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以无线局域网络(Wireless Local Area Networks,WLAN)系统为基础的各种新型网络应用场景不断拓展,然而传统WLAN系统采用软硬件耦合的架构,导致了系统的可扩展性和灵活性差。软件定义无线网络(Software Defined Wireless Network,SDWN)架构充分利用软件定义网络(Software Defined Network,SDN)与网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)的优势,可有效增强网络的灵活性、可编程性和可扩展性。虽然主流的SDWN系统架构能够降低物理硬件和逻辑应用之间的耦合性,但当网络规模扩大时,数据平面的转发效率下降和控制平面的精准决策与高效管控依然面临重大挑战。本文针对这些挑战,重点研究三个方面的内容:网络状态实时感知是控制器实现精准决策的前提,需要在无线资源有限的条件下实现低开销测量,为此本文研究基于矩阵填充算法的低开销网络测量模型;现有系统采用虚拟化技术虽然提高了网络的可编程性,但是带来了额外的包处理时延进而影响了AP(Access Point)转发性能,需要研究设计新型数据包快速转发机制来解决性能瓶颈问题;随着高密集部署场景应用的迅速扩展,能耗和干扰已成为突出问题,研究能耗与干扰的联合优化,在减少网络能耗的同时降低干扰。论文的主要创新工作如下:(1)研究低开销的网络测量模型。控制器作为决策平面需要对底层网络状态实时感知,由于AP的资源受限,对所有虚拟AP(Virtual Access Point,VAP)节点进行测量的代价太大而难以承受。研究基于矩阵填充理论的在线实时测量方法,即通过部分VAP节点的直接测量,然后以低误差率恢复全网VAP的测量数据。传统矩阵填充方案主要针对离线应用场景设计,假设数据矩阵有一个已知且固定的低秩特征,然而无线网络的动态变化导致矩阵的秩实时变化且未知。因此,本文提出了基于随机游走的在线自适应矩阵填充算法。首先,通过实际测量并对VAP网络性能矩阵进行特征分析,发现其具有低秩、时间稳定性和秩的相对稳定性的特征;其次,针对矩阵的秩随无线环境动态变化的问题,提出基于滑动窗口的测量模型并利用随机游走模型确定新时隙的采样原则;最后,将相邻窗口的恢复矩阵中重叠部分的误差率与标准误差比较,实现测量点的动态自适应选择。通过仿真和真实场景的实验验证,结果表明该测量方法能够在低采样率(30%)、低重构误差(0.6%～0.7%)的情况下实现对全网VAP性能有效感知。(2)研究高性能的无线网络虚拟化技术。虚拟化技术的应用有效实现了软硬件解耦,通过构建终端与虚拟BSSID的逻辑关系,提升了无线网络的可编程性和灵活性。然而,当前主流SDWN系统在实现虚拟化过程中将所有的无线帧通过监听接口模式提取到用户态进行统一处理,这将导致频繁的上下文切换、大量的内存拷贝以及系统调用,会大量消耗AP资源进而严重影响数据平面的转发效率。为此,本文提出了一种新型的AP虚拟化架构,联合用户空间和内核空间实现对无线帧解耦处理。另外,为了保证无缝切换过程中的吞吐率性能,提出了VAP和控制器之间协同维护终端接入信息的方法,在切换时通过控制器下发终端接入信息到邻居AP节点,实现终端接入信息的快速同步;最后,设计一种多AP协调的虚拟化技术,实现一个接入终端通过与多个AP实现并发通信而大幅提高其吞吐率。为使接入节点上每个业务流的吞吐率最大化,将流分配问题表示为一个混合整数非线性规划(Mixed-Integer Nonlinear Programming,MINLP)问题,针对此问题提出启发式算法——NS-Co S,其通过逐渐缩小搜索集来确定一个可行的最优解。设计开发了原型系统,对单连接和多接入两个场景下的时延、吞吐量性能进行测试。(3)研究能耗与干扰的联合优化。为满足高峰时期的用户需求,AP通常密集部署,造成能耗和干扰问题突出。传统方法通常分别考虑节能或干扰问题,难以达到联合最优效果。本文基于控制器的全局资源优化调度和AP虚拟化能力,综合考虑两者之间的关系,提出一种能耗与干扰联合优化方法,即动态选择休眠AP集合并调节工作AP的发射功率。首先,对通用AP设备的能耗进行定量测量与分析,构建AP发射功率-负载-能耗的关系模型;然后,鉴于无线资源的有限性,构造买家-卖家博弈模型以确定干扰限制条件下的最优休眠AP集合和工作AP的发射功率;利用社会选择函数进行模型求解,另外当网络节点较多时,提出基于聚簇和迭代的快速算法;最后,仿真验证算法性能,结果表明该联合优化方案有效减小了能耗同时降低了干扰。本文提出的基于随机游走的矩阵填充算法实现了低开销网络感知,以及通过无线帧解耦和数据零拷贝实现了高性能的虚拟化架构,能有效支撑网络可编程、资源灵活调度和管理。为了对文中提出的关键技术进行实验验证,设计并开发了软件定义的WLAN系统原型。该系统只需要对商业AP进行软件升级改造,因此便于实现部署。