保持稳定的信号覆盖是实现可靠无线通信的必要前提。然而,障碍物阻隔、传输距离增加等因素将会严重影响无线信号的覆盖范围。协作通信是解决上述问题的有效手段。鉴于当前相关研究大多基于固定的中继协作(即:中继节点不能移动),其受限的信号覆盖能力远远不能满足未来移动通信场景灵活信号的覆盖需求,本论文将利用无人机作为中继来实现对中继信号覆盖的显著增强。目前,业界对无人机辅助的协作通信技术进行了广泛探索,并在信道建模、资源管理等方面取得了多项进展。尽管如此,相关研究仍有许多瓶颈问题亟待解决,包括系统容量优化与表征、通信中断概率的下降以及能量消耗降低等。为实现高效、稳定和低功耗的无人机辅助协作通信,本论文从无人机的飞行轨迹规划、双工(半双工/全双工)模式选择和多跳无人机中继协作传输策略三个方面进行研究,所取得的成果如下:(1)在接收端位置未知的场景下,研究单无人机中继的飞行轨迹规划问题。首先,根据某些已有的接收端的位置信息与道路分布等情况,通过模拟无人机飞行的运动学规律,对未知接收端的位置进行预测。在此基础上,基于空—地信道提出一种新的无人机中继飞行轨迹规划方法。接下来,基于功率效率最优化原则,采用发射功率自适应控制的方式来适配无人机中继的飞行轨迹。研究结果表明,所提出的算法能够节省21.1%的发射功率。(2)充分考虑全双工(Full-Duplex,FD)与半双工(Half-Duplex,HD)这两种模式在无人机中继中的应用,针对单个无人机中继的双工模式选择策略进行了研究。由于自干扰(Self-Interference,SI)的存在,全双工模式的系统容量有可能低于传统半双工模式。在本论文中,我们基于放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和解码转发(Decode-and-Forward,DF)这两种传输协议,推导出了无人机中继的双工模式切换条件。首先,通过比较无人机中继在不同空间位置上由双工模式所引发的系统容量差异,推导出双工模式切换的剩余自干扰(Residual Self-Interference,RSI)门限。在此基础上,计算出实现系统容量最大化所需的无人机发射功率,并推导出功率自适应控制条件下的RSI门限。分析结果表明,所提出的基于RSI门限的双工模式切换方法能够显著提高系统容量,并节省13.7%的发射功率。(3)在多跳无人机中继场景下,针对混合双工模式传输策略进行研究。首先,在多跳无人机中继协作场景下,研究无人机中继个数、不同双工模式组合等因素对系统中断概率的影响。在此基础上,我们以最小化中断概率为目标,对无人机发射功率进行自适应控制。接下来,通过考虑无人机中继个数、双工模式组合等因素对多跳无人机系统性能的影响,推导出无人机中继位置变化场景下的中断概率和所需的发射功率。分析结果表明,采用基于功率自适应控制的混合双工模式传输策略能够降低50%左右的中断概率。