随着多媒体业务和高通量卫星技术的飞速发展,卫星宽带无线接入的需求正在急剧增长,目前卫星通信普遍采用时分复用,对频谱利用的研究较少。认知无线电(CR)技术可以有效地提高异构无线网络中的频谱利用率。但是如何在多个地面无线网络和卫星网络的混合网络中利用这一技术提高这类网络的频谱利用率是当前的研究热点。认知无线电技术允许认知用户和授权用户在同一频谱内共存而不影响授权用户的正常通信。频谱感知技术是认知无线电中的核心技术,但是过高的采样率严重制约了传统宽带频谱感知技术的发展。压缩感知能够克服传统宽带频谱感知对信号的采样速率必须满足奈奎斯特抽样定理,同时也是应用于空地一体化网络的关键技术。论文的研究工作得到了中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室开放基金项目的支持。针对上述热点问题,论文的主要工作如下:(1)提出了基于协作频谱感知的认知空地网络通信架构。首先研究了认知卫星动态接入空闲卫星授权频段以及地面授权频段的可行模式。针对未来宽带卫星中认知无线电技术的应用,本文提出了基于协作频谱感知的认知空地网络通信架构,使多个节点能够公平地接入卫星网络,同时满足了网络节点之间快速接入响应的需要,并详细分析了该架构的协作频谱感知运行模式以及功能框架,最后对多天线CR节点协作感知模型的性能进行了详细的分析。(2)提出了基于SGOMP的宽带压缩感知算法。针对正交匹配追踪(OMP)算法测量过程容易受到噪声干扰以及在实际应用中原始信号稀疏度可能不可用的问题,本文提出了一种称为随机梯度正交匹配追踪(SGOMP)的新型重建算法,随机梯度法用于替代正交匹配追踪(OMP)算法的最小二乘法,并在提出算法的基础上增加了提前终止条件,以减少算法复杂度。论文提出的认知空地网络通信架构降低了认知用户终端硬件设计复杂度,增加了系统噪声容限,显著提高了系统频谱利用率。仿真结果表明,所提出的算法在噪声环境下原始信号重构成功率较高。此外,使用提前终止阈值(ETT)可以在不影响算法重构成功率的前提下降低算法的复杂度。