认知无线电技术通过对频谱资源的二次利用实现了授权系统与认知系统之间的频谱共享,从而有效提高了频谱利用率,缓解了目前无线通信系统中频谱资源短缺的现象。因此,认知无线电技术作为提高频谱利用率的最佳方案而受到广泛的重视。然而,如何实现认知无线电系统对已授权频谱资源的有效利用是亟待解决的重要问题。首先,传统的动态频谱分配机制侧重于避免认知网络之间干扰的研究,虽然能够实现认知网络之间的频谱共享,但却无法保证认知系统的可靠性；其次,传统的频谱接入机制研究在频谱检测不理想时及在干扰温度限制条件下的接入机制,旨在避免对授权系统的干扰,但却忽略了对认知系统的频谱接入机会及正常通信的保障；最后,认知系统中频谱资源具有多维特征,但传统的资源优化机制仅利用频谱资源的单个特征实现频谱资源与业务的匹配,然而联合考虑多维特征才能实现频谱资源与业务的最佳匹配。因此,本文以实现认知系统对频谱资源的有效利用为研究目标,研究了上述三种机制,取得了如下的创新性成果。本文在动态频谱分配机制方面的创新成果如下：针对认知网络中频谱资源的不稳定性而引起的掉话率现象,本文首次提出了基于风险分担机制的动态频谱分配机制,通过多个认知网络或小区分担丢失频谱资源的风险,从而降低了认知系统中掉话率,提高了整个认知系统的可靠性。为了降低上述机制在认知宽带系统中的实现复杂度及系统信令开销,本文权衡了认知系统的可靠性与频谱连续性,设计出了自适应动态频谱分配机制,该机制通过衡量认知系统中业务类型的分布,设定认知系统可靠性门限,采用最优化方法选择出满足可靠性门限的连续频谱资源。针对频谱不稳定性而引起的认知系统中的频繁频谱切换,本文提出了基于业务分裂机制及频谱映射的网内动态频谱分配机制,该机制将业务流分裂为基础层数据流与提高层数据流,并映射到具有不同稳定度的频谱资源上,从而提高认知系统的鲁棒性,降低频谱切换率。本文在频谱接入机制方面的创新成果如下：针对认知网络中频谱检测过程存在的检测误差现象,本文提出了基于频谱预测的频谱接入机制,该机制提出了一种新的基于SVM的频谱预测方法,利用该方法实现有效的频谱预测,从而对检测结果的正确性进行实时评估并修正；该机制适用于认知系统利用授权系统在时域-频域上的频谱空洞的场景。针对授权系统对频谱资源的干扰温度限的要求,本文分别提出了考虑多用户功率控制机制的授权系统上行链路以及下行链路的干扰模型,用于指导不同地理位置的认知终端的频谱接入及发射功率,该机制有效避免了对授权系统产生恶劣干扰,并保证了认知系统的正常通信,适用于认知系统利用授权系统空域-频域上的频谱空洞的场景。本文在资源优化方面的创新成果如下：针对认知系统中频谱资源的多维性特征以及业务的多样性,本文提出了基于频谱多维特征联合描述的资源优化方法,建立了频谱资源与认知终端承载业务的匹配关系,在这个匹配关系中充分考虑到了业务类型、认知终端的地理位置、授权系统的干扰温度限要求、认知终端与授权终端之间的频谱间隔及频谱的暂间性特征,实现了认知系统对频谱资源利用的有效性。论文最后对全文进行了总结,并指出了今后的研究方向。