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水下传感器网络是利用水下传感器节点感知水下相关信息，并通过水声通信媒介将传感器节点所感知到的数据信息传送至数据处理中心，并将其广泛应用于水下资源勘探、海洋地理数据收集、导航和控制、灾难预防、军事安全等领域。
根据水下传感器网络分层结构特点可知，能量消耗主要发生在数据链路层和网络层，影响能量高效性主要因素有：(1)引入解决信道访问冲突机制产生新的额外能耗，其中包括空闲侦听、额外控制帧开销以及由时空不确定性引起定位开销和同步开销等；(2)能耗不均衡：由于水下节点移动性使网络拓扑不稳定导致“瓶颈节点”负载过重造成节点过早死亡，影响网络能耗均衡性。因此，本文以提升UWSNs能量高效性为目标，紧紧围绕如何降低节点通信能耗和均衡网络能耗两个关键问题开展深入研究，内容如下：
1.针对由于水下传感网络时空不确定性引起的水声信道访问冲突导致数据包碰撞，影响网络能耗问题，提出基于信念状态空间的水下传感器网络MAC协议。该协议采用时隙类的预约竞争机制，利用信念状态空间将部分可观测MDP转换成MDP过程，在所分配时隙内发送节点依据决策策略序列依次向接收节点发送数据包；同时，根据当前的信念状态和动作，接收节点对信道的占用进行预测，感知下一个周期的信念状态和接入动作，有效解决信道空闲侦听和信道访问冲突问题。最后，对所提出的模型与策略进行分析与仿真实验。
2.针对由于水下节点位置变化的不确定性导致定位开销大、定位精度低问题，提出了基于虚拟力模型的锚节点移动策略定位算法。该算法首先利用未知节点的密集度作为权值来改进传统的虚拟力模型；然后考虑测距误差大小，结合三边测量法GAUSS-MARKOV模型的虚拟锚节点方向选择得出锚节点的最优分布，使锚节点在通信范围内尽量避免出现共线情况，增加等边三角形分布出现的概率，缩短锚节点移动路径，降低虚拟信标的数量，避免移动锚节点进入网络空洞区域，有效提高了网络的能效性和节点定位精度问题。最后，对所提出的模型与算法进行分析与仿真实验。
3.针对由于水下节点传播时延变化的不确定性导致同步开销大、时钟同步精度低问题，提出了基于MARKOV链群一致性时钟同步算法。该算法首先将水下传感器网络系统的群一致性时钟同步模型映射成Markov链迭代模型，根据Markov链的收敛定理，构建虚拟参考时钟同步转换模型和虚拟参考时钟频偏与相偏更新补偿模型；然后，再利用线性回归拟合方法，建立簇间同步和簇内同步机制，有效解决了时钟同步过程中频繁交换同步信息包导致的额外能量消耗和同步精度低问题。最后，对所提出的模型与算法进行分析与仿真实验。
4.针对由于水下节点移动性导致网络拓扑不稳定、链路冗余、能耗不均衡问题,提出了基于高阶Markov链下势博弈与最优刚性子图的网络拓扑控制算法(PG-OSTCG)。该算法首先研究了水下传感器节点的移动性模型，构建了基于高阶Markov链的网络拓扑链路连通性模型，再结合节点能耗、端到端时延、信干燥比、传输成功率、节点剩余能量等因素重新构建了新的势博弈效用函数，利用势博弈理论对初始网络拓扑结构进行优化；在此基础上，进一步利用最优刚性子图理论,剔除优化后的网络拓扑结构中的冗余链路，有效降低了节点负载，使网络具有较强的鲁棒性；然后再将水下环境进行等级划分，通过调节模型中权重因子使网络具有较强的自适应性。最后，对所提出的模型与算法进行分析与仿真实验。
根据水下传感器网络分层结构特点可知，能量消耗主要发生在数据链路层和网络层，影响能量高效性主要因素有：(1)引入解决信道访问冲突机制产生新的额外能耗，其中包括空闲侦听、额外控制帧开销以及由时空不确定性引起定位开销和同步开销等；(2)能耗不均衡：由于水下节点移动性使网络拓扑不稳定导致“瓶颈节点”负载过重造成节点过早死亡，影响网络能耗均衡性。因此，本文以提升UWSNs能量高效性为目标，紧紧围绕如何降低节点通信能耗和均衡网络能耗两个关键问题开展深入研究，内容如下：
1.针对由于水下传感网络时空不确定性引起的水声信道访问冲突导致数据包碰撞，影响网络能耗问题，提出基于信念状态空间的水下传感器网络MAC协议。该协议采用时隙类的预约竞争机制，利用信念状态空间将部分可观测MDP转换成MDP过程，在所分配时隙内发送节点依据决策策略序列依次向接收节点发送数据包；同时，根据当前的信念状态和动作，接收节点对信道的占用进行预测，感知下一个周期的信念状态和接入动作，有效解决信道空闲侦听和信道访问冲突问题。最后，对所提出的模型与策略进行分析与仿真实验。
2.针对由于水下节点位置变化的不确定性导致定位开销大、定位精度低问题，提出了基于虚拟力模型的锚节点移动策略定位算法。该算法首先利用未知节点的密集度作为权值来改进传统的虚拟力模型；然后考虑测距误差大小，结合三边测量法GAUSS-MARKOV模型的虚拟锚节点方向选择得出锚节点的最优分布，使锚节点在通信范围内尽量避免出现共线情况，增加等边三角形分布出现的概率，缩短锚节点移动路径，降低虚拟信标的数量，避免移动锚节点进入网络空洞区域，有效提高了网络的能效性和节点定位精度问题。最后，对所提出的模型与算法进行分析与仿真实验。
3.针对由于水下节点传播时延变化的不确定性导致同步开销大、时钟同步精度低问题，提出了基于MARKOV链群一致性时钟同步算法。该算法首先将水下传感器网络系统的群一致性时钟同步模型映射成Markov链迭代模型，根据Markov链的收敛定理，构建虚拟参考时钟同步转换模型和虚拟参考时钟频偏与相偏更新补偿模型；然后，再利用线性回归拟合方法，建立簇间同步和簇内同步机制，有效解决了时钟同步过程中频繁交换同步信息包导致的额外能量消耗和同步精度低问题。最后，对所提出的模型与算法进行分析与仿真实验。
4.针对由于水下节点移动性导致网络拓扑不稳定、链路冗余、能耗不均衡问题,提出了基于高阶Markov链下势博弈与最优刚性子图的网络拓扑控制算法(PG-OSTCG)。该算法首先研究了水下传感器节点的移动性模型，构建了基于高阶Markov链的网络拓扑链路连通性模型，再结合节点能耗、端到端时延、信干燥比、传输成功率、节点剩余能量等因素重新构建了新的势博弈效用函数，利用势博弈理论对初始网络拓扑结构进行优化；在此基础上，进一步利用最优刚性子图理论,剔除优化后的网络拓扑结构中的冗余链路，有效降低了节点负载，使网络具有较强的鲁棒性；然后再将水下环境进行等级划分，通过调节模型中权重因子使网络具有较强的自适应性。最后，对所提出的模型与算法进行分析与仿真实验。