在智能手机、平板电脑等设备以及社交网络、流媒体、在线游戏等业务的驱动下,移动通信网络的流量呈指数级增长。在这种情况下第五代移动通信技术(fifth generation mobile communications,5G)应运而生。5G的重要需求之一是容量1000倍增长,容量增长的途径主要有异构组网、新频谱资源、高效传输技术等,其中又以异构组网和新频谱资源对容量增长的贡献最为显著。而认知无线网络即致力于解决这两个问题,以改善频谱利用效率、提升无线网络容量为目标。认知无线网络可以获取多域(无线域、网络域、政策域、用户域等)的环境和资源信息,即认知信息。在准确快速的认知信息获取和传递的前提下,认知无线网络通过学习、决策和执行来重构网络参数,通信协议,网络拓扑,甚至硬件结构,从而可以适应动态变化的环境,提升认知无线网络的容量。具体到本文侧重的无线域的频谱资源,快速准确的认知信息获取和传递是认知无线网络高效频谱利用的前提。高效地接入无线域的空间、时间、角度、高度等维度的频谱机会是实现认知无线网络高效频谱利用的重要方法。而容量提升是认知无线网络高效频谱利用的目标。因此为了实现认知无线网络的高效频谱利用,本文首先研究认知信息获取和传递,在此基础上研究多维频谱接入,并且分析多维频谱接入带来的容量提升。本文主要研究内容如下：(1) 认知无线网络中认知信息表征、度量和传递理论。为了实现快速准确的认知信息获取和传递,本文研究认知信息的表征和度量。首先研究认知信息的表征理论,针对空间和时问维度的认知信息,使用“地理熵”和“时间熵”描述空时频谱状态的不确定性,使用“无线电参数误差”描述认知信息表征的错误率,并且分析地理熵、时问熵、无线电参数误差的数学性质。其次建立认知信息度量理论,使用“认知信息量”统一量化多维认知信息,得到认知信息量与频谱利用率、系统干扰概率的关系,并将认知信息量应用于频谱检测的参数优化中。最后本文基于认知信息表征理论设计快速准确的认知信息传递方案,实现移动环境下的认知信息高效传递。(2) 认知无线网络空时二维频谱机会。空时频谱接入可以提升认知无线网络的容量,但是在之前的研究中空时频谱空洞的位置计算一直是个空白。本文为空时频谱检测和接入设计了“黑白灰”三区划分的架构。其中黑区只允许主用户部署,灰区的次用户有时间维度频谱机会,而白区的次用户有空间维度频谱机会。本文从理论上得到了三区的边界,获得了灰区和白区之间的过渡区存在的条件,并且通过动态频谱租赁的视角得到最优的黑区半径。最后,本文仿真展示了三区半径和系统参数的关系,并且验证了空时频谱接入可以填补主网络的“容量盲区”,提升整个区域的容量。(3) 认知无线网络角度维频谱机会。为了扩展认知无线网络的传输自由度,提升认知无线网络的容量,本文研究认知无线网络利用角度维频谱机会的容量尺度律。本文首先分析角度维度频谱机会的统计特性,得到角度维度频谱机会的概率密度函数及期望。然后考察次网络利用角度维度频谱机会的情况下对主网络的影响,基于此设计了主次网络的网络协议,以保证二者可以正常工作。最后本文分析采用方向性传输的认知无线网络的容量。这部分的研究证明了：相比于利用空时维度频谱机会的情形,认知无线网络采用角度维度频谱机会可以进一步提升网络容量。(4) 认知无线网络高度维频谱机会。为了进一步提升认知无线网络的容量,本文研究利用高度维传输自由度的认知无线网络容量尺度律,构建3D (Three Dimensional)认知无线网络,以充分利用高度维频谱机会。本文首先设计了3D认知无线网络的网络协议,以保证主次网络正常工作。然后本文通过分析3D认知无线网络的路由密度与干扰,得到3D认知无线网络的容量尺度律,理论证明了：相比认知无线网络的二维部署,认知无线网络利用高度维度的频谱机会可以提升网络容量。最后对本文的主要工作进行了总结,并且对未来研究进行了展望。