近年来,随着平流层通信技术的发展,空地一体化通信的实现逐渐变得可能。平流层通信是指利用高空平台(High-altitude platforms,HAPs)搭载基站进行通信的一种方式,其覆盖范围更广,且具备比地面通信更好的信道环境,是未来无线通信的发展方向之一。平流层通信既可以为地面区域提供无线网络覆盖,又可以解决空中用户的通信问题,且受自然或人为灾害的影响较小,在应急通信方面得到了广泛的应用。在未来,若能实现平流层通信与地面通信体制兼容,则可通过HAPs与地面基站联合组网,构建空地一体化网络,实现三维立体空间的无缝网络覆盖。本文首先对平流层通信系统的性能进行研究,针对HAPs部署海拔高、覆盖范围广的特点,在HAPs部署多波束天线进行定向覆盖,并对多波束天线的频率复用及天线增益进行了分析。考虑到HAPs多径信道以直射径为主,本文用莱斯信道建模平流层通信系统中的空-空、空-地多径时变信道,并给出莱斯因子的两种估算方法;为了便于分析,本文针对HAPs的覆盖特点给出了不同仰角下莱斯因子的取值。由于莱斯信道的复杂度较高,因此采取一种广义瑞利信道模型对其进行拟合。然后,本文针对HAPs覆盖下移动用户的多普勒频偏,基于正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple,OFDM)与直射径进行频偏估计,分析平流层通信中移动用户的最大多普勒频偏以及平均多普勒频偏,及其对用户信噪比的影响。最后,本文基于信噪比研究莱斯信道与拟合莱斯信道下固定用户与移动用户的服务中断概率,并对其进行了仿真分析。在平流层通信的研究基础上,本文研究基于随机几何理论的HAPs与地面基站的联合组网方案。首先引入空间泊松点过程(Poisson Point Process,PPP),构建空地一体化分层异构网络,并对双层异构网络覆盖下,地面用户的网络切换概率进行了研究。然后考虑空中基站多波束天线的频谱复用率,对空地一体化异构网络的干扰环境进行分析,包括同层干扰与跨层干扰。由于通信网络能耗日益增大以及HAPs的供电困难等问题,本文引入网络能效的概念,综合考虑空中网络用户的多普勒频偏,以及地面网络用户的多层干扰,推导得到空中用户与地面用户的中断概率,进而得到其传输速率。最后根据基站与用户的PPP分布密度,分别得到空中网络与地面网络的能量效率表达式,对网络能效与基站密度的相关关系进行分析,并仿真验证。