无线通信中现有静态的频谱分配方案使频谱利用率低,认知无线电以其动态的频谱利用特性而受到广泛关注。频谱感知以及跨层优化是认知无线电的关键技术,前者主要检测到空闲频带,让认知用户可以伺机接入,后者主要针对认知用户较主用户有比较低的服务质量优先权,因此不综合考虑认知用户各层参数很难提高认知用户的服务质量,移动互联网中移动终端所进行的传输控制协议业务如浏览网页、网上购物、在线视频、网络游戏等正大量融入人们的生活,因此本文跨层优化选用认知用户所进行的传输控制协议性能作为研究目标,即认知用户基于传输控制协议的无线网络吞吐量。本文首先从协作频谱感知角度出发,提出综合利用认知用户所接收的不同信噪比信号频谱的频谱感知方案,在去除各认知用户接收信号频谱直流分量后,再采用功率密度融合算法去除各认知用户接收信号之间的信息冗余,并计算出能够代表上述认知用户所在区域频谱特征的信息向量,再根据是否需要得到主用户所占用的具体频带边界或仅需知道主用户是否存在,选用合适的基于频域的频谱感知算法检测主用户是否存在,给出了算法复杂度分析,定义了在所提频谱感知算法下的基于传输控制协议业务干扰主用户的概率以及不进行传输控制协议业务浪费空闲频带的概率,并分析了这两个概率之间的关系,最后给出了信噪比与检测概率的关系、复杂度分析等仿真实验图。在认知用户接入到授权频带后,针对认知用户需要提高其用户服务质量,如选用传输控制协议下的认知用户丢包率等,从高速移动场景中误比特率对基于传输控制协议的无线网络吞吐量的影响角度出发,研究了基于最小均方误差的自适应信道估计算法,该算法避免传统基于基扩展模型的信道估计算法中系数求解不稳定的问题,提出了信道估计与跨层优化的系统框图,推导了最小均方误差算法在基扩展模型信道估计中的应用,分析了信道估计误差与丢包率的关系,最后通过实验仿真,分析并验证了基于最小均方误差的自适应信道估计算法在车速分别为90km/h、180km/h、270km/h以及450km/h的认知用户接收端误比特率与认知用户接收端信噪比的关系、上述车速下的本文信道估计算法的归一化均方误差与迭代次数的关系、上述车速下的认知用户丢包率与认知用户接收端信噪比的关系以及丢包率与误比特率的关系。当认知用户利用第二章频谱感知算法检测到空闲频段接入后,并使用第三章信道估计算法降低认知用户误比特率以及丢包率后,研究了不同车速下,认知用户基于传输控制协议的无线网络吞吐量与信道估计误差的关系,并给出了相应的实验仿真。实验仿真表明,在认知用户以90km/h运动时,认知用户基于传输控制协议的无线网络吞吐量能够低速进行。