随着自由空间光（Free Space Optical,FSO）通信和无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）技术的蓬勃发展,基于UAV的FSO通信受到人们的广泛关注。将UAV技术应用在FSO通信领域,不仅可以弥补现有移动通信网络中偏远地区网络覆盖率不足的问题,更可以在需要紧急通信或临时需要大容量的区域实现网络的快速部署,减轻地面通信设施的压力,增强现有移动通信网络的鲁棒性。因此,将UAV技术和FSO通信相融合,构建更为灵活的通信网络将会是未来无线光通信最具发展前景的方向之一,并将带来不可估量的价值。本文以基于UAV的FSO通信为研究对象,采用理论分析与仿真验证相结合的研究方法,针对提出的三个通信系统模型进行性能分析和优化。论文的主要工作总结如下:首先,对基于UAV的FSO通信信道进行了建模和统计特性分析。FSO通信以光为载体,因此研究大气信道对光束的影响是十分重要的。通过讨论大气衰减、大气湍流、指向误差和到达角抖动四种因素,建立了信道模型,然后推导出了总体信道增益的概率密度函数闭合表达式,为后文的研究提供理论支持。其次,对基于UAV中继的多源FSO通信系统进行了性能分析和优化。针对提出的多源双跳系统模型,推导出了系统中断概率及其渐近中断概率的闭合表达式,发现渐近中断性能仅与源节点数目、视场角和方向偏差标准差有关。此外,提出了一个迭代优化算法,在考虑系统成本的基础上对源节点数目和UAV位置这两个参数进行联合优化,进一步提升了系统整体性能。接着,对基于并行UAV中继的FSO通信系统进行了性能分析。针对提出的并行中继系统模型,推导出了系统中断概率和平均误码率的闭合表达式,并推导出了渐近中断概率和渐近平均误码率的闭合表达式。通过分析发现,系统的渐近中断性能仅与中继节点数目、视场角和方向偏差标准差有关,渐近误码性能仅与视场角和方向偏差标准差有关。最后,对基于UAV的FSO通信系统的保密性能进行了分析。针对提出的存在窃听UAV的系统模型,推导出了系统保密中断概率下界和严格正保密容量概率的闭合表达式。通过分析发现,系统保密中断概率下界和严格正保密容量概率都和信号平均发送光功率无关。此外,当视场角足够大时,系统保密中断概率下界趋近于其渐近界。