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无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）具有体积小、低伤亡、效费比高、部署便捷等优点,作为实现无人化、网络化、信息化、智能化的有效手段受到越来越多国家的青睐。集群无人机系统是指融合智慧感知、自主决策和协同控制于一体的若干架无人机构成的系统。多个任务执行单元通过分工协作,集群无人机可以迅速准确地执行路径规划、协同侦察、协同感知和中继网络服务等复杂任务,从而提升系统性能。以集群无人机为载体的空中中继可以在三维空间的任何位置灵活机动地部署以提升覆盖范围和接入用户数量,集群无人机和地面站形成的虚拟多输入多输出（Multiple In Multiple Out,MIMO）链路,可以利用空间多路复用技术提高链路通信容量。集群无人机和地面站之间的空地链路通常由视距（Line of Sight,LoS）传播主导,而且地面天线阵列通常尺寸有限,这些因素会导致高度相关的低秩信道,从而限制系统容量的提升。当海量的地面设备同时接入集群无人机网络,过大的接入数量与有限的无线网络资源之间的矛盾使得地面用户需要竞争接入,从而造成接入碰撞和网络拥塞。稀疏码分多址（Sparse Code Multiple Access,SCMA）允许多个用户共享相同的资源,从而提高系统的用户接入数量。但是传统的SCMA码本都是基于母码本（Mother Codebook,MC）设计,这导致所有用户的通信速率都相同。虽然这在一定程度上简化码本的设计过程,但是却难以满足多样化应用需求,浪费时频资源,降低系统通信容量。此外,共享资源的终端相互干扰,降低系统的误码率（Bit Error Rate,BER）性能和通信容量。本文针对上述问题,从集群无人机位置优化和SCMA码本设计对集群无人机空地链路通信容量的提升进行研究。（1）针对集群无人机和地面站空地链路形成的低秩和低容量信道,通过优化集群无人机的部署位置来提升通信容量。在集群无人机和地面站组成的虚拟MIMO的场景中,本文用信道矩阵的条件数（Condition Number,CN）和内积（Inner Product,InP）来度量系统的通信容量。首先推导集群无人机的位置约束方程,使用粒子群优化（Particle Swarm Optimization,PSO）算法优化集群无人机的部署位置来最小化信道矩阵的条件数;然后推导信道矩阵的内积表达式,进而推导信道矩阵的内积关于每个无人机位置的梯度,通过使用梯度下降（Gradient Descent,GD）算法来迭代优化每个无人机的部署位置;最后提出PSO-GD算法快速地优化集群无人机的部署位置。仿真表明三种算法都能够降低信道矩阵的条件数和内积,而且PSO-GD算法可以在更少的迭代次数下收敛到更小的条件数和内积。（2）针对传统SCMA系统中用户通信速率都相等的问题,提出分割扩展母码本（Divide Extended Mother Codebook,DEMC）的方法来设计 SCMA 码本。首先根据黄金角度调制（Golden Angle Modulation,GAM）和系统参数设计扩展母码本,其中包含所有用户使用的多维码字,并在码本内不同维度上的符号间构建功率和相位相关性;然后通过将扩展母码本分割为几个调制阶数相同的母码本来设计固定速率码本;接着将扩展母码本分割为几个调制阶数不相同的母码本来设计变速率码本。仿真表明,本文设计的固定速率码本和已有码本的误码率性能接近;与固定速率码本相比,设计的变速率码本中不同调制阶数码本的BER性能变化不大。用户可以在不增加发送信号功率和带宽的情况下,通过申请高阶码本实现高速率信息传输,从而灵活的满足不同数据传输速率应用的需求。（3）针对传统SCMA系统中用户间干扰严重,导致系统BER性能不理想的问题,提出分解叠加星座图（Decompose Superimposed Constellation,DCSC）的方法来减小用户间干扰,从而提高SCMA码本的BER性能。首先证明每个资源上用户星座图（User Constellation,UC）的和功率是由叠加星座图（Superimposed Constellation,SC）的功率决定的,因此可以通过控制叠加星座图的功率来控制用户星座图的功率,从而提升用户功率效率;然后提出一种简单的方法将一个均匀分布的大规模正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）星座图分解为若干个小规模均匀分布的QAM星座图,确保叠加星座图具有较大的最小欧式距离（Maximum Euclidean Distance,MED）,从而抑制用户间干扰;接着通过重新配对码本内不同维度上的符号来最大化码字间的MED来增加抗干扰和抑制信道衰落能力;最后在码字不同维度的符号间构建线性相关性,把SCMA通信系统转化为MIMO通信系统,并提出MMSE-SIC算法来解调用户信号。由于同一资源上的用户星座图间具有明显的功率分集,因此可以使用串行干扰消除（Successive Interference Cancel,SIC）来解调用户信号。仿真表明由于用户间干扰的降低,本文提出码本的BER性能比传统码本的BER性能更好。