认知无线电技术是解决频谱短缺,提高频谱效率的有效手段。通过对周围无线频谱环境进行感知,认知无线电用户可以识别自身所处的频带是否已被授权用户占用,并通过有效的传输方案合理利用无线信道上的频谱空穴(Spectrum Hole),在传输信号的同时,使其产生的同信道干扰强度可以被授权用户所接受,从而达到对授权用户的保护。认知无线电技术代表了未来无线通信发展的新方向,为此,获得了国内外学者的广泛关注。本文在“中央高校基本科研业务费专项资金(编号017125)”资助下,对频谱感知,帧结构设计,通信协议设计等问题进行了深入研究,并给出性能分析和设计方案。具体研究工作如下：1.频谱感知性能分析方面,研究更为一般的无线衰落信道模型下的频谱感知能量检测性能。重点考虑高信噪比和低信噪比情况。在高信噪比情况下,根据漏检概率的表达形式,提出了感知增益这一概念,并利用这一概念对常见的衰落信道模型和分集接收方案进行了量化。在低信噪比情况下,给出了虚警概率和检测概率的近似关系,并将这种关系推广到协作频谱感知情况。最后,考虑了控制信道上的传输错误对频谱感知性能的影响,推导出了虚警概率、检测概率的取值上下界与传输错误概率的函数关系。在假设所有控制信道上错误概率均相等的前提下,给出了这个错误概率的取值上界。2.协作频谱感知方案设计方面,考虑了突发式授权用户信道模型下的协作频谱感知性能优化问题。给出了感知错误概率在突发信道模型下的表达形式,称之为平均错误概率。为达到合理利用授权信道的目的,构造了以平均错误概率为目标函数,以最大后验漏检概率为限制条件的优化问题。研究分别给出了最优融合法则求解算法(称为算法Ⅰ)和最优融合法则及最优能量检测门限求解算法(称为算法Ⅱ)。数值结果表明,利用算法Ⅰ和算法Ⅱ得到的平均错误概率取值与相应的理论最小值(利用穷收索获得)相吻合。这意味着信道的利用率达到了最大。3.帧结构设计方面,提出以正确接收的比特速率作为吞吐量指标的优化问题,并分析了数据链路层的感知-吞吐量折中,给出了令吞吐量最大化的感知长度求解算法,称为算法Ⅲ。研究进一步将问题推广到协作频谱感知情况,在并行网络模型下,为最大化认知无线电用户吞吐量,给出了最优感知时隙长度和最优融合法则的求解算法,称为算法Ⅳ。最后,在连续变化的感知信噪比下,我们将利用算法Ⅲ和算法Ⅳ所获得的吞吐量与通过固定帧长,固定融合法则所获得的吞吐量进行了比较。4.协作通信协议设计方面,对突发式授权用户信道模型下的认知无线电用户协作传输问题进行了深入的讨论。提出了放大中继传输方案以及基于重复的放大中继传输方案,并分别推导出中断概率,分集阶数和传输时隙的数学表达式。最后对以上指标进行了深入的比较,结果表明：基于重复的放大中继传输方案在可靠性方面(中断概率,分集增益)优于放大中继传输方案,但放大中继传输方案在有效性方面(传输时隙)优于基于重复的放大中继传输方案。综上所述,本文针对认知无线电网络物理层和数据链路层进行了深入的讨论。在物理层方面,着重给出衰落信道下能量检测的性能分析；在数据链路层方面,着重构造新的认知无线电网络性能优化模型并提出对应的优化算法。本文提出的性能分析和设计方案可以应用在认知用户构成的无线局域网,Ad-Hoc网络和无线传感器网络中。