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无线传感器网络的主要矛盾是有限的资源与数据的可靠传输之间的矛盾。因此，如何减少无线传感器网络的节点能耗，延长网络的生存期，同时保证数据的可靠传输，是无线传感器网络必须解决的关键问题之一。协作通信是近年来出现的一种可靠传输技术，通过空间分集克服信道衰落的影响，从而大幅度地降低实现数据可靠传输需要的能量消耗。
由于协作通信涉及到无线信道、无线网络和物理层传输技术，因此，采用跨层设计的方法对协作通信进行优化，可以大幅度的提高协作通信的能量效率。
本研究的目的是采用跨层设计的方法，针对无线传感器网络，对协作通信的路由、功率控制和中继选择方法进行联合优化。优化的目标是最小化数据传输带来的总能耗，以及最大化无线传感器网络的生存期。优化的约束条件是达到端到端传输的可靠性QoS指标，即给定的端到端数据包成功传输率要求。根据优化的结果，本文针对不同的优化目标和场景，提出了几种协作通信的跨层协作通信算法，并与其他的已有的协作通信算法进行了比较。仿真结果表明，与A S。Ibrahim等人提出的MPCR算法相比，本文提出的最小能耗算法能够减少总能耗的25％左右。与非协作通信中常用的FA算法、相比，当链路误码率要求为10-3时，本文提出的最大化生存期算法为能够增加网络生存期2倍以上。同时，本文还通过仿真分析了多跳协作通信的能耗与几个重要参数，如QoS要求、中继数目、接收功耗、SNR阈值等的相互关系，可以为在无线传感器网络中具体实施协作通信算法提供一定的参考。另外，本文提出的算法复杂度较低，可以分布式实现，适用于无线传感器网络。
本文的主要贡献在于：
首先，提出了一种无线传感器网络中最小化能耗的跨层协作通信算法。通过研究传输能耗和端到端传输成功率的关系，对于直接传输和协作通信情况下，如何在保证端到端可靠性QoS前提下实现传输能耗的最小化进行了跨层优化。在跨层优化的基础上，提出了一种分布式的路由、功率控制和中继选择的联合算法。结果表明，由于采用了端到端的QoS作为约束条件进行优化，因此在相同QoS条件下，本算法与已有算法(如MPCR、CASNCP)相比具有更高的能量效率。进一步研究了几个参数对于算法的性能影响，对于如何在多跳无线传感网中应用协作分集具有一定的参考意义。
其次，提出了一种无线传感器网络中最大化网络生存期的跨层协作通信算法。通过研究在MPSK的调制方式下，如何让以实行协作通信的节点实现生存期最大化的问题，我们给出了最大化网络生存期的目标函数和约束条件。由于最优化问题是一个NP难的问题，我们基于经典的FA算法，提出了一种应用于协作通信场景的分布式的次优算法。仿真表明，与非协作通信的最大化生存期算法相比，在一定的条件下，采用协作通信的最大生存期算法能将网络生存期提高2-10倍。协作通信不仅能降低能量消耗，而且还能使网络节点间能量分布更加均匀。
第三，提出了一种多输入多输出协作通信的路由算法，分析了每一跳都是多输入多输出结构(MIMO)下的协作路由的最小化传输能耗问题。在求解最优路由是一个NP难问题的情况下：我们给出了两种分布式的次优算法--BCAN和MCAN，并分析了各自的性能，并与其他结构(MISO、SIMO)的协作路由进行了比较。仿真结果显示，B-CAN和M-CAN在随机拓扑和格型拓扑中的性能都超过了经典的MISO协作路由算法CAN和PC-L。算法在性能最优和复杂度之间进行了一定的折衷。
最后，本文提出了一种可靠的无线传感器网络MAC协议--G-MAC，作为一种多信道协议，G-MAC采用时分多址和跳频技术来联合控制信道接入，可以减少无线传感器网络中出现的射频干扰，减少碰撞以及空闲侦听带来的能量消耗。同时，G-MAC采用的二维时频调度算法，针对WSN数据采集树的结构进行优化，可以提高时频资源的空间复用度，从而增加资源利用率。在G-MAC中，还设计了一种跳频序列产生办法，可以避免不同逻辑信道的节点互相干扰。仿真结果表明，G-MAC相对于已有的WSN的MAC协议SMAC和CSMA/CA具有更强的抗干扰性和更低的能耗。