无线传感器网络(Wireless sensor networks, WSN)是一种综合了传感器,嵌入式计算,计算机网络和无线通信以及分布式处理等先进技术的无线自组网。它通过在一定区域内部署大量的节点,依靠节点实时监测和采集部署环境中被监测对象的信息,再通过节点的嵌入式系统对信息进行初步的处理后,通过节点间的相互协助,以多跳中继的方式把感知信息传输到用户终端,并已经广泛地应用于军事侦察、环境监测、智能交通与医学等领域。由于无线传感器网络节点的体积小、数量大、单个节点携带的能量有限,而且一旦部署后,很难对其补充能量,因此,如何减少不必要的能量消耗,延长网络的寿命成为无线传感器网络应用的关键技术。在硬件条件相同的情况下,优异的无线传感器网络协议将极大地节省能量,延长网络的寿命。本文的主要成果就是结合现有的无线传感器网络MAC层协议和路由层协议,设计出了一种新的跨层协议——NCL(New Cross-Layer Protocol, NCL)协议。NCL协议不仅具有良好的均衡和降低网络能耗的作用,还同时具有MAC和路由的功能,利于无线传感器网络在环境监测类应用中的部署。本文首先分析了网络协议中,各层导致能量消耗的因素,然后研究得出能量高效的协议栈的设计思路和方法,再借鉴现存的MAC协议,如S-MAC,路由层协议以及跨层协议,设计出了采用三种机制的NCL协议,这三种机制分别是:(1)基于节点剩余能量的选路机制。该机制能充分平衡网络负载,使负载能均匀通过网络节点进行数据传输,这样不仅能减小碰撞概率,减小时延,还能使网络的节点均匀地消耗能量,延长网络的寿命。(2)基于路由信息的最大信息流量的自适应监听机制。该机制能保证在自适应监听阶段,使尽可能多的节点处于睡眠状态,减小不必要的空闲监听,大幅度地节省节点的能量。(3)基于低时延主动请求中继机制。该机制能使新节点或暂没有低层级中继节点的节点能快速地传输数据,减小数据传输的时延,增强网络的反应能力。最后,通过对NCL和S-MAC的能耗分析,以及在NS2中的仿真验证,证明在网络的时延,能耗和吞吐量上,NCL的性能均优于S-MAC。