无线传感器网络是由大量微小的传感器节点所组成的网络,通常用于在某个区域内对环境数据进行采集、处理和传输,以完成诸如环境监控、战场勘察、地形测绘等任务。由于单个传感器节点的采集范围、处理能力和传输距离有限,依靠单个节点通常无法完成上述任务,因此协作通信技术成为无线传感器网络常用的无线传输技术之一。协作通信技术依赖于无线信道的广播特性,利用空闲节点作为中继进行信号转发,从而提高通信的速率与可靠性。协作无线传感器网络相较一般的协作通信网络有其特殊之处。首先,一般协作通信网络默认传输距离较远,发射功率较大,因此中继节点因处理信号而消耗的功率通常忽略不计。而协作无线传感器网络一方面由于节点密集、传输距离较近,因此发射功率较小,不可忽略信号处理功率;另一方面,信号处理与发射所消耗能量均由传感器节点的电池提供,而电池能量有限,因此两者须一并考虑。其次,无线传感器网络常用于战场、外太空等对信息安全要求极高的场合,这些场合中传感器节点一般直接暴露在无保护环境中,易于被发现和捕获。因此传感器网络尤其需要考虑存在窃听节点的可能,用物理层安全技术提高数据传输的保密性。本论文针对上述两个特殊之处,研究了协作无线传感器网络中的高能效信号传输方案和高安全性信号传输方案。论文主要研究内容如下:首先,分别针对采用译码转发方式和放大转发方式的协作无线传感器网络,将中继节点的电路处理功率纳入总功率限制中,提出了各自的最优中继选择与功率分配方案。由于本论文所提出的两种最优方案在中继选择时引入了中继排序,因此与穷举法一样能获得最优性能,但计算量较穷举法大幅下降。此外,针对放大转发方式的协作无线传感器网络,还提出了一种计算量更小但性能接近于最优方案的次优方案。研究结果表明,当总功率约束中包含中继节点的电路处理功率时,参与协作的中继节点过多可能会降低目的节点接收信噪比,而本论文提出的中继选择与功率分配方案能获得系统的最大接收信噪比。其次,针对采用译码转发方式的协作无线传感器网络,假设第一时隙仅部分中继节点成功译码,分析了最佳中继单选方案和基于中继全选的波束赋形方案各自的安全中断概率,并以此概率最小化为目标,对两个时隙的发射功率进行了合理分配。本论文指出,当两个时隙的总发射功率受约束时,译码转发协作网络中提高物理层安全的两个方法——增加参与协作的中继节点数目与增大中继总发射功率——是相互矛盾的。仿真结果表明,不论是最佳中继单选还是基于中继全选的波束赋形,本论文推导的安全中断概率的理论表达式均与仿真结果高度吻合。且相较于常用的等功率分配方案,本论文提出的两时隙功率分配方案能获得更低的安全中断概率。再次,分别针对采用译码转发方式和放大转发方式的协作无线传感器网络,以遍历安全容量的下界为最大化目标,提出了两种方式各自的中继波束赋形方案。其中对于采用译码转发方式的网络,最优波束赋形方案由广义Rayleigh商的性质得出。而对于采用放大转发方式的网络,由于目标函数非凸,难以获得最优波束赋形方案。本论文利用向量函数的泰勒级数展开式将两个广义Rayleigh商的乘积近似为单个广义Rayleigh商,从而获得次优波束赋形方案。仿真结果证实,本论文提出的波束赋形方案相对于传统方案能获得更高的安全容量。最后,针对译码转发的协作无线传感器网络,同时考虑中继节点电路处理功率和窃听节点,以遍历安全容量的下界最大化为目标,设计了两种基于部分中继选择的波束赋形方案。两种方案的中继选择方法分别为:通过穷举法获得最优中继集合和通过中继排序获得次优中继集合。前者具有指数级计算复杂度,而后者仅具有线性复杂度。为方便比较,常见的最佳中继单选方案与基于中继全选的波束赋形方案也在本论文中做了改进,在功率约束条件中增加了电路处理功率。研究结果表明,选用过多中继节点参与协作可能会降低安全容量。与此同时,在低信噪比区域,本论文所提出的两种方案能获得最佳中继单选方案的性能优势;在高信噪比区域能获得基于中继全选的波束赋形方案的性能优势;而在中等信噪比区域,能获得优于这两种传统方案的性能。此外,采用中继排序法的波束赋形方案获得的安全容量接近于采用穷举法的方案,但前者获取最优中继集合所需的计算量远小于后者。