无线通信业务的飞速发展促使人们对频谱资源有着越来越大的需求,致使可用的频谱资源越来越稀缺,导致了“频谱危机”。据美国联邦通讯委员会报告显示,传统的固定频谱分配策略致使大部分现有频段频谱利用率偏低。为了提高频谱利用率,采用动态频谱接入机制的认知无线电技术应运而生,它的基本思想是频谱共享或频谱复用。因此,检测频谱空穴的频谱感知技术成为认知无线电的基础。传统的频谱感知技术主要基于时间、频率以及地理维度进行检测,对频谱利用率改善有限。近年来,多天线技术的发展使得移动终端具备了角度识别能力,促进了空间维频谱感知方法的发展,从而认知用户可以避开主用户通信方向进行空间角度维频谱接入,为系统提供了额外的空间复用增益,进一步提升了频谱利用率。本论文针对空间频谱感知技术进行了系统的分析,利用空间谱自身携带空间角度信息的特点,提出了一种基于空间谱的频谱感知机制。在所提感知机制下,深入研究了感知方案、检测算法以及实际应用中的感知-吞吐量优化等问题。主要创新成果如下:(1)利用到达角(Angle of Arrival,AoA)估计技术得到连续空间谱,提出基于到达角估计的空间频谱感知算法。该算法采用到达角估计技术进行空域滤波,从空间谱角度分析频谱感知问题。首先,借助空间谱分布差异性设计了基于到达角估计的空间频谱感知方案。其次,利用主用户空间谱特征和噪声空间谱固有特性,提出了基于谱值比和基于中心对称性的检测算法,并给出了相应的理论分析。仿真结果表明,通过捕捉空间谱特征,所提算法取得了较高的检测概率,而且能够提供未被占用的到达角信息。(2)利用波束形成技术得到离散空间谱,提出基于波束形成的空间频谱感知算法。该算法采用波束形成技术使空间扇区化,将频谱感知问题转化为离散的扇区化空间谱检测问题。首先,利用扇区间的能量值差异,设计了基于波束形成的空间频谱感知方案。其次,利用能量分布特征和似然比检测原理,提出了基于能量比和基于能量加权的检测算法,并进行了相应的理论分析。所提算法利用空间分集增益提高了检测性能,同时能够提供未被占用的扇区信息,仿真结果验证了算法的有效性。(3)对空间频谱感知进行性能优化分析,研究了基于空间谱的频谱感知性能与网络吞吐量折中优化问题。首先推导和建立了空时分辨率约束关系:空时不确定准则。其次,基于该准则,将感知与吞吐量折中问题转化为空间复用增益与接入时间的折中问题,提出了空时分辨率的折中方案。最后,通过数学分析,证明了必然存在一个对应最大网络吞吐量的最优空间分辨率,并设计了一种指数收敛的启发式搜索算法求解最优折中点。仿真结果验证了所提折中方案的可行性。上述工作在频谱感知算法与性能优化等方面做了有益探索,丰富了空间频谱感知理论,提高了空间频谱感知技术在实际系统中的可行性,具有一定的理论意义与实用价值。