无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为新兴信息获取技术早已在国民经济与国家安全等方面应用，并日益受到人们的广泛关注。WSN由大量节点组成，节点能量有限，因此提高网络能效性成为WSN设计中亟需解决的首要问题。协作多输入多输出（Multiple Into Multiple Out，MIMO）通过网络的冗余单天线节点以及选择簇头节点与成簇的机制形成虚拟阵列，进而利用MIMO产生的分集增益提高WSN的能量效率。本文从提高能效角度出发结合协作MIMO对WSN分层路由协议进行了以下研究：第一，本文研究了无线传感器网络路由协议，总结了路由协议的设计准则，分析并比较了典型的几种路由协议以及基于STBC及V-BLAST的协作式多输入多输出技术的典型应用模式，总结了它们的优缺点。第二，针对传统LEACH协议簇头节点分布不均匀和选择簇头节点盲目性，本文将虚拟划分网络区域思想引入LEACH路由协议，提出了Grid-LEACH算法。该算法主要是根据节点地理位置以及当前剩余能量信息两个参量在所划分的子区域内选择簇头节点。仿真结果表明，该算法能够改善簇头节点和网络能耗分布不均的状况，从而提高了网络能效，延长了网络寿命。第三，本文从节能角度出发提出了Grid-LEACH-MIMO算法。该算法主要是依据设定的距离和能量门限选取所划分子区域中的簇头节点和协作节点，通过网络节点之间的协作进行数据传输，从而实现提高WSN能效性和延长网络寿命的目的；通过对WSN和协作MIMO系统能耗模型的分析和实验仿真，建立了该算法的能耗模型并推导了能耗最低时数据传输距离与协作节点数目的关系。实验仿真结果表明，该算法在网络能耗、网络负载均衡以及数据包传输量等方面的性能都要优于LEACH和Grid-LEACH性能，从而提高了网络的整体性能。最后对本文总结并明确后续的研究方向。