在当前的频谱管理机制中，大部分频段已经固定地分配给了主用户（PU，Primary User，也叫授权用户），而只留有小部分频段给次级用户（SU，SecondaryUser，也叫非授权用户）使用。然而，随着通信技术的迅猛发展以及无线业务量的快速增长，有限的频谱资源已渐渐无法满足各种无线通信系统的需求。事实上，造成频谱资源稀缺的最主要原因是由当前固定频谱分配机制所引起的低频谱利用率。为了提高无线频谱资源的利用率，认知无线电（CR，Cognitive Radio）技术被提出，并在过去的十几年里得到了飞速发展。认知无线电技术的基本思想是，在不对主用户引入有害干扰的情况下，允许次级用户使用授权频段来传输自身数据。在该过程中，认知无线电需要解决两个最关键的问题：频谱感知（SS，Spectrum Sensing）和频谱接入（SA，SpectrumAccess）。一般地，在认知无线网络（CRN，CR Network）中，次级用户在传输自身数据前，必须先进行频谱感知来搜寻周围可使用的授权频谱，包括空闲频段和干扰受控频段。然后，次级用户根据感知结果来调节传输参数，并确定最佳的传输方式进行频谱接入。受多径衰落和阴影效应的影响，传统频谱感知和频谱接入技术的性能会大大降低。为解决这一难题，协作传输技术被引入到认知无线电中，并成为当今通信领域的研究热点和难点。然而，如何将协作传输（CT，Cooperative Transmission）技术有机地融合到频谱感知和频谱接入中，还有许多问题亟待解决，其中最基本的四个问题为：协作感知开销（包括感知延迟、汇报数据量、能量消耗等）问题、相互干扰问题、连续次级传输问题和高能效认知协作传输问题。能否有效地解决这四个相互影响的难题，决定了基于协作传输认知无线网络的整体性能。为此，本文研究了如何利用协作传输技术来提高认知无线网络中频谱感知和频谱接入的性能，从而为构建开销低、可靠性好以及能效高的认知无线系统奠定理论基础。本文主要的研究内容及创新点如下：第一，研究了低开销的协作感知问题。众所周知，采用协作传输技术可以大大提高频谱感知的精度，并且参与协作的次级用户数量越多，感知精度就越高。但是，大量次级协作用户会造成巨大的网络开销，例如感知延迟变长，能量消耗增高和相互干扰加剧等。针对上述问题，本文首先提出了一种基于选择汇报和序贯检测的智能协作感知机制。论文研究了该机制感知时间分配的最优化问题，并设计出了两个最优准则，分别用于最大化感知精度和最小化感知时间。仿真结果表明，该机制不仅可以提高感知精度，还能降低感知开销。然而，与大多数现有的协作感知机制一样，该机制需要专门的公共控制信道（CCC，Common ControlChannel）来汇报本地感知结果，这会增加额外的管理成本，同时也不利于节省信道资源。为此，论文提出了两种基于节点选择的协作感知机制。该机制考虑了主用户和次级用户之间的相互干扰，并通过选择最佳协作节点和控制汇报节点的发射功率，实现了可以直接通过感知信道来汇报本地感知结果，而不需要专门的汇报信道。仿真结果表明，该机制可以在不降低感知精度的情况下，减少感知开销。同时，通过优化感知时间分配，可以最小化漏检概率和感知开销。第二，研究了抗干扰的协作传输问题。实际中，由于各种不同的主用户和次级用户共存于同一认知无线网络，它们在传输数据时会形成相互干扰。这种干扰不仅会使主用户的传输性能下降，而且会降低次级用户频谱接入的性能。为解决这一难点，本文首先提出了一种基于干扰消除和最佳中继选择的衬垫式（Underlay）协作频谱接入机制，用于在严格功率限制条件下提高次级传输的性能。该机制将干扰消除有机地融入到次级最佳中继选择和次级分集接收中，以此来抑制主用户的干扰。仿真结果表明，该机制不仅可以降低次级传输的中断概率，还可以增加次级传输的分集增益。然后，本文提出了一种基于功率控制和干扰消除的覆盖式（Overlay）协作频谱接入机制。在该机制中，次级用户一方面通过控制其发射功率来保障主用户的通信质量，另一方面通过消除主用户的干扰来提高次级传输的性能。仿真结果表明，在给定主用户服务质量（QoS，Quality of Service）的要求下，该机制可以显著提高覆盖式次级传输的性能。第三，研究了连续的次级协作传输问题。造成次级传输不连续的因素主要有两点：一是主用户再次使用空闲频段，迫使次级用户立即停止数据传输并退出当前所占用的频段；二是次级用户移出了其源用户的传输范围。为解决第一个问题，本文提出了一种基于功率控制，协作中继和波束形成的自适应认知协作传输机制。在该机制中，次级用户在主用户不存在时直接接入授权频谱进行数据传输，而在主用户存在时通过中继用户的协助，并控制发射功率来进行数据传输。此外，为抑制主用户的干扰，次级目的用户使用波束形成技术来接收数据。仿真结果表明，该机制可以在保障主用户通信质量的情况下，降低次级中断概率。为解决第二个问题，本文提出了一种利用认知中继来实现连续次级传输的协作通信机制。该机制不仅考虑了主用户和次级用户的相互干扰，还考虑了次级用户之间的干扰。该机制一方面通过功率控制技术来减少对主用户的干扰，另一方面通过干扰消除和传输时间优化技术来抑制次级用户间的干扰。仿真结果表明，该机制既可以保证次级上行传输和次级下行传输的连续性，又能降低次级传输的中断概率。第四，研究了高能效的认知协作传输问题。认知无线电不仅可以解决频谱资源的稀缺问题，同时它还被认为是一种可以实现绿色通信的先进技术。为了探索认知无线电在绿色通信中的应用，论文提出了一种基于认知协作传输的高能效通信机制。在该机制中，次级用户首先通过协助主用户传输数据来换取一些授权频谱。然后，利用网络协作在非授权频谱和换取的授权频谱上进行数据分流，从而达到降低次级传输功耗的目的。仿真结果表明，该机制可以在不牺牲主用户通信质量的情况下，大大减少次级传输的功耗。