无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)是由大量低成本、低功耗、具备感知能力、计算能力和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式构成的网络,在军事国防、环境检测、空间探测、医疗护理、智能家居和反恐抗灾等诸多领域都有广阔的应用前景,是目前学术界研究的热点之一。由于传感器节点一般采用电池供电,能量有限,且应用环境条件复杂,使得节点难以补充能量。因此,如何高效的使用能量来最大化网络生命周期成为传感器网络研究者而临的首要挑战。多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术是指在发送端和接收端采用多天线,MIMO技术可在不增加频谱资源和天线发送功率的情况下,成倍地提高信道容量,是新一代移动通信系统采用的关键技术。MIMO技术与空时编码技术结合,可以实现空间分集和时间分集,从而降低信道误码率,在不增大发射功率的情况下提高系统的稳定性。将MIMO技术引入无线传感器网络,可以利用MIMO技术带来的分集增益,增加接收端信号的信号强度,通过分集来克服信道衰落的影响;也可以利用MIMO技术提供的复用增益,提高信息速率,大大改善网络的能耗特性。基于MIMO技术的无线传感器网络,可以更好的节省节点的发送功率,保持网络连通,延长网络的生命周期,因此基于MIMO技术的无线传感器网络成为一个新的研究热点。本文结合无线传感器网络和MIMO技术各自的特点,对基于MIMO的无线传感器网络组网方法、路由协议和媒体介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议进行了研究,并提出具有创新性的解决方案。本文主要有以下几个创新之处:(1)提出了新的基于协作式MIMO的无线传感器网络组网方法由于传感器节点体积较小,一个节点不可能安装多个天线,因此MIMO技术不能直接应用到传感器网络中。在无线传感器网络中使用MIMO时一般采用协作的方式,即在发送端和接收端多个单天线节点合作,构成虚拟天线阵列进行MIMO通信。本文研究节点如何根据邻居节点的位置和能量等信息,选择协作节点,组织整个网络形成多个协作簇;并分析了基于协作式MIMO的无线传感器网络的能耗,得出了网络的耗能模型。实验结果证明,即使在稀疏网络中,该组网方法仍具有很高的形成完整MIMO覆盖网络的成功率,并且可以使网络能耗在整个网络中较均匀的分布,从而延长了网络的生命周期。(2)提出了新的基于协作式MIMO的无线传感器网络节能路由协议在基于MIMO的无线传感器网络中,为了节省协作式节点的发送能耗,路由协议不仅仅是负责找到下一跳转发路由,还需考虑与下一跳节点进行MIMO通信时协作节点的能耗。在综合考虑协作式MIMO技术的特点、路由跳数和节点能耗对路由选择影响的基础上,提出了一种基于MIMO的无线传感器网络的节能路由协议。该协议采用分布式、基于局部网络状态信息的决策机制,获得了低耗能的端到端的路由。仿真结果表明该算法能显著减少网络能耗,提高能量有效性,延长传感器网络生命周期。(3)提出了新的基于MIMO的无线传感器网络的TDMA调度算法针对基于协作式MIMO的无线传感器网络节点接入信道过程复杂、容易产生碰撞等问题,提出了采用异构无线传感器网络模型和基于该网络模型的集中式时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)调度算法。该算法利用图染色的思想为节点分配时隙,在分配时隙时考虑了节点的冲突度大小,根据节点的数据包个数与距基站跳数两者的乘积确定节点分配时隙的先后次序。实验结果表明,该算法可以有效避免冲突,提高时隙利用率,具有时延小、吞吐量大、适用于基于MIMO的无线传感器网络等优点。