无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是物联网技术的重要组成部分，近年来受到广泛的讨论和关注，成为研究热点并已被应用于国家安全和国民经济等多方面。WSN由大量具有能量限制的无线传感器节点所组成，如何提高单个节点和整个网络的能效，是非常关键的问题，也是研究的的重中之重。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，是通信领域的重大技术突破，它能够利用收发两端的多天线阵列，通过对数据进行空时编码传输，有效利用多径衰落，获得分集增益和空间复用增益，从而提高频谱利用率和信道容量，进而降低单位比特数据传输所需能耗。为了将MIMO技术应用于节点体积有限的WSN，虚拟MIMO（Virtual MIMO，VMIMO）技术应运而生。本文对虚拟MIMO技术应用到WSN做了以下方面的研究：第一，分析了WSN技术和MIMO技术的优势和特点。研究了WSN的网络构成、通信协议体系、应用前景以及路由拓扑协议等，分析了各种路由协议的优缺点。研究了MIMO技术的原理、特性和优势。第二，研究了虚拟MIMO应用于WSN的优势、可行性，以及节点组织方式、网络拓扑路由和传输机制等。第三，提出一套较为完整的、基于分簇和多跳路由的新型协作式虚拟MIMO路由协议方案。在大规模的虚拟MIMO系统中，节点组织结构和优化具有十分重要的意义。由于分簇具有减少数据冗余、减少全网路由维护开销、使网络更稳定、方便节点组织虚拟MIMO等优点，因此，当前较为典型的节点组织方式是基于分簇的协作式MIMO，即每个簇选择一到两个簇头来进行簇间虚拟MIMO通信。然而大部分分簇方案均采用周期性全网重新分簇，在每次重新分簇后，都要重新建立簇间多跳路由，从而造成电源浪费。本文所提出的协议方案采用簇内的簇头轮换的策略，避免大量重新分簇所带来的额外开销，提高了网络能效。同时，提出一种“跨跳”操作，平衡了不同簇和节点的能耗和生存周期。第四，建立了虚拟MIMO的节点和网络的能耗模型，并对所提出的协议进行网络仿真，评估效果。仿真结果显示，该协议较典型的基于分簇的虚拟MIMO在能耗总量和均衡上均具有更好的效果。