无线传感器网络(WSNs, Wireless Sensor Networks)是一门融合了计算机、无线通信、传感器、自动控制、信息处理、人工智能、以及微机电系统等学科的新兴技术。WSNs具有规模大、部署简单、低功耗、动态拓扑、自组织、可扩展性强等特点,在军事、环境科学、智能家居、医疗健康、空间探索等领域得到了广泛地应用。WSNs是面向数据的泛在网络,其部署和使用的目的是感知监测对象的各种物理信息,并以多跳传输的方式实时地将有用的数据发送给远端的用户。在此多跳传输链路中同时有上行的感知数据和下行的系统控制、管理、分配监测任务等数据。WSNs通常被部署在比较恶劣的环境中,通信链路的状态以及其它节点数据的干扰对数据传输的可靠性影响很大,并且随着跳数的增加,影响就越发明显。多个节点的数据在某个节点汇聚可能导致数据拥塞,从而增加网络时延、降低系统容量。另外,传感器节点使用电池供电并且难以被替换,一旦传感器节点的电源耗尽将会直接影响到整个网络功能的实现。针对上述问题,本文研究了WSN中基于分簇多跳传输模型的可靠、高效的双向多跳数据传输技术,并具有能量效率高、时延小等优点。本文主要进行了如下研究：1)研究分析了分簇多跳无线传感器网络中基于虚拟多输入多输出(VMIMO, Virtual Multiple-Input Multiple-Output)技术的传输系统模型,并对MIMO系统的可靠性、能耗和容量进行研究,针对无线传感器网络需要传输的数据量大和能量受限的特点,选择适合无线传感器网络的具有可靠性高、能耗低、译码简单等优点的MIMO传输技术。2)空时分组码(STBC, Space-Time Block Coding)技术能够充分利用MIMO信道中多个独立的单输入单输出(SISO, Single-Input Single-Output)传输通路获得空间分集增益,从而大幅提高无线系统抗衰落的能力,并能显著地提高系统容量。论文研究了STBC中的正交空时分组码(OSTBC, Orthogonal Space-Time Block Coding), OSTBC通过在发射端对发射数据进行正交编码处理,发射机不需要信道信息就可以实现分集增益,并且接收端译码简单,在实际中得到了广泛的应用。但是OSTBC编码方法当发射天线数大于2时,不能获得全速率传输,频谱效率较低。因此本文研究一种改进的OSTBC算法,当发射天线数为4时,仍然可以实现全速率传输。3)在多跳中继网络中,中间节点只对数据进行简单的转发和放大,而网络编码(NC, Network Coding)允许中间节点对接收到的数据进行编码然后再发送。网络编码的使用,可以显著地降低网络时延、提高误码性能和系统容量等。论文对网络编码及其原理进行了研究,结合无线传感器网络的特点,将网络编码与虚拟MIMO技术相结合。仿真结果表明,结合网络编码的虚拟MIMO传输技术不但有MIMO的分集增益、能耗小和抗多径衰落等优点,同时也保持网络编码的时延小、可靠性高和容量大等良好性能。