21世纪是海洋的世纪,人类正在加快海洋探索和海洋资源开发的步伐。水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASN)已成为获取海洋环境参数最重要的手段。介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议是UASN系统设计的关键部分,在多个节点之间分配有限的水声信道资源,用来构建UASN系统的底层基础结构,在UASN中扮演者十分重要的角色。然而,由于水声信道带宽窄、载波传播速率低等特殊性,陆地无线网络中许多成熟的MAC协议无法直接应用于水声通信网络,需要针对特定的应用进行修改或重新设计。目前,应用于水下组网的MAC协议一般都是ALOHA(Additive Link On-line Hawaii System)、TDMA(Time Division Multiple Access)以及MACA-W等少量较为成熟的协议,且效果不容乐观。本文围绕着MAC协议面临的一些问题开展了理论与实验研究,研究内容主要包括三个方面。第一,针对握手类型协议控制包的引入带来的高传播时延问题,设计了一种能够克服高传播时延的MAC协议;第二,针对水下大规模分簇网络簇内通信协议效率低的问题,设计了一种分簇网络簇内通信协议;第三,缺乏针对在水声通信装备性能及水声信道参数约束下固定路由协议的理论与仿真性能分析问题,对ALOHA协议在串型路由UASN中的应用进行了理论、仿真和实验分析研究。针对握手类型协议RTS(Require to Send)/CTS(Clear to Send)控制包交换带来的高传播时延问题,设计了一种基于节点对排序的水声传感器网络MAC协议(MAC Protocol Based on Node Pair Sequencing,NPS-MAC)。详细分析了 RTS/CTS 握手过程,得出通过适当改变节点的退避策略后能够有多个节点对同时握手成功的结论;并以此结论为基础,提出了多个成功握手的节点对(以下简称成功节点对)排序的基本思想。第一,论文给出了成功节点对根据位置关系进行分类的方法:第二,给出了成功节点对通过收集各类信息形成的节点对视图并通过视图进行自动归类的方法;第三,给出了成功节点对进行成功声明的流程;第四,提出了节点对排序的三条基本原则,实现了节点对自动排序;第五,给出了节点以视图信息为依据的退避算法;最后通过仿真软件将该协议与现有的典型协议进行仿真比较,仿真实验结果表明,基于节点对排序的水声传感器网络MAC协议能够获得较高的网络吞吐量,可以克服水下信道下RTS/CTS握手带来的高传播时延问题,具有一定的应用价值。针对TDMA等现有的网络协议在大规模分簇网络簇内通信效率低下问题,提出了分簇网络簇内通信理想模型,设计了一种高效节能的水下分簇网络簇内通信协议(Intra-cluster MAC Protocol,IC-MAC)。第一,给出了簇头节点和簇成员节点详细的运行流程。第二,给出了 NS包、SD包以及DATA数据包的发送时间和传输周期的计算公式,从而实现了节点间相对时隙同步、周期性睡眠以及避碰机制。第三,从最大传输周期、簇头节点的最大利用率以及节点睡眠等角度分析了 IC-MAC协议的性能。第四,给出了分簇网络簇内通信理想模型与一般随机布放节点模型之间的节点等效方法,进一步拓展了 IC-MAC协议的应用范围。最后,通过仿真实验将IC-MAC协议的网络吞吐量、端到端时延以及能量损耗性能与经典TDMA协议进行了对比分析,仿真实验结果表明,IC-MAC协议具有较高的网络吞吐量和较短的端对端时延,同时可有效节省能量,具有较高的应用价值。针对UASN的节点功率受限和水声信道可用带宽窄带来的点对点的远距离稳健数据交互问题,进行了在水声通信装备性能及水声信道参数约束下,串型路由ALOHA协议的理论分析、仿真实验与湖上试验。首先,建立了串型路由水声通信网络模型,分析了碰撞的原因,推导并证明了碰撞规律;第二,分析了 ALOHA协议在串型路由UASN中的交付率、吞吐量及端对端时延等网络性能测度;第三,推导了获取最佳网络性能的网络参数配置条件并通过仿真实验对基于串型路由的水声通信网络ALOHA协议性能进行仿真,仿真实验结果验证了理论分析结果正确性;最后,课题组在吉林松花湖上搭建了串型路由水声通信网络,采用ALOHA协议进行了湖上试验,实验获得了成功,实验结果结合理论推导和仿真结果对后续的海上试验和实际应用具有重要的指导意义。