中继协作通信技术可以显著提升通信网络的服务质量和覆盖范围,一直以来都是无线通信领域的研究热点。考虑到无人机（Unmanned aerial vehicles,UAVs）的机动性优势和良好的视距（Line of Sight,LoS）信道特点,将无人机作为移动中继可进一步提升网络的灵活性和覆盖性能。目前,针对无人机辅助的中继系统,学者们大多是从单向中继展开研究,双向中继的研究则是相对匮乏。考虑到双向中继技术可以有效缓解无线通信领域面临的频谱资源短缺的问题,本文针对基于物理层网格编码（Physical-layer Network Coding,PNC）的无人机双向中继系统展开了研究。此外,本文还关注到远距离用户通信和信息时效性等实际的通信需求,对无人机双向多跳中继系统展开了研究。围绕以上几点考虑,论文的研究内容可总结为以下两点:1.基于PNC的无人机双向中继系统设计。鉴于无人机的移动性优势和双向中继系统频谱效率高的特点,将无人机中继系统与双向中继系统相结合,对采用PNC的无人机双向中继系统进行研究。综合考虑无人机移动性约束、推进功耗约束和传输功率约束,对系统时隙资源和传输功率进行合理分配,并对无人机飞行轨迹优化设计。通过应用遗传算法（Genetic Algorithm,GA）解决时隙资源配对,引入松弛变量和连续凸近似（Successive Convex Approximation,SCA）技术实现传输功率分配和无人机轨迹优化。最后,给出一个交替迭代优化算法联合优化时隙配对、传输功率分配和无人机轨迹设计,实现了系统和速率最大化。在仿真结果中将所提出的设计与无人机单向中继系统、固定中继系统等基准设计进行对比分析。结果表明,本文提出的无人机双向中继系统具有很好的性能增益。2.无人机双向多跳中继系统设计。鉴于传统的无人机单向中继系统在处理远距离用户通信等实际的通信需求时,可能面临时效性低、能耗高等问题。因此,本论文提出无人机双向多跳中继系统,利用良好的空中信道条件,采用多无人机在空中进行信息交互以提升信息传输效率。此外,参考实际的通信场景,空中无人机与地面用户通信采用概率视距信道,无人机信息交互采用视距信道,同时综合考虑信息传输的因果约束。通过对时隙调度、功率分配和无人机轨迹设计进行迭代优化,最终找到问题的局部最优解。在仿真结果中,将提出的设计与经典的无人机单向双跳中继系统进行对比分析。从吞吐量、信息时效性和无人机推进能耗三个方面综合考虑,所提出的无人机双向多跳中继系统的综合性能优于无人机单向双跳中继系统。