近年来,随着研究的深入和相关硬件技术的发展,无线传感器网络在实际应用中得到越来越多的部署,并表现出更多的应用潜力。可靠数据传输是无线传感器网络设计和实现中的一个关键问题,它决定了数据包如何经过多跳步路由成功地传输到目的节点,对网络的性能有重要影响。然而,由于无线通信受环境、信号干扰和能量耗尽等因素的影响,导致无线传感器网络的可靠性较差。冗余数据传输是目前保证可靠数据传输的主要方法,如多路径或重传,其基本思想都是用增加数据的传输量来换取可靠性的提高。由于可靠性要求高的应用往往对传输的实时性也有较高要求,因此本文选择多路径作为提高数据传输可靠性的主要手段。但是,多路径方法引入大量通信冗余,直接受到传感器网络能量受限、规模大、动态性强等特点的制约,给多路径的研究和应用带来巨大挑战。本文系统地研究了多路径的构建及其传输控制中的一些关键问题。这些问题相互渗透、紧密关联,直接影响到多路径的有效性和能耗高效性。然而,已有研究由于使用不精确的通信能耗模型,没有充分考虑到网络的大规模特点,导致多路径构建能耗不高效,可扩展性较低;由于在编码方式、流量分配和带宽分配等方面的不完善,导致多路径数据传输可靠性较低,无法充分发挥作用。本文针对无线传感器网络的诸多特点和现有研究的不足,从以下几个方面展开研究。在多路径构建方面,针对现有方法多路径能耗不高效、路径间相互干扰的缺点,本文首先研究了可靠性约束的最小能耗多路径构建问题,并证明该问题为NP-hard问题。通过精确分析传感器节点的通信能耗模型,提出解决该问题的近似方法。为减少路径间干扰,本文进一步利用现有radio的多频特性,在此基础上提出了一种能耗优化和干扰避免的多路径构建算法EIMM-FA。该算法能根据可用频段范围以及网络节点疏密程度有效构建和维护多条路径。模拟结果表明,EIMM-FA显著降低路径间的干扰,用较低的能耗达到数据传输的期望可靠性。为提高多路径构建的可扩展性,本文挖掘地理位置相近数据的关联性,提出一种可靠的网络分簇协议CREED。在簇的建立上,通过802.11 a/b/g的多速率传输技术计算合理的簇大小,平衡簇内节点的耗能。在簇首选举上,本文提出一种动态簇首备份方案EDDS。EDDS在簇首失效时能够以较少的开销迅速选举新簇首,保证了簇首的鲁棒性。在簇间,本文提出一种多路径路由协议,该协议根据节点的剩余能量以及路径跳步数在多条路径间分配流量,均衡全网能耗。模拟结果表明,CREED在保证期望可靠性的基础上提高了路径构建的可扩展性,显著优化了簇内、簇间的通信能耗,为多路径数据传输提供一种鲁棒的分簇拓扑支持。为了有效利用多路径,更好地达到可靠性目标,需要进一步研究多路径的传输控制问题。传统的方法对每份数据沿多条路径同时传输,容易造成对单份数据的依赖。针对这个问题,本文提出一种基于网络编码的多路径传输方法。通过将同组数据编码成相互独立的多份数据,并在传输过程中继续编码以降低相关性。目标节点只需收到部分数据就可以恢复原始数据,有效提高传输的可靠性。该方法中,传输每组数据所需的路径数是个关键的参数,它体现了使用网络编码后多路径传输所需的通信量。本文基于棣莫佛-拉普拉斯中心极限定理,提出一种开销较低的近似方法计算该参数。分析模拟表明,网络编码在保证期望可靠性的同时显著降低了多路径的通信量,适应传感器网络动态性强、规模大等特点。在多路径数据传输中,如果路径流量分配不合理,会产生和加剧拥塞,导致多路径无法发挥作用。针对这个问题,本文提出一套多路径传输的拥塞控制策略COTA+CODEM,在有效控制拥塞的同时保证报文传输的可靠性。COTA根据路径节点的使用情况以及剩余能耗,预测潜在的拥塞区域,避免给热点区域分配过多的流量,有效预防拥塞。CODEM基于精确的度量和规则检测拥塞,当拥塞不可避免地发生时,能够及时有效地通知数据源,将拥塞区域的路径流量转移到其它负载较轻的区域,有效缓解拥塞。模拟结果表明,COTA+CODEM能有效控制拥塞,显著提高可靠性、实时性和吞吐率。在发生拥塞时,需要进一步考虑数据传输的公平性问题。针对现有公平性定义不完善以及公平性控制策略不实用的问题,本文从传感器网络冗余部署的特点出发,扩展了传统的公平性定义,提出基于信息量的公平性控制策略CFRC。在信息量计算上,本文根据节点的感知面积提出一种开销较低的计算方法,给出带宽分配的依据。在带宽分配上,通过分析影响拥塞的干扰源,本文提出一种干扰源感知的带宽分配算法,充分保证了公平性。模拟结果表明,CFRC能根据各数据源产生报文的信息量分配带宽,有效实现了符合传感器网络特点的公平性控制。综上所述,本文针对可靠数据传输的多路径构建及其扩展性问题,多路径传输的编码方式、拥塞和公平性控制等关键问题提出了有效的解决方案,对于推进无线传感器网络可靠数据传输的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。