海洋面积占地球表面积的71%,是我们人类活动的重要领域之一。随着科学技术的不断发展,现代通信系统和网络已经从空中和陆地延伸到了海洋。因此水声通信技术近年来得到了迅猛的发展。水声通信的研究在海洋资源勘探和开发、海洋环境监测以及海洋军事战略发展中也起到了至关重要的作用,而水声传感器网络中数据的可靠传输显得尤为关键。水声信道与无线信道不同,它具有可用频带窄、传播时延高、多径效应严重和多普勒频移大等的特点。因此陆地无线网络的数据传输协议并不适用于水下通信,我们需要设计新的介质接入控制（Medium Access Control,MAC）协议来实现水下通信数据的可靠传输,同时增大水声传感器网络的吞吐量、减少端到端时延和减少丢包率等。本文的主要工作内容和创新点如下:1、针对水下通信数据包传输产生的严重碰撞问题,本文提出了一种适用于水声传感器网络（Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs）的簇内数据传输协议:基于强化学习（Reinforcement Learning）的MAC（RLM）协议,RLM协议使用改进的时隙帧结构,并通过强化学习策略对水声传感器网络进行学习。每个传感器节点根据本地的Q值表来进行数据传输,然后根据数据传输状态更新Q值表。经过多次学习,网络达到收敛状态,每个传感器节点都会选择相对的最佳数据发送时隙,从而大大减少了由于数据包之间的碰撞产生的丢包,提高网络的性能。同时为RLM协议增加节点状态判断机制,使得RLM协议对网络拓扑结构的变化也有较好的自适应性。最后通过仿真,分析该算法的性能。2、针对由于水声信道环境恶劣导致的水下通信丢包问题,本文引入了跨层设计,将物理层与MAC层联合,构建PHY/MAC跨层模型。通过各层相关参数的共享,由系统整体进行相关信息参数的统一调度,以此达到优化网络系统性能的目的。物理层采用分数阶傅里叶变换（FrFT）对接收到的信号进行同步检测,判断数据帧的状态及其丢包原因。根据信道状态信息对数据帧实现自适应调制或者调整信号发送速率,而MAC层根据数据包状态选择调整发送时间片段或者调整数据帧长等,保证更为可靠的数据传输。3、在OPNET平台上实现PHY/MAC联合模型,并分析跨层方案的网络性能。仿真结果表明,PHY/MAC跨层设计可以大大提高网络吞吐量和减少丢包率。