随着无线通信的飞速发展,频谱作为一种不可再生的资源已变得极度紧缺,这一现状给未来5G通信的发展带来了很大的挑战。认知无线电(Cognitive Radio,CR)在对频谱资源进行重复利用和共享的基础上,有效地缓解了这一现象。由于认知无线电用户(Secondary User,SU)不能对主用户(Primary User, PU)产生干扰,频谱感知成为认知无线电技术的一个首要前提。频谱感知是指SU通过信号检测与处理来获取特定频段的占用信息。随着频谱感知技术的不断发展,仅仅检测PU存在与否的传统感知技术已经远远不能满足日益增多的需求。在频谱感知过程中,信道的一些状态信息会严重影响频谱感知性能(如:PU和SU的异步工作、信道的时变衰落因子、多个主用户竞争接入等)。因此,在频谱感知过程中,联合估计出信道状态信息具有重要的意义,本文针对频谱感知过程中的不同的信道状态信息,主要做了以下两个方面的研究。首先,针对未来异构无线网络中主用户与认知用户间无法进行协作定时这一问题,设计了一种全新的异步感知算法。区别于现有的频谱感知方案,本文首次将PU发射机和SU接收机之间存在感知时间差纳入考虑。在这一部分研究内容中,首先提出了一种新的状态动态空间模型,来描述可观测能量与动态授权用户状态以及未知时间差之间的关系;然后,利用随机有限集并基于最大后验概率准则设计出一种迭代式估计方案;最后,通过粒子滤波以数值逼近方式得到估计结果。仿真表明,通过准确获取出感知时间差,所提出的异步感知算法可有效消除接收信号的信息不确定性,从而显著提高频谱感知性能。其次,针对未来认知网络中存在多个用户竞争接入的问题,设计了一种基于Underlay频谱共享的多主用户频谱感知算法。相比于Overlay共享方式,Underlay共享方式通过限制SU对PU的干扰程度,使得SU在任何时刻均可以接入目标信道频段,从而能极大地信道频段的利用率。然而,要实现Underlay频谱共享策略至少存在以下问题:首先,目前并没有行之有效的方式来动态调整次用户的发射功率,让其满足特定的干扰限制;其次,现有的频谱感知算法只能检测单一主用户使用信道频段的可能性,而在时分复用系统中,一个时隙下可能会存在多个主用户使用信道频段。区别于现有频谱感知方案,多主用户频谱感知算法能够不仅能对通信系统中多个主用户使用信道频段的可能性进行系统地感知,更重要的是可以对多个PU-SU链路状态信息进行实时估计,然后由准确获取的信道信息可计算出SU的干扰温度,从而能够很好地解决上述问题。在这一部分研究内容中,首先针对基于时分多址通信的两个主用户,提出了一种动态状态空间模型,将主用户状态和信道衰落因子看成两个隐藏系统状态;其次,基于伯努利粒子滤波设计了一种递归算法获得实时的衰落信道和频谱占用状态;最后,提出了一种竞争增强机制通过动态改变估计的先验密度对不准确的估计结果进行了修正。仿真表明,所提方法能够准确估计出两个授权用户的存在状态和对应的信道信息,使得Underlay频谱共享在现实中使用成为可能。本文不但给出了考虑上述两种不同信道状态信息下的频谱感知算法,还将新算法和已有算法进行了比较,通过仿真结果证明了新算法的优越性。此外,所提算法均具有很强的扩展性,可方便扩展至其他的应用场景(例如:异步感知算法中获得的时间偏移信息对认知通信系统的设计与改善具有重要意义),本文所提的两种新算法在未来动态频谱共享网络中均具备良好的应用潜力。