随着无线通信与网络突飞猛进的发展，涌现出大批的无线通信业务及应用，频谱资源需求呈现出不断增加的趋势，频谱资源紧缺现象愈加明显。但目前静态的无线频谱分配策略使得频谱资源分配极不平衡，出现多数授权频段利用率很低的现象。因此，迫切需要新的技术方式来支撑未来无线通信系统的进一步发展需求。认知无线电作为一项智能的无线通信技术，提供了采用伺机的方法与主用户共享无线信道的能力，而频谱感知是认知无线电技术的关键和前提。在认知网络中，频谱感知优化问题研究对认知系统吞吐量与对主用户的干扰冲突分析起着关键作用，并成为主要研究热点问题。本论文基于周期性信道感知模式，对频谱感知优化问题进行了深入研究，主要内容如下：1.考虑认知用户在频谱接入过程中发生数据传输中断的可能性，构建了瑞利衰落环境下基于传输中断概率的感知优化模型。仿真结果表明：帧长固定时，在不同传输速率和信噪比下存在最优的感知时间使得吞吐量最大；认知用户归一化传输延迟越小，对主用户造成的干扰越大。2.考虑能量受限的认知系统，建立了基于能量约束和干扰约束的感知时间与传输功率联合优化问题。由仿真结果与分析得出：为获得最大吞吐量，认知系统应基于自身储备的能量水平动态地优化调整感知时间和传输功率，以更加有效合理地使用有限能量。3.基于ON-OFF授权信道模型，分析了认知用户对主用户造成干扰冲突的两种情况，并推导出认知用户在通信中与主用户相互干扰的累积时间表达式，由此建立干扰概率模型。在此基础上，构建了联合优化感知时间和传输时间以最大化吞吐量的优化问题，同时考虑了对主用户的干扰概率约束，并经过推导证明该优化问题在满足一定条件下为凸优化问题。仿真验证了所提优化模型的合理性与正确性，同时仿真结果表明根据主用户活动行为分布的变化相应地来优化设计感知帧结构时间的必要性，与实际的场景需求相符。