频谱资源的缺乏问题已经成为制约无线移动通信朝着宽带化、泛在化等方向发展的基本问题。近年来,认知无线网络为了解决上述问题而提出。认知无线网络是具备认知循环过程的网络。认知循环包括：认知阶段、学习以及决策阶段和执行阶段,周而复始,通过认知循环使得网络能够取得更高的频谱利用率。因此,本论文的工作重点在于如何解决在对现有的LTE协议栈在改动最小的基础上将认知循环的特性加入其中,并且与此同时能够保证授权用户受到较小的干扰以及最大化认知小区的吞吐量。为此,本文提出了一种基于LTE的分级频谱感知机制,充分利用TDD系统帧结构的特殊子帧进行低级频谱感知,以此为基础将认知循环特性引入无线资源控制层,并添加了相应的L1/L2控制信令以及RRC消息作为支撑信令。此外,还搭建了基于LTE的认知无线网络验证系统,实现所设计协议的功能并验证其正确性。具体而言,本文的主要内容组织如下：首先,对认知无线网络技术的背景、关键技术及已有的验证系统等进行了总结,对LTE的系统架构、空中接口进行了概述。在此基础上阐明了设计基于LTE的认知无线网络协议的必要性。其次,在对LTE空中接口分层进行深入分析之后,提出了基于TD-LTE的分级频谱感知方法及协议设计方案和基于LTE的在RRC层传输认知信息的方法与协议设计方案,并分别介绍了方案对应的协议过程与支撑信令,总结了方案的可行性与实现复杂度。然后,根据认知无线网络验证系统的实现简化方案,对LTE R8协议进行简化及认知功能的添加。设计了用于演示系统的协议栈软件的总体架构及功能架构,并仔细介绍了协议栈软件中的模块设计以及模块的实现方案。最终选定了利用多线程技术以及Socket网络通信技术实现协议栈间各个模块的通信。最后,对全文进行了总结,指出了今后可以继续研究和发展的方向。