近年来,随着无线通信技术的飞速发展和无线网络设备的广泛应用,人们对于频谱资源的需求越来越大。然而美国联邦通信委员会的调查显示,人类对于频谱资源的利用存在严重的分配不均现象。未来,频谱资源短缺必将成为制约无线通信技术发展的瓶颈之一。认知无线网络作为一种高效的频谱资源再分配方式应运而生。其核心思想是,具有认知功能的系统,通过感知频域、时域空间的频谱环境,寻找已授权但未被使用的空闲频段,在不对授权频段用户正常通信造成干扰的条件下,实现频谱资源的共用,提高频谱资源利用率。如何针对认知无线网络中的非授权用户和授权用户,设计合理高效的信道接入协议,并对其性能进行建模和分析,一直是相关领域的难点问题。本文的研究工作即围绕上述问题展开,主要创新性工作包括:(1)在传统的基于公共控制信道的认知无线网络信道接入协议的基础上,设计了一种基于主用户业务优先级分类的认知无线网络信道接入协议,并分析了该协议下的认知无线网络吞吐量上界,为协议参数设置提供理论指导。该协议将授权频段用户记为主用户,将非授权频段用户记为认知用户。协议可分为竞争阶段,信道预约阶段和数据传输阶段。竞争阶段主要是认知用户用来竞争授权信道使用权,信道预约阶段则是认知用户收发节点对之间信息确认的环节,数据传输阶段则是认知用户收发节点对调谐到授权信道进行数据传输的过程。该协议旨在通过四次握手机制和主用户优先级分类机制,减少认知用户因等待授权信道空闲而浪费了的信道带宽和认知用户与主用户间的冲突,在提高网络饱和吞吐量性能的同时尽可能的提高用户的服务质量保障。仿真结果证明了协议的有效性。(2)针对认知无线网络饱和吞吐量求解问题进行数学建模与分析,提出了一个二维马尔科夫链模型。在该模型中,通过引入“伪状态”用于区分认知节点在公共控制信道和数据传输信道中两种不同的冲突概率,并提出虚拟退避过程的概念,成功的解决了因公共控制信道节点数量变化而引入的冲突概率计算误差问题。该模型将认知无线网络吞吐量求解转化为公共控制信道上的成功预约问题,将多信道问题的求解转化为单信道问题来解决,得到了网络饱和吞吐量的数学表达式。理论结果与网络仿真环境下的仿真结果的对比证明了该模型的有效性,为协议的性能改进和参数优化提供了理论基础。