由大量体积小、低功耗、无处不在的具有有限计算、通信能力的传感器节点自组织构成的分布式网络,即无线传感器网络,是可以自主根据周围环境智能地完成目标任务的系统。随着其在智慧医疗、智能家居、车联网、高效农业等领域的广泛应用,它的通信性能需求也在不断提高。针对不同应用场景的需求,无线传感器网络中首要解决的关键问题就是采取什么优化覆盖策略,这会对节点能量、通信带宽、计算能力等十分有限资源的优化分配造成直接影响,决定了感知、监测、通信等网络服务质量。作为无线传感器网络的基础性问题之一,网络覆盖控制在保证覆盖性能的基础上,采用节点调度等方式,根据网络冗余性提高节点的能效,从而延长网络生命周期。节点部署方式是该问题的基础,直接对路由算法、拓扑结构、覆盖质量以及网络成本等造成影响。本文从高能效的角度出发,研究无线传感器网络中最少节点部署以及最优覆盖的问题,包括区域覆盖、点目标覆盖、栅栏覆盖等内容,提出高效的网络部署方案以提高系统的传输性能,降低系统功耗。概括地讲,本文的研究成果主要包含以下几方面：1)概述了无线传感器网络及其覆盖控制技术的研究现状、存在问题以及发展趋势,着重分析、对比了几种经典的协议与算法,详细系统地提出评价体系,展望了覆盖问题的未来的研究方向与思路,为后续研究作充分准备。2)在目标区域内节点快速部署、组网且及时取得该区域信息是至关重要的。为了实现所需覆盖,在异构无线传感器网络中,网络设计者首先需要考虑目标区域内传感器节点的分配比例。过多或过少的节点都会限制信息收集和网络维护的有效性。为了获得所需的网络覆盖率且使组网成本最小,考虑传感器节点和汇聚节点有限的能量以及感知范围,将覆盖过程理论应用到网络节点分配中,通过数学方法推导出传感器节点和汇聚节点的最优比例。本文所提的节点最优分配方案给网络设计者在实际网络部署中提供有效的指导。3)在无线传感器网络中,能量是需要考虑的关键因素之一。节点的高能效、低功耗可以有效地提高网络性能。本文在异构无线传感器网络中考虑能量公平性的问题,为防止“能量洞”问题的发生,提出了一个类似于蜂窝网络的节点部署模型,通过这样部署异构传感器节点就可以达到节能的目的,同时延长了网络的生存时间。基于此模型,利用博弈论来模拟传感器节点之间数据包的传输过程,提出适合于数据传输各个阶段的能量消耗机制,通过合理设计测量函数最终得到纳什均衡。本文所提节点部署方案不仅使网络的能量消耗得到均衡,而且使网络的生命周期得以延长。4)考虑到加性和乘性噪声对目标跟踪算法的影响,本文研究了三维无线传感器网络的目标跟踪问题,提出了一种新颖的三维目标跟踪优化算法。首先将考虑加性和乘性噪声所得的目标跟踪问题作为优化问题进行分析,引进费雪信息矩阵来测量节点定位的准确性,将跟踪问题转化为每个时间段的优化问题。然后,根据目标函数的特点以及三角函数的转换关系,将该优化问题所含变量的数量和搜索空间减少。最后提出了基于标准的卡尔曼滤波的最优跟踪算法,避免了不稳定因素,并使跟踪精度最大化。本文所提出的最优跟踪算法具备良好的跟踪性能,能较好地模拟目标的运动轨迹。5)由于三维网络更符合人们的实际生活环境,因此研究三维无线传感器网络的覆盖问题具有重要的现实意义。本文研究内容与已有的关于栅栏覆盖的研究不同,创新性地提出将三维网络划分为均匀晶格结构,根据渗流理论将三维暴露路径问题转化到所提晶格结构中,基于极限、概率论等数学理论推导出随机节点分布(三维泊松过程)的全向和定向传感器网络的紧密临界密度。本文的研究避免了连续渗流理论推导的松散临界密度,具有非常重要的理论研究意义。综上所述,本文主要研究了高能效的节点部署以及网络覆盖优化问题,相应地提出了解决策略,具有理论研究意义和实际应用价值,推动了无线传感器网络的进一步理论研究与实际应用。