随着IEEE802.15.4标准的建立，无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）得到了更为广泛的应用。无线传感器网络是嵌入式系统、无线通信技术、网络技术及微机电系统等学科互相融合、渗透而产生的新技术，广泛使用在军事国防领域、环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域，几乎涵盖了生活中的方方面面。无线传感器网络通过随机部署的节点以无线通信的方式自组成网，完成对环境数据的长时间自动监测、采集和传输。研究高效、节能的介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议是延长网络寿命、提高网络实时性的有效途径。　　 无线传感器网络的MAC分为四种:基于调度的MAC，基于同步竞争的MAC，基于异步竞争的MAC，调度和竞争混合的MAC。IEEE802.15.4标准几乎涵盖了所有这四种MAC类型，研究分析IEEE802.15.4机制并对其进行性能改进迫在眉睫。针对环境在线监测的实时性要求，在保证节能性的前提下，提高WSN的实时性能。本文基于节能这个基本目的，围绕提高传输的延时性能这个要求，深入分析影响无线传感器网络CSMA/CA协议性能的因素，针对同构网络、异构网络、多跳网络等典型无线传感器网络，分别提出了相应的基于IEEE802.15.4标准的同步竞争协议CSMA/CA的改进协议。本文的主要工作包括以下几个方面:　　 (1)对CSMA/CA机制的访问信道过程进行了深入分析，将用Markov模型来定性描述该机制的数学模型进行了总结。针对无线传感器网络传输过程中的特征:同构/异构、饱和/不饱和、重传/不考虑重传、信标使能/非信标使能、向上链路/向下链路、ACK/non-ACK、有缓存/无缓存等，对现有CSMA/CA机制的Markov模型进行比较分析，总结分类，提出各种Markov模型的性能优缺点，并分析影响CSMA/CA机制性能的因素。基于本文实时性、节能性的要求，针对性地提出改进措施。　　 (2)提出了实时性能较高的同构CSMA/CA机制LIB(LinearInreasingBackoff)协议。采用LIB算法的backoff机制取代原IEEE802.15.4标准中的BEB(BinaryExponentialBackoff)的backkoff机制。根据Markov模型的特征，得出节点的操作点特性，并且通过操作点性能获取系统的吞吐量、延时、能耗等特性指标的数学表达。对LIB机制和其它相似CSMA/CA机制的性能进行了比较，LIB机制极大地提高了网络的延时特性，并且在数据包达到率较高、节点数量较多时，吞吐量、能耗性能也得到了极大地提高。　　 (3)提出了公平的、实时性高的异构CSMA/CA机制OSTS/BSTS(OneServiceaTimeScheme/BulkServiceaTimeScheme)。建立两个semi-Markov模型来描述单种节点访问信道的CSMA/CA机制，一个macro-Markov模型来描述整个信道的宏观状态转换过程，M/G/1/K队列模型来描述数据包在缓存中的传输过程。通过这些模型，获取系统的吞吐量、延时、能耗等特性指标的数学表达。对OSTS/BSTS机制和其它的非优先权异构机制的性能进行了比较，OSTS/BSTS机制极大地提高了网络的延时特性和公平性，并且在异构程度较高时，吞吐量、能耗性能也得到了很大的提高。　　 (4)提出了实时性高的多跳CSMA/CA机制MultiCSMA机制。建立n个semi-Markov模型来描述单跳节点访问信道的CSMA/CA机制，一个macro-Markov模型来描述整个信道的宏观状态转换过程。提出了HTL算法消除“HiddenTerminal”对性能的影响，并且无需考虑建立及维护路由所带来的能耗。仿真结果阐述了数据到达率、传送距离、数据包长度等对协议性能的影响，并证明了协议的正确性。　　 (5)通过NS-2对上述所有的分析进行仿真实验。大量的仿真实验验证了这四个协议模型的正确性。并且，基于CC2430硬件节点和TinyOS操作系统的实验结果表明同构CSMA/CA机制LIB的延时性能优于IEEE802.15.4标准的CSMA/CA机制。