传感器节点能量受限是无线传感器网络设计的首要问题。本文分析了改善无线传感器网络能量有效性的可行方案——联合优化物理层,链路层,MAC层和路由层以及节点协作MIMO技术。首先,我们由点到点的单链路能量模型引出了无线传感器网络能量模型,分析了MIMO系统和节点协作MIMO系统的单链路能量数学模型;其次,我们分析了优化路由网络的端到端多跳传输方案,讨论了自适应链路速率系统的能量、时延和网络速率的优化问题;最后鉴于优化路由网络传输的复杂性,本文着重讨论了确定路由网络的自适应链路速率系统和固定链路速率系统的能量、时延和网络速率的性能,对比优化路由网络,在相同的传输时延和能量消耗限制下,网络的传输速率明显改善。为了充分利用授权用户未使用的无线频谱资源,本文第四章讨论了跨层设计和协作频谱感知相结合的认知无线电网络频谱感知优化。首先,本文介绍了本地频谱感知和协作频谱感知的性能;其次,在授权用户保护和感知用户保护模式[41]下,联合物理层和MAC层建立了一种新的感知用户容量优化模型;最后讨论了两种模式下,信噪比,检测时间,总传输时隙和协作用户数对本地和协作频谱感知的感知用户容量的影响,并且对比了两种模式下,感知用户干扰容量同有效容量的比值。