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移动通信系统一个十分重要的发展趋势是宽带多媒体通信系统，但是频谱资源的缺乏和传输的不可靠性制约了它的发展。为缓解频谱资源的缺乏，人们提出了认知无线电（CognitiveRadio，CR）技术。CR可“二次利用”授权频谱，为频谱资源的缺乏提供了一个解决办法。虽然多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系统能提高传输的可靠性，但是移动终端的功率，体积等因素制约了MIMO系统在实际中的应用。为此，Sendonaris等人提出了协作通信技术，即通过虚拟天线阵列使移动终端获得空间分集的技术。协作通信的基本思想是利用通信网络中节点与节点之间的协作，从而共享传输路径。并且协作通信技术非常灵活，可与多种技术相结合，以突出各自的优势。本文主要研究了协作通信在认知无线电（CR）中的应用。主要工作及创新点如下：（1）详细介绍了协作通信技术和CR技术，包括它们提出的背景、研究现状。（2）在认知无线电系统系统中，当次用户（Secondary User，SU）与主用户（Primary User，PU）共用同一频谱时，为了不造成对主用户的干扰，SU的发射功率往往很小，致使SU网络的中断概率很高。但是，如果SU能获得周围节点的协作并且选取最佳中继集合进行中继转发，那么SU网络的中断概率会降低。因此，本文在第3章提出一种在CR系统中的最佳中继集合选择方案，并推导了基于该方案的SU网络的中断概率。仿真结果表明，本文建议方案能显著降低SU网络的中断概率。（3）频谱感知技术是CR的核心技术，但是，传统的频谱感知算法性能较差，且部分文献提出的频谱感知算法虽能提高频谱感知性能，但是是以消耗大量功率为前提的。为了改善频谱感知的性能同时节省功率，本文在第4章提出一种基于双门限和机会协作的频谱感知算法，并推导了基于该算法的频谱感知性能。仿真结果显示，本文建议算法能提高频谱感知性能并且能节省功率。（4）在传统的协作频谱感知系统中，人们总是假设报告信道，即各个SU至融合中心的信道，是理想信道。但是，在现实中，报告信道必定受到噪声和衰弱等因素的影响，这导致信道中存在误码，即SU发送的感知结果与融合中心收到的感知结果不一致，这最终会影响协作频谱感知的性能。因此本文在第5章提出一种基于SU协作和最佳中继选择的协作频谱感知算法，旨在降低报告信道的误码率，最终提高协作频谱感知性能。仿真结果显示，本文建议算法可以显著提高协作频谱感知的性能。