随着万物互联时代的来临,海量机器设备和移动通信设备的发展和部署,未来通信数据将呈现大规模,高速增长趋势,如何应对未来的通信拥堵,通信安全等问题是极具价值的研究方向。无人机辅助无线通信是目前通信领域比较前沿的研究方向,是5G移动网络中不可或缺的潜在技术。无人机辅助无线通信技术在实际应用中依存在着诸多问题和挑战,其中续航问题就是一个急需解决的重要问题。同时,由于当前设备通信对数据传输的高性能要求和频谱资源短缺的问题日益严重,而设备到设备（Device-to-Device,D2D）通信技术已被公认为是提高无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）辅助网络回程效率的有效方法,但也会带来干扰降低通信速率。因此,如何平衡系统吞吐量和能耗是当前值得研究的问题,本文基于以上背景,研究了D2D场景下的无人机辅助蜂窝网络通信系统的能效最优性。此外,考虑到无人机的飞行特性带来的安全问题,研究了无人机三维场景下的能效最优性。首先,本文基于无人机二维飞行轨迹模型研究了D2D场景下无人机辅助的蜂窝网络通信系统能效优化问题,并对该问题进行建模。针对系统的能耗约束,链路调度约束,无人机运动约束,最大功率约束等建立优化变量可行集,并在此前提下建立以最大化通信系统能效作为为目标函数的优化问题,联合优化用户调度,发射功率和无人机轨迹。该问题因为是一个非凸混合整数分式优化问题,难以直接求解。本文通过将原问题等价转换为多个子问题,利用连续凸逼近技术,Dinkelbach方法以及块坐标下降算法,提出了一种有效的迭代算法,并结合惩罚算法处理引入的二进制整数变量,获得次优解。仿真结果表明,该方案在系统能效方面相比基准方案有较大提升。为更加贴合实际场景,考虑无人机安全通信问题,规划更加灵活实用的无人机轨迹。当前无人机空对地信道模型一般采取传统的自由空间衰落模型,而这无法较好的评估实际信道条件。因此基于三维飞行轨迹,结合无人机高度变化对信道模型的影响,构建与莱斯系数相关的三维信道模型。以此信道模型为基础,确定了无人机辅助蜂窝网络通信系统,以最大系统安全通信能效为目标构建联合优化问题,提出一种迭代算法。结合仿真结果,所提方案相较于基准方案,安全通信能效有较大提升。