水下传感器网络作为无线传感器网络在水下环境中应用的一种延伸，在民用和军事等领域具有巨大的应用潜力，例如水下石油矿产资源探测，水下环境监测，水下物种跟踪与保护，海洋地震海啸灾难预报，以及反潜艇入侵检测，水下协同作战等。近年来，水下传感器网络的研究引起了学术界、工业界和军界的极大关注，美国、德国、日本等国家相继投入巨资进行研究，希望能在未来的经济发展和国防上掌握主动权。因此，水下传感器网络的研究对国家经济、社会发展和国家安全具有战略性意义。　　 相比陆地无线传感器网络，水下传感器网络的研究还存在很多挑战。在网络协议方面，水声通信是水下传感器网络的主要通信方式，而水声信道具有传播时延长、信道带宽低和高信道错误率的缺点，陆地无线传感器网络所采用的网络协议在水下传感器网络中应用时效率低。在定位方面，无线电波在水下衰减快，陆地无线传感器网络中常用的精确位置参考设备如GPS不能在水下应用，因此在水下特别是深水环境里很难实现节点精确定位，无法进行物体跟踪、灾难预报和入侵报警等应用。此外，大规模水下传感器网络实时监测会产生特性不稳定的紧急突发数据，需要陆地传输网络提供QoS(Quality of Service)支持，然而现有的陆地传输网络一般不对这种不稳定的紧急突发数据流提供QoS，导致在带宽紧张时得不到及时服务，很难真正实现实时大规模监测应用。　　 本论文对大规模水下传感器网络实时应用的若干关键技术进行深入研究，重点针对水下网络环境和水声通信的特点进行协议和算法的设计，具体研究内容包括：大规模节点定位，水下MAC（Medium Access Control）协议设计和水下突发数据在陆地网络中传输的QoS支持。　　 本论文的创新工作如下：　　 (1)大规模节点定位：针对目前静止参考节点和Range-based的定位算法很难解决大规模水下传感器网络节点定位问题，提出了两种使用移动信标和Range-free相结合的区域定位算法，包括基于DETs的多功率广播区域定位算法和基于DETs的单功率多深度广播区域定位算法。仿真实验结果表明前者定位精度更高，后者实现更方便，系统费用低。但两者的定位精度都远高于一般的Range-free方法；　　 (2)水下ALOHA协议分析与改进：推导出适合任意传播速度的数据冲突理论公式，首次获得低传播速度导致水下S-ALOHA(Slotted ALOHA)协议性能大大下降的理论原因；并提出了基于数据同步到达的SA-ALOHA（Synchronous Arrival Slotted ALOHA）协议和根据传播时延误差调整时隙长度的ISA-ALOHA(Improved Synchronous Arrival Slotted ALOHA)协议，目的是控制数据随机冲突的概率和时间，克服了不同传播速度的影响。仿真实验结果表明在水下传播时延估计准确的情况下，SA-ALOHA的最大吞吐量比水下S-ALOHA提高1倍，接近理想S-ALOHA性能。在传播时延误差达±66ms的情况下，ISA-ALOHA的最大吞吐量为0.28，仍比水下S-ALOHA提高50％以上，且适合任何传播速度的网络；　　 (3)IEEE802.16网络性能分析与服务区分：针对IEEE802.16网络对突发数据无QoS保证的问题，得到基于带宽竞争机制的网络性能理论分析模型，并根据模型提出基于不同信道访问参数和优先级设置的服务区分方法。仿真实验结果表明提出区分服务方法对提高QoS效果明显，提出的分析模型有非常高的精确度。这些分析模型有利于辅助基站配置和管理带宽分配机制，在不浪费带宽利用率的同时实现紧急数据的传送。　　 本文的研究成果可为大规模水下传感器网络应用研究提供理论基础和技术支撑。