随着无线传感器网络在入侵监测、目标跟踪、工业自动化以及智慧建筑等领域的广泛应用,对无线传感器网络性能指标的要求越来越高。通常,传感器网络是由大量微型廉价的传感器节点组成,且这些节点一般采用电池供电能量受限,而无线通信是传感器节点主要的能量消耗方式。因此,为了延长传感器节点的使用寿命,节点需要在绝大多数的时间处于休眠状态,只在需要发送数据或者接收邻居节点的数据时才唤醒,访问无线信道进行数据通信。这种周期性休眠唤醒的低功耗工作模式,对无线信道的分配以及通信的可靠性、复杂性和能量效率带来了极大地挑战。本文重点研究无线传感器网络中面向低功耗的介质访问控制MAC(Medium Access Control)协议以及相应的跨层优化机制,旨在合理地分配有限的无线信道资源,提高数据通信的可靠性,同时最优化网络传输路径,降低网络的传输时延。为了解决网络中节点通信时所产生的能量浪费问题,本文首先提出了一种基于预测唤醒机制的单信道MAC协议PBA-MAC(Prediction-Based Asynchronous MAC protocol)。该协议采用简单的伪随机序列生成算法,保证邻居节点间能够准确地推导出对方未来的所有唤醒时刻。同时,由于存在时钟漂移、操作系统时延和传输时延等因素,节点之间预测的唤醒时刻会存在一定的误差;因此,PBA-MAC协议提出了一种预先唤醒等待策略,消除了预测误差的影响,确保节点不会因预测误差而错过目标接收节点的唤醒时刻。此外,为了解决由于多个节点同时发送数据时所引起的无线冲突和碰撞,PBA-MAC协议设计了一种基于预测唤醒的重传机制,该机制采用Backcast方式,能够确保在重传过程中每一个邻居发送节点的唤醒时间不同,在某个节点重传数据包时其他邻居发送节点均处于休眠状态,因此避免了二次冲突的情况以及由此带来的能量损耗。PBA-MAC协议能够在保证通信可靠性的前提下,确保网络中的节点绝大多数时间都处于休眠状态,发送节点和目标接收节点只在有数据传输时唤醒,且均没有产生额外的空闲侦听时间,所以不仅能极大地降低通信双方在数据传输过程中的能量消耗而且也能减少数据包的传输时延。然后,本文分析了现有多信道MAC协议的优缺点,针对现有协议存在的节点竞争严重、存在消失节点和通信竞争不公平等问题,提出了一种基于预测唤醒机制的多信道的MAC协议PM-MAC(Predictive Multichannel MAC)。在PM-MAC协议中,各个节点按照伪随机序列生成算法动态地选择自己的唤醒时间和信道。通过分析各个伪随机序列生成算法的随机性,确保网络的通信负载均匀地分布在所有的信道上,并且能够避免“消失节点”问题持续地发生。同时为了适应无线传感器网络链路不可靠的特点,避免节点使用那些当前负载较重或者存在同频干扰的信道进行通信,引入自适应动态信道切换机制来动态地感知并统计多个信道的使用情况。此外,PM-MAC采用了动态时间补偿机制,来准确预测某个邻居节点的唤醒时刻;同时利用多信道的指数恢复算法,保证了节点即使在预测误差较大的情况下也能快速与某个邻居节点实现再同步。由于节点只需预测目标接收节点下一次的唤醒时刻和信道,PM-MAC协议克服了在TDMA静态时隙分配方式下协议扩展性差的缺点,又避免了动态分配方式引起的控制开销大以及对控制信道的依赖等问题,而且没有引入复杂的算法和通信等额外开销,不仅降低了网络中节点的通信能耗和多跳的传输时延,也能增加网络容量和吞吐量。各种物理场景下对比实验结果表明,无论是在存在无线抑制或无线干扰的环境下还是多跳网络环境下,PM-MAC协议在发送节点占空比和数据包传输时延等性能指标方面均优于其他所有协议,PM-MAC协议在所有的实验条件下均能获得最低的占空比和最短的传输时延,并同时保证100%的数据包传输成功率。最后,本文提出了一种基于跨层优化的自适应网络编码机制,能够极大地减少数据分发过程中的数据通信量;同时为了解决无线传感器网络数据分发过程中的次优路由发现问题,提出了四种基于跨层优化的路由发现机制,包括时延选择优化机制、唤醒选择优化机制、应答更新优化机制以及动态退避优化机制。这四种机制都是分布式的,并不需要全网的路由信息,也没有增加节点之间额外的信息交换,能够保证节点选择最优传输的路径。