由于无线电需求广泛,但是自然可用频谱有限,人们的研究关注在如何有效利用现有频谱。目前,频谱分配方式为静态方式,即通过时段和地理位置进行划分,以至于不能充分利用可用频段。为了解决这一问题,联邦通信委员会(federal communication commissions,FCC)在使用软件定义无线电(software defined radio,SDR)中引入动态频谱接入(dynamic spectrum access,DSA)的同时,规定允许机会的使用许可频谱。认知无线电(CR)通过根据环境条件改变频率、功率、调制等工作参数使动态频谱利用成为可能。使用这种方法,必须修改现有的TCP/IP堆栈使其兼容动态频谱接入和认知无线电技术。公共控制信道(common control channel,CCC)在认知无线电媒体接入控制(cognitive radio medium access control,CR-MAC)层和认知无线电网络层中起着至关重要的作用。因此,认知无线电ad-hoc网络(cognitive radio ad-hoc networks,CRAHNs)中的有效路由选择依赖于可靠的控制信道。在多信道自组网中,信道专用于交换控制消息。这样在控制信息交换期间(称为ATIM窗,ad hoc traffc indication message window),所有节点在交换控制消息和争用数据信道的时候都是通过控制信道同步的。然而,CRAHN的机会访问授权信道没有一个专门的、可以机会的访问授权信道的控制信道用于节点同步,所以导致多信道隐藏终端的干扰造成的网络吞吐量降低,能量消耗增加。因此,CRAHN的性能依赖于媒体访问控制和符合DSA规则的路由算法的有效设计。目前的CR-MAC和路由算法设计都是基于带内带外的,有一些内在的问题需要解决。首先,基于序列和组CCC的带内信息交换存在多渠道隐藏终端问题。同时,主用户(Primary User,PU)信道越多,频道会合时间越长,所以过剩控制开销增加,吞吐量严重受影响。类似地,入侵者攻击带外信息交换,导致单点网络故障。此外,蓝牙、Wi-Fi等无线技术,带外的CCC正在饱和,造成无线电干扰增加。因此,我们有必要修改现有的CR-MAC和路由协议标准,以解决节点同步、电源控制和干扰等问题,加强吞吐量,减少延迟。针对当前CR-MAC和基于CCC的路由算法中存在的问题,我们设计了“认知无线电自组网中的MAC和路由协议的性能提升协议”。通过最小化MAC层和路由层的控制开销来减少延迟,从而改善端到端连接,提高吞吐量。本文针对CCC设计中存在的问题,提出了数据链路层的双向CR-MAC协议和单向路由协议。首先,基于方向性天线的认知无线电自组网的软件定义,提出了为智能环境解决动态信道可用性障碍的建议。由于现有的许多CR-node通信使用的是基于工业科学医疗频段(ISM)的CCC或未使用授权的CCC。此外,在基于CCC的序列和群的情况下,交会时间较高,未授权波段或ISM波段容易饱和和干扰。因此,未授权带宽频繁遭受链接失败和控制头阻碍,降低MAC层协议的性能。在我们提出的方法中,使用有向天线用于提高频谱利用率,节约节点发射功率,减少干扰,利用混合控制信道和GPS来实现认知控制数据的共享。在此阶段,节点通过控制消息的交换,对常用的控制信道进行排序。在天线索引的帮助下,节点通过天线方向表与相邻节点进行通信。实验结果表明,基于软件定义CR-MAC协议,用全向天线度量时,我们设计的基于有向天线的混合CCC协议增强了基于CR-MAC协议的软件定义链路层吞吐量,减少了链路层延迟,同时最小化了节点能耗。其次,随着服务质量的提高,提出了一种基于q-学习和有向功率控制的混合方向CR-MAC协议,来帮助节点机动性地切换到非重叠异构信道。基于覆盖的“带内”和“带外”CCC可用于网络初始化、控制消息交换和同步。在认知无线电自组网络中,当信道可用性不断变化时,节点需要保持警惕。有了大量的空闲或未使用的PU信道,网络的设置和发现时间在带内CCC将会很大。同样,基于顺序和基于组的CCC,例如多信道隐藏终端和同步的DSA设计,也没有解决这些问题。另外,具有专用信道的带外CCC的同步速度相对快于带内CCC的情况。然而,静态或固定的控制信道容易受到入侵者的攻击,从而产生拥塞和制约,降低认知无线电网络的性能。尽管动态信道可用性问题是通过“基于方向性天线的认知无线电自组网的智能环境软件定义”的节点来解决的,即节点使用随机的通信道选择策略,节点选择非最优信道转发数据。使用Q学习算法,节点可以选择最佳可使用信道来传输数据。同时,除了允许相邻节点共享信道和提高吞吐量,我们使用定向传输功率控制,允许相邻节点重用信道的方案。节点根据接收到的信号强度与邻居通信,计算最优功率。仿真结果表明,采用该算法的节点能够自适应地选择最优信道传输功率,有助于实现高吞吐量和最小的功耗。最后,我们提出了具有干扰感知路由协议的认知无线电辅助传感网(cognitive radio assisted WSN with interference-aware routing protocol),使得增加吞吐量和减少WSN节点的延迟成为可能。因为共同控制信道决定吞吐量、能耗和消息路由,我们有必要采用端到端的有效CCC的路由算法,来选择具有较少延迟和较低控制开销的最短路径。现有的路由技术状态协议是基于带内或带外覆盖的。带内和带外技术均有尚未解决的问题,前者有高同步时间问题,后者有饱和和干扰问题。无线传感器节点在拥挤的ISM频段环境中工作(频段902 MHz/2.4GHz),在饱和和高碰撞率的情况下,在信道中会出现严重的性能下降。在本文提出的算法中,我们首先将传感器节点作为簇成员,认知节点作为簇头部和网关进行聚类。簇头和网关节点帮助将传感器数据转发到接收器并最终发送给终端用户。此外,认知节点基于无线自组网按需距离矢量路由协议(AODV)的功率控制算法对数据进行路由。仿真结果表明,与现有解决方案相比,我们设计的动态频谱接入解决方案,提高了吞吐量,最小化能源消耗,减少了消耗和延迟。