认知无线电(Cognitive Radio, CR)作为一种智能的频谱共享技术可通过对无线环境的频谱感知,搜寻并利用已授权频段内未被利用的空闲频谱,实现不可再生频谱资源的再利用,为缓解频谱资源日益稀缺与对无线频谱需求的日益增长之间的矛盾开辟了一条有效的途径。频谱感知技术是实现CR应用、构建CR系统(网络)的首要且核心技术,也是保护授权用户(Primary User, PU)免受有害干扰、提高CR系统自身频谱资源利用率的重要前提。而且,随着无线通信技术及业务的飞速发展,对无线频谱的需求不断加大,CR技术的发展目标是发现并利用更多的可用频谱机会,因而以宽频带作为检测目标的宽带频谱感知技术已成为CR技术研究中一个新的且重要的发展方向,并受到学术界和工业界的广泛关注。本论文主要对认知无线电宽带频谱感知中若干问题进行探讨、展开研究,同时也是作者在参加国家自然科学基金项目(“基于时域频谱利用概率分布曲线拟合的频谱检测研究”,项目编号60772110)和国家“863”计划重点项目(“频谱资源共享无线通信系统”,项目编号2009AA011802)等科研项目的过程中所取得的一些研究成果。本论文的研究工作从对CR频谱感知技术研究综述展开(第2章),主要对先验信息受限场景下的本地宽带压缩频谱感知(第3章),对宽频带、无线衰落、噪声、信道状态信息未知、硬件受限等复杂场景下的合作频谱感知(第4章),对第3章和第4章中所引出的分块对角结构采样矩阵的重建性能分析(第5章)进行了研究。本论文的具体研究内容与研究成果如下：1.在CR频谱感知技术相关研究分析和综述中,对现有CR频谱感知技术进行了详细分类,并对分类后的频谱感知技术进行了梳理,系统地综述了各个具体频谱感知技术的相关研究现状,研究了窄带频谱感知场景下无线衰落环境的影响,提出了动态多簇头选择合作检测方法和最优决策判决规则,在对传统窄带频谱感知技术研究讨论的基础上重点分析了CR宽带频谱感知技术研究的必要性和有待解决的问题,为展开论文的研究工作指明了方向。2.在先验信息受限场景下的本地宽带压缩频谱感知研究方面,首先针对目前基于压缩采样的宽带频谱感知中由于CR用户先验信息受限所导致的采样开销浪费这一瓶颈进行了问题描述,为解决该问题论文提出了稀疏估计这一新型概念并为之建立了通用的实验和评估方法,然后基于所提稀疏估计概念设计了一种新型的两步压缩频谱感知算法(Two-Step Compressed Spectrum Sensing, TS-CSS)。仿真结果和数值分析表明该算法可在确保检测性能的前提下,有效降低CR用户在先验信息受限场景下宽带压缩频谱感知的采样开销。3.在宽频带、无线衰落、噪声、信道状态信息未知、硬件受限等复杂场景下的合作频谱感知研究方面,首先针对该复杂场景下CR合作检测建立了系统与信号模型,其次分析并挖掘了CR合作检测中潜在的低秩特性,并利用这一重要的低秩特性提出了一种新型的基于矩阵秩最小化的合作频谱感知算法(Cooperative Spectrum Sensing based on Matrix Rank Minimization, CSS-MRM),然后从合作系统可靠性和有效性这一对固有矛盾的角度,对CSS-MRM算法在提高分集增益与降低采样开销上进行了折中性能分析。仿真结果和数值分析表明CSS-MRM算法可以在降低CR用户采样开销的同时,有效提高CR系统的检测性能。4.在分块对角结构采样矩阵的重建性能分析研究方面,首先由TS-CSS算法和CSS-MRM算法中出现的分块对角结构矩阵引出了对矩阵结构和矩阵特征的问题描述和讨论,并建立了一个通用分块对角(Generalized Block Diagonal, GBD)结构的采样矩阵模型,然后针对具有该GBD结构的采样矩阵进行了有限等距特性(Restricted Isometry Property, RIP)理论推导,并对推导后的结论进行了分析和讨论。仿真结果和数值分析表明具有GBD结构的采样矩阵在实际应用中,可以根据具体场景和系统指标,实现信号重建性能和实现复杂度低、实际适用性强等矩阵结构优点的有效且灵活折中。