随着无线通信技术的不断发展,人们对频谱资源的需求日益增加。传统的固定频谱分配策略能够避免系统之间的干扰,但对频谱资源的占用具有不完全性,极易造成频谱资源的浪费。认知无线电技术能够实现无线频谱资源的共享和利用,解决了频谱资源匮乏以及频谱资源利用不足之间的矛盾。另一方面,协作中继技术利用分集增益,能够有效提高无线网络系统的容量、传输可靠性以及增加覆盖率。认知无线网络是在认知无线电技术基础上发展起来的一种具有认知能力的网络,通过引入协作中继技术,认知无线网络能够获得更好的系统性能和更高的频谱利用率,因此,面向协作中继的认知无线网络——认知中继网络,已成为无线通信领域的研究热点。由于与授权网络系统共享频谱资源,认知中继网络首先需要进行频谱感知发现可用的频谱资源,然后,根据频谱感知的结果自适应调整自身参数,确定最佳的资源分配方案进行频谱接入。本论文围绕认知中继网络系统中的协作频谱感知和联合资源分配问题展开研究,以协作中继作为主要技术手段,重点解决了认知中继网络系统中两个基本问题:1)研究精确可靠的频谱感知算法,为认知中继网络系统提供尽可能多的可靠频谱接入机会;2)研究高效的联合资源分配算法,以便认知用户能够合理利用有限资源,从而提高接入频谱的利用效率,增加认知中继网络系统的容量。论文主要创新性贡献包括:首先,为了克服信道衰落对频谱感知性能的不利影响,论文提出了两种基于虚拟MIMO技术的带外控制信道协作频谱感知算法,所提算法提高了协作频谱感知的准确性和可靠性,能够为认知中继网络提供更多可靠的频谱接入机会。1)提出了一种基于高效空时编码的协作频谱感知算法,算法利用高效空时编码和协作中继技术增加系统分集增益,能够降低感知信号传输误码率,有效提升协作频谱感知的性能;2)考虑到协作认知用户的动态变化和认知用户感知可靠性之间的差异,提出了一种基于随机空时编码的加权协作频谱感知算法,算法采用随机空时编码克服信道衰落对感知性能造成的影响,利用感知可靠性加权融合准则增强高可靠性感知信号的判决权重,在提高协作频谱感知性能的同时能够适应认知用户数量的动态变化。其次,为了克服带外控制信道协作频谱感知对信道资源的额外需求,论文提出了一种基于选择中继的带内控制信道协作频谱感知算法,在保证协作频谱感知性能的同时能够有效节约信道资源,提高授权频谱利用率以及减小信道管理复杂度。该算法采用了一种基于选择中继的信号传输机制避免初始感知结果上报过程中可能对授权用户造成的干扰,利用感知可靠性加权融合准则区分不同认知用户的感知可靠性,提高协作频谱感知的性能。同时,算法给出了最优能量感知门限选择机制,保证授权用户通信QoS的同时最大限度利用授权频谱资源。所提算法通过联合考虑感知和报告两个阶段,研究了感知开销对协作频谱感知性能的影响,分析表明,对于预设目标检测概率而言,存在唯一的感知开销使得频谱感知的虚警概率最小。然后,在协作频谱感知基础之上,为了充分利用频谱接入机会,针对多约束环境对网络系统性能的影响,论文研究了AF-OFDM认知多中继网络中的联合资源分配问题,提出了三种联合子载波匹配、功率分配和最佳中继选择的资源分配算法,以提高频谱资源的利用效率,提升认知中继网络系统的容量。1)提出了一种基于对偶理论的分布式资源分配算法以获取联合资源分配问题的近似最优解;2)提出了一种快速联合资源分配算法,这种算法具有很低的计算复杂度,比较适合硬件条件有限、性能要求不高的应用场景;3)为了平衡算法性能和复杂度之间的冲突,提出了一种两阶段高效联合资源分配算法,这种算法解决了对偶算法和快速算法的缺点,在获得稳定且较低计算复杂度的同时,算法性能接近于近似最优解。最后,考虑到中继协议的差异,论文研究了DF-OFDM认知多中继网络中的联合资源分配问题,提出了两种联合资源分配算法以适应复杂的应用环境,提高网络系统的容量。1)考虑到算法计算复杂度在应用中可能对系统实现带来的不利影响,以获取较低的计算复杂度为目标,提出了一种快速联合资源分配算法,快速算法能够在不对系统性能造成严重衰减的前提下,大大降低算法计算复杂度;2)由于快速算法以追求计算复杂度最小为目标,次优的功率分配机制以及子载波分配顺序都会对系统性能造成一定的影响,为了克服这些问题,提出了一种高效的联合资源分配算法,高效算法克服了快速算法中发射功率分配机制和子载波分配顺序的不利影响,在计算复杂度和性能之间获得了合理的平衡。