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无线传感器网络常常被部署在一些恶劣的环境下或人不容易到达的区域中,这极大地拓展了人们获取信息的能力,应用前景非常广阔。但组成无线传感器网络的传感器节点往往采用电池供电,能量极其有限,而且电池不容易更换。因此,能否高效地使用传感器节点有限的电池能量,将直接影响到网络的生命周期。多输入多输出(MIMO)技术在无线传感器网络中的应用,能有效地降低网络能耗。分簇是一种有效的节能技术,它形成的网络拓扑结构与MIMO系统的结构非常相似。因此,本文将分簇路由算法和MIMO技术相结合,实现网络层和物理层的跨层节能设计。本文对无线传感器网络和MIMO技术的相关知识进行了全面了解,分析研究了低功耗白适应分簇路由协议LEACH,并针对其存在簇头分布不均匀和簇头产生时未考虑节点的能量状态等不足进行改进,提出了一种能量有效的分簇路由协议,本文称其为EE-LEACH。为进一步均衡网络负载,本文在分析了协作MIMO节能的基础上,将协作MIMO与EE-LEACH进行联合跨层设计,提出了一种能量均衡的协作MIMO传输协议,本文称其为EB-LEACH-MIMO。在EE-LEACH中,整个网络监测区域被固定划分为最优簇数个扇形子区域,每个子区域为一个簇。在簇头的产生阶段,EE-LEACH同时考虑了节点的位置和剩余能量信息,并且每下一轮的簇头由当前轮的簇头产生。在EB-LEACH-MIMO中,采用正六边形的网络分区策略对EE-LEACH进行改进,并结合协作MIMO技术,实现了对网络层和物理层的联合跨层设计。在MATLAB平台下,本文分别对LEACH、EE-LEACH. LEACH-MIMO以及EB-LEACH-MIMO进行了仿真。其中,LEACH-MIMO是LEACH与协作MIMO的简单结合。实验结果表明,与LEACH相比,EE-LEACH能有效地节省网络能量,网络中第一个节点死亡的时间延长了近55%。与LEACH-MIMO相比,EB-LEACH-MIMO大大延长了网络的生命周期。