随着第五代移动通信网络技术的日趋完善,功能各异的移动设备数量呈爆炸性增长,用户对高数据传输率与多功能通信设备的需求同目前有限的频谱资源和固定的频谱分配方式之间的矛盾导致频谱稀缺问题日益严重。作为一种先进通信网络,频谱共享通信网络利用频谱共享的方式在有限的频带资源下实现多用户通信,从而提升频谱的利用率。在频谱共享通信网络中,最佳的资源分配方案不仅能提升系统性能,还能同时实现移动设备的多种通信需求,为用户提供更好服务。由于移动设备有限的储备能量,能量短缺一直是限制频谱共享通信网络性能提高的关键问题。另外因为频谱共享通信网络频谱的开放性,可能存在恶意用户非法接入合法用户的授权频段导致机密信息发生泄露的情况。因此,需要对频谱共享通信网络的通信安全性进行研究,在保证通信安全的前提下提高传输速率。另一方面,由于实际中信号发射机很难对频谱共享通信网络的信道状态信息进行精确估计,不稳健的资源分配设计将会导致系统性能遭受损失。因此需要设计鲁棒资源分配策略以应对不确定的通讯链路,保证频谱共享通信网络的稳健性能。然而,现有关于频谱共享通信网络的研究还比较少。本论文针对频谱共享通信网络中出现的能量紧缺、安全通信和稳健资源分配等问题,分别在能量收集频谱共享通信网络、频谱共享安全通信网络和频谱共享鲁棒安全通信网络中设计了最优的资源分配方案,提高了系统的频谱效率,取得了以下研究成果。一、能量收集频谱共享通信网络的最佳资源分配针对频谱共享通信网络中的能量短缺问题,采用能量收集技术为雷达通信一体机充能,在先充能再发射工作模式下同时保证雷达的探测性能和用户的通信速率。针对建立的无线基站的能量消耗最小化问题,利用半正定矩阵松弛和凸优化理论等方法,提出了最佳的资源分配策略,设计了最佳的能量波束成形矢量、整合雷达通信波形和能量收集时间,实现了基站能量消耗的最小化。仿真结果说明了与传统的平均功率分配策略相比,提出的最优资源分配策略能用更少的能量保证雷达目标的探测精度和用户的通信速率。二、频谱共享安全通信网络的最佳资源分配针对频谱共享通信网络中的通信安全问题,建立了基于物理层安全的合法用户保密率最大化的问题框架。通过设计雷达通信一体机的信号预编码矩阵和人工噪声,在有限的发射功率下保证雷达目标的探测精度,并实现了多个窃听者存在时合法用户的保密率的最大化。基于凸优化理论和线性化方法,论文提出了一种交替优化算法迭代解决构建的原始非凸问题。仿真结果验证了所提出的设计方案的可行性。三、频谱共享鲁棒安全通信网络的最佳资源分配针对频谱共享通信网络中的鲁棒安全通信问题,利用物理层安全技术与鲁棒优化技术,建立了无人机辅助认知无线电网络中次级用户平均保密率最大化的问题框架。在基于频谱共享的认知无线电中,我们利用了无人机的高度灵活性和飞行可控性,在保证主用户服务质量的前提下,协助实现认知基站到次级用户之间的安全通信。论文分别考虑了位置估计误差有界模型和位置估计误差概率模型两种实际的位置估计情况,鲁棒地优化了无人机的飞行轨迹和发射功率。针对以上两种位置估计误差模型,分别提出了基于S-Procedure和Bernstein-type不等式的两种迭代优化算法,并得到了相应问题的次优解。仿真结果表明,与位置估计误差有界模型下的迭代算法相比,位置估计误差概率模型下的迭代优化算法不仅可以实现更高的平均保密率,还可以实现更低的计算复杂度。此外,与传统的固定轨迹方案或非鲁棒优化方案相比,我们提出的两种鲁棒优化方案可以显著提高次级用户的安全通信性能。