无线传感器网络被广泛应用的同时,往往会受到传统的传感器-汇聚节点-基站结构的限制,特殊环境下汇聚节点不能布设,以至于网络无法适用。如何基于能量受限的传感器节点,建立与基站直接的通信链路,成为进一步推动无线传感器网络广泛应用亟待解决的关键问题。波束形成是通过天线阵列的协作,形成定向功率增益,可显著提高通信性能。一般意义上,N元天线阵列能够形成2N倍的功率增益,意味着2N倍改善的信噪比,或者N倍扩展的通信范围。本文着眼于扩展通信范围,针对无线传感器网络中的分布式发射波束形成相关问题展开了研究。基本思想是将波束理论应用到无线传感器网络中,以传感器节点为阵元,形成“虚拟天线阵列”,获得定向功率增益,扩展通信范围。首先,作者在理论上分析了分布式波束的空间特征。讨论了在传感器网络中应用波束理论的限制条件;分析了随机分布传感器网络的分布式波束特征,给出了波束分布的数学结论;研究了不同相位误差水平下功率增益的统计特性。研究结论为分布式通信链路计算提供了理论参考。其次,针对实现分布式波束关键的步骤研究载波同步的方案设计。作者在充分研究典型性方案的优点和不足的基础上,设计了适用于大规模网络、远距离分布式波束形成的可扩展载波同步方案,仿真结果证明,该方案具有良好的可扩展性和抗噪声性能。最后,本文提出了基于分布式波束的传感器网络—飞艇通信链路设计方案,讨论了链路设计过程中需要考虑的具体问题。链路计算结果表明,Zig Bee协议BPSK通信方式下,通过传感器节点协作能够建立满足通信性能要求的上行链路;可扩展载波同步方案被应用在分布式波束通信链路设计过程中,实验结果验证了可扩展载波同步方案的适用性。分布式发射波束形成,可以建立传感器网络与基站的直接通信链路,扩展了通信范围,改善传感器网络的能耗效率,延长生命周期;还可以简化了网络结构,便于无线传感器网络快速布置,同时提高恶劣环境中网络的抗毁性和鲁棒性,增强了网络的生存能力。