无线通信业务需求的持续增长,使得无线资源变得十分稀缺的同时产业能耗也越来越大。协作频谱共享技术可以在不改变现有频谱分配总体结构下,采用灵活的频谱接入技术,通过授权系统和非授权系统之间无线资源的共享和管理来提高频谱的利用率和通信系统的能效。协作频谱共享可分为underlay(共存)和overlay(覆盖)两种方式。在共存的共享方式下,只要非授权系统对授权系统的干扰低于授权系统可容忍的干扰限制,非授权系统就可与授权系统同时共享授权频带。由于授权用户无需知道非授权用户的存在,不会给授权用户带来额外的开销；但是,授权系统的干扰限制是一个上限值,因此非授权系统为了避免对授权系统的干扰将采用相对较小的功率来传输；即使在授权频谱完全空闲的情况下,非授权系统也不会用高的功率来传输数据,这会影响通信系统的频谱和功率效率。对于覆盖式共享,在满足授权系统通信需求的前提下,提供空闲频谱给非授权系统使用,授权系统和非授权系统并不同时占用信道。非授权系统机会式的接入频谱会带来信道反馈和信令等额外开销,但是非授权系统的传输功率不会受到干扰的限制,因此有可能提高系统的能效。本文将侧重于覆盖式高能效协作频谱共享通信机制的研究,主要创新点如下：1.本文分析了单传输时间间隔(TTI)调度的协作频谱共享方式下资源分配问题。单TTI调度的频谱共享方式是指,一个TTI内通信系统中各链路的信道状态保持不变,非授权次级系统在一个TTI内协作授权主系统的传输,要求在该TTI内立即获得一定的传输时间作为回报。因此,主系统和次级系统的协作共享仅依赖于一个TTI内各链路的信道状态。本文分析了在保证授权系统和非授权系统服务质量的同时,最小化频谱共享协作通信系统能耗的无线资源分配问题,通过凸优化理论得到了最优的时间和功率分配的封闭形式的解。进一步,本文分析了不同协作方式下协作频谱共享通信系统的能效性能。2.本文提出了多TTIs调度的频谱共享机制,并且考虑了接入切换代价对协作频谱通信系统性能的影响。多TTIs调度的频谱共享方式是指,多个TTIs间通信系统中各链路的信道状态是变化的,次级系统根据信道的状态自适应地选择在不同的TTIs进行中继或接入。因此,多TTIs调度能有效地利用信道衰落的时间分集增益大大提高频谱共享通信系统的性能。本文分析了在多TTIs调度的频谱共享方式下,在授权系统和非授权系统的能量限制和授权系统服务质量的限制下,最大化协作频谱共享通信系统吞吐量的问题；并将其转化为受限的马尔科夫决策问题,利用拉格朗日方法和Q-学习算法得到了最优的频谱接入策略。但是,该算法的计算复杂度将随着通信系统中链路数的增加呈指数激增。3.为了解决马尔科夫决策算法计算复杂度的问题,本文建立了基于劳动-消费模型的多TTIs调度的协作共享机制。在该模型中,在保证授权系统性能的前提下,非授权系统中的次级用户(“劳动者”)通过中继(“劳动”)授权系统中主用户的信息来获得可在系统中传输的功率和时间(资源)用于自己信息的传输(“消费”)；而信道的状态可视为“市场环境”,劳动者可以根据所拥有的资源和市场环境来决定劳动还是消费。在该模型下次级用户可以根据信道状态自适应地选择中继和接入的时机,提高共享通信系统的性能。进一步,本文分析了多用户协作的多TTIs调度的频谱共享机制,讨论了次级用户接入等待时延对系统性能和用户接入数量的影响。