随着无线通信新业务的不断涌现,对无线局域网(WLAN)、无线Mesh网络(WMN)和蜂窝无线网的性能要求不断提高,如传输速率、频谱效率和服务质量等。由于无线、移动和多跳等特性,在设计WMN时,传统的基于单跳网络的协议机制已无法满足网络的性能要求。IEEE802.11s作为WMN的标准,其主要特征之一是WMN的主要功能在链路层实现,更依赖MAC地址而不是IP地址。因此,MAC层技术是否有效是能否改善网络传输性能的重要因素。IEEE802.11s以IEEE802.11e的EDCA作为接入控制基础,在面临实时流媒体等业务的高QoS需求时,现有的接入控制机制面临着一系列的问题,例如公平性差、未考虑业务分集、带宽利用率低等问题。本文在WMN环境下,针对话音、流媒体及数据业务等各种业务类型的不同服务质量(QoS)需求,结合价格激励机制、博弈论及排队论等相关理论,对接入控制策略、拥塞策略、帧聚合策略、接入允许控制策略等MAC层的相关增强技术问题进行了深入研究,以改善MAC层效率低下问题,实现WMN在信道资源利用率、QoS保证和公平性间达到一种良好的平衡。首先,针对WMN的特性及相关限制条件对拥塞控制策略进行了研究。主要解决两个核心问题,一是如何设计有效缓解本地拥塞的拥塞控制策略,避免转发节点因本地拥塞造成的网络性能恶化的现象。二是如何在QoS保证与业务公平性之间找到合适的平衡点。基于价格机制,提出了两种针对单信道WMN的逐跳拥塞控制策略。第1种以IEEE802.11s标准草案提出的拥塞控制框架为基础,在监测拥塞和本地速率控制过程中引入动态价格函数和新的速率控制模型,以改进拥塞控制的有效性和改善网络吞吐量等性能。第2种拥塞控制策略同时考虑MAC层时间限制和二进制干扰模型限制,使系统中总的流效用之和达到比例公平。将传输失败比率作为网络拥塞控制的准则之一,引入到拥塞价格函数中。通过改变物理层不同的调制方式实现传输速率控制。此外,还考虑了节点内部各个流的调度策略以保证各个流的QoS需求和公平性。与传统链路层考虑的单跳流量控制策略与传统传输层端到端的拥塞控制策略不同,本文提出的两种拥塞控制策略涉及了各个流路径上各跳节点的联合速率调节,是广义拥塞控制问题。仿真分析结果表明,本文提出的这两种拥塞控制策略是有效的,能够显著缓解拥塞及低优先级业务流的饥饿状态,同时改善系统平均时延和平均吞吐率等性能指标。其次,本文在MAC层接入控制方面进行了研究。分析了现有IEEE802.11e MAC机制中高优先级流媒体业务在竞争资源时对低优先级业务的“捕获效应”导致的不公平问题。采用业务分集和动态优先级思路重点研究在网络带宽饱和,且有多种媒体业务竞争接入时,如何平衡各种业务的QoS与公平性之间的矛盾,防止高优先级业务过度占用信道资源。提出了基于带宽占用时间比的单准则公平接入控制算法和多准则动态优先级公平接入控制算法。通过打破802.11eEDCA中定义的固定优先级限制,动态调整各业务类型优先级的思路来提高不同业务流对信道带宽资源访问的公平性。仿真分析结果表明,两种算法均能在保证不同业务的QoS需求基础上有效改善低优先级业务对信道访问的不公平现象,并改善吞吐量率、丢包率等其他指标。近年来,帧聚合技术在以太网、光网络,3G网络和WMN等多个领域都得到了广泛的应用。以提升传输速率为目标的IEEE802.11n标准在MAC层采用了帧聚合策略,被认为是在保持现有协议改动最小的前提下,提高MAC层吞吐率和带宽利用率一种最行之有效的方法。本文针对现有研究成果很少关注对区分业务下的帧聚合策略的现状,从区分不同业务类型QoS需求及有效提高系统性能的角度出发,对帧聚合技术进行了研究。基于排队论模型提出了两种帧聚合策略。第1种策略采用比例公平和两级缓冲区调度思想,根据各个队列的包超时紧迫因子来动态调整各个队列的聚合权重值,以满足各个QOS等级业务的最大时延需求。建立了区分业务场景下系统的数学分析模型,采用集中参数替代和逼近的方法进行求解,定量分析了队列平均长度、包平均逗留时间等主要性能参数与系统负载的关系。第2种是基于静态定价和效用的帧聚合策略策略,以平均时延作为主要的QoS约束指标,同时从用户效用和网络效用两个方面研究了价格及网络效用的优化问题,分析了包平均到达率与平均时延的关系。数值分析和仿真比较结果表明本文所提出的两种帧聚合策略可以有效提高系统平均吞吐量,降低端到端平均时延。最后,本文对WMN环境下用户站(STA)与Mesh接入点(MAP)之间的接入允许控制策略的博弈问题进行了探讨。WMN和WLAN中接入允许控制机制是实现公平资源调度和负载均衡的关键点。STA与MAP在接入控制过程中将面临选择合适接入点的问题,双方均追求各自利益的最大化,通过目标约束和决策函数达到资源分配和优化的目的。该问题可看作一个最优接入允许控制策略选择的博弈过程,是否接入将取决于所依据的决策因子。本文基于价格策略和博弈论,从用户和网络两方面着手,将该接入过程建模为STA和MAP之间的非零和、非合作、混合策略博弈模型。为MAP和STA分别设计了三个因子作为决策的依据,给出了STA和MAP端的混合策略概率函数的定义,并采用层次分析法(AHP)分析了各个因子的权值计算步骤。