无线通信技术在近些年的快速发展带来了对频谱资源需求的增长,而可用的频谱资源总量是一定的,其在未来会面临日益紧缺的境况,也因此得到了广泛关注。然而对于频谱资源的利用方式,还停留在固定划分的机制,显然这已经成为了制约提升频谱资源利用率的瓶颈。另外,目前仍存在一定量的频谱并未得到充分利用,例如偏远地区的电视频段等等,这种浪费情况也非常常见。些机构和研究单位(如FCC)开始寻找频谱资源高效利用的途径。近年来提出的认知无线电技术是很好的解决方案。它的核心是让授权用户与其他用户一起共享频谱资源。这需要无线用户装备能够根据网络状态变化而进行动态调整各种网络接入参数的能力。在过去的几年中,认知无线电技术已经取得了很大的进步,其理论知识也逐渐被构建完善。我们则重点研究了其中的MAC层关键技术问题,主要从三个方面展开。首先是频谱感知技术,这是具备认知能力的最核心最基础的功能,通过它可以得知频谱的使用状态；然后是频谱接入方面的研究,在检测到空闲机会频谱之后,需要调整相关网络参数进行频谱接入,如此才能提升频谱资源的利用率；最后我们创新地提出将二者相结合的思路进行研究,将二者中影响与制约频谱资源利用率、对授权用户的干扰和能量损耗等的因素进行综合考量,提出更有整体意义的研究思路。本文的主要贡献与创新点如下。1.我们提出了一种可选检测周期的频谱感知优化算法SSPO,每个次用户可以根据检测到的信道状态的不同来运用不同的周期进行频谱检测。以往的大多数研究中均是考察固定检测周期的优化,这种方式可以处理频谱资源利用率和对授权用户的干扰二者之间的权衡,却很少有研究考虑到次用户在进行频谱感知和数据传输过程中的能量损耗。而作为实际的认知无线电系统,次用户往往是能量有限的终端设备,选用可选检测周期的机制相比传统的固定检测周期机制,极大地促进了处理频谱资源利用率和能量损耗之间权衡问题的灵活性。通过分析和实验证明,在同样的能量约束条件下,SSPO能够比固定检测周期算法获得约22.8%的频谱利用率；而在同样的频谱资源利用率的情况下,SSPO要比固定检测周期的能耗降低约20.6%。2.设计了一种多用户的频谱分配与多信道的频谱分享机制。以往的研究大多是分开研究频谱分配问题或频谱共享问题,而很少有文章将二者结合在-起,但这种多用户多信道的系统才是最接近于实际系统的,因此将频谱分配与频谱共享在一起研究有其现实意义。我们创新地将次用户的网络服务体验作为了优化目标,引入了干扰概率来分析对授权用户的干扰状况,并运用排队论进行分析和研究了优化次用户平均数据传输率的方法。3.针对存在不同优先级等级的次用户的CR系统,我们设计了一种动态频谱接入策略。在以往的研究中仅仅考虑在发生频谱切换时,次用户与授权用户二者之间的关系。我们创新地根据不同服务需求类型将次用户进行划分,如此可以使得研究成果更有普遍和实际的意义。我们对授权用户、高优先级和低优先级次用户的用户行为分析模型。抽象成多维马尔科夫链模型,通过分析稳定状态变换找出影响两类次用户阻塞概率与跳出概率的因素,这也是影响频谱接入性能的重要因素。并通过实验证实。4.以往的研究中大多是将频谱感知与频谱接入独立开来进行研究,但二者之间存在相互制约关系。频谱感知的精确度与检测算法的选择会影响到频谱接入时的策略；反过来频谱接入机制也同样会对感知的算法有制约因素。我们提出了一种将二者相结合的机制,来更好地提升频谱资源利用率和尽可能地降低对授权用户造成的干扰。这也更加符合实际的应用场景,频谱感知的非精确性必然会对频谱接入策略产生影响。我们运用更新理论和排队论来分析整个系统的性能表现。