无线传感器网络通常由大量低成本、低功耗、能量有限的传感器节点组成,这些节点负责探测特定的环境并把信息汇聚到接入点。节点尺寸一般很小,应用环境特殊,在这种情况下更换嵌入在微小节点中的电池或者向其充电是很困难的。相比其他性能指标,最大化网络寿命就成了无线传感器网络设计的主要目标。采用空时编码技术的多输入多输出系统(MIMO)由于能够减轻多径衰落的影响并获得空间分集的效果而得到了广泛研究。相比单输入单输出系统(SISO),在同样的性能约束下,MIMO能够节省能量消耗,提高通信质量。但是受节点尺寸及代价的限制,在微小的传感节点上安装多根天线不切合实际。在这种情况下,协作通信技术受到了大家的关注,因为它能够通过节点的合作来实现分集效果。受惠于无线信道的广播特性,源节点发送的信号能够同时被中继节点和目的节点所接收,中继节点可以帮助源节点重传信号以实现虚拟天线阵列的效果,大幅提高系统的鲁棒性。在物理层上,多种协作通信策略已经提出,对应于不同的通信环境和信道衰落情况,学者们广泛研究了再生和非再生协作通信的性能,比如误比特率、误符号率、分组差错概率、中断概率、吞吐量、信道容量等,并且在服务质量和功率预算的限制下,提出了多种中继选择算法和最优功率分配方案。协作通信机制也可以应用于数据链路层,实际上,考虑到不同节点之间通信资源分配的公平性和有效性,对于网络拓扑变化的可扩展性和自适应性,一些新颖的协作MAC协议已经提出。协作MAC协议通常以提高系统吞吐量、提高能量利用率、最大化网络寿命为目标,在无线传感器网络中,考虑到应用环境的特殊性,后两个目标成为分布式协作MAC协议设计的首选。协作截短ARQ机制是协作通信技术在数据链路层的另一重要应用。在有线链路中,利用截短ARQ机制可以引入时间分集效果,有效抵抗随机出现的报文差错,但是在无线链路中,差错的出现具有突发性,当两个节点之间的链路处于深度衰落时,这种糟糕的信道状况会持续一段较长的时间,因此由源节点负责出错信息的重传是不明智的,一个较好的策略就是让中继节点协助源节点进行信息的重传,因为源一目的节点之间的信道和中继一目的节点之间的信道是统计独立的,两者都处于深度衰落的概率是很小的,这样就可以引入空间分集效果,提高重传的有效性。能量高效的协作协议可以在网络协议栈的不同层设计,但是大量工作都集中在下两层,协作通信在网络层的应用还没有得到充分的研究,实际上设计分布式能量高效的协作路由机制是一个尚未解决的问题。路由算法的设计首先需要有一个预定目标,可以选择跳数最少的路径,选择总功率消耗最少的路径,或者选择最大化网络寿命的路径。一般的基于协作分集的路由算法首先选择一条最短的非协作路径,然后在这条路径上采用协作通信技术降低能量消耗或者提高网络寿命,但是用这种方法设计的最短路径不能充分利用协作通信的优势,并且所设计的最短路径往往不是最优的。为了更充分的利用协作通信的优势,更有效的提高无线传感器网络的寿命,可以综合考虑网络协议栈的下三层,采用跨层思想设计分布式纯协作的路由算法。本论文从网络协议栈的下三层研究了协作通信技术在无线传感器网络中的应用,目的是提高能量利用率,延长网络寿命。本论文的主要贡献及创新点：(1)分析了Nakagami-m信道上放大转发协作通信M-PSK调制时接收端的平均SNR、平均SER性能,并给出了最优功率分配方案和最佳中继选择策略。(2)针对特定的无线传感器网络模型,综合考虑各传感节点的信道状态信息(CSI)和剩余能量信息(REI),设计了一种能够最大化网络寿命的协作MAC协议。(3)采用跨层设计的方法,结合物理层的协作通信技术、数据链路层的截短ARQ机制、网络层的分布式路由策略,提出了一种能够最大化网络寿命的协作路由算法,该算法综合考虑了节点信道状态信息和剩余能量信息,在保证网络服务质量(QoS)的前提下,对链路进行了最优功率分配,路由选择过程避免了对低能量节点的过度使用,有效延长了无线传感器网络的寿命。论文最后总结了该领域尚待解决的问题以及下一步的研究重点。