随着智能终端设备的普及和数据业务量的爆发式增长,无线频谱资源需求越来越大。无线频谱是一种非再生资源,传统频谱资源固定划分的方式存在频谱资源利用率低的问题。认知无线电(CR,Cognitive radio)是一种能够有效解决频谱资源短缺和频谱利用率低问题的智能无线通信技术。在认知无线电网络中同时存在主用户(授权频谱用户)和次用户(非授权频谱用户),且次用户可以在不影响主用户通信服务质量(QoS,Quality of service)的条件下共享主用户的频谱,从而提高频谱利用率。正交频分多址复用(OFDM,Orthogonal frequency division multiplexing)技术以其频谱利用率高、抗多径时延能力强和有效地消除符号间干扰等优势被应用到认知无线电网络中。在OFDM认知无线电网络中,次用户发射机根据周围设备反馈的信道状态信息,动态地分配子载波和功率来满足主用户对干扰门限的要求和次用户的业务需求。当次用户之间的通信距离远或者信道衰落严重时,次用户需要提高发射功率才能保证通信的可靠性,但此时也会对主用户带来严重的干扰。在认知无线电网络中引入协作中继技术,可以扩展通信覆盖范围、提升频谱利用率和有效地解决通信距离远带来的发射功率大问题。但认知中继网络复杂的拓扑结构却给资源分配工作带来了巨大的挑战。考虑到认知中继网络现在面临的问题和未来的发展趋势,本文分别从信道状态信息不确定性、用户体验质量(QoE,Quality of experience)、能量效率和物理层安全几个方向对认知中继网络动态资源分配问题展开了研究,主要的工作和贡献如下:首先,现有认知中继网络资源分配问题的研究多数都是基于理想的信道状态信息,然而由于信道估计误差、量化误差和反馈时延等因素的影响,次用户发射机很难获得精确的信道状态信息。为了克服信道状态信息不确定性的影响,本文在单主用户功率独立控制的认知中继网络中,以最大化次用户系统吞吐量为优化目标,提出了一种启发式鲁棒中继选择算法和最优的鲁棒功率分配算法。本文采用Worst-case鲁棒优化理论和拉格朗日对偶方法求解鲁棒功率分配问题,并推导得出了最优的功率分配解析解。本文通过理论分析说明了算法的有效性,通过仿真实验验证了所提鲁棒资源分配算法与理想信道状态信息下提出的非鲁棒资源分配算法相比,能够严格地保证主用户干扰门限的要求,但是需要付出一定的次用户系统吞吐量作为代价。随后,本文针对上述基于单主用户功率独立控制的认知中继网络鲁棒资源分配算法做了如下改进:1)联合控制次用户发射机和中继节点发射功率,使次用户系统功率分配过程更加灵活;2)在主用户网络中部署多个具有不同干扰门限要求的主用户接收机,使鲁棒资源分配算法更符合实际通信场景;3)提出了一种最优的鲁棒中继选择方案,使得鲁棒功率分配算法性能更好。基于上述改进,本文提出了一种基于多主用户功率联合控制的鲁棒资源分配算法。在严格保证多主用户不同干扰门限的要求下,实现了最大化次用户系统吞吐量的目标。另外,传统以QoS为优化目标的资源分配算法不能反映用户的主观感受而且还存在频谱资源浪费的问题。为了直观地反映用户的主观满意度且提高频谱利用率,目前多采用QoE作为资源分配的优化目标,但在保障用户QoE的同时会消耗大量的能量。为此,本文在双向认知中继网络中研究了联合优化用户QoE和能量消耗的资源分配问题。次用户总Qo E与功率消耗的比值被定义为用户体验质量能量效率(QoEW,Quality of service per Watt),并被作为提高次用户QoE和降低能量消耗的折中标准。在次用户和中继节点最大总发射功率、次用户最低QoE需求和多个主用户不同干扰门限的约束条件下,本文提出了一种以最大化QoEW为优化目标的资源分配算法。由于QoEW同时涉及物理层参数和应用层参数,本文根据跨层优化理论、分式规划理论和拉格朗日对偶方法最终获得了最优的QoEW。仿真实验验证了本文所提算法的有效性和优越性,并分析了系统参数对QoEW的影响。最后,由于认知中继网络拓扑结构复杂,使得传统加密方式中的密钥分配和管理在该网络中难以实施。物理层安全技术可以利用无线信道的随机性来实现信息的安全传输,具有无需生成密钥和复杂度低等优点,适用于保障认知中继网络的信息安全。但在保障物理层安全时,也会受到能量消耗的制约。为此,本文针对存在窃听者的认知中继网络研究了联合优化物理层安全和能量消耗的资源分配问题。次用户的保密速率与功率消耗的比值被定义为次用户系统的安全能量效率(SRW,Secrecy rate per Watt),并被作为提高次用户保密速率和降低能量消耗的折中标准。在次用户和中继节点最大总发射功率、次用户最低保密速率需求和多个主用户不同干扰门限的约束条件下,本文提出了一种以最大化SRW为优化目标的资源分配算法,并根据分式规划理论、拉格朗日对偶方法和DC(Difference of convex)规划理论获得了最优的SRW。仿真实验验证了所提算法能够在保障次用户最低保密速率的同时有效地提升次用户系统的SRW。