作为认知无线电技术与Ad hoc网络的结合,认知Ad hoc网络既具备传统Ad hoc网络的多跳、分布式控制、缺乏固定设施和自组织等固有特征,又可以通过频谱感知、频谱共享和多信道切换等智能化的认知功能来提升有限频谱资源的利用率,实现与多种异构无线网络的有效融合。因此,认知Ad hoc网络可以被广泛地应用于多种通信场景。然而,随着现有授权通信网络(例如宏小区、微小区和微微小区)结构的日益多样化和覆盖范围的日益小型化,认知Ad hoc网络在时间域和空间域上正面临着越来越为显著的频谱可用性差异,即处于不同物理位置的认知节点可能具备不同的可用频谱资源。为克服频谱异构环境带来的通信困难,认知Ad hoc网络需要交互大量的控制信息来为认知通信双方协商出彼此皆可用且不受授权和其它认知用户干扰的频段和通信机会。现有研究已表明,通过将具备类似可用频谱资源的相邻认知节点划分为同一节点簇,可以有效地提升认知Ad hoc网络控制信息交互的效率。为此,本论文的研究重点是为认知Ad hoc网络设计一整套基于节点簇的高效的控制信息交互机制。首先,为提供节点分簇所需的必要信息,本论文提出了一种适用于频谱异构环境下分布式网络中信息聚合机制。通过将全网节点的拓扑及频谱信息聚合到唯一的一个随机节点上,该机制能够有效提高后续节点分簇过程的鲁棒性,并为减少节点分簇数量和降低簇间控制交互开销奠定信息基础。仿真分析表明,与现有的频谱异构环境下的网络信息聚合机制相比,本论文所提出的信息聚合机制能有效的减少分组发送量并缩短时延,具备更佳的能效和时效。其次,本论文将频谱异构情况下的节点分簇问题转化为频谱同构情况下的多个节点分簇子问题,并设计了两种适用于频谱异构环境的认知Ad hoc网络节点分簇算法,即基于集合覆盖理论和基于最大连通度的分簇算法。仿真分析表明,与已有的频谱异构分簇算法相比,本论文所提的两种分簇算法能够在满足一个预设的每簇内公共信道数量(即鲁棒性)下限的前提条件下,以更少的节点簇数量和更高的簇间控制信息交互效率完成对全网节点的覆盖,从而取得了分簇结果的鲁棒性和簇间控制信息交互效率的更佳折中。最后,在节点分簇的基础上,本论文还进一步提出了一种基于Hamilton圈的簇间控制信息报文交互机制。在频谱异构的环境下,该机制通过为每个节点簇的簇内和簇间控制信息交互提供互不重叠的交互时段,从而为全网控制信息的有序流动提供了可靠保障。仿真分析表明,与已有的频谱异构控制信息交互机制相比,基于Hamilton圈的交互机制能够有效降低认知Ad hoc网络控制信息报文交互的平均冲突次数,并提供更为平稳的报文交互时延以适应各类型业务传输。同时,在认知节点可用频谱资源动态变化的情况下,该机制依然具备良好的鲁棒性。