水下无线传感器网络在海洋资源开发方面具有举足轻重的作用,不断改善网络性能是一件极为迫切的任务。而定向通信技术具有空分复用的优势,可提高网络吞吐量和发送成功率等性能。本文设计了几种适用于水下定向无线传感器网络的媒体介入控制(Medium access control,MAC)协议和路由协议,把定向通信空分复用的优势充分利用到网络中,提高网络性能。首先,本文分别基于多模态换能器和矢量水听器的原理和工作模式建立了定向发射和接收模型。对于定向发射模型,为了选择定向发射波束的最优形状,本文定义了发射区内外面积比函数来衡量发射波束的优越性,并用粒子群算法求出该函数的最优解;对于定向接收模型,本文参照矢量水听器的测向和电子旋转的工作模式设计了矢量水听器屏蔽干扰信号的流程,使它能够实现对某个方向的信号的定向接收,减小其它方向上的干扰信号的影响;针对如何选取矢量水听器电子旋转的角度的问题,本文提出了用粒子群算法求解能使接收信号信干噪比达到最大的电子旋转角度最优解的方案。然后,对于MAC协议,本文以全向ALOHA协议为起点,逐步优化地提出了定向ALOHA协议、定向MACAW协议,主要工作包括设计这两种定向MAC协议的流程以及改进虚拟载波侦听机制。仿真结果表明,定向ALOHA协议可充分发挥空分复用的优势,相比于全向ALOHA协议明显提高了网络吞吐量和发送成功率等性能;定向MACAW协议在长数据包的情况下可改善定向ALOHA协议中出现的隐蔽终端问题;最后仿真分析了节点受内波、湍流影响而发生的随机转动对定向MACAW协议的影响,并提出了相应的解决方案。最后,本文对定向水声通信网络的路由协议进行了研究,研究了基于最小干扰代价原则的改进型AODV协议和基于最小跳数原则的改进型AODV路由协议,仿真对比结果表明,在定向通信的水下传感器网络中,基于最小干扰代价原则的AODV路由协议的发送成功率和网络吞吐量优于基于最小跳数原则的AODV路由协议。