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近年来,随着无线通信技术的飞速发展,无线通信大业务量、高速率和高频谱效率的要求日益迫切,频谱资源已变得日益紧缺。平流层通信因其覆盖范围广、配置灵活、传输质量高等优势,被考虑为一种新兴的替代技术,已引起工业界和学术界的广泛关注。在不增加发射功率和发送带宽的情况下,多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术通过利用空间复用可以提高用户的频谱效率和数据传输速率。作为一种新兴的技术,面临的挑战是研究MIMO技术在平流层高空平台（High Altitude Platform,HAP）通信系统中的应用。三维（Three-Dimensional,3-D）HAP-MIMO信道建模是平流层通信系统关键技术研究的基础工作。准确的信道模型可以为平流层通信系统的性能分析及预编码算法设计提供依据。现有的3-D HAP-MIMO信道模型是由传统的车辆-车辆（Vehicle-to-Vehicle）信道模型扩展而来,它们忽略了收发端和散射体运动对HAP-MIMO信道统计特性的影响。在现有3-D HAP-MIMO信道模型的基础上,已有文献利用相关性矩阵设计无人机大规模MIMO通信系统的双层预编码方案,该方案需要对相关性矩阵执行两次奇异值分解,由于相关性矩阵维度较高,该方案导致了较高的算法复杂度。根据不同的信号传播特性,本文建立了基于不同时变参数的3-D HAP-MIMO信道模型。在所提信道模型基础上,进一步探索基于统计本征模式的用户分组和双层预编码方案。本文主要贡献如下:1.基于散射分量动态演进的3-D HAP-MIMO信道模型考虑了经远端散射体散射的多径分量（Multipath Components,MPCs）具有“消失”和再次“出现”的动态特性,提出了一种基于散射分量动态演进的3-D宽带HAP-MIMO信道模型和仿真模型。首先,采用两状态离散时间的马尔科夫链（Discrete-Time Markov Chain,DTMC）描述散射分量“消失”和“出现”的动态特性,并采用切普曼-柯尔莫哥洛夫（Chapman-Kolmogorov,C-K）方程得到散射分量的生存概率和死亡概率。其次,为了降低求解生存和死亡概率的算法复杂度,采用特征值分解算法替代C-K方程的多次迭代过程,算法复杂度得到了有效的降低。2.基于直射分量动态演进的3-D HAP-MIMO信道模型考虑了直射分量具有“消失”和再次“出现”的动态特性,本文提出了一种基于直射分量动态演进的3-D HAP-MIMO信道模型。首先,采用两状态连续时间的马尔科夫链（Continuous-Time Markov Chain,CTMC）模拟直射分量“消失”和“出现”的动态特性,并采用C-K方程得到了生存和死亡概率的闭式表达式。其次,采用直射分量空间相关性函数的测量数据验证了所提出的3-D HAP-MIMO信道模型可以精确的描述HAP-MIMO信道直射分量“消失”和“出现”的动态特性。3.基于各向同性和各向异性散射的3-D HAP-MIMO信道模型城市环境下建筑物、行人和车辆等散射体比较丰富,提出了一种基于各向同性散射和各向异性散射的3-D HAP-MIMO信道模型。首先,分别采用内层圆柱体的体积和介于内层圆柱体和外层圆柱体之间的体积描述城市环境下各向同性和各向异性的散射环境。其次,采用时变参数,如接收端和散射体之间的时变距离、时变离开方位角和时变离开仰角,描述3-D HAP-MIMO信道的统计特性,并采用Laplacian概率密度函数（Probability Density Function,PDF）描述散射体仰角的分布情况。最后,采用空间相关性函数的测量数据验证所提出的3-D HAP-MIMO信道模型,数值结果也说明了所提出的模型可以描述HAP-MIMO信道的统计特性。4.非平稳的3-D宽带HAP-MIMO信道模型本文提出了一种非平稳的3-D HAP-MIMO信道模型和相对应的仿真模型。首先,分别采用二维（Two Dimensional,2-D）单环和3-D多圆柱体描述接收端周围运动的散射体和静止的散射体,该模型假定散射体的方位角和仰角相互依赖,并采用von Mises Fisher PDF联合考虑散射体方位角和仰角的分布情况。其次,该模型假定经过近端运动散射体和静止散射体散射的MPCs总是可见,经过远端静止散射体散射的MPCs具有“消失”和再次“出现”的动态特性,采用两状态CTMC描述这一动态特性,并利用C-K方程得到MPCs生存和死亡概率的闭式表达式,本文并采用测量数据验证了MPCs“消失”和再次“出现”的动态特性。再次,采用长距离和小规模时变参数描述3-D HAP-MIMO信道的非平稳特性。最后,采用空间相关性函数和相关性矩阵距离的测量数据验证所提出的非平稳的3-D HAP-MIMO信道模型。数值结果表明了所提出了3-D HAP-MIMO信道模型可以描述HAP-MIMO信道的非平稳特性。5.基于统计信道状态信息下的用户分组方案和双层预编码方案在本文中,我们将所提出的信道模型应用到HAP大规模MIMO通信系统中,研究了基于统计本征模式（Statistical Eigenmode,SE）的用户分组方案和双层预编码方案。在所提出的预编码方案中,本文首先探索到信号的功率主要集中在信道的SE上,其次,采用SE设计用户分组方案和外层预编码方案。在多用户分组方案中,本文采用同一组内用户SE间的平均弦距离设计用户分组方案。本文算法避免了奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）,算法复杂度得到了显著的降低。外层预编码方案采用降低维度的SE取代统计相关性矩阵,算法复杂度也得到了明显的降低。在外层预编码方案的基础上,本文可以得到降低维度的实时的信道状态信息,并采用规则化破零（Regularized Zero Forcing,RZF）设计内层预编码方案。当天线阵列为16×16时,本文所提出的双层预编码方案和基于相关性矩阵的预编码方案的性能吻合,说明了本文预编码方案可以有效的探索HAP大规模MIMO通信系统。