水下传感器网络(Underwater Sensor Networks，UWSN)是一种以数据为中心的自组织网络，其主要任务是水下数据感知与收集。目前水下传感器网络通常采用多种类型传感器，对水下环境进行全方位、多时空、高频率的数据收集。根据在水下环境中数据收集速率的不同，将数据收集分为两种，一种是低速数据收集，即在低占空比网络中，对短报文数据进行收集，例如定时采集环境传感器数据、突发报警数据等;另一种是高速数据收集，即在高占空比网络中，对流数据进行收集，例如视频流数据、音频流数据等。这两种数据地收集对水下传感器网络提出不同服务质量(Quality of Service，QoS)需求。在水下传感器网络中，介质访问控制协议(Media Access Control，MAC)是保证数据传输服务质量的关键因素。因此，为了满足低速数据收集对于数据传输可靠性和实时性的需求，本文提出一种适用于低速数据收集的延迟容忍MAC协议;另外，为了满足高速数据收集对网络高吞吐量的需求，提出一种适用于高速数据收集的接收者发起的多会话MAC协议。更进一步，为了满足高速数据收集在多跳网络中对数据传输实时性的需求，在适用于高速数据收集的接收者发起的多会话MAC协议基础上，借助于跨层优化技术，提出了适用于水下多跳网络高速数据收集的深度优先MAC协议。本文的主要创新性研究内容包括:　　(1)提出一种适用于低速数据收集的延迟容忍MAC协议　　为了满足水下传感器网络低速数据收集的高可靠性和实时性需求，解决UWSN中长传播延迟和节点运动带来的信道利用率低和不可靠接入问题，提出一种适用于UWSN低速数据收集的延迟容忍MAC协议——DTMAC(Delay Tolerant MAC)。首先，该协议利用患票收集算法为循环发送过程找到了理论传输终止条件;然后，在传统信道干扰模型下，为DTMAC建立吞吐量概率模型，然后以传输成功率为调制参数给出了吞吐量最优值。DTMAC协议的性能不受传播延迟变化的影响，可以有效缓解时空不确定性引起的数据传输冲突;DTMAC协议地运行只需要网络中邻居节点的信息，具备分布式特点，能很好解决节点运动造成的不可靠接入问题;DTMAC通过随机选择传输时刻来降低冲撞概率，同时提高系统的公平性，可以很好地适用于低速数据收集应用。为了验证DTMAC协议性能的优越性，本文在单跳和多跳网络环境中，变换参数进行多组仿真实验，实验结果表明:与水下经典MAC协议M-FAMA对比，DTMAC将吞吐量性能至少提升了17％，延迟性能至少提升了62％。　　(2)提出一种适用于高速数据收集的接收者发起的多会话MAC协议　　为了满足高速数据收集对于网络高吞吐量的需求，本文提出一种接收者发起的多会话MAC协议——RIM-MAC(Receiver Initiated Multi-session MAC)。首先，该协议利用接收者发起会话，通过一次会话的四次握手完成所有邻居数据包传输，有效地减少握手次数;然后，利用侦听到的本地信息（邻居延迟图和邻居传输调度）避免信道冲突并发起多个会话，一定程度上解决了长传播延迟带来的信道利用率低的问题。RIM-MAC通过增强节点间并行传输的能力，在接收者和发送者两端实现时空复用，充分满足了高速数据收集对网络带宽的需求;最后，基于自适应数据轮询策略提出网络负载公平算法（Fair Traffic Algorithm，FTA），它保证了网络中节点能公平地访问信道。为了验证RIM-MAC协议性能的优越性，本文在线性网络、星型网络、移动ad-hoc网络和多跳SeaSwarm网络环境中，变换参数进行多组仿真实验，实验结果表明:与水下经典MAC协议RIPT、DOTS和S-FAMA对比，RIM-MAC将吞吐量性能至少提升了36％，延迟性能至少提升了5％。　　(3)提出一种适用于水下多跳网络高速数据收集的深度优先MAC协议　　虽然RIM-MAC满足了高速数据收集对网络吞吐量的需求，但是在多跳网络中RIM-MAC协议由于缺乏网络层的支持，仍然无法满足高速数据收集对数据传输实时性的需求。为了降低高速数据收集的延迟，提高高速数据收集的时间效率，本文利用跨层优化技术的思想，结合深度路由和信道预留策略，提出一种深度优先的MAC协议——DBR-MAC(Depth-based Routing Aware MAC)。首先，该协议利用深度优先定向转发模型，找到单跳范围内最优下一跳，进而发现全局的源节点到目的节点的最优路径，这有效地减少了数据包转发次数;然后，针对水下多跳网络中负载不均衡的特点，提出深度优先调度算法，它利用深度信息、角度信息和侦听到的邻居节点间的通信过程，在避免信道冲突的前提下，给予网络中关键节点优先访问信道的特权，提高了数据传输的时间和功耗效率;最后，提出了深度优先退避算法，节点通过维护一个邻居间的名次表和当前缓冲队列长度，通过节点在名次表的排名来决定其退避时间，减少了关键节点的退避时间和数据包投递的端到端延迟。为了验证DBR-MAC协议性能的优越性，本文在多跳Sea Swarm网络环境中，变换参数进行多组仿真实验，实验结果表明:与水下经典MAC协议M-FAMA、DOTS和S-FAMA对比，DBR-MAC将吞吐量性能至少提升了36％，功耗性能至少提升了12％，延迟性能至少提升了18％。