随着无线通信技术的快速发展,用于固定分配的频谱资源短缺与部分已分配频段频谱利用率低下的矛盾愈发突出。得益于具备较好的灵活性,认知无线电技术被认为能够解决这一矛盾,即在保障不占用(划分)过多的独享频谱资源的前提下,通过合理适时地利用空闲频谱,满足无线通信日益增长的用频需求,且带来尽量少的、主用户可以接受的干扰。认知无线电技术一般包含频谱感知、频谱分析与决策、频谱共享、频谱移动性管理等内容。基于频谱感知结果(数据),频谱分析与决策技术首先对频谱资源在多个维度的可用性方面进行分析和研究,然后根据分析结论,以一定的优化目标制定相应的认知通信策略。本文针对认知无线电频谱分析与决策过程中的关键技术问题,对共享频谱分别进行了时、空、频维度的可用性预测分析,并开展了基于频谱感知分析结果的资源配置决策研究。论文的主要贡献总结如下:第一,论文研究了时域突发性频段的频谱预测问题。首先利用频谱仪等硬件设备对使用竞争方式接入信道的频段进行了时域数据采集,并对数据进行了相应的预处理;然后分析了数据的信道占用率、自相似性、信道熵、占空时长方差、自相关性等多种特征,以表征频段的时域突发性;最后提出了一种基于强化学习的多层感知机方法,用于实现频段在不同时间所具备的状态与不同预测模型之间适配的目标。实验结果表明所提方法具备更优的预测性能,相比于常用的频谱预测方法,所提方法预测准确率提升超过7%。分析表明,该方法能够满足相应频段的频谱预测需求。第二,论文研究了基于接收信号强度的多有向主用户定位方法和基于多有向主用户定位的间接空域频谱图构建技术。针对认知接入空间区域中存在多个有向主用户的频谱图构建需求,考虑使用先定位后构图的间接方式。首先建立了基于接收信号强度的多有向源定位模型,并推导出对应于主用户位置、发送方向、发送功率、波束宽度以及环境路损指数的无偏估计误差的卡尔美罗界限;其次,提出了一种最大似然-期望最大化方法,用于实现对多主用户参数估计的目标;最后利用定位和参数估计的结果,实现对关注区域频谱图的构建。仿真实验表明,所提方法能够取得较低的定位和参数估计误差,相比于常用的直接空间插值方法,本论文使用的间接方式的方法具备更优的主用户占用空间检测率和虚警率关系,在多数的仿真结果中,后者的均方根误差值仅有前者的一半左右。第三,论文研究了基于时隙的功率强度预测方法和频域多信道优选方法。针对具备一定历史依赖的频谱预测问题,首先提出一种基于长短时记忆网络的信道功率强度预测方法,能够对时隙数据中的重要特征进行有效的提取、传递和映射;接着,对每一信道的时隙占用情况建模成马尔可夫过程,计算其最优频谱感知时间间隔,作为相应信道的预测长度进行输出;最后,提出了一种频域多信道优选使用方法,以各信道潜在吞吐量为参数进行排序并推荐给认知系统,实现信道优选。仿真结果表明,所提预测方法相比于多层感知机方法具备更优的功率强度准确率,所提信道优选方法相比于单时隙和普通多时隙等信道选择方法在吞吐量和能耗方面具有明显的性能提升。第四,针对认知卫星通信场景,本文研究了基于地面终端用频推荐的认知卫星下行多维资源分配问题。首先提出了一种新的波束跳换方案,用于处理众多地面终端推荐用频所导致的多样化问题;其次,建立了以单纯追求性能的吞吐量最大化和兼顾性能与公平的需求供给差方最小化为目标的资源分配模型;最后,通过将问题分解成频率选择、点波束划分和时间功率分配等多个有序子问题,并应用拉格朗日对偶法和启发式方法,实现了对资源的合理分配。仿真过程同时考虑了地面终端上报的干扰水平存在误差的情况,仿真结果表明所提方法能够较好的达到资源分配目标,并明显的提升认知卫星通信系统的性能。