平流层通信系统与地面通信系统相比覆盖面积广,与卫星通信相比自由空间损耗小、成本低,因此近年来得到了广泛的研究。在平流层平台上使用多输入多输出(MIMO)技术能够实现空分复用,提高频谱效率和信号传输速率。而信道模型作为一种有效的系统设计工具,能够精确地描述信号传播特性、评估系统性能。因此,建立准确的信道模型对于分析和设计平流层MIMO通信系统具有重要意义。本文主要研究了平流层MIMO系统信道传播特性和信道建模方法,提出了基于几何的随机信道模型,其中包括三维(3-D)平流层MIMO系统非平稳性信道模型和基于散射体动态特性的平流层MIMO系统信道模型。本文提出了一个接收端高速运动场景下的三维非平稳平流层MIMO宽带信道模型,其中接收端的的运动方向和速度时变。根据抽头时延模型,建立三维多圆柱体信道模型描述平流层宽带信道。模型分析了由于运动速度和发送端、散射体以及接收端之间的位置关系等时变参数导致的信道非平稳性。基于理论模型,本文分析了空-时-频相关性等信道统计特性。此外,本文提出了一个仿真模型以降低计算和仿真的复杂度并验证理论模型的有效性。最后,仿真结果表明该模型能够用于描述平流层MIMO系统的非平稳特性。此外,本文还提出了一个基于散射体动态特性的三维平流层MIMO信道模型,模型中既包含静止的散射体又包含运动的散射体。散射体的动态特性包括散射体的运动和动态演进现象两点。在该模型中,采用M步两状态马尔可夫过程描述散射体“出现”、“消失”以及“再次出现”的现象。通过使用Chapman-Kolmogorov(C-K)方程,计算出了状态转移概率的闭式解。基于所提出的信道模型,本章分析了信道的空时相关性,并给出了运动散射体空时相关性函数的闭式解。最后,通过仿真分析了散射体动态特性对信道产生的影响,通过与测量结果对比验证了模型的有效性。