当前无线网络对传输速率成百倍的需求增长与日益殆尽的频谱资源成为了一对急需解决的矛盾。认知无线电具备学习能力,能够通过频谱感知利用空闲频谱资源,大幅提高频谱利用率。因此,在传统的协同中继网络中采用认知无线电技术组成的认知协同中继网络既能可靠的传输信息,又能高效的利用无线频谱资源,是解决前面所述矛盾的有效手段。然而,由于无线信道的广播特性,信息可能会被未经授权的窃听者窃听而造成损失。与传统的物理层以上的加密方式相比,物理层安全具有计算量小、复杂度低等优点。因此,认知协同中继网络下的物理层安全性能分析非常具有研究价值。本课题先研究了基于Underlay频谱共享场景下的多天线认知协同中继网络的中断性能,为后面的多天线认知协同中继网络的物理层安全研究工作打下基础。然后研究了多天线认知协同中继网络的物理层安全相关问题。考虑到实际情况中,理想的信道状态信息(CSI)很难获知,因此本论文还研究了在CSI非理想的情况下,认知协同中继网络的物理层安全相关问题。本论文的主要研究成果及贡献如下:1、研究了多天线多用户认知协同中继网络的中断性能。为了获取多天线分集和多用户分集来对抗衰落,本论文研究采用多天线传输并存在多个认知用户的协同中继网络。在此基于存储转发(DF)协议的认知中继网络下,推导了系统中断概率的闭式表达式,并在高信噪比条件下通过推导系统的近似中断概率表达式来研究系统的分集度。研究结果表明,系统的中断性能会随着天线数目和认知用户数目的增加而得到改善。同时,若认知发射机与中继天线数目为N,认知用户数目为L,则系统的分集度为N×min(N,L)。当天线数目小于认知用户的数目时,系统的分集度完全由天线数目决定,与认知用户数目无关;当天线数目大于等于认知用户数目时,系统的分集度由天线数目和认知用户数目共同决定。2、研究了多天线认知协同中继网络的物理层安全。在存在多个潜在窃听者的多天线认知协同中继网络下,本论文在瑞利衰落信道下给出了保密中断概率的精确表达式和近似表达式,分析了系统的保密分集度,并进行了可靠性和安全性的折衷分析。研究结果表明,窃听者数目增加对系统保密中断性能造成的损失完全可以通过增加认知系统的发射、接收天线数目来弥补。增加天线数目还可以同时提高系统的可靠性和安全性。此外,若认知发射机和中继的天线数目为N,则系统的保密分集度为N,即系统的保密分集度仅仅取决于天线数目,与窃听者数目无关,而保密阵列增益由天线数目和窃听者数目共同决定。换言之,窃听者的存在只会影响系统的保密中断性能,不会影响系统的分集性能。3、研究了认知协同中继网络在非理想CSI条件下的物理层安全。在实际情况中,授权系统与认知系统之间的理想信道状态信息很难获知,因此这方面的研究也有很大意义。本论文给出了认知协同中继网络在非理想CSI情况下的保密中断概率。研究表明,CSI的非理想会使得系统保密中断概率上升,但增加中继的数目可以改善这种情况。在相同信噪比条件下,随着中继数目的增加,CSI理想的情况和CSI非理想的情况下保密中断性能的差距越来越大。此外,该认知协同中继网络中第一跳链路CSI非理想对系统保密中断概率造成的影响比第二跳链路CSI非理想造成的影响大。同时,非理想CSI不会影响系统的分集度,只会造成保密中断性能的下降。