近年来,由于无线通信设备数量的爆炸式增长,人们对无线频谱资源的需求呈指数级上升,频谱短缺问题日益严重。另一方面,随着5G网络的大规模商业化应用,无线通信设备的能耗大幅增加,信息安全问题日益凸显。为了应对这些挑战,基于认知频谱共享的信息与能量协同传输已成为一种有前景的通信范例。然而,为了使这些无线通信技术切实可行,就必须对各种时频和能量资源进行联合优化。此外,仍需研究和探索无线通信网络中的信息安全问题,以实现安全可靠的信息与能量协同传输。本论文以无线通信理论、优化理论和矩阵理论为指导,对认知频谱共享网络中的协作中继通信、射频能量收集、物理层安全以及波束成形等问题进行研究和探讨。主要贡献和创新点如下:1.研究主系统与无线供电D2D通信系统之间的信息与能量协同传输问题。针对认知频谱共享D2D通信系统中的频谱效率和能量效率问题,提出一种联合时间分配和功率分配的三阶段信息与能量协同传输方案。制定一个新的优化问题以最大化认知D2D通信系统的数据速率,并提出一个两阶段求解方法:首先等效变换原优化问题以获得最优波束成形向量和发射功率;其次再使用fmincon内点算法来获得原问题的局部最优解。仿真结果表明,所提方案是最佳的,并且在不同的性能指标下,显著提升了认知D2D通信系统的平均速率。2.研究主系统与无线供电不可信次系统之间的安全无线信息与能量协同传输问题。针对具有不可信双中继认知频谱共享网络中的频谱效率、能量效率和安全性问题,提出一种人工噪声辅助的联合时间分配和功率分配的三阶段安全无线信息与能量协同传输方案,并研究完美和不完美的信道状态信息对网络性能的影响。制定一个新的优化问题以最大化不可信次系统的数据速率,并提出一个两阶段求解方法:首先等效变换原优化问题以获得最优波束成形向量和发射功率;其次再利用fmincon内点算法来获得原问题的局部最优解,并给出所提优化问题的计算复杂度。仿真结果表明,在不同的性能指标下,所提方案是最佳的,并且显著提升了不可信次系统的平均速率。3.研究主系统与无线供电次系统之间的安全无线信息与能量协同传输问题。针对具有全双工自能量回收认知频谱共享网络中的频谱效率、能量效率和安全性问题,提出一种人工噪声辅助的联合时间分配和功率分配的两阶段安全无线信息与能量协同传输方案,并提出一个两阶段时间切换全双工自能量回收收发机。制定一个新的优化问题以最大化次用户的数据速率,并提出一个两阶段求解算法:首先通过向量和矩阵重构将原问题重构成一个标准的凸半定规划问题以获得最优波束成形向量;然后再通过执行一个二维搜索来找到原问题的全局最优解。仿真结果表明,与半双工功率分裂方案相比,所提方案不仅显著提升了次用户的平均速率,而且还保证了主系统的安全性。4.研究主系统与无线供电认知D2D通信系统之间的安全无线信息与能量协同传输问题。针对具有MIMO全双工自能量回收认知频谱共享D2D通信系统中的频谱效率、能量效率和安全性问题,提出一种人工噪声辅助的联合时间分配和功率分配的两阶段安全无线信息与能量协同传输方案,并提出一个两阶段时间切换全双工自能量回收收发机。制定一个新的优化问题以最大化认知D2D接收机的数据速率,并提出一个三阶段求解算法:首先给出中继预编码矩阵的最优形式,并简化原优化问题;其次通过向量和矩阵重构将简化后的问题重构成一个标准的凸半定规划问题以获得最优波束成形向量;最后再通过执行一个二维搜索来找到原问题的全局最优解。仿真结果表明,与对比方案相比,所提方案进一步提升了认知D2D接收机的平均速率,并且保证了主系统的安全性。