除了典型的地面移动通信和卫星通信之外，高空平台是另一种新的无线通信系统组成方式。它具有覆盖范围大、传播延迟低、宽频带容量的特征，这些特征使得高空平台非常适合为移动终端提供通信服务。目前，关于高空平台的研究尚处于起步阶段，有很多问题亟待解决。本文以高空平台为中国高速铁路提供通信服务为背景，分析多输入多输出(Multi Input Multi Output, MIMO)技术在高空平台的适用性和可行性，推动高空平台通信技术在我国的发展。具体包括以下三个方面：首先，设计了高空平台极化MIMO的信道模型，该模型重点考虑了去极化、信道相关性和信道传播状态等多种因素的影响。并将射线追踪法与经验主义的统计建模方法相结合，最终通过仿真得到了接收信号序列和其概率分布函数图，同时分析了交叉极化鉴别度(Cross Polarization Discrimination)、仰角和不同环境对信道容量的影响。其次，本文基于高空平台通信系统提出了一种低复杂度的信号检测算法，并采用多种技术有效地降低其计算复杂度。在这些技术中，我们着重描述了一种能有效降低矩阵求逆运算次数的新方法。该算法在计算所有的MT个最小均方差误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)滤波矢量中只需一次矩阵求逆运算即可。该算法非常适合在载荷和功率受限的高空平台硬件系统中实现。最后，本文设计了高空平台极化MIMO的传输体制，包括基于软输入软输出最小均方误差并行干扰消除(Soft Input Soft Output Minimum Mean SquareError Parallel Interference Cancellation, SISO MMSE PIC)迭代算法的传输体制和基于空时分组码(Space Time Block Code, STBC)的传输体制，并仿真得到了系统误码率。在STBC极化MIMO传输体制中，并分析了不同状态和不同仰角的信道条件下对系统误码率的仿真结果。