无线传感器网络集成了传感器、微机电系统和网络通信三大技术，由于其巨大的应用前景而备受学术界和工业界的广泛关注。能耗和成本问题一直制约着无线传感器网络的发展和大规模的应用。脉冲超宽带无线技术具有高空间频谱效率、高测距精度、低截获概率、抗多径干扰、以及低功耗、低成本等诸多优点。这些优点使超宽带无线传输技术和无线传感器网络形成天然的结合，也为无线传感器网络的研究注入了新鲜的血液。本文以简单、低能耗、低成本，具有自适应能力的脉冲超宽带无线传感器网络为主线，研究内容主要包括：低功耗、低成本的无线传感器网络物理层设计及其干扰共存研究，速率自适应的脉冲侦听多址接入协议，基于能量筛选的定向扩散路由协议以及脉冲超宽带信号的测距方法和无线传感器网络定位技术。在这四个研究领域内，本论文的研究成果和主要贡献如下：通过介绍无线传感器网络物理层研究现状和需要解决的问题，分析了传统无线传感器网络物理层的局限性，并通过三种不同的超宽带物理层解决方案的对比，提出了适合于无线传感器网络的脉冲超宽带物理层设计方案。通过对IR-UWB系统和IEEE 802.11a系统的仿真，对二者的干扰共存进行评估，并提出了有效的提高抗干扰性能的解决手段。针对于无线传感器网络的应用，并结合脉冲超宽带的特性，作者提出了一种分布式的速率自适应MAC协议——速率自适应脉冲侦听多址接入(RAPSMA，Rate Adaptive PulseSense Multiple Access)。协议面向传感网中低速应用，利用全双工收发，脉冲侦听等技术，从功耗和网络性能的角度出发，在传统的802.11 DCF的基础上做出了一定的简化和修改，实现了整个系统的低复杂度，低功耗，并具有一定的自适应能力。作者利用了排队论和Markov链等数学工具，分析了网络中节点的发送概率、分组冲突概率等相关性能参数。并分别在隐藏节点拓扑和随机拓扑下通过仿真，对该协议和带退避机制的CSMA／CA以及带速率自适应的CSMA／CA协议进行对比，仿真结果表明RAPSMA协议在在网络吞吐量上具有一定的优势，并在性能，功耗和设计复杂度等方面达到了一个较好的权衡，具有一定的实用性。从无线传感器网络路由协议的特点和需要解决的问题出发，归纳总结了目前无线传感器网络路由协议的研究现状，分析了受群体智能理论启发的定向扩散协议的基本概念和原理，并且针对平衡网络中节点能量消耗、延长网络生命周期上的优化目标，提出了一种基于能量筛选的改进型定向扩散路由协议。仿真结果表明，基于能量筛选的改进方案在网络平衡能耗，延长生命周期等方面具有很好的效果。从脉冲超宽带信号的测距技术出发，着重分析了基于TOA双向测距方法的误差源，并对多径信道下TOA估计进行了克拉姆劳分析。在满足无线传感器网络节点设计简单的要求下，介绍了低复杂度的TOA估计方法。最后，在获得测距测距信息的基础上，提出一种基于RB-MDS的无线传感器网络定位方法，该方法采用集中式和分布式相结合的策略，把网络中的节点分层考虑，针对不同应用实施不同的定位步骤，提高了定位的效率。与全分布式和全集中式的算法相比，该定位机制的计算复杂度与平均连接度无关，只与节点总数有关，所以适合于高连接度的网络。而且，该定位机制能快速获得网络骨架的雏形，这是其他定位算法所没有的功能。。本文的相关研究内容在围绕简单、低成本以及低能耗设计的主线下，兼顾考虑了无线传感器网络的跨层设计方法。在本文的最后，作者对无线传感器网络的跨层设计的研究目标和思路做了进一步的探讨，本文的相关研究成果将为下一步探索适合无线传感器网络的整体跨层实现方法，简化协议栈设计，提出较为完整的脉冲超宽带无线传感器网络的体系结构奠定基础。