无线传感器网络具有低成本、容错性好、快速部署、无需固定网络支持、可长期执行监测任务等特点,在灾害预测、紧急救援、环境监测、医疗卫生、商业应用、军事侦察等领域有着广阔的应用前景。而由于传感器节点自身的能量、存储和处理能力的局限性,无线传感器网络为科技工作者提出了许多具有挑战性的研究课题,其中,数据聚合与跨层优化问题的研究对于无线传感器网络基础理论与支撑技术的发展以及无线传感器网络的应用具有十分重要的意义。本文详细介绍了数据聚合和跨层优化的研究现状,系统阐述了数据聚合基本原理、评价标准、典型数据聚合算法以及跨层优化技术的实现方法、优化模型。针对面向监测应用的无线传感器网络,以减少延迟、降低能耗和延长网络寿命为目标,围绕传感器网络中的数据聚合和跨层优化问题展开研究,提出了节能、高效、易于工程实现的解决方案。考虑面向周期性监测应用的无线传感器网络节点间数据的碰撞冲突问题,提出了基于冲突避免的数据聚合算法。综合利用节点的剩余能量、节点度及传输距离分布式地确定聚合节点和构造聚合树,利用聚合树拓扑结构,将聚合节点感知区域四等分,对不同区域中的节点进行并行调度,从而减小冲突域的大小。仿真结果证明,所提算法不仅有效降低了计算复杂度,而且延长了网络生存时间,降低了数据聚合延迟。针对静态数据聚合策略不能适应网络结构、数据相关性和传输开销变化的问题,将数据聚合的决策机制嵌入到动态路由的选择过程中,提出了单径数据聚合路由算法。该算法以优化网络寿命为目标,将网络寿命最大化问题建模为同时含有连续变量与离散变量的非凸优化问题,利用对偶分解方法求解最优的聚合数据率和路由。所提算法保证系统的总能耗最小,延长网络的生命周期。由于单径数据聚合路由并未考虑负载均衡问题,导致网络节点能耗不均衡,影响网络的覆盖和连通,降低了网络寿命。针对节点负载均衡问题,提出了多径数据聚合路由算法。建立了新的基于数据聚合策略的网络寿命最大化的多径路由模型,允许聚合数据和原始数据通过多条路径进行传输,并利用优化理论和方法进行求解近似最优的聚合数据率和原始数据率。所提算法不仅减少网络的能耗开销,而且对节点能耗进行了均衡,进一步延长了网络寿命。面向监测应用的无线传感器网络,当链路存在干扰时,节点在传输数据时会对位于其干扰范围内的节点造成信号干扰,从而使得这些节点不能正确收到其它节点传输的数据。针对这种场景下的网络寿命最大化问题,提出了联合聚合数据率分配和功率控制算法。将网络寿命最大化问题建模为非凸的优化问题,通过对数转换方法将非凸优化问题转化为凸优化问题,利用优化理论和方法分解为聚合数据率分配子问题和功率控制子问题。最后给出了联合优化问题的分布式解法,并证明了算法可以统计收敛到全局最优解。仿真结果表明,所提算法可以迭代地寻找最优的链路传输功率和聚合数据率,从而有效延长了网络寿命。考虑MAC层的链路随机接入对网络寿命的影响,提出了联合聚合数据率分配、功率控制和随机接入控制的最大化网络寿命算法。将研究的跨层网络寿命优化问题建模为最优化问题,利用拉格朗日对偶理论,松弛相应的约束条件,得到与原始问题相对应的对偶表达式。将其分解成聚合速率分配子问题、功率控制和随机接入控制子问题,提出了联合优化的分布式算法,仿真结果证明,聚合数据率、链路传输功率和接入概率迭代地收敛到全局最优值,进一步延长了网络寿命。