作为一种多学科交叉的新兴技术,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN)在工业、农业、军事、环境监控和抢险救灾等领域有着广泛的应用前景。超宽带无线电技术(Ultra Wide Band,简称UWB)具有低功耗,高速率,抗多径,抗干扰,测距和定位能力强等特点。因此,超宽带无线通信技术和无线传感器网络可以形成天然的结合。近年来,全国各地矿难事故不断发生,给人民的生命和国家的财产造成重大损失。采用超宽带技术的无线传感器网络为井下复杂多变环境下的通信服务提供了一种可行的方案。本文围绕无线传感器网络在矿井环境下的应用问题,结合无线传感器网络和超宽带传输技术的特点,采用无线网络中跨层设计的思想,分别对信道模型、测距、定位、路由协议和介质访问控制协议等关键技术进行了研究。跳时超宽带(Time Hopping UWB,简称TH-UWB)是一种无载波超宽带系统,性价比高,其随机跳时码可以解决井下多用户干扰的问题。本文将TH-UWB技术用于井下通信,根据信号在井下的传播特点,参考IEEE802.15.4a信道模型,对室内信道的建模方式进行了改进,考虑了井下不同区域和位置对数正态阴影的影响,提出一种类室内环境的井下超宽带对数距离路径损耗模型。相比其他模型,该模型考虑到了阴影成分的随机影响,更便于进行井下信号估计。根据井下路径损耗模型,提出一种基于最大似然估计的接收信号强度(Received Signal Strength Indication,简称RSSI)测距方法,避免了随机测距的误差,提高了井下RSSI测距的稳定性。同时,利用TH-UWB中TH码的多址特点,提出一种多用户接入测距方式,发挥了测距算法的优势,提高了测距信息的吞吐量。推导了RSSI测距的Cramer-Rao下界,用于评估RSSI测距的性能。通过理论分析和实验验证,井下RSSI测距算法在测距精度和稳定性上得到了很大提高。在井下信道模型和测距算法的基础上,提出一种距离相关的定位算法。采用度量多维标度的思想,提出一种基于非度量多维标度和最大似然估计(Non-metric MDS and Maximum Likelihood Estimation,简称NMDS-MLE)的定位算法。该算法利用了非度量多维标度对实体间的相异性只需要满足一定的单调顺序等级关系,建立估计距离和欧式距离之间的关系进行定位。在定位过程中引入基于最大似然估计的RSSI测距方法,提高了定位性能。算法计算开销小,只需要基本的距离信息便可得到节点的相对坐标和绝对坐标,降低了对信标节点数量的依赖。通过理论分析、仿真比较和真实实验验证,NMDS-MLE算法在矿井等特殊环境下能显著提高定位精度。利用定位信息,可以设计一种基于地理位置信息的路由协议用于井下通信。由于矿井巷道的结构特殊,信号传播、节点部署和多跳路由不同于地面通信。本文从整体角度出发,采用跨层设计的思想,第一次给出了地下路由协议设计的综合策略。首先对三维巷道建模,提出一种简化的圆柱巷道模型；然后基于巷道模型,提出一种混合信号传播模型,通过在自由空间模型和双线模型中切换估计接收信号强度；最后根据巷道的地理和形状特点,提出一种基于整体设计的路由协议,称之为巷道弹跳路由(Bounce Routing in Tunnels,简称BRIT)。BRIT将转发速度作为路由尺度,整合了位置、距离、信号质量、数据速率、数据队列等信息,用于多跳转发的选择。BRIT还给出了一种路由压制机制,避免路由发现过程中消息泛洪的影响。并设计了一种多路径互补策略,用于路由修复。在随机、线形、双线、螺线等部署策略下,通过仿真评估了巷道弹跳路由协议的性能。无线传感器网络中的节点同时竞争访问信道,或者通过多跳路由转发数据时,会在网络中引起冲突和干扰。调度信道访问虽然可以提供无冲突的通信,但是会浪费未用到的时隙和引起节点访问的延迟。本文利用拉丁方符号分布的唯一性和有序性,在介质访问控制(Medium Access Control,简称MAC)层提出一种基于拉丁方的动态多访问调度(Dynamic Multiple Access Scheduling Based on Latin Squares,简称DyLS)算法。DyLS改进了传统的时分复用机制和随机访问策略。通过设计一种按需图着色算法,给参与通信的节点分配两跳范围内无冲突的颜色。拉丁方的行对应网络中参与通信的节点的着色分配。在点对点访问中,拉丁方的列对应节点在每个时隙的退避时间；在多跳访问中,拉丁方的列对应节点在每个时隙访问信道的优先级。通过仿真实验表明,基于图着色和拉丁方的信道访问调度算法要优于其他MAC协议。