Il est attendu que les radios flexibles constituent un tournant technologique majeur dans le domaine des communications sans fil. Le point de vue adopté en radios flexibles est de considérer les canaux de communication comme un ensemble de ressources qui peuvent être accédées sur demande par un réseau primaire sous licence ou de manière opportuniste par un réseau secondaire à plus faible priorité. Du point de vue de la couche physique, le réseau primaire n’a aucune information sur l’existence de réseaux secondaires, de sorte que ces derniers doivent explorer l’environnement aérien de manière autonome à la recherche d’opportunités spectrales et exploiter ces ressources de manière optimale. Les phases d’exploration et d’exploitation, qui impliquent la gestion de nombreux agents, doivent être très fiables, rapides et efficaces. L’objectif de cette thèse est de modéliser, d’analyser et de proposer des solutions efficaces et quasi optimales pour ces dernières opérations.En ce qui concerne la phase d’exploration, nous calculons le test optimal de Neyman-Pearson de détection de plusieurs sources primaires via un réseau de capteurs. Cette procédure permet à un réseau secondaire d’établir la présence de ressources spectrales disponibles. La complexité calculatoire de l’approche optimale appelle cependant la mise en place de méthodes moins onéreuses, que nous rappelons et discutons. Nous étendons alors le test de détection en l’estimation aveugle de la position de sources multiples, qui permet l’acquisition d’informations détaillées sur les ressources spectrales disponibles.Le second volet de cette thèse est consacré à la phase d’exploitation optimale des ressources au niveau du réseau secondaire. Pour ce faire, nous obtenons une approximation fine du débit ergodique d’un canal multi-antennes à accès multiples et proposons des solutions peu coûteuses en termes de feedback afin que les réseaux secondaires s’adaptent rapidement aux évolutions rapides du réseau primaire. / Future cognitive radio networks are expected to come as a disruptive technological advance in the currently saturated field of wireless communications. The idea behind cognitive radios is to think of the wireless channels as a pool of communication resources, which can be accessed on-demand by a primary licensed network or opportunistically preempted (or overlaid) by a secondary network with lower access priority. From a physical layer point of view, the primary network is ideally oblivious of the existence of a co-localized secondary networks. The latter are therefore required to autonomously explore the air in search for resource left-overs, and then to optimally exploit the available resource. The exploration and exploitation procedures, which involve multiple interacting agents, are requested to be highly reliable, fast and efficient. The objective of the thesis is to model, analyse and propose computationally efficient and close-to-optimal solutions to the above operations.Regarding the exploration phase, we first resort to the maximum entropy principle to derive communication models with many unknowns, from which we derive the optimal multi-source multi-sensor Neyman-Pearson signal sensing procedure. The latter allows for a secondary network to detect the presence of spectral left-overs. The computational complexity of the optimal approach however calls for simpler techniques, which are recollected and discussed. We then proceed to the extension of the signal sensing approach to the more advanced blind user localization, which provides further valuable information to overlay occupied spectral resources.The second part of the thesis is dedicaded to the exploitation phase, that is, the optimal sharing of available resources. To this end, we derive an (asymptotically accurate) approximated expression for the uplink ergodic sum rate of a multi-antenna multiple-access channel and propose solutions for cognitive radios to adapt rapidly to the evolution of the primary network at a minimum feedback cost for the secondary networks.