无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一种具有大规模、自组织、低成本以及多跳路由等特点的无线网络,目前被广泛应用于环境监测、国防军事以及公共安全等领域。无线传感器网络的整体性能与节点间的通信情况密切相关。在多数情况下,节点的能量有效性以及通信时产生的冲突、干扰和延迟等都是影响网络性能的主要因素。而介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议决定着网络内的多个节点获得共享信道的方式,负责协调节点间利用共享信道传输数据的时间,同时避免数据传输产生冲突,从而让节点间的通信合理有序,确保网络的高效运作。因此,设计一种高性能的MAC协议是非常有必要的。由于部署在WSNs中的传感器节点通常由电池供电且能量有限,因此在WSNs的多数MAC协议中,采用占空比(Duty Cycle)机制让网络内的节点周期性地进入睡眠状态,以减少空闲侦听造成的额外能耗,延长网络的生存时间。然而,该机制同时也在数据的多跳传输中引入了大量的睡眠延迟,降低了实时性。特别是当数据传输经过的跳数越多时,受睡眠延迟的影响就越大。此外,周期性地睡眠还导致节点处于活跃状态的时间较短,很大程度上限制了网络吞吐量。因此,本文在减少数据多跳传输中的延迟,同时提高网络的吞吐量方面进行了重点研究,且提出了相应地解决方法,主要包括:本文提出了一种能预约未来多跳节点的同步RM-MAC协议。该协议让通过CSMA/CA竞争机制获得信道的节点及其后续节点发送几种小的控制帧以及利用虚拟载波侦听机制预约未来的多跳节点,从而让预约的节点可以在恰当的时间依次唤醒,然后接收和转发来自其上一跳节点的数据,以减少数据多跳传输过程中的延迟,实现数据的快速转发,提高网络的吞吐量。通过理论分析和仿真实验表明,RM-MAC协议在减少数据传输延迟,提高数据实时性方面的性能要优于S-MAC协议,更适合于对延迟比较敏感的WSNs应用中使用。本文提出了一种低延迟且高吞吐量的异步ALT-MAC协议。该协议设计了预约通信机制,让当前发送节点把其余待发节点的地址添加到数据包中以预约它们共同的接收节点,从而让接收节点在完成当前通信后按需保持唤醒,以等待其它节点向其传输数据,提高了网络吞吐量。该协议还设计了自适应传输机制,让接收节点根据其内部消息队列的拥塞情况自适应地向其下一跳节点传输消息,以避免数据溢出,减少延迟。此外,该协议设计了节点失效通知机制,通过从发送节点、接收节点以及邻居节点三个方面进行相关操作,有效避免了接收节点已失效而发送节点仍向其发送前导帧情况的发生。通过理论分析和仿真实验表明,ALT-MAC协议在减少数据传输延迟和提高网络吞吐量方面的性能要优于X-MAC协议,更适合于动态负载且规模比较大的WSNs应用中使用。