无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量具有数据采集、数据处理、数据存储和无线通信等功能的资源受限的微型传感器节点以自组织和多跳路由方式构成的信息传输网络,目前已广泛应用于环境监测、智能家居、智慧农业、资源勘探、军事防御等领域。然而,WSNs中的传感器节点通常由能量有限的电池提供,而且常被部署于无人值守、复杂、恶劣的环境中,同时数量巨大,分布广,所以常会因为能量耗尽无法得到及时有效的补充,导致整个网络功能的降低或消失,影响网络的经济性和实用性。因此,在WSNs的设计与应用过程中,有效地提高能量利用率,延长网络寿命是首先需要考虑的重要因素之一。本文针对WSNs中目标覆盖、路由协议、数据传输三个方面展开能量高效的优化策略研究,并提出了相关解决方案。本文的主要研究内容总结如下:(1)针对最大化网络寿命的目标覆盖问题,在现有基于传感器节点集合划分的目标覆盖算法基础上,提出了网络寿命最大化的启发式目标覆盖算法,该算法以轮为单位度量网络寿命,通过引入关键覆盖目标的概念和关键覆盖目标优先覆盖的原则,计算每轮中的最优覆盖子集,从而求出网络寿命的局部最优解,通过局部最优解逐次逼近全局最优解。同时,根据传感器节点效用最大的原则来激活传感器节点,从而降低关键覆盖目标的能耗,实现延长网络寿命的目的。仿真实验表明,相比于MC-MIP算法和MUA-WPT算法,本文提出的算法在网络寿命性能方面有了一定的提升。(2)针对簇结构层次路由协议的特点及存在的问题,结合链结构层次路由协议的优点,研究并提出了融合链结构和簇结构的能量高效层次路由协议。该协议引入节点等级划分将距离基站近的节点划分为L1级,远的节点划分为L2级,对L1级节点进行成链操作,构建一条数据传输链,并选择剩余能量多的节点作为链头与基站直接通信;对L2级节点进行分簇操作,在LEACH协议基础上考虑节点剩余能量,增加剩余能量多的节点被选为簇头的概率,保证网络负载均衡,并根据簇头与L1级节点的距离,以及L1级节点的剩余能量和邻居节点数,为每个簇头选择一个最优的L1级节点作为其与基站数据传输的直接中继节点,从而优化与基站直接通信的节点数量以及簇头与基站的通信距离,实现有效地均衡和降低网络能量消耗,延长网络寿命的目的。仿真实验结果表明,相比于LEACH协议、PEGASIS协议、基于LEACH协议的NF-LEACH协议、基于链结构的CRA协议,以及基于簇和链结构的PEG-ACO协议,本文提出的协议在能量消耗和网络寿命方面有了一定的提升。(3)针对WSNs中的传输速率最大化问题,结合网络编码理论在吞吐量优化和高效安全数据传输的优势,研究了 WSNs中多个传感器节点收集到监测区域的信息发送给多个用户时,对传输速率分配,传输拓扑选择和安全线性编码进行了联合优化设计,在保证这些信息通过自组织多跳的WSNs传输给用户的过程中的数据机密性前提下,实现最大化传输吞吐率,节约网络能量。针对源点固定情况下的多流安全组播(Multi-stream Secure Multicasts,MSM)问题设计了基于线性规划的 LP(Linear Programming)算法。通过LP算法确定的每个组播的每个数据流的传输速率能够最大化安全条件下的总加权传输速率。另外,针对源点不固定情况下的MSM问题首先建立了整数线性规划模型,然后基于线性规划松弛理论设计了 LPR(Linear Programming Relaxation)算法。通过LPR算法虽然不能够获得MSM问题的最优解,但其确定的每个组播的源点和每个组播的每个数据流的传输速率能达到较高的总加权传输速率。在仿真实验中,针对源点固定和不固定情况下的MSM问题分别设计了上界和下界,并通过仿真实验将LP算法和LPR算法在不同参数情况下跟上下界进行了比较,进一步说明了所提出的算法能够在有效地保证数据安全传输的条件下,提高了网络传输吞吐量和能量利用率,实现了延长网络寿命的目的。