作为解决无线频谱资源日益稀缺问题的一个关键技术,认知无线电技术允许认知用户在不干扰授权用户通信的前提下动态接入到授权通信频段进行通信,从而提高有限频谱资源的利用率。在频谱异构的复杂电磁环境中,由于相邻认知节点的可用频谱资源可能各不相同,因此它们需要在通信开始之前预先建立一条收发双方皆可用的控制信道,以确保收发双方能顺利交互通信所需的控制信息。为避免预先建立固定无干扰公共控制信道的困难并充分利用多信道频谱资源,一种更为高效可靠的控制信息交互方式是让每个认知节点按照一个随机选择的跳频序列在所有可接入信道上进行周期性跳跃,并在与邻居节点在同一时隙跳到同一信道上(即跳频汇聚)时完成控制信息交互。而本论文的主要贡献是基于循环差集理论为时钟同步和异步的认知无线网络分别设计了相应的跳频系统,即基于特定法则生成跳频序列集合,以实现在任意数量可接入信道上的高效跳频汇聚。本论文详细介绍了评价跳频系统性能优劣的几个重要指标,包括可汇聚信道个数(DoR)、最大汇聚时间间隔(MTTR)、平均汇聚时间间隔(ATTR)、最大条件汇聚时间间隔(MCTTR)以及信道负载(CL),并且对现有跳频系统的各项性能指标进行了总结,为接下来的跳频系统理论分析和性能对比奠定了基础。本论文将现有循环差集(DS)的概念扩展为不相交循环差集(UDDS),并基于这一新概念提出了适用于时钟同步和时钟异步认知无线网络的对称跳频系统,以向每个认知节点提供基于跳频汇聚的发送和接收控制信息的能力。基于严格的数学分析,我们推导出了所提同步和异步跳频系统的各项性能指标,并提出可以基于尽可能多的不相交最小循环差集(MDS)来优化所提跳频系统的性能。由于现有文献均未研究过不相交最小循环差集的搜索问题,本论文接着提出了一种基于高效穷举的搜索算法,以实现对最多可能的互不相交最小循环差集的遍历搜索。之后还进一步提出了一个非常高效的启发式算法以寻找互不相交的最小循环差集,虽然该启发式解决方案不能保证总能找到最多的互不相交最小循环差集,但它的好处是能极大降低穷举搜索算法所导致的过高计算复杂度。本论文在OPNET网络仿真平台上将基于不相交最小循环差集所构造的对称跳频系统与现有的多种对称跳频系统进行了仿真对比,验证了所提跳频系统能够获得优于现有跳频系统的网络平均传输吞吐量和平均传输时延。同时还基于GNU Radio软件无线电平台与USRP硬件设备对基于异步跳频汇聚的认知无线传输系统进行了实验演示,验证了本论文所提出的异步跳频系统能够满足认知无线传输系统的设计要求,实现了频谱发现、频谱切换和跳频汇聚等功能。