在信息传输日益频繁的时代,频谱资源作为数据高速传输的保障,变得越来越紧张。当前无线通信采用静态频谱分配的方案,大多数频段已被授权用户独享,一些新兴的无线传输技术只能使用资源较少的非授权频段;另一方面,授权频段无法被全天候地充分利用,存在许多频谱空穴。认知无线电技术可以在不干扰授权用户的同时,对这些频谱空穴进行检测和利用,从而提高频谱利用效率,近年来得到学术界的广泛关注和研究。由于技术和政策的限制,认知用户无法将频谱空穴完全利用,因此把认知系统在可利用的频谱空穴上获得的传输容量称作认知有效容量,作为衡量认知无线电系统性能的参数。首先从认知循环过程中发现,有效容量受到频谱感知和频谱分配的影响。由于频谱感知误差的存在,会有漏检和虚警的情况出现,漏检情况导致主次用户发生冲突,虚警使得认知用户错过可用的频谱机会;检测到频谱空穴之后,频谱管理和分配方案也会使得频谱利用效率不尽相同。本文从这两个环节入手研究了认知系统的有效容量。然后本文建立单信道认知无线电模型,系统采用“感知-传输”认知帧结构。通过能量检测方法,分析了感知时间和检测带宽等参数与频谱感知精度的关系;并对有效容量与感知时间之间的关系进行了分析,仿真得出最佳感知时间的取值,这不仅可以作为帧结构设计的参考,而且可以获得系统的最优平均认知有效容量。在单信道模型的基础上建立多信道认知无线电模型,改进了认知帧的结构,加入信道切换时间模块。将信道按照状态分为空闲、授权用户占用、认知用户占用三种,信道各状态之间的转移是马尔科夫过程。给定授权用户的业务特征之后,得出系统处于稳定状态时的概率;当授权用户以泊松过程到达系统时,认知用户在当前信道没有检测到授权用户便可以继续传输数据,否则需要进行信道切换。成功切换到空闲信道的概率和未找到合适信道而被中断通信的概率表征了信道切换的性能;在继续传输、切换和中断三种情况下,认知用户所获得的有效容量不同,结合其切换概率分析得到在一个周期内认知用户的平均有效容量。最后探讨了如何使系统获得最优有效容量,通过分析有效容量和感知时间的关系,得出多信道认知帧结构中的最佳感知时间;当系统总的频谱带宽一定时,各信道的带宽取决于信道的数量,分析不同授权用户活跃程度下有效容量随信道数目的变化规律,得出适合于不同授权网络的最佳信道数,为认知无线系统的建立提供了参考依据。