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无线传感器网络潜在的广泛应用前景，吸引了众多研究者进行研究，是目前一个非常活跃的研究领域。与传统网络不同，无线传感器网络资源非常有限，且以采集监测区域内的相关信息为主要任务，如何节约通信能耗并保证采集数据的可靠性，是研究人员需要解决的重要问题。媒介访问控制协议是节点通信的基础，因此，直接研究媒介访问控制层的协议与数据认证机制，从底层缓解无线冲突，并尽早去除冗余/虚假数据，对于降低网络通信能耗并保证数据的可靠性，具有十分重要的意义。
本文主要以无线传感器网络能量有限、节点分布密集、通信易失效等特性为基础，着重研究具有无线传感器网络特色的媒介访问控制层协议及数据认证机制。主要工作和研究成果包括以下几个方面：
(1)本文针对传感数据中存在的空间相关性，提出一种新的MAC协议，可以尽早去除冗余数据，减少进入网内的数据量，从而降低系统能耗。该协议的基本思想是基于无线传感器网络中无线通信的广播本质，利用传统MAC协议所忽略的串音数据在本地进行数据压缩。根据串音所接收到的数据，事件检测节点之间协同地对自身的数据进行压缩后再发送。首先对协同数据压缩的一般性问题进行量化，建立网络生存周期向量；然后对周期向量的最优解进行线性规划建模；进而提出一种近似最优、更低复杂度(O(N2))的启发式节点筛选算法。在此基础上，设计一种能量有效的，基于协同压缩方法的MAC协议—CCP—MAC，可以分布式地控制节点实现筛选算法。实验结果表明，CCP—MAC可以在很大程度上节约能量，延长网络生命周期。
(2)本文提出一种鲁棒的数据认证机制RAS，用于在MAC层尽早过滤虚假数据。RAS机制的基本思想是将每个合法事件均分成几个较小的事件块，节点利用动态认证令牌技术及所预置的密钥对每个小事件块进行签名；然后在过滤阶段，传输路由上的中转节点验证所接收的数据报告的真实性，并丢弃虚假的数据报告。RAS认证机制的主要特点是即使妥协节点拥有所有的签名密钥也无法伪造或篡改数据。理论分析和实验结果显示，相同条件下，RAS具有更好的安全性与抗妥协性，能更早过滤虚假数据报告，从而降低网络能耗。
(3)基于低功耗的通信模块和存储/缓存—转发思想，本文提出一种新的适合速率相对较低的无线传感器网络的异步通信架构，允许单个节点独立地进行数据传输而无需收发节点间的同步睡眠/唤醒机制。该架构允许发送节点直接向睡眠状态节点上的特定低功耗模块(PROUD)写入数据，从而使得节点保持一种存储—转发的异步工作模式。因此，无需进行全局或本地的同步机制，单个节点仍然可以正常工作，节省了时钟同步的能耗。更重要的是，该架构利用传统协议通常忽略的睡眠时间作为一种“额外”的网络资源，可以减少冲突和无效信道侦听，获取更好的能量有效性。在阐述异步通信架构及低功耗接收模块设计原理的基础上，本文主要讨论底层MAC协议的设计，提出了两种解决方案：协同式的随机唤醒机制CRW和交错唤醒机制IWS，以满足不同的应用需求。
(4)本文利用排队论对异步通信架构下的MAC协议及基于同步唤醒/睡眠机制的传统MAC进行分析比较。首先基于扩散近似理论为WSN建立开放式GI/GI/1—FCFS排队网络模型，分别对异步MAC协议与传统MAC的多种性能指标进行分析，包括最大采样频率/吞吐量、平均传输延时和传输能耗。GI/GI/1—FCFS排队网络模型并不是针对理想的MAC协议，而是具体考虑了MAC协议中的多种性能影响因子。因此，GI/GI/1—FCFS排队网络模型能较精确地体现MAC协议的微观特征。理论分析与实验结果表明，异步通信的高能量有效性、长延时、高吞吐量特性适合于低速率、实时性要求比较低的应用环境，可以很大程度上延长无线传感器网络的生命周期。
(5)基于开源OMNET++框架，本文结合以上研究工作，设计和开发了一种针对异步通信环境的模拟平台VWSN，并应用到实际项目中，评估数据压缩算法的性能。VWSN主要针对异步通信环境的特点，搭建从物理层至应用层的网络协议栈，在各个层之间提供通用接口，同时适合传统同步无线传感器网络。模拟平台采取两种方法：即虚拟节点机制与基于过滤正方形的干扰范围计算算法，以提高可扩展性与运行效率。模拟实验与使用经验表明，VWSN具有较好的准确性，能为较大规模下的无线传感器网络协议或算法的研究提供有效的评估手段。
最后，总结全文并展望下一步的研究工作。