受无线频谱资源短缺和绿色经济需求两因素的制约,频谱利用率与能耗效率成为现代无线通信系统重要的设计指标。因此,如何在提高频谱利用率的同时提高能耗效率成为当前研究的难点问题。认知中继通信技术以较低的开销实现频谱资源的共享,从而有效地提高频谱利用率。与此同时,近年来从无线电波中收集能量的无线信能转换技术取得突破性发展,是一种能够提高能耗效率的有效技术。本文研究将无线信能转换技术应用于认知中继网络中,以理论建模为基础,以凸优化和双凸优化等数学方法为手段,提出了一系列认知协作中继网络中无线信能转换协议与资源分配算法。本论文的主要成果包括:1、提出了一种单向认知中继网络中能量回收与信息传输协议。整个传输可分成两个传输时隙,在第一传输时隙,基于功率分配方法,从用户发射机在获取主用户信息的同时,从主用户所发送的无线电波中获取能量。同时,从用户接收机也同时获取主用户的信息并回收能量。在第二传输时隙,利用所回收的能量,从用户发射机将所获取的主用户信号转发给主用户接收机的同时,叠加传输自身的从用户信号。基于上述传输协议,我们在理论上推导并给出主和从网络用户中断概率的精确表达式。结果表明实际情况下,如果通过合理的功率分配,该协议下的网络中断性能要好于无频谱共享情况下的网络性能。此外,我们还深入分析了从用户在最大化遍历容量和最大化能量之间的速率-能量折中关系,并且研究了在不同发射功率与功率分束比下系统能耗效率情况。仿真结果表明本协议能够保证主用户和从用户的传输质量,并且这是建立在不消耗从用户自身能量的基础上面的。2、基于上述协议,为了进一步提高频谱利用率和能耗效率,本文考虑并解决了以下三个联合优化的问题:a)最大化主用户和从用户的总数据速率,b)在从用户传输速率不低于门限值的条件下,最大化主用户的数据速率,c)在主用户传输速率不低于门限值并且从用户回收的能量不低于目标值情况下,最大化从用户的数据速率。显然,上述三个优化问题均为非凸问题。我们在理论上证明上述三个优化问题可以转换为经典的双凸优化问题,并给出两种不同的快速迭代优化算法。通过数值仿真,可以看出本文所提出的优化算法可以有效且显著提高总数据速率,主用户的数据速率和从用户的数据速率等系统性能,证明本算法在不同场景下的有效性。3、为进一步提高频谱利用率,我们提出双向认知中继网络中能量回收与信息传输协议。不同于单向认知中继网络协议,该协议能够实现主用户同时双向通信,并且实现从用户共享主用户频谱进行通信,且不消耗从用户自身的能量,极大地提高了频谱利用率。在该协议下,我们给出主用户的理论中断概率表达式。对于从用户无法得到精确理论表达式情况,我们给出理论上下界。此外,我们还深入研究了系统整体能耗效率与发射功率以及功率分束比的关系,该研究表明两者系数需要控制在一定范围,这样可以达到最优系统能耗效率。同时数值仿真结果表明,我们提出的双向认知中继网络协议能够有效地保证主用户双向通信以及从用户单向数据通信。在合适的功率分配系数情况下,该协议能够取得比无频谱共享情况更好的中断性能,并且这都是建立在不消耗从用户自身能量的情况下的。