近年来,无线传感器网络(WSN)被广泛应用在军事国防、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要的领域,由于传感器网络中的传感器节点能量严重受限,同时节点在部署之后很难回收,因而针对无线传感器网络的能量效率的研究一直是无线传感器网络研究的热点和难点问题,目前提高网络生命期主要的研究方法分为几大类：一是减少网络中总通信量,主要可以通过数据融合,数据压缩和数据预测技术,节点轮流休眠等机制实现;第二种方法是通过设计出高效的基于能量优化的网络协议来提高网络的生命期,第三种方法是在网络中引入移动节点的方法,这种方法中又分为引入移动Agent来采集数据以较少通信的距离,以及在网络中引入移动sink节点使得网络的负载更加均衡以减少能量空洞现象。本论文针对无线传感器网络的能量效率问题展开深入的研究,提出多种方法来提高网络的能量效率,延长网络的生命期,主要创新性工作体现在以下几个方面：(1)提出了一种综合考虑sink位置、能量及链路状态的跨层路由协议LEACH-SC本文结合跨层设计的思想提出了一个新的基于sink位置和能量优化的分簇路由协议LEACH-SC(LEACH-selective cluster)协议。新协议首先针对LEACH协议簇头选举可能导致的分布不均衡等特点,设计了新的综合考虑网络密度、节点剩余能量以及链路状态等因素的簇头选举算法;同时改变成员节点加入簇的方法,让节点选择离sink与自己的“中心点”最近的簇头作为自己的通信簇头,这样使得网络的通信距离最小,降低全网的耗能；同时针对目前分簇算法中固定簇头数量的情况,提出了自适应计算簇头数量的算法。最后通过理论分析与仿真结果验证了LEACH-SC协议与LEACH协议、HEED协议相比,可降低网络的总能耗,平衡节点间的能量消耗,明显提高了传感器网络的生命期,而与中心控制的LEACH-C协议相比性能相当,但是LEACH-SC协议的开销远远小于LEACH-C。(2)提出了一种适用于传感器网络的基于退避策略的高效多跳分簇算法由于能量的有效性可以通过多跳(multi-hop)的通信来完成,并且多跳分簇可以有效降低“被迫簇头”的数量,因此本文提出将多跳技术与一种基于退避的分簇算法结合来组织无线传感器网络中的节点。该退避算法充分考虑了节点的剩余能量,并且这种自适应的退避机制可以很好实现节点间的负载均衡以及簇头分布的均匀性,显著的提高系统的生存时间,同时这个新的协议只带来很小的处理开销和通信开销。之后通过理论推导和分析证明了算法通过合理设置参数,簇头能够很均匀的分布在网络中,最后网络仿真验证了算法的能量有效性。此外为了适应大规模无线传感器网络的场景,我们又将该算法进一步扩展到分层多跳簇头(hierarchy of cluster heads)的情况下,通过理论分析可获得最优参数,并通过仿真发现通过分层的分簇可以实现在网络规模大且sink巨离监测区域较远时网络生命期的极大改善。(3)采用模拟退火算法对数据融合相关的移动代理路由问题给出了一种近似最优解。网络中引入数据融合相关的移动代理可以明显减少网络中传输的数据量,可有效的提高网络的生命期,而移动代理停留在各个点的顺序会决定整个网络的能量消耗,因而需要找到一条移动代理的最佳移动路线,使移动代理沿着整个路线收集数据所消耗能量最小。我们将多跳网络环境下的移动代理路由问题建模成一个顶点加权的游客问题,因而这个路由优化问题实际上是一个NP完全问题,考虑到无线传感器网络有限的计算能力和严格的能耗要求,最终使用模拟退火算法对这个问题给出一个近似的最优解,并通过仿真验证了算法的优越性。(4)提出了一种分区域多sink节点智能移动算法RSMA和相应的路由协议,能较好地解决网络的能量空洞问题。在传感器网络中引入移动sink节点可实现全网节点之间的能量均衡,提高网络的生命期。本文提出了一种分区域的多sink移动算法RSMA (Restricted Self-determination Mobility Algorithm)。RSMA算法通过对各个sink的移动范围进行有效控制以减少节点的平均路由跳数,选择目标位置时变为综合考虑节点的剩余能量、节点的密度等因素,这样得到的目标位置更加合理,并增加了紧急救助策略；同时为了进一步整体优化网络性能,我们又提出了一种适合于移动sink的能量均衡有效的路由协议EBER,该协议在建立路由树的时候考虑树的各个分支均衡分布,同时限制每个节点最大的转发次数,因而路由树上各个节点能耗较为均衡,通过这样的方式可以大大提高传感器网络的生命周期。最后通过搭建仿真平台对算法性能进行评估,仿真结果表明RSMA算法配合EBER路由协议可以在全网中实现能耗均衡,有效延长网络生命期。本课题的研究得到国家自然科学基金(60503021,60872018)、江苏省科技计划(BG2006027,BG2006039)以及新一代宽带无线移动通信网国家科技重大专项(2011ZX03005-004-03,2011ZX03005-005)等的资助。