近年来,由于宽带大容量信息传输、个人通信及军事保密/抗干扰通信等领域发展迅猛,现代无线通信对无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)协助的信息传输系统的需求也呈现爆发式增长的趋势;同时,通过观察统计国内外对无人机通信的研发投入,可以很明显的发现无人机频谱资源优化领域已经受到了国际电磁波频谱资源利用与优化相关研究学者的广泛关注。由此可见,当下研究无人机通信系统中的频谱资源利用与优化及其高效传输理论是非常重要的。本文针对无人机通信场景的特殊性,首先考虑基于自由空间损耗的空-地信道模型,在考虑频谱资源严重紧缺的现状下,根据不同的应用场景分别建模分析,其次利用凸优化(Convex Optimization)理论工具开展无人机通信系统的高效传输机制研究,研究点具体包括以下三个方面:(1)基于采集能量最大化的无人机信能同传系统设计:本文首先考虑一个基于功率分裂(Power Splitting,PS)技术的无人机多入多出(Multi Input Multi Output,MIMO)信能同传(Simultaneous Wireless Information And Power Transfer,SWIPT)系统;功率分裂技术即将接收到的信号分裂为信息译码(Information Decoding,ID)和能量采集(Energy Harvesting,EH)两部分。本节首先研究了满足系统最小传输速率约束和系统最大传输功率下的无人机采集能量最大化问题,旨在满足控制信号质量的前提条件下实现系统采集能量最大化。考虑到原问题具有较为特殊的结构特性,本文提出了一种基于Frank-Wolfe思想的收发机设计算法。仿真表明本文所设计方法在性能上能够接近最优性能;(2)基于控制信号QOS最大化的无人机临机控制系统设计:在基于无人机遥控信道的频谱资源接入与优化研究中,设计高效的迭代算法最终为地面控制站提供一个能实现较好频谱效率的多无人机频谱资源合理分配方法是本研究的重点。为了尽可能提升各路控制信号的传输质量(Quality of Service,QOS),本研究将性能指标设定为:令系统中UAV接收到控制信号的SINR值尽可能地大。因此,无人机遥控信道用频决策问题将采取Max-Min公平性指标作为该问题的优化目标;然后,通过引入频谱资源分配矩阵将原NP-hard问题转换为简洁清晰的易解优化问题,设计并提出两种新型、高效、且具有理论保障的无人机频谱资源接入与优化方法;同时,本研究点创新性的考虑了无人机通信临机决策(Proactive Decision)场景,具体表现为部分无人机因特殊原因占用特定信道;(3)基于速率最大化的无人机上行传输系统设计:在无人机上行传输系统中,无人机群在得到观测数据后,通过上行链路将观测数据传输至基站。本研究针对基于无人机遥测信道复杂的频效优化问题,在上行链路采用正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)对观测数据进行多载波调制,实现频谱资源的高效利用。由于OFDM中子载波互相正交,因此理论上对不同的无人机使用不同的子载波群对观测数据进行传输可以实现不同子载波信道传输零干扰。然而在实际中由于子载波的总数量常常有限,因此不同无人机有可能会共用某一子载波而造成同信道干扰。为解决以上问题,本研究以接收信号的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)为度量标准,通过最小化无人机共用的子载波数减少其他无人机对目标无人机的干扰,从而达到无人机群信息总传输速率最大的目的。