认知无线电(Cognitive Radio, CR),是为提高频谱利用率而提出来的一种新型的无线电设计模式,其核心思想就是在对授权用户未造成干扰的情况下或者干扰在一定限制范围内允许未授权的用户以“伺机”的方式接入使用该频谱从而最大化的提高频谱利用率。频谱感知技术正是为解决“伺机接入”、避免干扰”和“提高频谱利用率”等认知无线电技术实现的首要关键技术问题。本论文主要研究了频谱感知中的信号的检测算法和具体应用场景下授权用户信号检测与识别问题及频谱感知帧结构(帧周期)优化设计问题,研究内容主要分为以下三部分：首先,本论文探讨了现有频谱感知技术的分类和面临的挑战,如信号检测、信号识别和帧周期优化问题,并研究了这些问题的现有算法。研究了认知无线电环境中GSM信号检测算法,分析对比了本文所提出的GSM信号检测算法和现有信号检测算法的优缺点,并给出了仿真验证等。最后设计了基于中国数字电视信号和GSM信号应用场景下对各种检测算法的评估软件。随后,本文提出了认知无线电中OFDM信号的一种盲检测与识别算法,在未知主用户先验信息的情况下可以盲检测出OFDM信号的存在,并且给出了一种次最优的OFDM信号参数识别的方法。仿真验证了本论文所提算法能有效的检测到OFDM信号的存在性,并且提出的识别OFDM信号参数方法能准确判决出所检测与识别到的信号是否为主用户信号。由于在帧周期中,检测时间和传输时间是一个对立的矛盾,吞吐量与干扰又是一对对立矛盾等。因此本文接下来研究频谱感知帧结构设计问题,也就是帧周期优化设计问题,给出了一种最优的帧结构模型,同时考虑到了认知用户的吞吐量、检测性能和对主用户的干扰。模型数学公式化后,给出了一种利用凸优化寻求最优解的方法。而且,本论文所给出的模型考虑了主用户活动时间长度分布,所设计的帧结构可以根据主用户活动分布的变化而自适应的变化。最后,仿真验证了所提的帧结构设计的合理性、必要性及其解的存在性。