认知无线电技术是无线电技术发展的一个里程碑,它的出现给无线通信带来了革命性的变化。认知无线电是一种智能的频谱共享技术,从用户通过频谱感知伺机占用主用户遗留的空闲频谱资源,有效地改善了传统的固定频谱分配方式带来的浪费。利用认知无线电可以更加高效地利用频谱资源,极大地缓解了频谱资源紧张的问题。作为认知无线电技术的理论基础和关键点,载波聚合技术可以将分散的、信道容量难以支撑高带宽需求业务的频谱段聚合为完整的、信道容量较大的频谱,从而支持更高的系统带宽,提高频谱利用率。本文主要围绕载波聚合技术在MAC层的机制设计展开探索性的研究,并相应提出了一些解决问题的方法。首先研究了基于POMDP模型的最优频谱感知和接入机制。考虑到实际应用中的硬件限制,从用户只能感知系统中的一部分频谱,同时进行频谱接入的跨度范围也是受限的。因此我们选择在部分可观察马尔科夫决策过程(POMDP)的基础上,建立针对频谱感知和接入联合机制的分析框架。为了获得POMDP^匡架中的回报函数,我们通过理论推导估算了信道接入概率和切换概率。最终利用线性规划算法,提出了最优的频谱感知和接入联合机制,从而最小化了信道切换次数。由仿真结果可知,该机制可以有效的节省系统开销以及保证动态频谱接入的稳定性。然后研究了基于动态规划的低复杂度频谱感知和接入机制。为了获得系统性能和运算复杂度之间的平衡,我们提出了一种基于动态规划中Rollout算法的频谱感知和接入联合机制。首先提出两种启发式算法作为基础策略,在它们的基础上,我们迭代获得Rollout策略用来近似估算价值函数,并由此确定合适的频谱感知和接入行为决策,这一操作大大降低了该机制的运算复杂度。通过严格的数学推导可以证明,Rollout策略的性能一定优于基础策略。同时从仿真结果中也可以看出相比于最优策略,低复杂度的Rollout策略只有很少的性能损失。最后研究了面向多信道聚合的载波侦听多路访问协议。在认知无线电这种多路访问网络中,多信道载波聚合技术的应用,对于介质访问控制协议的设计提出了更高的要求。我们设计了一种基于载波聚合技术的载波侦听多路访问协议,将时间划分成固定的帧时隙,在每个帧时隙的开始处设置一定长度的信道协商窗口,并在该窗口内集中协商各个从用户的信道访问规则。该协议顺利解决了单信道环境下的隐藏和暴露终端问题,同时也避免了多信道隐藏终端和接收端丢失等问题的发生。最终能够有效减少从用户信息传输之间的相互干扰或碰撞,从而保证网络的通信质量,提高系统吞吐量。