随着硬件和无线技术的研究进展,诸如嵌入式技术、传感器技术、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)、通信技术、分布式信息处理以及网络技术等,使得低成本、低功耗、小尺寸、多功能的传感器节点得到广泛的发展和应用。这种由具有通信、计算以及信息处理而无需基础设施的传感器节点形成的网络被称为无线传感器网络,已经被用来从物理世界收集数据。它们感知物理世界,在网内处理这些数据,然后使用无线多跳的方式与基站进行通信。无线传感器网络在广泛的应用领域内具有重大影响,这些应用范围从军事到科学、工业、农业、医疗保健等领域,无线传感器网络重新界定了我们的生活和工作的社会方式。无线传感器网络是大型网络,在一个网络中所部署的节点数可以从成百上千个到成千上万个不等,这些传感器通常是由电池供电,节点的可靠性较低,节点资源有限,信道的容量随着网络的控制参数、环境不断发生变化,造成网络拓扑多变,传统的分层设计不能适应无线传感器网络的需要。不同协议栈层之间交互以及信息共享的跨层设计技术,可以提高无线传感器网络系统的性能以及资源的利用率,降低分层协议相关的开销,提高效率。本文针对无线传感器网络自身的特点,使用跨层设计技术,在能量效率、服务质量、网络安全等方面进行了探索和研究。主要的工作如下：1.对WSNs引入跨层设计的原因进行分析,对WSNs跨层设计使用的常用理论方法和技术等进行归纳总结,给出了WSNs跨层设计的概念,分析了WSNs跨层设计的动机与益处,并将WSNs跨层设计分为两大类,即全新抽象设计方法和兼容跨层设计方法,并对它们进行了分析和比较。2.为了满足WSNs应用的QoS需求,以及资源受限的节点能够充分利用所得到的资源,提出了基于尺度的无线传感器网络协同中继跨层QoS路由解决方案。为该方案建立了网络模型、路由模型以及能量消耗模型,提出了优化的MAC方法和MCRICQR算法。节点感知的数据对时延敏感性的不同,接入信道以及使用信道的方法也不相同,使用基于定时器的MAC方法,来解决节点使用介质问题；节点根据时延敏感性、能量、信道、拥塞以及与汇点的距离等综合因素形成一个选择度量,度量最大的节点根据自己所处状态自主选择直接转发、中继转发以及跃进转发数据包,即节点根据应用层、网络层、MAC层以及物理层等多层参数来选择NHF、RFN以及LPF,降低数据包传输的时延,提高可靠性,实现负载均衡,提高网络吞吐量,延长网络寿命。该算法具有较好的鲁棒性和自适应性。3.针对WSNs节点数目多,分布范围广以及动态的拓扑等特性,为了实现网络能量高效,提出了跨层自适应周期分簇路由模型(CACR)。该模型由两部分构成：(1)使用跨层自适应簇首选举算法,选举出簇首；(2)在簇首将数据包传送给汇点时,使用跨层簇间路由模型算法。为了实现簇内和簇间通信时选择最佳能量效率节点,以上算法考虑节点剩余能量、能量消耗因子、RSSI以及距离能耗指标,依据剩余能量动态调整簇首工作周期,均衡网络节点能量；在数据包发送时,将物理层的功率调整到最适合的水平,从而提高整个网络的能量效率,延长网络寿命。4.针对WSNs网络节点易受安全攻击的特性,若只考虑单一层次的安全方案对WSNs而言存在诸多局限性的问题,为无线传感器网络提出了一个跨层安全框架。该安全框架由能量高效的跨层安全框架和基于簇的安全密钥管理(CSK)方案组成。并对所提出的跨层安全框架在能量效率、探测和抵御DoS攻击、源真实性和数据验证等方面进行分析。将所提出的WSNs跨层安全框架在WBSNs网络中应用进行仿真。为了实现所提出的安全方案,提出了3个算法：(1)簇首与簇成员之间分发簇密钥；(2)节点向汇点传输数据安全算法以及(3)汇点端的安全算法。仿真结果表明,所提出的安全框架和密钥管理方案是能量高效的,并且可以对一定的恶意节点进行防范。