随着无线新技术和应用的不断出现,通信系统对于无线频谱资源的需求也不断增加,无线频谱资源的匮乏正成为通信发展的严重障碍。而近几年的研究报告表明,目前大部分授权频谱在时间和空间上都存在严重的低效利用问题,造成这种矛盾的主要原因是现有的固定频谱分配策略。认知无线电能够机会接入时间和空间上的空闲频谱,因此被认为是未来实现动态频谱接入,解决无线频谱匮乏问题的关键技术之一。认知无线网络是认知无线电技术的网络化,能够利用认知功能来获取环境信息,并对信息进行分析和学习,为智能决策提供依据,并通过重配置技术实现对无线环境的动态适应。本论文针对认知无线网络中的三个热点问题：信道接入、跨层设计、协作通信做了相关研究,提出了相应的创新性解决机制,并进行了详细的理论分析和性能仿真。本论文的主要贡献包括以下三个方面：1.提出了多信道侦听框架下的分布式信道接入机制首先,分析了认知无线网络中的多信道侦听问题。受侦听器前端硬件设备限制,一个认知用户只能侦听一条或者几条信道,而无法同时实现多信道侦听,为此提出了多认知用户合作侦听的方法,借助周围认知用户同时侦听这些信道。第二,在多信道侦听框架下,提出了基于TCP吞吐量的分布式信道接入机制。在信道接入时,以TCP吞吐量为优化目标,改善认知用户的TCP性能。第三,将认知无线网络的信道接入过程描述为状态时变的多臂赌博机系统(Restless Bandit),利用其索引特性,降低实时信道接入的复杂度。最后,仿真结果表明,该机制能较大改善TCP吞吐量。2.提出了综合考虑信道侦听与接入策略及无线链路参数配置的TCP性能优化机制首先,分别讨论了信道侦听与接入策略及无线链路参数配置对TCP性能的影响。理论分析和仿真验证表明,信道侦听判决策略、侦听操作参数设置、信道接入策略、物理层的自适应调制编码机制和数据链路层的数据帧大小都会影响TCP性能。因而,综合考虑上述几个方面,采用跨层设计方法,改善认知无线网络中的TCP性能。第二,将无线信道描述为有限状态马尔可夫信道(FSMC),信道状态的变化和授权用户占用状态的变化通过马尔可夫链表示。第三,将认知无线网络描述为部分可观察马尔可夫判决过程(POMDP),通过融合了观察和动作历史记录的信息状态推断出下一时刻的频谱状态信息,进而决定相应的最优策略,改善认知无线网络中的TCP性能。最后,仿真结果表明,认知无线网络中的侦听与接入策略以及无线链路参数对TCP吞吐量有明显影响,通过跨层设计能够较大改善TCP吞吐量。3.提出了支持协作通信的中继调度和功率控制机制首先,讨论了频谱Underlay架构下的认知无线网络中支持协作通信的问题,分析了在不干扰授权用户条件下的源节点和中继节点发射功率限制,并且给出了功率受限下的系统容量。第二,建立一个综合考虑系统容量和节点能量消耗的收益函数,以系统获得的收益为优化目标,最优调度中继节点,并控制其发射功率,实现系统容量和网络生存时间之间的平衡。第三,将认知无线网络的中继调度和功率控制过程建模为状态时变的多臂赌博机系统,其中继节点状态通过与其相关的频谱状态、链路状态和剩余能量状态描述。最后,仿真结果表明,该机制能够显著提高系统总收益,而且通过牺牲部分容量能够降低功率消耗,延长中继节点的网络生存时间。