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随着无线通信技术的飞速发展,频谱资源日趋紧张,而认知无线电技术正是解决频谱短缺的最有前景的技术之一。对于不同的认知无线电系统,研究的系统性能可能不同,对于节点能量受限的系统,往往研究如何提高系统能效;而对于数据传输效率要求较高的系统,往往研究如何提高系统吞吐量。本文着重从频谱感知的角度研究提高系统能效的感知方案,而从频谱接入的角度研究提高系统吞吐量的频谱接入方案。主要研究内容与成果如下:1)研究了MAC层感知-传输时隙结构对认知无线电系统能效的影响,提出了能量有效的感知时隙调度优化方案。针对多信道多用户认知无线电系统场景,综合考虑协作频谱感知、频谱切换和数据传输过程对系统能效的影响,建立了认知无线电系统的能效模型,探索并发现了感知时间对系统能效的控制机理;提出了能量有效的感知时间优化问题,通过优化频谱感知时间使得系统能效达到最大。理论和仿真结果表明,切换机制下的多用户协作感知系统依然存在感知-能效折中关系;当系统参数给定,总是可以找到最优的感知时间,使系统能效达到最大。2)研究了MAC层频谱接入与系统吞吐量的关系,提出了基于部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)理论的认知用户频谱接入优化算法。针对单信道场景,提出了POMDP贪婪接入算法,其利用信道状态的预测值来选择接入行为,节省了部分感知时间,提高了系统吞吐量。针对多信道场景,介绍了POMDP次优接入算法,对其加以改进提出了POMDP两步接入算法,后者通过逐级优化感知信道选择和接入信道选择,提高了频谱接入的准确性与系统吞吐量。结合频谱聚合技术,进一步提出了POMDP自适应接入算法,该算法使得认知用户能够根据系统状态自适应地调整感知信道的数目,并通过频谱聚合技术将感知到的所有空闲信道聚合起来传输数据,从而提高了系统吞吐量。仿真结果表明,该算法相比现有算法进一步提高了系统吞吐量。上述研究工作对设计高效的认知无线电系统MAC协议提供了一定的理论和技术支持。