随着社会的发展,人类对资源的需求也在不断增加,由于陆地上资源的不断消耗,占据了地球表面积的71%的海洋湖泊等水域越发吸引人类的目光。对海洋的认知是对海洋进行开发的前提,虽然在史前人类就已经开始依靠海洋生活,但是目前人类对海洋特别是深海的认知还非常浅薄。由于水下传感器网络能够快速、大范围布放,长时间、全天候对所在区域进行信息采集、传输,具有很强的自治性和智能性,是研究和利用海洋的利器,因此成为了一个新的研究热点。时钟同步、节点定位和数据传输是水下传感器网络中的关键技术和应用。在水下环境中电磁信号衰减严重,水声是水下通信的主要方式。由于水声通信的高延迟、低带宽和多径效应等特性,以及水下节点的移动性,不能直接将陆上无线传感器网络中的相关技术移植到水下无线传感器网络中,因此需要专门设计适用于水下声学通信的时钟同步、节点定位和数据传输方法。本文分析了水下时钟同步、节点定位和数据传输的主要挑战,给出了相应的算法来解决以上问题,并通过大量的数值模拟实验,验证了提出的算法的正确性与性能。本文的主要贡献如下:1.时钟同步设计。通过对现有水下时钟同步的分析与比较,提出了一种基于声学信道状态的时钟同步方案,依据信号传播时间与信道相位的关系计算信道的传播时间,进而通过一次消息传输就可以计算出两个节点之间的时钟偏差,通过一轮消息交换即可推算出两节点之间的时钟偏移率,无需进行复杂的节点速度估计和频繁的通信,在节约节点能量的同时保证了时钟同步的高效性。2.节点定位方案。以水下移动性较强的AUV为例,设计了一种新型的水下AUV定位算法,通过融合多种数据实现较为精准的基于水下传感网络的AUV定位。针对AUV集群,设计了AUV集群信标选择算法,并设计了AUV集群定位策略,通过参数的选择来平衡AUV集群定位的定位精度、AUV集群的总体生存周期和重定位的总能耗。3.数据传输策略。由于水下数据采集是水下传感器网络的主要应用形式,因此如何正确、能量高效地把采集的数据传输给水面基站是非常重要的。本文考虑了实时数据传输(水下路由)和离线数据传输(通过AUV辅助数据收集)两种场景。在实时传输的情况下首先估算节点间的距离,通过对比当前数据包传输导致的网络生存周期变化,动态自适应的选择下一跳节点,并调整传感器发送功率和频率来提高传输的可靠性并保证能量的高效性,在离线传输中采用了多种通信手段,结合AUV的移动性,来更加节能的收集水下传感器收集的数据。