随着通讯技术的广泛应用,频谱需求量急剧增加,目前的未授权频谱过于缺乏很难满足这一趋势。然而,根据统计,大多数的授权频段都存在利用不足的问题。认知无线电(CR)被认为是一个有前途的先进技术,可用来解决这频谱稀缺和效率低下的矛盾。认知无线电这个概念,简单来说,定义了一个以扫描频谱空穴为目的的通信设备,可根据主要用户的信道边信息(CSI),在空置频段上传输数据,并保证避免干扰这些主用户。本论文的工作如下：首先搭建了以802.22草案为基础的无线认知协作感知平台；基于该感知平台的基础上,我们构建了传输层和下层感知层之间的跨层结构框架。然后我们分别在感知模块和传输层的流控制模块作了进一步讨论：在感知模块中提出了多天线频谱感知模型,在传输层的流控制模块我们采用网络演算的方法对认知网络的性能边界做出估计。协作感知技术作为认知无线电技术的关键技术成为近些年研究的热点。本论文介绍了近年来提出的协作感知技术和合并优化策略,分析了各个协作技术的优劣；以802.22草案,建立了协作感知仿真模型,对合并优化策略进行仿真,并对不同协作方式下的感知特点进行了较为深入的剖析。认知无线电网络具有动态频谱接入的特性,这是完全不同于传统网络的创新基础设施。因此,对网络设计的适应性更加严格。在本论文中,我们构建了时频共享方式(underlay)下上行数据传输的传输层、媒体接入层和物理层的跨层的网络结构。频谱和功率分配的目的是在满足主用户的干扰温度限制,以及与服务请求的条件的情况下,合理地实现最大吞吐量。具体来说,在媒体接入和物理层,调度方案尽量保持服务质量和服务接入能力之间的平衡；在传输层考虑到实际的下层网络的资源供给,提出流量控制模型,该模型是建立在马尔可夫链模型之上,用以维持稳定和保证效率服务。模拟结果显示了跨层设计的流控制设计与传统的非跨层设计相比有着显著改善。接下来,我们提出了一种多天线频谱感知新的结构,来解决如深衰落信道条件恶劣的信噪比墙的问题。我们的目的是用并行信号流自相关矩阵的奇异值分解(SVD)来尽可能利用空间分集的。为了评估其性能,该方案的评估指标ROC被推导成了闭式解。此外,用标准化星座的距离,在相同的噪声方差下,比较我们的方案与传统的能量检测,测量出信号空间距离的标准。模拟结果显示：特别在低信噪比情况下,性能有显著的提高。在本文中,我们采用两种业务模型,通过随机网络演算对认知无线电网络的性能边界进行分析。首先,根据系统模型和随机网络演算得出授权用户和认知用户随机服务曲线；接着,用最小加卷积和独立情况分析两种方法推导出对于授权和认知用户的缓冲大小和时延的边界的一般表达式；最后,对数值结果和仿真结果进行了比较和讨论。