,提出了低轨卫星信道模型,采用LTE通信协议中的关键技术搭建并改进适应低轨卫星的上行链路系统。同时本文的仿真分析大都基于该卫星上行链路系统。本论文首先分析研究了LTE上行随机接入与同步的过程,分析并提出了LTE标准应用于低轨卫星场景会产生的问题。设计新的前导序列结构以适应长时延的低轨卫星环境,并仿真验证在卫星链路中新前导序列结构的检测性能。针对LTE系统应用到低轨卫星上时由于大多普勒频移带来的频率不同步问题,本文分析研究了频率偏移的估计算法,并根据低轨卫星的应用场景对整数频偏的估计算法加以改进,并进行仿真验证其估计性能。最后分析研究传统的地面LTE系统中的定时提前量TA问题,提出了适应于低轨卫星大时延场景下的定时提前量策略。同时针对卫星链路下发射端与接收端存在定时误差的问题,采用现有的定时偏移估计算法进行补偿,并对现有的时偏估计算法进行改进,通过仿真验证算法的估计性能,实现了低轨卫星定时偏移的估计与补偿,提升了链路系统的通信性能。