浅海水声信道是目前公认的具有严重频率选择性衰落的信道,水声正交频分复用（OFDM）系统在一定程度上能够对抗此类衰落问题,系统内的绝大多数子载波均可正确传递。然而,极少数处于深度衰落的子载波依旧无法摆脱这种影响,系统误码率性能因而受到限制,导致无法实现可靠通信。未经信道编码的水声OFDM通信系统通常很难满足实际通信的需求,因此信道编码技术的研究是其不可忽略的核心技术环节。为了提升水声通信系统的能量利用率和传输可靠性,契合水声通信领域对于多用户高速可靠通信的需求,本文从基于极化码的水声编码OFDM（Polar-OFDM）通信系统的构建入手展开研究。针对水声Polar-OFDM通信系统中存在的高峰均比缺陷、峰均比抑制算法中边带信息传输和判决上的缺陷,以及下行水声Polar-OFDM通信系统中多址接入不灵活等实际问题,提出了相应的改进方法。本文具体从构建水声Polar-OFDM系统、对该系统中峰均比抑制技术及其边带信息（SI）的传输与检测算法进行改进,以及对下行水声Polar-OFDM通信系统中的非正交多址接入技术等方面展开了研究,具有较强的实际意义和水声领域的应用前景。论文的主要工作包括以下几方面:首先,构建了完整的基于极化码的水声编码OFDM通信系统。水声OFDM通信系统受限于频率选择性衰落的信道条件,随机差错的出现难以避免。因此,对于前向纠错编码的研究和利用十分必要。极化码是目前5G技术研究中极受关注的重点技术,相较于LDPC以及Turbo码而言,其优势不在于系统BER性能的大幅提升,而是信道容量可达以及较为简单的编解码器。极化码基于信道极化理论,其编译码性能随码长的增加而增加,对于长码应用场景具有天然的性能优势。水声OFDM系统中子载波数目较多,当采用高阶映射方式时,单个OFDM符号的可载信息量较大,适合选用码长较长的信道编码方案。因此,极化码十分适合应用于水声OFDM通信系统中,但在水声通信领域却缺少系统的、深入的理论及实验研究。因此本文中构建了水声Polar-OFDM通信系统,针对该系统中极化码的构造参数选择进行了仿真分析,明确了最优化的设计信噪比（Design-SNR）选取方案,以及该方案适用的信噪比范围。同时,还分析了不同解码算法对于水声Polar-OFDM系统误码率性能的影响,以及极化码码率选择相对灵活、可采用嵌套子码的方式进行编码的优势,使得基于极化码的改进算法可以更好的应用于水声OFDM系统中,为后续章节奠定了理论基础。其次,针对水声Polar-OFDM通信系统中由于采用多载波调制而存在的高峰均比缺陷,提出了一种伪随机加权相位因子向量的选择方法。在不引入额外的计算负担的前提下,有效地提升了PTS算法的峰均比抑制性能。本文所提出的改进算法在计算复杂度相当的情况下,既减少了候选相位因子向量的数目,又有效地提升了C-PTS算法的峰均比抑制性能。同时预留了一定的盲检测器指示向量接口,为后续章节针对概率类技术中所存在的边带信息传播风险进行改进提供了一定的基础。再次,针对水声OFDM通信系统的峰均比抑制算法中边带信息传输和判决上的缺陷,提出了SI的盲检测算法,改变了边带信息的传输和判断方式,摆脱了系统BER性能对SI传递的依赖,有效地提升了PTS算法的系统BER性能。在水声OFDM通信系统中,导频辅助与信道编码是保证可靠通信所必须采用的技术,因此针对于导频辅助的水声OFDM系统,提出了基于正交导频序列的SI盲检测算法与基于基追踪去噪的SI盲检测算法,或选用一组正交导频序列,或选用一组不同的导频位置分布作为盲检测器指示向量,实现了高可靠性的加权相位因子向量序号的自主判别;针对于编码的水声OFDM通信系统,不论解码输入为硬信息或软信息,均能找到适合的SI盲检测算法。此外,该算法SI正确率的收敛速度明显优于与之采用相同编码调制方式的C-PTS算法,有效地提升了整体系统的BER性能,保障了系统的传输效率,降低了计算复杂度,提升了传输可靠性。理论分析、算法仿真与实验结果均证明了所提算法的有效性。最后,针对水声Polar-OFDM下行通信系统中,用户信道条件差异明显与用户信道条件相差无几的两种应用场景,提出了基于极化码叠加编码和叠加构造的水声OFDM下行通信的非正交多址接入算法。其中基于极化码叠加编码的多址接入算法主要针对一个主节点的覆盖范围内存在信道条件有差异的一组用户的场景,通过编码域与功率域的双重叠加,利用极化码子信道分配方式带来的编码增益,使得各用户之间的功率分配因子的选择更加灵活,更适合于通信环境较为复杂的水声信道。而基于极化码叠加构造的多址接入方式针对用户信道条件几乎无差异的场景,在极化码的构造阶段,将所有用户共享的信息比特位置分布集合划分为互不相交的子集分配给各用户独享,采用嵌套子码的结构完成主节点发送端多用户信号的构建过程,无需信号的叠加,消除了功率因子的影响,充分利用了发射换能器的功率。每个用户可根据用户独享码本完成信号的检测,无需SIC检测,降低了接收机的复杂度,为水声OFDM下行通信系统提供了新的多址接入方法。仿真和水池实验结果表明,基于极化码叠加编码与叠加构造的下行通信非正交多址接入算法,均能达到可靠通信的要求。综上,本文针对极化码在水声OFDM系统中的应用、水声Polar-OFDM系统中峰均比抑制技术及其边带信息的传输与检测算法,以及适用于下行水声Polar-OFDM的非正交多址接入技术等方面,均提出了相应的改进算法。本文中所提出的改进算法的可行性与有效性,均经过了理论分析、算法仿真以及实验数据处理的充分验证。