无人机(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)辅助无线通信具有响应快速、机动灵活、成本低、可按需部署和可建立强视距链路等优点,使得其特别适合于应急通信场景或者持续时间有限的通信场景。快速部署UAV基站/中继/接入点等可极大地增强地面基站的覆盖性能、扩大地面基站覆盖范围和改善地面用户的连接性,对国家开发利用邻近空间资源和建设空天地一体化通信网络具有重要的战略意义。本文针对UAV辅助无线覆盖增强场景,充分挖掘固定翼和旋翼UAV的特性,深入研究了UAV大范围移动多播覆盖、能量有效的固定翼UAV多天线半双工移动中继、存在信道估计误差的旋翼UAV多天线半双工静态中继的最优高度分析和固定翼UAV多天线全双工移动中继波束成形和功率分配联合优化,通过联合设计UAV轨迹、资源分配和多天线波束成形等实现了覆盖性能的改善及优化。首先,在UAV未知地面用户位置信息的情况下,充分利用固定翼和旋翼UAV的特性,分别研究了矩形区域固定翼UAV和凸多边形区域旋翼UAV移动多播覆盖的路径规划问题,通过联合优化UAV飞行高度、UAV天线波束宽度和飞行速度分别实现了任务完成时间和UAV能量消耗的最小化。针对矩形区域固定翼UAV移动多播覆盖场景,根据固定翼UAV需保持向前飞行以维持滞空的特性,提出了一种飞行—通信协议。针对凸多边形区域旋翼UAV移动多播覆盖场景,根据旋翼UAV可以在空中悬停的特性,采用飞行—悬停—通信协议,提出了一种实用的便于实现的凸多边形区域多播覆盖路径规划算法。仿真结果表明:对于矩形区域固定翼UAV移动多播场景,任务完成时间最小化的最优飞行高度总为最大允许飞行高度,而UAV能量消耗最小化的最优飞行高度可通过数值计算获得。相对地,对于凸多边形区域旋翼UAV移动多播场景,任务完成时间最小化和UAV能量消耗最小化的最优飞行高度皆为最大允许飞行高度。这些结论可为实际UAV多播覆盖系统的设计和运行提供基本的设计指导。其次,研究了固定翼UAV多天线半双工解码转发(DF,Decode-and-Forward)移动中继系统的能量效率最大化问题,通过波束成形、基于信道统计状态信息的功率分配、圆周飞行半径和飞行速度的联合优化实现了能量效率的最大化。根据推导的遍历平均能量效率表达式,发现能量效率的分母仅与圆周飞行半径和飞行速度有关,而与波束成形矢量和功率分配无关。因此,将原始优化问题分解为两个子问题,即波束成形和功率分配优化子问题以及圆周飞行半径和飞行速度优化子问题。针对波束成形和功率分配优化子问题,最优发射波束成形矢量为最大比传输,最优接收波束成形矢量为最大比合并。根据获得的波束成形矢量,利用信道统计状态信息进行功率分配,得到了源节点和中继节点的发射功率。针对圆周飞行半径和飞行速度优化子问题,根据获得的波束成形矢量和功率分配结果,推导了能量效率的准闭式表达式。基于该准闭式能量效率表达式,发现最优飞行速度仅和能量效率的分母有关。因此通过对分母求导并使其等于零求解,得到了仅和圆周飞行半径有关的最优飞行速度,而最优圆周飞行半径可通过数值求解方法得到。仿真结果表明:提出的联合优化设计极大的改善了能量效率,其中最优飞行速度随着UAV天线数目的增加而非线性增长,而最优能量效率与UAV天线数目呈近似线性递增关系。随后,针对旋翼UAV多天线半双工DF静态中继系统,在完美CSI情况和存在信道估计误差情况下,分别分析了最小化中断概率、最小化发射功率和最大化覆盖范围三种策略的最优悬停高度。提出了一种通用的多天线空地信道分析框架,将多天线空地信道的每个元素的莱斯因子和路径损耗指数都建模为俯仰角的函数,根据该多天线空地信道分析框架,推导了端到端中断概率。为分析以上三种策略的最优悬停高度,提出了一种高准确度的广义Marcum Q函数关于其第二个参数的逆函数的近似。在该广义Marcum Q函数的近似逆函数的帮助下,分别分析了完美CSI情况和存在信道估计误差情况下以上三种策略的最优悬停高度,发现三种策略的最优悬停高度都可转换为关于俯仰角的隐函数的数值求解。仿真结果表明:三种策略的最优飞行高度都随着UAV天线数目的增加而降低,随着信道估计误差的增大而增加。特别的是,针对最大化中继覆盖范围策略,完美CSI情况和存在信道估计误差情况的最优俯仰角都随着UAV天线数目的增加分别趋向于一个常数。以上结论可极大的降低实际UAV静态中继部署的难度。最后,在服从最大发射功率限制和总的发射功率限制的情况下,研究了固定翼UAV多天线全双工DF移动中继系统,通过波束成形和基于瞬时CSI的功率分配的联合优化改善了端到端性能。提出了一种块梯度下降算法交替迭代优化波束成形矢量和功率分配结果,其中最优波束成形可利用半定松弛技术和二项搜索获得。此外,考虑到最优波束成形方法的计算复杂度,提出了两种次优线性波束成形方法。分别推导了两种次优波束成形方法在均匀功率分配策略和最优功率分配策略下的闭式形式的累计分布函数和中断概率,推导了中断概率的高信噪比近似。仿真结果表明:波束成形和功率分配的联合优化可有效增强UAV全双工移动中继系统的端到端性能,如吞吐量和中断概率。此外,采用圆周飞行轨迹的固定翼UAV移动中继比旋翼UAV静态中继更加能量有效。