近年来,由于军事应用和海洋资源开发的力度不断加大,水声通信技术的研究越来越引起人们的关注。与陆地上的无线电通信环境不同,水声信道呈现严重的频率选择性衰落特性,使得可用于水声通信的频谱资源十分有限。与此同时,海洋环境中高背景噪声、来自海面、海底的反射及海洋中声线折射影响的多径效应、传播时延长等诸多不利因素,导致传输误码率高、通信速率低等瓶颈问题难以解决。协作通信技术能有效对抗频带受限、长时延及多径衰落的影响,有效地缓解水下频谱资源紧张的现状。通过基于中继的协作通信方式,形成虚拟的多输入多输出(MIMO)系统,有利于降低系统成本,提高了通信质量,扩大通信范围。面对海洋环境中水下频谱资源严重紧缺的情况,为了高效地利用稀缺的频谱资源,与认知无线电技术基本思想相近的认知水声技术应运而生。认知水声技术的应用,可以更好地实现水下频谱管理,适应水下动态的频谱环境。本文首先对课题研究背景进行分析,介绍水下声学特性及概念,研究水声通信中存在的问题,主要表现在:声波的频率选择性衰落、多径效应、多普勒频移及高背景噪声。随后分析协作通信的基本原理及认知频谱感知技术,为认知水声协作通信的研究打下良好基础。其次,研究认知水声系统中的单中继选择和功率分配联合优化问题。在Underlay模式下,认知用户协作共享稀缺的水下频谱资源,为了更好地适应多变的水声通信环境,利用中继信任因子来评价中继优劣,为提高通信速率,以系统吞吐量作为目标函数。与其它策略相比,本文的算法可提高将近20%的系统吞吐量。最后,分析了多中继协作的认知水声通信联合优化问题。针对水声通信中频谱资源短缺、信道衰落及时延严重的情况,将中继信任因子通过比重加权的方式进行协作感知,有效地提高了感知准确性。同时,在多中继协作网络中,将网络干扰限制及剩余能量纳入效用函数,从功率优化和剩余能量消耗角度考虑,基于遗传算法进行中继选择和功率优化,计算复杂度呈指数下降,使网络能耗更加均衡,网络生存时间提高了数十倍。