水声通信网络是开发海洋资源、获取海洋环境参数的有效手段,水声信道具有带宽有限、载波传播速率低、衰减严重、快速时变等特点,且水下设备采用电池供电能量有限更换不变,导致水声通信网络的性能受到了极大的限制,如何提高水声通信网络的吞吐量、延长网络生存周期是急需解决的问题。由于水声信道环境的特殊性和复杂性,使得无线电中很多成熟的技术无法直接应用到水声无线网络中。水声信道的强多途干扰和噪声干扰等导致物理层(physical layer,PHY)具有很高的误码率,从而降低了水声通信网络的吞吐量,因此如何实现稳健的高速率的物理层数据传输是提高网络吞吐量的重要因素。而且由于水中声速非常低(1500m/s),导致数据传输时延非常高,严重的降低了信道利用率。如何设计高效的物理层数据传输和MAC层协议是提高网络吞吐量的两个重要方面。传统的网络分层结构没有考虑到水声信道对网络的影响以及对各层之间的相互影响,因此无法充分利用信道资源,实现资源的优化配置。跨层设计在原有网络分层基础上,将网络所有层或者某几层作为一个整体进行优化和控制,充分考虑信道对各层的影响以及各层之间强烈的相关性信息,从而有效地合理地分配信道资源,实现网络资源的优化配置,提升网络性能。目前水声通信网络一般采用五层的网络划分结构,具体包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。底层协议和通信等关键技术是影响网络性能的重要方面,本文主要从物理层和数据链路层(主要考虑MAC层)入手,通过PHY/MAC跨层设计提高网络的吞吐量,其中物理层主要采用具有较高速率的OFDM调制。水声信道是影响物理层和MAC性能的重要因素,水声信道的特性分析和建模对于系统仿真和性能分析具有重要的指导意义,因此文中首先对水声信道进行了建模和实测信道特性分析。物理层作为网络的底层,负责数据的发送和接收,其通信性能的优劣对网络性能有非常大的影响,因此如何设计高速的、稳健的物理层通信是本文的一个重要研究内容。MAC层主要用于控制节点对无线信道的访问,是影响网络性能的另一个重要方面,如何针对水声信道的长传播时延设计高效的信道资源分配方案,从而提高网络吞吐量是本文的另一个研究内容。在稳健的物理层通信和高效的MAC层协议基础上,通过PHY/MAC跨层设计联合优化网络性能,充分利用信道资源,提高水声通信网络的综合性能。水声信道是影响水声通信和网络性能的一个重要因素,充分了解水声信道的特性有助于接收机的设计和顶层资源分配等。文中分析了国内不同浅水水域的信道特性,主要从时域和频域角度分析了幅度、时延、多普勒等因素的统计特性以及时间相关特性等,从而为水声信道建模提供数据支持。提出了一种时变水声信道建模方法,将信道衰落分为大尺度衰落和小尺度衰落,考虑了散射作用引入的随机分量,同时将引起多普勒频移的运动建模为稳定运动分量和随机运动分量,使信道模型更接近实际水声信道。针对水声信道的强多途对OFDM调制引入的符号间干扰问题,提出了一种基于稀疏信道估计的时反OFDM技术。根据水声信道的稀疏特性,提出了两种稀疏信道估计算法:匹配追踪信道估计和基追踪去噪信道估计,相比于传统的信道估计方法,稀疏信道估计具有更高的估计精度。利用了时间反转镜技术的时间压缩特性,将时间反转镜技术与OFDM技术相结合,可以实现信道的压缩,降低符号间干扰,减少导频数量,提高通信速率。为了克服时反信道非最小相位特性引入的干扰,提出了加入循环后缀抑制符号间干扰的方法。针对被动时间反转处理引入的探测信号的干扰问题,采用了虚拟时间反转信号处理方法消除干扰,同时采用了具有高估计精度的稀疏信道估计算法,可以进一步提高处理增益。针对水声通信网络中控制帧传输速率低、占用信道时间长的问题,提出了一种正交多载波M元循环移位键控技术提高传输速率。该技术采用多载波调制,每个载波分别采用M元扩频调制和循环移位键控扩频调制的方式,并提出了一种复合序列抑制载波间干扰算法改进系统性能。该方法具有扩频调制抗多途和抗衰减能力的同时,具有更高的频带利用率,从而可以有效的缩短水声通信网络中控制帧的长度,提高网络有效数据的传输效率。针对水声通信网络吞吐量低的问题,提出了一种PHY/MAC跨层设计方案,两层之间通过信息交互和共享,根据信道环境信息自适应调整调制方式和信道资源分配方案,可以充分的利用信道资源,提高网络吞吐量,同时降低数据传输的平均端到端时延。根据跨层设计的需要,提出了一种OFDM自适应调制编码方案和改进的CSMA/CA协议,自适应调制编码技术通过调整调制阶数、编码速率和频率分集阶适应不同的信道环境,并将估计的信道信息反馈给发送节点从而选择合理的调制参数。改进的CSMA/CA协议通过虚拟载波侦听的方式侦听数据帧实现信道状态检测,取代了握手过程,减小了信道开销,提高了网络吞吐量,同时降低了数据传输时延。