随着无线通信技术的不断发展,特别是近年来移动通信业务的进步,人们的需求已从语音为主的通话业务转变为以多媒体信息为主的数据业务,通信业务的激增带来无线频谱资源日益稀缺紧张的问题。实测数据表明,频谱的授权用户在大部分时间内处于空闲状态。一边是频谱授权用户(主用户)闲置不用,一边是频谱非授权用户(次级用户)难以获取频谱接入,无线频谱资源面临巨大浪费。认知无线电是一项解决这个突出矛盾的关键技术。认知无线电指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术,允许次级用户在主用户空闲时接入频谱,可以提高频谱利用率。此外,借助于物理层网络编码技术,双向中继技术能够克服半双工限制,在提高系统可靠性的基础上提高频谱效率,也是一项提高频谱利用率的有效技术,已经成为当前无线通信中的研究热点。本文研究认知无线电双路中继的模型,两个非授权用户间的中继节点执行频谱感知并帮助次级用户进行双路中继通信。对于该系统,本文考虑在有窃听者存在的情况下,进行系统性能分析,推导截断概率来描述安全性能。同时,考虑频谱感知时间对频谱感知性能和次级用户平均速率的影响,基于最优化理论与方法,定义频谱感知时间的最优化问题。尽管所提出的优化问题是非凸问题,难以获得全局最优解,本文引入双层优化和单调优化方法,获得所提问题的渐进最优解。最后,仿真结果显示了截断概率随传输功率和速率的变化,也验证了优化算法的最优性。研究成果将对认知无线电中继通信系统具有理论指导意义和实际应用价值。