随着工业化、区域经济的不断发展和城镇化步伐的加快,水污染问题日益凸显,在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)的应用背景及技术成熟的基础上,对水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Network,UWSN)的研究已成为科学领域研究的热点。UWSN蕴含着巨大的应用价值,其通过随机部署在三维监测域的水下传感器节点完成信息的采集,并通过节点之间的相互协作传输数据。由于水声通信能耗大、传输时延高、环境恶劣、水流移动性、带宽窄等突出问题,针对UWSN相关算法理论研究是一项巨大的挑战。本文针对UWSN的环境特点及问题,从UWSN网络模型出发,研究水声通信的传播特性,然后在网络模型的基础上,提出了适用于水下环境的功率控制算法,更进一步地,针对水下多个优化目标,提出高效节能的水下网络拓扑控制算法,最后搭建应用平台原型,实现水质监测的基本功能。主要工作如下:1.针对水流移动性和水下声波扩散特征等问题,提出面向复杂环境的水下无线传感器网络模型,主要包括MCM(Meandering Current Mobility)节点受限移动模型、端到端时延模型和能耗模型。其中,MCM节点受限移动模型运用海洋动力学、流体力学等理论基础,结合MCM水流模型和节点锚定方式,提出一种符合实际应用的节点移动模型。端到端时延模型综合考虑移动性、声速方程、多径传播及传输成功率等因素,计算多径时延差,研究不同环境因子对端到端时延的影响。能耗模型结合噪声函数和传播损耗函数,可适用于所有水声通信网络。该网络模型综合考虑水下诸多复杂环境因素,适用范围广,为UWSN相关理论研究提供一个良好的仿真环境。2.针对水下声波通信存在的时延大、能耗高以及水流移动性等问题,提出一种基于非合作博弈论的水下移动无线传感器网络功率控制算法(Non-cooperative Game Theory for Power and Rate Control of UMWSN,UM-NGPR)。该算法采用之前提出的面向复杂环境的水下无线传感器网络模型,考虑节点的移动性,以功率控制和传输速率为优化目标,并将优化问题转换为博弈问题,引入信干噪比和传输成功率,给出效用函数,并分别证明功率和传输速率的纳什均衡存在性和唯一性,最终,利用二元牛顿迭代法求得传输功率和传输速率的近似最优解。3.针对现有水下声波网络拓扑控制存在的网络能耗不均匀、时延大、传输成功率低等问题,提出一种基于多个QoS目标的水下无线传感器网络拓扑控制算法(Ordinal Potential Game Theory for Topology Control Algorithm of UWSN,OPG-UTCA)。该算法以覆盖率、连通性、平均能耗、平均端到端时延和平均传输成功率为优化目标,将多目标优化问题映射成博弈问题,构建势博弈模型,证明其是序数势函数及纳什均衡的存在性,并采用二次博弈。首先所有节点参与一次博弈,网络达到纳什均衡状态后,根据效用函数值选择簇头,簇头为簇内效用函数值最大的节点,且簇头通信范围内无其它簇头,从而使簇头在网络中分布均匀。由于所有簇头是互不连通的,因此所有簇头参与二次博弈过程,建立连通关系,牺牲少数簇头节点的能耗以均衡整个网络的能耗。4.以实际应用需求为出发点,设计一个基于水下无线传感器网络的水质多参数在线监测系统。在给出总体方案的设计架构的基础上,主要详细介绍水下传感器节点和浮标节点的软硬件设计,以及基于Android的水质监测手机终端的软件设计。其中,水下传感器节点负责采集水质数据,通过水声换能器将数据传至浮标节点,浮标节点再将接收的数据通过无线射频模块/GPRS模块上传至阿里云服务器并存入数据库。通过水质监测手机终端访问服务器数据库,实现查询实时数据及历史数据。本文将上述的算法进行仿真验证,实验结果证明了本文提出的算法的有效性,与同类算法相比,在网络能耗、端到端时延、传输成功率等方面具有一定的优势。另一方面,本文还对水质监测系统进行物理实验测试,结果显示,水质监测系统能够在水下环境中稳定工作,利用水声换能器传输数据,能满足水质多参数在线监测实际使用要求,具有广阔的应用前景。