随着无线通信技术的发展，日益增长的无线通信需求对有限的频谱资源提出了巨大的挑战。认知无线电允许非授权用户（次级用户）在不干扰授权用户（主用户）通信的条件下使用空闲的授权频谱进行通信，从而有效提升了授权频谱的利用率。作为认知无线电的重要技术之一，频谱分配技术能够合理的分配频谱资源，提高频谱效率。本文针对认知无线网络中的频谱分配技术展开研究，以博弈论为方法论，依次针对如何有效整合空闲的授权频谱资源、如何有效降低次级用户的感知与接入带来的系统开销、如何在认知无线网络中有效整合终端直连（D2D）技术来提高频谱效率这三个基本问题，提出了三种不同的频谱分配方案。首先，为了有效整合空闲的授权频谱资源供次级用户二次利用，本文提出了基于代理拍卖机制的频谱分配方案。考虑到“频谱空洞”的随机性，次级用户难以掌握全局频谱信息，我们提出了基于代理拍卖机制的频谱分配方案。整个方案由两层博弈构成。第一层博弈中，各主用户充当分布式频谱代理，通过历史信息预估自身及周边次级用户的业务需求，与其它主用户共同向基站竞争频谱资源。第二层博弈中，主用户将空闲的频谱资源拍卖给周边有通信需求的次级用户，以便最大化空闲频谱的收益。本方案能够有效的平衡子信道间负载，优化网络容量。其次，为了有效降低次级用户感知与接入带来的系统开销，本文提出了基于进化感染机制的频谱分配方案。在这种方案中，次级用户以感染的方式将频谱共享给感知范围内的另一个次级用户。我们通过二叉树来建模这种频谱感染方式，以熵来衡量网络中频谱分配的状态，分别分析了感染时有局部信息交互和无局部信息交互两种策略下系统均衡状态与全局最优解的存在性与收敛性。本频谱分配方案能够有效降低系统开销的同时提升频谱分配的效率，优化频谱分配过程中的均衡性与公平性。最后，为了在认知无线网络中有效整合D2D技术来进一步提升频谱效率，本文提出了基于进化模仿机制的频谱分配方案。在带有D2D的认知无线电网络中，次级用户既可以使用传统的基站通信方式，也可以使用D2D通信方式。我们以进化博弈中的模仿机制为方法论，通过研究次级用户的通信模式选择策略来优化频谱资源分配，并进一步分析了两种通信模式下最优功率分配策略。仿真结果表明，本方案通过优化次级用户的通信模式选择，有效的提高了频谱效率与网络吞吐量，当空闲频谱总量变化时具有良好的鲁棒性。