随着通信业务的不断扩展,人们对无线通信的需求不断增加。在当前固定的频谱分配策略下,可用的频谱资源越来越紧张,无线电频谱资源作为一种稀缺资源,已经不能满足人们对无线带宽日益增长的需求。认知无线电摒弃以往固定的频谱分配策略,使用动态的频谱分配策略,使非授权用户可以在不影响主用户通信的前提下,使用授权用户的频段资源,从根本上解决了因频谱分配制度不合理所导致的频谱资源紧缺的问题,是未来通信发展的必然趋势。频谱感知是认知无线电技术实现的关键和前提。本文针对目前认知无线电频谱感知方法研究的不足,分别对单节点单信道的频谱感知、多节点多信道的并行合作频谱感知以及安全的频谱感知进行了深入研究。对于单节点单信道频谱感知,本文分析了信号和噪声的时域和频域分形维数特征,研究在恶劣情况下能够快速、准确、有效地进行频谱感知的盲频谱感知方法。对于多信道多节点的频谱感知,研究了系统效益最大化的并行合作频谱感知方法以及跨层的异构多信道并行合作频谱感知方法,通过最优地选取感知节点、分配感知任务以及确定感知时长,使系统性能达到最优。对于频谱感知中的安全问题,研究安全有效的频谱感知方法,以抵御SNR攻击和伪冒主用户攻击。本文主要研究内容如下:首先,详细分析了不同调制类型信号和噪声的时域和频域分形维数特性,根据信号和噪声时域和频域分形维数特性的不同,提出了几种基于分形维数的快速盲频谱感知方法,并详细分析了这些频谱感知方法的性能。其中,基于频域分形维数的频谱感知方法,包括基于PFDF、基于KFDF和基于SFDF频谱感知方法,能够有效克服基于盒维数的频谱感知方法中无法感知某些调制类型和某些调制参数的信号的缺陷,具有受调制参数影响小、对噪声不确定性不敏感、低信噪比下检测性能高和运算时间短等优点。因此,能够用于低信噪比、噪声具有不确定性、主用户先验知识未知情况下的快速盲频谱感知。其次,针对目前合作频谱感知方法中的一些问题,如仅考虑检测准确性而没有考虑感知开销和系统效益,没有考虑到不同认知用户对不同子信道感知性能的差异,以及需要较多的认知用户参加合作频谱感知,提出了三种并行合作频谱感知方法,分别是:基于贪婪算法的并行合作频谱感知方法,基于遗传算法的并行合作频谱感知方法以及基于迭代KM算法的并行合作频谱感知方法,分别通过贪婪算法、遗传算法和迭代KM算法解决感知任务分配问题,即哪些认知用户在何时感知哪些信道的问题,并对三种方法的性能、复杂度和应用场景进行了详细分析。三种并行合作频谱感知方法充分考虑了感知开销、系统效益以及不同认知用户对不同子信道感知性能的差异,能够克服现有并行合作频谱感知方法仅考虑检测准确性和需要较多合作认知用户进行感知的不足,最优地确定感知策略,有效的提高系统效益,减少参加合作感知的认知用户数。再次,针对异构多信道情况下的并行合作频谱感知问题,充分考虑不同认知用户对不同异构信道感知性能的差异性、系统有效吞吐量以及感知时长,基于能量检测方法,建立了感知任务分配和感知时长的选取的联合模型,将其等效为一个多目标非线性联合优化问题,提出了两种基于启发式算法的感知方法:基于启发式算法的感知时间穷举的异构多信道合作频谱感知方法(HATE)以及基于启发式算法的感知时间启发的异构多信道合作频谱感知方法(HATH),在检测概率和虚警概率的约束下,通过最优地分配感知任务和选取感知时长,使系统的有效吞吐量最大。最后,针对频谱感知中的安全隐患问题,提出了两种能够抵抗恶意攻击的安全频谱感知方法。首先,提出了一种基于SNR加权的合作频谱感知方法,并针对其可能受到的SNR攻击,提出了一种基于地理位置信息的抗SNR攻击的频谱感知方法,借助各节点的地理位置信息和上报的SNR值计算各节点的可疑度水平,识别恶意节点,有效屏蔽恶意节点对系统的影响。最后,针对PUE攻击,提出了两种基于分形维数的抗PUE攻击的频谱感知方法,分别是基于NSFDF的和基于双重维数的抗PUE攻击的频谱感知方法,能够根据接收信号的分形维数特性,利用SVM分类器,有效识别信号调制类型,达到识别恶意攻击的目的。