作为未来新兴十大技术之一的无线传感器网络为人们提供了一种全新的获取客观世界信息的有效途径,使得万物互联成为了现实,并吸引着国内外研究者的持续关注。然而由于无线传感器网络的网络拓扑动态变化及其能量资源有限,在实际应用时如何设计合理的算法来降低能耗,提高网络性能已经成为研究的热点问题之一。本文围绕这一问题,在降低能耗和提升数据吞吐量的算法和协议上展开了相关的研究和改进,主要研究工作如下:1.研究了分层路由协议LEACH的优化问题,即利用了网络聚类算法和节点排序算法将LEACH协议中的两层网络架构扩充为三层网络架构,从而在保证节点能耗均衡的同时,也延长了全网的生命周期。首先,对于大规模网络环境下的传统路由协议中存在的通信距离较长以及未考虑传感器节点的分布状况而带来的能耗过大、不均衡等问题,提出了基于网络聚类算法的网络分区算法,同时优化了谱图法中分区数问题、密度和距离算法中的距离半径问题,且对比了不同聚类算法对网络分区的影响。其次,对于现有的路由协议都未考虑节点的位置在网络中所起的作用,导致无法解决由于频繁的通信次数、数据冲突、数据丢失和数据重传带来的能耗问题、数据开销问题,提出了利用节点排序算法选择中心节点,从而形成一个三层网络的架构,将节点分为中心节点、簇首节点和普通节点三种不同角色,各司其职,我们比较分析了 Google PageRank算法和紧密中心度算法两种不同的节点排序算法。此外,为了保证算法的有效性,我们设计了双重反馈机制,利用中心节点的剩余能量和区域内生存节点数量来确保算法的正常运行。最后,通过一系列的仿真实验对比,验证了新算法在降低能耗的同时,还能延长网络生存周期。2.研究了多路径路由算法的优化问题,即综合考虑了能耗、剩余能量和跳数等多维度因素,设计了全新的适应度函数,并采用遗传算法对多路径路由进行优化,提高网络的鲁棒性,且降低了整网的能耗。首先,针对单路径路由算法存在的部分节点负载较重、路径失效的问题,提出利用多路径路由算法进行并行数据传输,从而降低节点的负载,延长节点生命周期。其次,对于传统多路径算法中只考虑单一因素而带来的路由不可用问题,如路由存在但某中间节点剩余能量无力转发数据的情形,提出了多维度多路径算法,有效降低了路由不可用的概率。最后,通过分别对单路径路由算法、传统多路径路由算法的仿真实验对比,验证了新算法能有效地降低能耗,提升网络性能。