频谱是无线通信网络的重要载体,没有可用频谱的无线通信网络只能成为空谈。随着全球联网设备的爆炸式增长,百亿级的联网设备将催生更多的无线业务,因此亟需充足的频谱资源以应对海量无线频谱接入诉求。从目前的情况来看:一方面,频谱资源供不应求使得学术界和产业界迫切地花费巨大的人力物力开发更高的频段。另一方面,美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission,FCC)和多个组织机构经过调研表明,现已固定分配的频谱资源利用效率低于15.2%,具有很大提升空间。因此,通过认知再利用现有空闲频谱资源对缓解频谱资源紧张形势具有重要的意义。本论文以无线网络频谱资源高效利用与优化问题为主线展开研究工作,研究内容从地面无线通信网络扩展到空中悬停无人机网络,再进一步扩展到空中运动无人机网络,契合无线通信产业发展态势,符合无线通信网络从地面拓展到空中的学术研究趋势。本文具体研究了以下三方面内容:(1)针对无线供电通信网络(WirelessPoweredCommunicationNet-work,WPCN),研究了频谱资源高效利用与优化问题。首先,针对机会式频谱的WPCN,建立了联合频谱感知、能量采集和NOMA数据传输的三时隙结构模型。进一步地,在固定感知时长情况下,推导了次用户数据传输时长的封闭式表达式,并提出了一种基于黄金分割搜索法的参数联合优化算法,使得WPCN上行和速率最大化。其次,针对频谱协作式的WPCN,认知基站同时接收来自次用户上行传输数据和主用户数据。建立了联合能量采集、非正交多址接入(Non-orthogonalMultipleAccess,NOMA)数据传输和转发主用户数据的三时隙结构模型。在此模型下,以次用户上行和速率最大化为目标,推导得到能量采集时长、数据传输时长和转发主用户数据时长的封闭式表达式,设计了最优的能量采集时长、数据传输时长和转发主用户数据时长联合优化算法。仿真结果证实了通过引入认知无线电和NOMA技术调整和优化无线供电通信网络时隙结构,所提算法可以更好地利用主用户的频谱资源,并能够显著地提升WPCN和速率。(2)针对三维悬停无人机网络,研究了频谱资源高效利用与优化问题。分别针对单对无人机通信系统和多架跟随无人机通信系统,提出了感知时长和无人机三维位置联合优化算法,实现悬停无人机网络可达吞吐量最大化。具体地,针对单对无人机通信系统,建立了时间-空间双维频谱认知模型。在此模型下,理论上证明了执行感知和接收任务的领导无人机的最优位置处于主用户和执行上行数据任务的跟随无人机之间的直线上,极大简化了领导无人机部署的可行域约束,并设计了基于交替迭代的感知时长和领导无人机三维位置联合优化算法,实现系统可达吞吐量最大化。而后,进一步针对多架跟随无人机通信系统,建立了基于时分复用的多架无人机传输模型,采用“分而治之”策略和“加权和”方法,设计了基于单架跟随无人机吞吐量加权的近似最优算法。此外,为了降低基于单架跟随无人机吞吐量加权算法的复杂度,推导领导无人机的最优三维位置的封闭式表达式,并设计了基于单架跟随无人机位置加权和的低复杂度近似最优算法。仿真结果表明所提交替迭代算法具有快速收敛性,以及证实了相比于穷搜最优算法,所提算法在大幅度降低算法复杂度的情况下系统性能几乎无损失;相比于固定领导无人机位置下的单时间维度频谱感知方案,所提算法能够显著地提升系统性能。(3)针对运动无人机网络,研究了频谱资源高效利用与优化问题。针对运动无人机网络,提出了无人机轨迹和频谱接入联合优化算法,分别分析了系统的频谱效率和能量效率。具体地,首先,考虑了无人机轨迹对频谱感知和数据传输的影响,建立无人机每个时隙向目的地最小步进距离约束,设计了基于交替迭代的联合优化算法,优化跟随无人机轨迹、发射功率和频谱感知时长等参数,在防碰撞约束、飞行速度约束及无人机网络对地面主用户的干扰约束下,实现系统可达吞吐量最大化。其次,进一步考虑无人机轨迹对频谱感知、数据传输和无人机能耗等参数的影响,重新设计了跟随无人机轨迹、发射功率和频谱感知时长联合优化算法,实现运动无人机的能量效率最大化。仿真结果表明了所提的无人机轨迹、发射功率和频谱感知时长联合优化算法具有快速收敛性,同时也证实了所提算法相比于无人机固定匀速直线飞行方案和单时间维度优化方案系统性能得到显著提升。