随着无线移动应用的快速发展,频谱和能量资源已逐步陷入严重匮乏的困境。认知无线电技术可以实现无线频谱资源的动态灵活复用,无线能量传输技术能够支持节点间能量自适应流动与再分配,协作中继技术可以显著降低无线数据传输的资源开销,这三种技术被学术界和工业界寄予厚望,将在下一代5G无线通信网络中扮演重要角色。作为上述三种技术的有效结合,基于无线能量传输的认知协作技术,可以实现主次网络间的频谱资源和能量资源的高效复用和动态分配,极大提高系统整体资源利用效率,改善主次网络双方的传输性能。为了充分挖掘认知无线网络中频谱和能量协作的潜在性能增益,学术界对基于频谱协作和能量协作的认知无线网络协作资源分配问题进行了广泛研究。但是,目前该领域的研究还处于初步阶段,研究模型和优化算法都比较简单。本文将进一步针对认知协作中高谱效和高能效的资源分配问题进行深入研究。首先,文章在现有单点对单点主次协作模型的基础上,考虑多主用户、单次用户间协作传输的可能性,建立新的主次协作模型——多点对单点主次协作模型;其次,文章在传统认知网络频谱协作技术的基础上,考虑主次用户间的能量协作,提出新的主次协作方案——频谱与能量双重协作方案;再次,文章针对主次协作传输的具体应用场景,联合使用正交频分复用、空间复用、网络编码等技术,提升主次协作网络中频谱资源和能量资源的利用效率;最后,文章针对不同的主次协作模型和方案,参考凸优化、矩阵优化等基础知识,使用对偶分解、固定点迭代、半正定放松、一维线性搜索等方法,设计相应的低复杂度、最佳资源分配算法,最大化系统的资源利用效率,实现主次用户传输效益的双重提升。文章所研究的主次协作模型、方案和设计的具体资源分配算法对于5G系统中认知网络的合理部署和协作资源分配方案的具体实施具有重要的指导意义。本文的主要研究内容和创新总结如下:第一,为了增加认知网络中次网络的频谱访问机会,文章在传统单点对单点(One-plus-One)主次协作传输模型的基础上,提出了一个次用户同时辅助两个主用户进行数据传输的两点对单点(Two-plus-One)主次协作模型,同时在次网络引入网络编码,压缩两个主用户整体数据传输比特,降低主用户数据转发的频谱与能量开销。针对所建立的基于网络编码的Two-plus-One主次协作模型,文章首先分析了两个主用户和一个次用户可以达成三方协作的基本条件以及该三方协议中每个参与者的职责与协作策略。其次,分别对平坦衰落和频率选择性衰落信道模型,建立Two-plus-One频谱协作资源分配问题的优化模型——在保障主用户数据成功传输的前提下,优化次用户发送端的频带分配/子载波分配和功率分配,最大化次网络的可得传输速率。针对平坦衰落信道模型,文章利用卡罗需—库恩—塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)条件提出了最优频带和功率联合分配算法;针对频率选择性衰落信道模型,通过优化变量解耦,分别提出基于贪婪算法的子载波分配算法和基于对偶分解的最佳功率分配算法,完成低复杂度优化算法设计。最后,通过数值仿真,文章证明较之现有的One-plus-One主次协作模型,所提基于网络编码的Two-plus-One主次协作模型可以显著提高系统资源效率。第二,在传统认知网络单频谱协作(Spectrum-only Cooperation, SoC)方案的基础上,利用无线能量传输技术实现主次用户间发送能量的自适应流动,设计联合频谱与能量协作(Joint Spectrum and Energy Cooperation,JSEC)方案与具体的资源分配算法。具体地,一方面次用户在接收主用户发送射频信号后,通过功率分割(Power Splitting, PS)技术,将部分信号能量收集、存储,另一方面,次用户使用空间复用技术同时进行剩余主用户信号转发与自身信号传输。进一步,文章分别针对译码转发和放大转发两种中继模式,分别建立了所提联合频谱和能量协作方案的对应数学优化模型——在保障主用户最低数据传输速率的前提下,优化次用户端的PS因子、主用户数据转发向量与次用户数据预编码向量,最大化次用户可得传输速率。文章通过建立对称性功率最小化问题并使用对偶分解方法求解出最佳数据转发向量与预编码向量,同时分析目标函数的单调性和拟凸/拟凹性并采用二分搜索方法和黄金搜索方法来寻找传输速率和最佳的PS因子,从而给出最佳的资源分配算法,最大化系统的频谱和能量资源利用效率。最后,文章对所提JSEC方案以及对应资源分配算法进行性能仿真,验证了其性能优越性。第三,基于上述两点研究,文章研究多点对单点主次联合频谱和能量协作技术,即Two-plus-One JSEC模型:一方面,一个次用户同时与两个主用户进行协作以获取更多的频谱接入机会,另一方面,通过无线能量传输,实现次用户对主用户能量的收集,降低次用户的能量消耗。针对该Two-plus-One JSEC模型,文章分别对放大转发、译码转发以及编码转发三种中继模式下的协作资源分配问题进行数学建模——在保障两个主用户最低传输速率的前提下,优化次用户的PS因子和数据转发、预编码向量,最大化次用户的可得传输速率。文章分别设计了三种中继模式下的最佳资源分配算法:针对放大转发模式,通过建立对称性功率最小化问题求解得到最佳的主用户数据转发向量和次用户数据预编码向量,再通过证明目标函数关于PS因子的拟凹性,设计黄金分割算法搜索最佳的PS因子;针对译码转发和编码转发模式,文章首先分析目标函数和约束函数关于PS因子的单调性,使用二分法搜索出最佳的PS因子,在此基础上,使用对偶分解+固定点迭代/半正定放松+降秩方法求解得到最佳主用户数据和次用户数据预编码向量。最后,大量数值仿真表明,所提Two-plus-One JSEC方案综合了上述两个方案(One-plus-One JSEC方案、Two-plus-One SoC方案)的技术优势,可以极大提高主用户数据传输可靠性和次用户数据传输速率,具有很高的应用前景。