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无线通讯和电子技术的迅速发展使得低成本，低功耗，小体积的传感节点的开发成为可能。传感节点有着受限的计算，无线通讯和感知能力。成百上千的传感节点可以随机撒布在观测区域用于获取物理环境的数据，所有传感节点组成无线传感网(Wireless Sensor Networks，简称WSN)，然后通过在网络中进行数据融合(DataFusion)将用户关心的有用信息传送回基站(Base Station，简称BS)分析处理。由于传感节点一般靠电池供电，电能资源非常有限，同时无线通讯会消耗较多的电能，因此，设计有效的通讯路由协议节约电能非常重要。较大数目的传感节点必须协同工作，理想状况是所有的传感节点尽可能有相同的生命周期，以使得整个无线传感网能够正常工作(大多数传感节点电能尚未耗尽)的生命周期延长到足够长，所以通讯路由协议的设计必须考虑每个传感节点的公平性。另一方面，较大数目传感节点路由数据回基站会带来延迟的问题，无线传感网是典型的时间敏感网络，所以通讯路由协议的设计也必须兼顾到低延迟性。
数据融合通过分簇，压缩或去掉数据中的冗余能够较大程度地减少无线传输数据和无线传输距离，从而节约电能。较流行的做法是把整个网络的传感节点划分成许多的簇(Cluster)，每一个簇选出簇头(Cluster Head，简称CH)用于融合本簇中其它传感节点传送来的数据，以及中转已经融合的数据到下一个簇头直至基站。基于簇的路由降低了功耗，但同时带来了更加突出的公平性问题，如，簇头比非簇头更耗电，离簇头远的传感节点更耗电，簇内传感节点多的簇头更耗电等。也有不基于簇的数据融合，主要用于在降低延迟和降低功耗两者之间折衷。
本文主要研究和解决基于数据融合的无线传感网中的低功耗，公平性，低延迟三大问题，主要的创新点包括：
(1)基于数据融合的无线传感网拓扑结构的优化技术，提出动态两级最小生成路由协议(Dynamic Minimal Spanning Tree Routing Protocol，简称DMSTRP)。基于簇的无线传感网数据融合中，簇内(普通传感节点和簇头)和簇外(簇头之间)的连接通常可以采用两种拓扑结构：星型和最小生成树(Minimal Spanning Tree，简称MST)。LEACH的簇内和簇外都采用了星型结构。BCDCP对LEACH的改进之一是簇外采用最小生成树。本文提出的动态两级最小生成树路由协议DMSTRP在簇内和簇外都采用了最小生成树结构。这三种协议各有自己的适用范围，例如：LEACH适合密度适中(典型密度为0.01)的网络，BCDCP适合于密度较大(典型密度为0.05)的网络，而本文的DMSTRP适合密度偏小(典型密度0.0011)的网络。在100个节点布置在300m×300m网络中，DMSTRP的生命周期分别比LEACH和BCDCP延长19.7倍和3倍。由于实际应用中无线传感网密度的多样性，网络拓扑结构的优化也是随着应用的需求而变化的。
(2)基于数据融合的无线传感网簇头数目优化技术，提出最小生成树拓扑结构无线传感网的通用功耗计算公式。基于簇内和簇外两级星型结构，LEACH通过面积积分计算星型结构簇的功耗从而给出了两级星型结构传感网络功耗的通用公式，然后对此公式求导得到簇头数目的优化数目公式。然而最小生成树结构簇的功耗的计算比星型结构复杂得多，不但与最小生成树的叶子节点数目相关，也与最小生成树的边的平均长度相关。目前统计学的理论给出了最小生成树的叶子节点数目和平均边长的计算公式。根据最小生成树的以上理论我们给出了最小生成树簇的功耗计算公式。最小生成树簇的功耗计算公式是非常有意义的，不但提供了估计BCDCP和DMSTRP优化的簇头数目的基础，也为计算任意密度下以上协议的网络功耗提供了依据。
(3)提出一种公平簇的生成算法一基于最小生成树和高能传感节点的簇的生成算法(MSTME)。基于簇的路由降低了功耗，但带来了更突出的公平性问题。借鉴LEACH和BCDCP把高能传感节点作为备选簇头，本文根据数据挖掘中基于最小生成树的聚类算法理论，结合数据融合无线传感网本身的特点，提出了MSTME的公平簇的生成算法。该算法具体做法是首先选出电能高于平均值的高能节点作为备选簇头，然后用一棵最小生成树连接备选簇头，物理距离作为最小生成树的边，非备选簇头支持离其最近的备选簇头，计算每个备选簇头的支持者个数(包括备选簇头自身)，如果给定要选出p簇头，则p-1条最小生成树的边断裂，并满足每个子树上的支持者数目总和最接近。最后每个子树上能源最多的节点成为簇头。其余非簇头节点以最近加入原则加入簇头，p个簇形成。模拟实验表明，同样的拓扑结构和簇头数目，采用MSTME的网络生命周期比LEACH提高了3.2﹪，比BCDCP提高了6.4﹪。
(4)提出一种无线传感网低延迟的路由协议-完全二叉树路由协议(completeBinary Tree Routing Protocol，简称BTRP)。在近距离高密度的无线传感网中，基于簇的数据融合不再是功耗优化的，而且带来了很高的时延。我们分析了基于簇的两级星型结构网络的最优时延，比一跳直接发送更优。然后我们对完全n叉树的功耗和时延做了分析，发现以功耗×时延做为度量指标时，完全二叉树或完全三叉树最优，我们选用了结构更简单的完全二叉树路由BTRP策略。在完全二叉树路由中进行数据融合，但不划分簇。模拟实验结果表明，在布置5cI-500节点的高密度无线网中，BTRP的lifetime/delay是THLD(两级星型结构LEACH的优化)中的1.18-2.46倍，是Direct的2.27-13.66倍。
(5)实现了一个基于数据融合的无线传感网路由协议模拟器(Simulator of Clus-ter Based Routing Protocols in Wireless Sensor Networks，简称CBRP模拟器)。我们用C/C++开发了一个专用于基于聚类无线传感网络的路由协议CBRP模拟器，用于评估基于聚类路由协议的功耗和延迟等性能指标。用CBRP模拟器对LEACH，PEGASIS和BCDCP经典协议进行模拟，我们得出了非常类似的实验结果，从而证明了CBRP模拟器的有效性。
本文从拓扑结构，簇头数目优化和簇的生成算法等方面优化基于数据融合的无线传感网络路由，用CBRP模拟器模拟实现并验证了以上低功耗低延迟的路由算法。