无线传感器网络是传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的多学科、多技术相互渗透融合的科学产物。无线传感器网络的固有特点和体系结构使其在军事、环境科学、智能家居、医疗健康、空间探索和其它商业领域有着广泛应用。目前无线传感器网络拓扑管理、网络协议、网络安全、定位技术和数据融合技术等成为该领域的关键技术和研究热点。本文在总结现有技术和研究的基础上,对无线传感器网络的若干关键技术问题进行如下研究工作:基于无线传感器网络流量的统计特性,本文提出无线传感器网络异构业务量统计模型。在ON/OFF模型的基础上,首先指出无线传感器网络自相似业务量叠加过程不总是呈现统计长相关;其次对由ON/OFF模型建模的不同流量的统计特性在不同环境下进行分析,理论证明即使有部分流量的统计特性是短相关性,合并之后的异构流量的统计特性仍然呈长相关性,最后提出无线传感器网络异构业务量的结构化统计模型,此模型可以直观表明聚合之后的业务量的分形程度并不是参与合并的不同业务量分形程度的叠加,而是由具有最大分形程度的业务量来决定。数值分析验证此数学模型的有效性。分析无线传感器网络典型的MAC协议SMAC协议的不足之处,针对无线传感器网络能源有限的特点,本文提出AMPMAC协议。在真实的网络环境里,网络流量随着无线信道接收性能的改变而改变,因此MAC协议的设计必须考虑网络流量的变化。AMPMAC协议修改SMAC的消息传递机制,它能够根据网络流量的变化自适应的调整发送消息中数据分段的大小,从而节省了整个网络消耗的能量。仿真结果表明该协议的有效性。从天线角度出发,提出MODMAC协议设计方案以达到节省无线传感器网络能量的目的。大多数MAC协议都是利用全向天线来收发数据,但实际上全向天线从各个方向发送和接收数据的时候产生的能量都是相同的,而定向天线则可以实现某一个方向上的传输,那么使用全向天线对无线传感器网络无疑是浪费了更多的能量。因此,本文从天线耗能角度出发,引入定向天线到无线传感器网络MAC协议的设计,并提出MODMAC协议,它联合了全向天线和定向天线的优势,不仅可以使得网络节点朝着既定的方向发送和接收数据,从而避免了其它方向上能量的耗损,还可以简化路由,进一步提高无线传感器网络的能量效率。基于双线性配对,本文提出一个适用于无线传感器网络的门限签名方案,并在假设计算Diffie-Hellman问题困难的前提下,利用规约到矛盾的方法给出在随机预言机模型下的安全性证明。与传统的网络相比,无线传感器网络中的节点随时可能失效,同时新旧节点的加入非常频繁,而且无线传感器网络在存储空间、移动性、计算能力和能量等方面限制,因此在需要采用认证、签名等安全技术时,本文所提的门限方案更加适合无线传感器网络。此外,本文所提方案还具有以下特点:第一,满足群合作的条件下应该具备的鲁棒性,可以在合作生成签名的过程中检测群内所有节点是否运行错误的行为和步骤,同时可以防御一些恶意的节点对整个群造成的影响;第二,可以进行多签,即群内的所有节点可以自由选择自己需要发布的消息,在签名中可以一次性对所有的消息进行签名;最后,满足分布式并行计算要求,所有参与签名节点可以并行的计算自己的部分签名,然后将部分签名组合成为门限签名。本文提出一个适用于无线传感器网络的基于身份的签名方案,并在此方案的基础上构建基于身份的环签名方案。本文所提的签名方案可以解决基于身份的密码系统的某些固有的缺陷-密钥托管问题。在假设计算Diffie-Hellman问题不可解的前提下,本文使用随机预言机模型证明所提环签名方案可以抵御自适应选择消息攻击和身份攻击。传统的公钥密码体系需要验证、传输、存储公钥证书,不适用于计算、通讯带宽、存储空间等资源受限的无线传感器网络。基于身份的密码体系将身份消息作为公钥,大大减少公钥认证的计算量和复杂性,因此非常适用于无线传感器网络。但是基于身份的密码体系中固有的密钥托管问题,会使得一个不诚实的PKG(Private Key Generator)伪造用户的签名,从而导致即使PKG是诚实的情况下,用户会对自己的签名进行抵赖。在所提签名方案中,PKG不再作为一个可信的第三方。最后效率分析表明本文所提方案具备很高的计算效率。最后,总结全文的主要工作和创新点以及今后研究工作的展望。