无线传感器网络是近年来发展迅速、受到普遍关注的新兴网络,它的出现不仅促进了现代科技的快速发展,同时,也使人们的观念产生了巨大的变化。与传统的网络不同,无线传感器网络技术将现代无线通信技术、微型传感器技术和网络技术有机地融为一体,在国防、环境检测、家庭自动化、运输和其它许多领域具有广阔应用前景和极高应用价值。无线传感器网络由大量简单廉价的具有无线通信能力和计算能力的传感器节点组成,但是节点能量有限,无法长时间处于工作状态。传感器节点能量耗尽意味着该节点将脱离网络,导致网络拓扑结构改变甚至网络中断,因此传感器节点的能耗问题成为制约无线传感器网络协议设计的重要因素之一。在无线传感器网络中,MAC协议可以分配有限的无线通信资源,决定节点无线收发机的工作方式,从而有效地控制传感器节点的能量消耗。高能效的无线传感器网络MAC协议可以满足无线传感器网络在低能耗状态下进行高效数据通信的需求。本课题的研究内容将主要关注基于时隙接入类MAC协议中协调网络能量与时延性能间的关系、提高网络生存寿命和降低单位数据传输能耗三方面能效问题,以优化能量效率为首要设计目标,提出合理有效的改进方法,从而提高无线传感器网络的能效性能。首先,围绕无线传感器网络MAC协议设计方法,从MAC协议的基本概念出发,结合无线传感器网络MAC协议与传统无线网络之间的区别以及在协议设计上的限制,总结出无线传感器网络MAC协议设计的主要目标。本文还列举典型传感器网络MAC协议——时隙接入类MAC协议,说明目前MAC协议的能量效率与最优化的性能还存在一定差距,主要表现在固定占空比引起的能耗与时延性能间难以优化协调,虚拟簇结构中边界节点能耗现象影响网络寿命,以及无线收发机状态频繁转换产生额外数据接收能耗这三方面影响能量效率的问题,为MAC协议高能效性能研究确定方向。其次,针对固定占空比引起的能耗和时延性能间难以优化协调,协议缺少灵活性的问题,提出一种基于网络缓冲区队列时延的动态占空比协议——QDSMAC(Queue Delay SMAC)协议。结合节点缓冲区队列时延和节点剩余能量,提出缓冲区队列平均时延计算公式,以此来判断网络负载的变化程度。QDSMAC协议通过缓冲区队列时延迅速准确的了解网络负载变化,改变节点占空比,达到优化协调网络能耗和时延性能关系的目的。同时,QDSMAC协议还采用控制分组优先广播的方法,避免占空比改变后数据分组丢失的问题。再次,针对簇形同步结构中存在的边界节点能耗问题,提出一种基于虚拟簇融合的无线传感器网络同步算法。处于多个虚拟簇交界处的边界节点为了连接网络必须在一个周期内同时遵循多个侦听时间,消耗高于普通节点几倍的能量,导致边界节点过早的死亡带来网络拓扑的改变甚至网络中断。该算法通过树形结构统计簇内节点总数,使每个节点掌握所在簇的尺寸信息。当相邻簇的大小发生改变时,节点通过簇尺寸信息进行虚拟簇融合,有效的减少边界节点的存在,延长网络生存寿命。最后,针对数据传输过程中无线收发机状态频繁转换产生数据接收额外能耗的问题,提出基于数据片段标识的高能效数据传输FIMP(Fragment Identifier Message Passing)方法。数据片段传输可以尽可能的避免长数据重传带来的能量消耗,但是,节点收发机状态频繁转换以及大量控制分组的存在却会导致额外的能量消耗。FIMP方法通过使用带有数据片段标识的确认分组完成了多个数据片段接收情况的确认,并且含有片段标识的数据重组避免了收发机对多个数据片段的接收和发送,达到降低单位数据接收能耗的目的。