随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源的分配日益紧张，使得新兴无线设备无法获得授权频谱。另一方面，来自联邦通信委员会频谱策略任务组的研究报告表明：在绝大部分时间，授权频谱的利用率低于10％。认知无线电技术的出现有效的解决了上述频谱资源的缺乏与利用率低的矛盾，它可以使未经授权的无线通信设备主动发现和合理利用授权频段的空闲频谱资源。近年来，受市场的强力驱动，对认知无线电技术的研究逐渐升温，并涉及到从物理层到网络层等多个层面关键技术的研究。　　 本文针对认知无线电间歇性连接、频谱抢占性等缺陷，对媒体接入控制(Media Access Control，MAC)协议及路由协议展开深入研究，以最大化空闲频谱资源的利用率，保证用户的最佳体验。认知无线电网络是由多个具有认知无线电收发器的网络节点以自组织的形式组建而成的无线网络。它与传统无线网络的区别在于：传统无线网络基于固定频段通信，而认知网络节点具有动态频谱接入特性，网络通信基于特定时间、区域、规则约束下的可用频段集合。认知无线电网络能够从根本上改善无线频谱资源利用不均匀的现状，是未来无线通信产业的发展方向，正逐渐通过标准化进入产业领域。次用户(非授权用户)可用信道的差异性和动态变化性使得认知无线电的媒体接入控制层着重解决以下问题：当次用户欲与其邻居节点通信时，在没有事先确定公共信道的情况下，它如何选择信道进行数据传输；当主用户(授权用户)返回时，次用户如何快速有效地实现信道的退避和切换；而且现有的认知MAC协议往往忽视了提高资源利用率以及间歇连接问题的解决。本文针对以上问题，设计出新的协议，将次用户分成组，信道以组为单位进行分配，组内成员采用一定的策略使用本组信道资源。另外，协议采用的中断避免机制能有效地克服间歇连接问题，其主要思路是：当某个组所使用的所有信道均让出时，该组寻找一条干扰温度低于阈值的“重叠”信道继续通信。该协议的主要优势在于极大地提高系统资源的利用率，减轻间歇连接问题以及保证频谱资源分配的公平性。　　 认知无线电频谱访问模型可分为公共模型(commons model)和独占模型(property-rights model)。使用独占模型的认知无线电网络显示出光明的前景：一方面，主用户愿意将空闲信道尽可能多地租给次用户，以获得高回报；另一方面，主用户与次用户协同工作，实现整个网络高效的频谱利用。本文针对独占模型的MAC协议展开深入的研究，提出一种相应的拍卖算法，该拍卖算法分为两个阶段。在第一阶段，保证将信道分配给尽可能多的次用户(满足用户的最小带宽需求)，而在第二阶段保证空闲信道尽可能分配完毕，提高资源利用率。仿真实验结果表明，所提出的MAC协议在最大化主用户收益的同时，能有效地利用频谱资源，达到较高的系统效率和较低的带宽浪费率。　　 相比传统无线网络路由协议，多跳认知无线电网络路由面临许多新的挑战。首先，由于无线频谱的动态感知和分割基于当前频谱的利用率，系统路由必须是频谱自适应的。其次，网络高层需要重路由机制来应对可用频谱和干扰模式的动态变化。最后，需要解决间歇连接问题引起的频繁路由失效，增强路由的可靠性与稳定性。我们在本文提出一种按需多路径的高可靠距离向量路由协议，该协议除了包括路由选择，也考虑了信道的分配与调度。新协议背后的主要设计想是：当次用户正在使用的信道被剥夺时，系统能够提供高效的容错和快速的恢复机制。为了达到该目标，所设计的协议从所有候选路径中找出最稳定者作为主路由，当主路由失效时，使用替代路由(与主路由最大不相交的路由)来代替主路由继续传输数据。　　 本文的研究成果形成了处理多数据流的认知无线电网络中频谱管理与选路问题的解决框架，对于缓解无线通信网络中的频谱资源紧张、提高资源的利用率、推进无线通信行业的发展都具有重要的指导意义。