随着通信网络技术的持续发展和物族网(IoT)的快速崛起，可以连接网络的设备数量不断增加，无线通信系统未来的发展趋势朝着不需要人为干预的方向发展。机器与机器(Machine to Machine，M2M)通信能够使许多自动化应用设备，如计量和消费电子设备，相互之间进行通信或者与3GPP LTE/LTE-A等无线网络的中央服务器进行通信。与当前无线网络中人与人(Human to Human，H2H)通信相比，M2M通信具有许多不同的特点，比如设备数量大、突发性强、业务种类多样、小数据包传输、低移动性等。M2M通信的特点决定了M2M通信设备需要采用基于竞争的随机接入方式接入无线网络，而海量M2M设备的接入必然会给现有的网络带来巨大的挑战，造成网络拥塞、系统接入时延增大、资源利用率降低、吞吐量下降等问题。因此，如何优化M2M通信网络以适用于大量M2M设备的推广和应用，改善上述网络性能指标，成为当前研究的热点。　　本文基于M2M上行随机接入过程的通信要求和技术特征，对M2M随机接入过程中的前导冲突概率、随机接入时延及资源分配问题展开深入研究。在当前LTE蜂窝网络上提出一种新的M2M随机接入策略，该策略可以降低随机接入过程中的前导冲突概率及随机接入时延。借鉴软件定义网络(SDN)思想，在基于SDN技术和无线网络虚拟化技术的网络框架模型中提出一种有效的随机接入资源分配方案。主要研究内容如下:　　降低M2M随机接入冲突概率及时延方法的研究。基于M2M通信特点并结合集群技术、数据包聚合技术及设备与设备(Device to Device，D2D)传输技术，本文提出一种新的M2M随机接入策略。当某个M2M设备新产生一个需要发送的数据包时，该数据包会立即通过D2D方式传送到当前时刻同一集群中缓存区内数据包数量最多的M2M设备上，当缓存内的数据包数量达到门限值时，M2M设备会立即触发随机接入过程。所提出的策略可以减少新生成数据包在缓存区内的等待时间，但会引发邻居发现时延以及D2D传输时延。仿真实验结果表明，即使引发邻居发现时延以及D2D传输时延，所提出的随机接入策略可以有效降低M2M随机接入过程中的前导冲突概率及接入时延。　　M2M随机接入过程资源分配问题的研究。通过借鉴SDN思想，本文提出一个基于SDN技术和无线网络虚拟化技术的两层控制的M2M通信网络系统。根据M2M设备不同的功能及不同的服务质量（Quality of Service，QoS）要求，底层物理M2M网络被抽象并切片成多个虚拟M2M网络，物理资源被抽象成虚拟资源。在所提出的网络系统中，重点研究了如下两个资源分配问题:　　针对单个虚拟网络中的虚拟资源分配问题，本文通过引入SDN技术，使得虚拟SDN控制器可以与M2M设备进行信息交互，在随机接入过程的第一步便可以判断出每个随机接入前导是否发生碰撞，因而虚拟SDN控制器对发生冲突的前导便不再分配虚拟资源块以供上行共享信道(Uplink Shared Channel，USCH)使用。该方案可以有效避免资源浪费，同时本文给出了使单个虚拟网络吞吐量最大的随机接入信道(Random Access Channel，RACH)与上行共享信道间虚拟资源分配的方案。　　针对虚拟网络间的虚拟资源分配问题，本文提出了一种基于退火温度而改变惯性权重值的模拟退火粒子群算法。粒子群算法中的惯性权重值会受到退火温度变化的影响，若在当前的迭代中退火温度下降的幅度相对较小，意味着个体最优解以及全局最优解更新的频率降低，则在下个迭代周期中需要相对较大的最优解搜索区域，即相对较大的惯性权重值。反之，亦然。仿真实验结果表明，所提出的基于SDN技术和无线网络虚拟化技术的两层控制的M2M通信网络系统可以实现更大的单个虚拟网络吞吐量，并且使得M2M随机接入过程具有更低的前导碰撞概率和更高的资源利用率;所提出的改进模拟退火粒子群算法可以更好地保证虚拟资源在虚拟网络间分配的公平性,并且具有更快的收敛性。