随着移动数据和联网设备的爆炸性增长,传统蜂窝网络已经不能够满足未来通信的需求。具有自组织功能的空地通信网络作为一种新兴的无线接入手段,在数据传输速率、覆盖范围、服务质量、网络稳定性和鲁棒性等方面有着巨大的优势,被认为是继地面移动网络和卫星通信网络之后的另一个具有广泛用途和广阔发展前景的无线通信系统。然而,由于当前网络朝着密集化和异构化方向发展,且网络中大量的节点具有自组织性、随机性以及时变性等特点,使得通过传统的系统级仿真方法对空地通信网络进行评估变得异常复杂。基于此,本文重点研究使用终端直通技术(Device-to-Device,D2D)的地面自组织通信网络以及使用无人机辅助的空地自组织通信网络,并利用随机几何相关理论进行建模并分析不同网络场景下的关键性能指标,最终给出性能解析式。本文主要研究内容包含以下三个部分:一、提出了基于D2D链路与蜂窝链路的多跳混合异构地面通信网络架构,并对网络性能进行解析和优化。本研究提出了一种在蜂窝网络中通过部署使用D2D通信进行两跳传输连接到基站的组网方法来卸载基站流量和提高网络性能。首先,给出使用两跳通信来增强小区用户体验质量(Quality of Experience,QoE)的方法,并通过仿真实验给出所提出组网方法在用户QoE上的提高。之后,分析随机信道分配和顺序信道分配两种频谱分配方式对网络性能的影响,并利用随机几何理论工具分别进行网络性能分析与解析,得到网络覆盖率和平均可达速率关键指标的解析式。最后,给出网络最优化配置部署方案。研究表明,所提出的网络架构在增强网络性能方面有着巨大的优势,可以显著地增强网络覆盖率,在低信号干扰比(Signal to Interference Ratio,SIR)要求的网络场景中效果更加显著。二、提出在受灾区域中部署使用多个无人机进行空地协同组网的方案,并利用随机几何理论工具对网络进行建模,分析网络覆盖率和平均可达速率性能指标。由于多无人机网络中存在巡航飞行的无人机,本研究考虑更为真实场景中的信道建立过程,并引入平均信道延迟的概念。通过对移动无人机网络特征进行刻画和描述,进一进步分析无人机移动性对网络性能产生的影响。在此基础上,推导出地面用户的覆盖率和平均可达速率的解析式。研究发现网络性能与无人机飞行高度、飞行速度、发射功率以及地面用户密度密切相关。最后,通过仿真结果验证了理论结果的有效性,并给出网络最优化部署方案。三、研究在窄带物联网系统中,部署使用多无人机作为边缘计算平台进行空地组网的解决方案。基于前期提出的多无人机网络架构以及平均接入延迟的概念,本研究针对无人机之间共享频谱信道的资源分配方式进行网络建模和分析。通过分析存在同频干扰情况下无人机移动性对网络性能产生的影响,对网络覆盖率和平均可达速率的关键性能指标进行解析,并给出相应的表达式。之后通过系统仿真对该理论结果有效性进行了验证,并给出了网络最优化配置方案。最后,通过仿真实验分别对部署多个巡航飞行无人机以及两个悬停无人机的网络场景性能指标进行分析和对比,结果表明通过盲目增加无人机数量来增强网络性能是不可取的。