无线传感器网络(WSN)是一种能够集实时进行数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。微电子、无线通信、微处理器等技术的进步,推动了无线传感器网络的产生和发展。从提高能效的角度来说,路由层和MAC层的设计是两个重要的问题。本文在聚类协议的基础上展开了研究。首先介绍了无线传感器网络的基本概念、体系结构、协议栈、能量消耗特性以及低功耗设计状况。由于传感器节点本身电源能量十分有限而且补给困难,所以高效使用能量来最大化网络生命成为传感器网络待解决的首要挑战。本文分析了能量的各项消耗的比例,并将以此为依据有重点的进行低功耗设计。然后介绍了当前低功耗无线传感器网络协议的研究,并从几种聚类协议的概念、算法过程及优缺点方面展开了分析。LEACH协议的分簇结构、数据融合算法和MAC层传输机制对于优化路径,减少数据冗余和减少簇内簇间数据冲突有一定的改进;但是其簇首选择的随机性和簇间的长距离数据传输容使得能耗也比较大。PEGASIS采用的贪婪算法所形成的链式结构减少了发送数据的距离和数量,降低了能耗;然而长链结构也带来了较大的延时和对网络拓扑的依赖性。TEEN协议通过被动型的发送机制也减少了数据的发送量,降低了能耗;但是门限值的设立减弱了网络的灵敏度。本文综合了上述协议的优点,在WSN的路由层和MAC层做了一定的改进工作,提出了一种簇首分布最优化的跨层协议算法(OCBC)。在该算法中通过两种曲线对网络进行划分,其目的就是实现簇内成员节点数目的优化分配;同时根据节点的地理位置和剩余能量来竞选簇首,以实现簇首分布和传输特性的的优化。在数据传输阶段,采用了由外及内的多跳传输方式,有效均衡了节点的能量消耗,使得网络的扩展性得以较大的提高;并且通过设定门限值使得节点可以根据网络的空闲状况调节数据发送的频率,减轻了网络负载和网络拥塞。仿真结果表明,本文的动态分簇策略比传统的LEACH协议在网络扩展和生命周期两个性能上有较大优势。