无线传感器网络是一种由若干无线传感器节点自组织构成的以采集信息为目标的网络。无线传感器网络使逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合，改变了人与自然的交互方式，真正实现了“无处不在的计算”模式。鉴于其将为人类带来的不可估量的好处，无线传感器网络受到了全球范围内学术界、工业界、军队及政界的广泛关注。 以采集数据为目标的无线传感器网络中，节点大多靠电池供电，能量十分有限，因此，设计低能耗高质量的数据采集技术，对于无线传感器网络实用化具有非常重要的意义。本文围绕联合优化数据质量和能耗这一主题，以数学建模和博弈理论等数学方法为基础，结合无线传感器网络的特点，分别从原始数据采集和数据传输这两个阶段分析了影响数据质量和能耗的主要因素，对这些因素之间的关系建立了一系列数学模型，并提出了相应的优化算法。本文的主要贡献如下： (1)从时域上对原始数据采集阶段的数据质量与能耗进行了量化研究。为了衡量该阶段获取的数据质量高低，我们定义了一个数据的观测质量。接着以节点的观测频率为主要参数，分别建立了时域观测质量与观测能耗的数学模型，并证明了时域观测质量与能耗之间存在“天花板效应”，也即，观测质量先随观测能耗的增大而增大，达到一定程度后，随着观测能耗的继续增大，观测质量基本保持不变。这一结论为实际应用中设计优化时域观测质量和能耗的数据采集算法提供了理论依据。 (2)从空域上对原始数据采集阶段的数据质量与能耗进行了量化研究。我们抓住节点的个数和位置这两个实际应用中选择观测节点的关键参数，分别建立了空域观测质量和观测能耗的数学模型。研究了给定节点位置分布时空域观测质量的理论上限。理论和实例分析都表明，空域观测质量与能耗之间也存在“天花板效应”。基于这一结论和提出的数学模型，我们进一步提出了一个以观测质量为导向的观测节点选择算法(QODNS)。仿真结果表明，相比于随机选择方式和最近节点优先这两种节点选择方式，QODNS能以更少的能量代价获得更高的空域观测质量。 (3)针对数据传输阶段影响数据质量和能耗的路由问题，建立了一个多阶段动态博弈模型。该博弈模型揭示了宏观上传输路径形成的微观原因，为寻找既可靠又节能的传输路径提供了理论依据。基于该路由博弈模型的均衡分析，不仅证明了该博弈存在纯策略纳什均衡，而且证明了联合优化传输可靠度、网络能耗和生存期的路径就是该博弈的一个强纳什均衡结果。 (4)根据机制设计理论和帕累托优势标准，设计了一个基于地理位置信息的博弈机制(GBGM)，用于引导节点们朝着优化传输可靠度、网络能耗和生存期的方向行动。GBGM采用基于地理位置的贪婪转发方式以适应拓扑结构多变的无线传感器网络，节省了路径发现和维护的能耗。GBGM还充分利用了节点数据间的相关性，激励节点朝着有利于汇聚的方向传递数据，能在不降低数据质量的前提下进一步减少网络能耗。仿真结果表明，GBGM能在获取较高的传输可靠度同时提高节点存活率并延长网络的生存时间。 综上所述，本文深入系统的研究了无线传感器网络中数据质量与能耗的关系和联合优化问题。对于有数据质量要求应用场景，我们的研究成果能指导节能的数据采集和传输算法的设计。