信道估计的准确性对保障通信系统的可靠性具有重要意义。在水下通信、低空无人机通信和车联网等通信场景中,电磁波多普勒效应导致的无线信道时变特性和多径传输导致的信道频率选择性,一起构成了无线信道的双选特性。无线信道的双选特性对准确的信道估计造成了很大困难。传统信道估计方法如LS估计等,在双选信道下性能无法满足要求。但根据线性时变理论分析,双选信道在时延-多普勒域可以表示为稀疏信号。对于稀疏信号,压缩感知理论证明,通过少量的采样点,可以准确恢复出原始信号。本文研究了基于压缩感知理论的时变信道下信道估计方法。仿真结果表明,压缩感知信道估计在相同导频开销下,可以获得比LS估计更好的性能。在此基础上,本文进一步提出了改进压缩感知信道估计的方案以及降低复杂度的算法。本文论述了双选信道下信道估计方法研究的重要性,并对双选信道分析方法、信道估计方法、压缩感知理论以及压缩感知信道估计等领域的研究现状做了总结。其次,探讨了双选信道的物理特性,并使用线性时变系统对双选信道进行建模分析。分析了信道的双选特性对OFDM系统中基于导频的信道估计带来的影响。研究了压缩感知基本理论,包括稀疏表示,稀疏重建等问题,以及如何使用压缩感知进行信道估计。在此基础上,本文提出了三种改善压缩感知双选信道下信道估计的方法,包括时延方向和多普勒方向的过采样技术改善信道估计性能;提出新的导频设计方法以提高压缩感知信道的性能;将压缩感知与BEM相结合,分析了不同扩展基的适用场景。最后,分析了压缩感知信道估计的复杂度,并结合信道的先验信息,提出了两种降低压缩感知信道估计复杂度的方法。