频谱资源是无线通信中最重要的资源,无线通信技术的不断发展都是以提高频谱利用率为核心的。提高频谱利用率有两种途径:一种是通过高效的传输技术不断提高现有系统的频谱使用效率,使其在相同大小频段下的系统吞吐量不断提高;另一种则是最新提出的频谱重用方式,通过感知现有系统的空闲频段,在不影响现有系统运作的前提下,允许其他系统对现有系统没有充分使用的频谱进行重用。多入多出频分复用(MIMO-OFDM)技术由于可以大幅度提高以码分多址(CDMA)为代表的第三代移动通信技术的频谱利用率而成为下一代移动通信系统物理层的核心技术。认知无线电技术由于可以在不干扰现有系统的前提下通过感知频谱来重新利用那些未被充分使用的授权频谱而成为最新的研究热点。这两种技术分别使用以上两种方式提高了频谱的整体利用效率。本文在国内外相关研究工作的基础上,针对MIMO-OFDM系统及认知无线电系统的若干关键理论与技术进行了深入研究,特别是在以MIMO-OFDM为基础的多址接入技术、OFDM信道估计技术、认知无线电系统的频谱感知技术等方面取得了较大研究进展。在以MIMO-OFDM为基础的多址接入技术方面,本文研究了空时频扩频CDMA系统,以获得最大分集为目标,推导出了此系统的扩频码设计准则,并在此准则的基础上提出了两种新的扩频码:排序双正交码和充零旋转傅立叶码。排序双正交码在系统用户数为1时可以获得全部的空间和频率分集,但在用户数多于1时不能达到此目标。充零旋转傅立叶码可以在任意用户数的情况下获得全部的空间和频率分集,但其所支持的用户数少于排序双正交码。在OFDM信道估计方面,本文提出了一种新的参数化信道估计方案。与非参数化信道估计方案相比,参数化信道估计方案由于增加了信道参数估计模块并利用此模块辅助信道估计,从而取得了比非参数化信道估计方案更优异的性能。但是也由于增加了此模块,参数化信道估计方案的复杂度高于非参数化信道估计方案。所提算法成功弥补了这两类算法的复杂度和性能差距,其可以在复杂度较低的情况下获得优异的性能。在频谱感知方面,本文首先提出了两种自适应的单带频谱感知方案,不同于现存频谱感知方案那样需要等待获得所有的抽样信号后才判定频段的占用情况,这两种方案可以一边接收抽样信号,一边做出判定,一旦给出判定,则停止抽样。因而它们能以较少的检测时间获得期望的性能。其次,为了对抗认知无线电系统中存在的噪声不确定性,我们设计了一类多带频谱感知方案,不同于现存方案轮流检测每个频段,此类方案同时检测多个频段。根据设计准则的不同,这类方案又可分为基于信息论准则的多带频谱感知方案和基于广义似然比检验的多带频谱感知方案。经验证,这类方案可以有效的对抗噪声不确定性。