无线传感器网络是由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络系统。拓扑组织和能量消耗是无线传感器网络的两个核心问题。无线传感器网络的拓扑结构决定了覆盖和连通性等网络基本特性,而能量消耗则决定了无线传感器网络的生存时间。本文针对无线传感器网络在三维空间的拓扑组织问题和传感器节点的高能效分簇问题进行了深入的研究。目前大多数无线传感器网络研究采用的二维平面假设,并不能完全满足实际应用的需求。在现实世界中存在着大量三维无线传感器网络应用,例如空间、水下和地下传感器网络系统。然而,由于三维空间中求解问题的复杂性,现有的二维无线传感器网络的研究成果大部分不能直接应用于三维无线传感器网络。三维无线传感器网络的发展要求新的理论和方法。本文首先讨论了随机三维无线传感器网络中的相变现象。针对经典概率分析工具过于复杂的问题,利用箱覆盖技术,推导了随机三维无线传感器网络的临界感知半径。接着本文将代数格理论引入无线传感器网络的三维拓扑结构研究。首先面向理想空间环境,提出三种规则对称的立方格结构无线传感器网络,根据格的生成矩阵给出节点部署位置的计算方法,并分析了网络覆盖和连通的条件。这种确定部署的规则空间结构无线传感器网络具有很多优点,如可以保证对目标空间的完全覆盖,易于形成连通的稀疏网络,节点数一定的条件下可以最大化覆盖范围,减少节点间的通信量等,适用于空间、地下和建筑物内部等网络应用。确定部署的规则空间结构无线传感器网络虽然特点突出,但是对于大规模的无线传感器网络,确定部署会带来很大的开销,而且在很多应用领域,由于环境的限制,可能无法进行确定部署。所以本文针对随机部署的三维无线传感器网络,提出一种基于虚拟立方格Voronoi单元的三维无线传感器网络空间组织策略。空间中随机分布的传感器节点通过计算距离自己最近的虚拟立方格格点,确定自身所在虚拟Voronoi单元的ID。同一单元内的节点可以通过一定的选举算法,周期性的选举一个活动节点代表单元工作,从而实现在满足覆盖和连通要求的同时,减少节点能耗,延长网络寿命的目的。水下监视传感器网络是一种典型的三维网络应用系统。本文针对水下监视应用的特点,提出一种新颖的三维水下传感器网络拓扑生成算法ETG。算法通过控制传感器节点在垂直方向上的移动,由随机部署在海平面上的传感器节点自动生成近似体心立方格结构的空间传感器网络。ETG算法将节点的部署和调度相结合,在高节点密度的条件下,可以快速形成一个由活动节点构成的覆盖目标空间的三维监视网络。仿真实验表明,与现有的完全随机部署策略和基于立方体覆盖的深度调节策略相比,ETG算法不但可以提高网络覆盖效率,而且能够通过少量节点的移动覆盖较大的空间,从而有效减少网络初始建立阶段由于节点移动带来的系统能耗开销。最后本文研究了两种类型的无线传感器网络高能效分簇算法。第一类算法基于虚拟单元划分网络覆盖空间,一个单元一旦确定,在网络生存期内成员将不再变化,所以称为静态分簇算法。本文分析了现有单元内随机簇首选举算法存在的缺陷,提出一种自适应的随机簇首选举算法SARLE,通过大量的仿真实验对SARLE的性能进行了评估。第二类是动态分簇算法,网络随机选举簇首并周期性的重新选举,通过簇首和簇成员间角色的不断变化,将能量开销分配到整个网络。LEACH是最著名的无线传感器网络动态分簇算法之一。本文利用随机过程的方法指出LEACH协议中存在分簇个数不稳定的问题,提出一种改进的分簇方案I-LEACH,并通过大量的仿真实验说明I-LEACH的有效性。