无线网络正在重塑着我们的生活,但是单个无线设备有限的资源,尤其是通信资源,严重影响着无线网络服务质量的提升。因此,通过协作来提升单个设备甚至整个无线网络性能上限的协作无线网络得到了广泛关注。协作无线网络中有两个热门的协作技术,即协作通信技术和认知无线电技术。协作通信技术是一种能量协作策略,在该通信技术下中继节点消耗能量协助源节点传输消息,这样源节点便可以获得空间分集增益提升通信质量。而认知无线电技术是一种频谱协作策略。在认知无线电中,拥有频谱的主用户在不工作时允许急需频谱的次用户动态接入其频谱从而提升频谱的利用率。协作无线网络对传统网络模式进行了颠覆,也为网络中的资源分配带来了新的挑战。尽管目前存在不少提升单条通信链路性能的资源分配机制,但对保障无线网络整体服务质量的研究还比较缺乏。因此,本论文重点研究了能量协作策略和频谱协作策略下的资源分配机制设计,以保证无线网络整体的服务性能,如网络干扰、网络容量和社会福利等。本论文的主要研究内容和贡献如下:1.严重的网络干扰会导致数据重传和通信冲突,所以干扰是无线网络服务质量的一个重要性能指标。源节点在协作通信模式下能够利用中继节点的空间分集增益提升自身的通信质量,但是中继节点对网络造成的干扰却也不容忽略。因此,我们考虑了降低干扰的协作拓扑控制问题,尝试构建具有较低干扰的网络拓扑结构。我们先给出了一个干扰模型,该模型适用于传统通信模式和协作通信模式。然后,基于该干扰模型,本文提出了如何构建最小最大干扰的强连通拓扑和如何构建最小平均干扰的强连通拓扑这两个问题。针对第一个问题,我们设计了基于二分查找的最优算法DBS;针对第二个问题,由于其NP-困难性,本文设计了一个分布式的近似算法DBCT并理论上证明了算法的近似比为4。最后的实验数据证明了本章算法既可以有效降低网络干扰又能减少约30%左右的网络功耗。2.在认知无线电中,通常通过频谱拍卖的方式来为主用户采用频谱协作策略提供经济激励。为了提供足够的灵活性,拍卖通常是定期的一轮接一轮的举行。另外,为保证频谱资源能够分配给最需要的次用户,一般需要考虑拍卖的社会福利这一重要性质。然而,以往的研究仅仅关注单轮拍卖设计中社会福利的优化,却忽略了如何保障长期多轮拍卖的性能。针对这一状况,本论文首次考虑了在次用户具有预算约束的条件下,保证长期社会福利的定期频谱拍卖机制设计问题。结合原始-对偶方法,我们提出了一个定期频谱拍卖框架PSA和一个单轮频谱拍卖方案ORSA。经理论分析,ORSA满足多种重要经济性质,如真实性、个体理性和计算效率等。利用对偶拟合技术我们在理论上证明了在PSA框架下定期执行ORSA拍卖既可以保证单轮拍卖中的社会福利近似最大化又可以保证长期多轮拍卖后社会福利的近似比只有微小的损失。大量的仿真结果显示,从长远角度来看,PSA在各项指标上都远远优于以前的相关研究。3.为保证频谱资源可以在次级网络中得到高效的利用,本文以单跳认知无线电网络中的数据收集应用为背景,深入研究了网络中的信道及汇节点联合分配问题。特别地,我们仔细考虑了信道切换的延迟对网络性能的影响。针对最大化最小的次级传感器节点传输容量这一目标,先利用精细的数学技巧将问题形式化为混合整型线性规划问题,然后结合线性松弛技术和贪心策略本文设计了两个启发式算法。最后,大量的仿真实验证明本文算法能够获得近似最优的容量性能。4.协作认知无线电网络CCRN是将协作通信技术与认知无线电技术完美融合的网络模式。为了给主用户和中继节点提供经济激励促使其参与到网络协作中来,本论文研究了具有多个PU和多个次用户集团的静态CCRN场景中的拍卖机制设计问题。这里次用户集团是指愿意共享同一次级中继节点的次用户集合。我们将该问题模型化为一个分层拍卖并提出真实拍卖机制TERA和公平拍卖机制UERA两种拍卖方案。特别地,TERA是一个真实的拍卖方案而UERA是一个近似真实且能够保证公平性的拍卖方案。这两个方案都能保证许多关键的经济性质,如个体理性、预算均衡、供给限制和计算效率等。我们还从理论上证明了这两个拍卖方案都可以实现近似最优的拍卖收入。而最后的实验结果证明了 TERA和UERA可以使得次用户获得很好的容量收益,而且能够分别显著提高PU和中继节点的效用函数约125%和150%,从而可以有效的激励其采取协作策略提升次级网络性能。