高空平台通信系统（High Attitude Platform Communication Systme, HAPCS）具有覆盖范围广、通信容量大、组网灵活等特点，可以为地面用户提供3G/4G移动通信或无线宽带接入等业务，能够有效解决林区现有网络覆盖能力差、通信容量小、网络性能低和业务单一等问题。然而林区通信环境复杂，上行链路信道多径衰落和遮蔽效应明显，严重影响了林区通信性能。为了有效对抗阴影和衰落现象的影响，本文将协同中继技术应用于高空平台通信系统，利用地面中继与高空平台综合组网来改善高空平台林区通信性能，主要研究内容包括：首先，分析了林区通信现状，指出目前林区通信存在的问题。针对武警森林部队林区灭火作战特点，对林区通信需求进行了分析与预测。结果表明，林区现有网络已经不能适应信息化条件下武警森林部队灭火作战通信保障需求，有必要利用高空平台和协同中继等先进通信技术建设和完善林区通信网络。其次，在分析高空平台覆盖能力和信道特性的基础上，针对林区通信环境下用户易受高山阻挡、树木遮蔽等特点，提出了应用地面中继与高空平台综合组网的思想，在此基础上设计了高空平台与地面综合组网方案，明确了高空平台与地面综合组网的系统构成、频谱规划和小区划分。第三，结合武警森林部队林区灭火作战应用场景，针对高空平台与地面综合组网用户上行链路建立了两种协同传输模型。并根据高空平台不同覆盖区域信道条件不同的特点，对比分析了不同仰角区域下放大转发（Amplify-and-Forward,AF）、有CRC校验解码转发（Decode-and-Forward, DF）和无CRC校验解码转发三种协同传输模式的误码性能。结果表明，协同中继传输能明显改善高空平台中低仰角区域信息传输可靠性，且DF（有CRC校验）模式可获得的分集增益最大。第四，分析和估算了高空平台与地面综合组网的用户容量。以降低用户间干扰来提高用户容量为切入点，提出了高空平台小区边缘设置地面基站的综合组网设计，并提出了高空平台与地面基站分区域服务思想，在此基础上建立了系统模型，进行了干扰分析和容量计算。结果表明，高空平台小区边缘利用地面基站服务降低了用户间干扰，相比单纯高空平台通信系统用户容量可提高78.4%，系统用户容量提升明显。最后，在林区通信需求分析的基础上设计了高空平台综合组网效能评估体系，以协同中继传输关键技术研究和容量分析得到的定性与定量指标为参考，利用层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）对本文所设计的基于高空平台的综合组网效能进行了评估与分析。结果表明，高空平台综合组网效能明显优于现有林区超短波组网效能，能够较好地满足林区灭火通信需求。