近年来，无线传感器网络快速发展，提高网络容量和增强网络安全已成为组建无线传感器网络所要解决的关键问题。本文对无线传感器网络中极限吞吐容量增长规律（capacity scaling laws）进行了系统的研究，此外分析和设计了安全高效的无线传感器用户认证协议，提出了基于分簇的无线传感器安全路由协议。具体内容如下：1.吞吐容量，即单节点平均吞吐量，是无线传感器网络的重要参数之一。由于网络拓扑结构的不断变化，很难用公式准确的表示出一个特定网络的吞吐容量。极限吞吐容量增长规律描述了当节点数目趋于无穷时，吞吐容量随着节点数目不断增多的变化规律，提出了无线传感器网络的极限吞吐容量增长规律的一般表达式，发现了单个节点的策略决定了整个无线传感器网络的吞吐容量，推导出使得整个无线传感器网络吞吐容量最大化的最优策略。通过博弈论分析，证明了最优策略满足纳什均衡，并且是演化稳定的策略。2.由于无线传感器具有经济可行和实时监测的特点，它已在日常生活中得到广泛的应用。实际应用时，要求能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认，确保其合法性。访问控制是对信息资源进行保护的重要措施，它决定了谁能够访问系统，能访问系统的何种资源以及如何使用这些资源。适当的访问控制能够阻止未经允许的用户有意或无意地获取数据。总的来说，用户认证是最基本的访问控制方法。分析了Zhou等人提出的轻量型无线传感器网络用户认证协议的安全性，发现了该协议在用户智能卡丢失的情况下，易于遭受口令猜测攻击、用户假冒攻击、特权攻击和拒绝服务攻击。提出了一个改进的基于口令与智能卡的无线传感器网络用户认证协议。性能分析显示该协议可以抵抗多种已知攻击，而且计算量小，通信成本低，更安全，更高效。3.安全路由要解决的问题是如何高效而安全地在网内传感器节点之间、传感器节点和基站之间通过多跳的方式传输数据。分析了经典的无线传感器网络路由协议LEACH的安全性，指出LEACH协议是不安全的，存在选择性转发攻击、Sybil攻击和HELLO泛洪攻击。基于LEACH协议，提出了一种基于分簇的无线传感器网络安全路由协议。该协议改进了簇首选举和簇形成过程，并引入认证机制，以增强无线传感器网络路由协议的安全性。