水下声学通信网络因其物理传播的方式和介质的不同,相较于陆地上的无线通信网络具有可用带宽有限,传播时延长,通信速率低,受噪声干扰明显的特性。而水下应用随着各种相关领域和行业的需求增长发展迅速,单一点对点通信的能力已经不能满足行业发展的应用需求了,水下声学通信的组网技术逐渐成为海洋工程及相关领域应用实现的关键难题。水声物理的固有特性和应用领域的需求增长,为水下通信网络协议设计提出了巨大的挑战。以往对水声通信网络的研究主要以移植陆地上成熟的无线通信网络技术为主。然而由于水下声学物理环境的复杂性,这种技术移植并不有效。更多情形下,相关技术的类比移植要打破常规技术的整个切入视角才能收到较好的效果。同时面对水声网络中不断涌现的新问题,陆地上并没有类似的问题可以类比借鉴,更多的突破需要我们以水下通信本身的视角看待问题,提出创新性的解决方案。认知无线电技术当前已经是软件定义网络技术中相对成熟的一类技术了。类比认知无线电技术,认知声学技术被水下声学传感器网络的研究者们提出,并将研究的方向致力与打造与水下人工声学系统和水下生物声学系统友好共存的频谱高效利用系统。然而面对水下特殊的物理环境,传统认知无线电的技术对实现这样的认知声学系统提供的更多的是应用需求理念而不是技术的直接类比应用。这中间出现的如水下频谱感知的效率和效果问题,公共控制信道的稳定性和带宽问题等都有待解决。本文提出了一种水下认知声学网络系统的设计方案,侧重于MAC协议设计,包括以下三个部分:1)一种由接收端独立进行的频谱感知方法,利用接收端的频谱感知结果和基于有限的监听信息维护的信道状态进行联合频谱决策和功率分配。2)一种可扩展的长传播延迟网络调度策略,支持单播、多播和广播,同时提供最佳吞吐量,以满足水下认知声学网络中公共控制信道的监听需求和高吞吐量无冲突传输的需求。3)提出了涉及多跳网络的频谱选择性吸收和动态功率分配以及节点的移动性的一组新的隐藏终端和暴露的终端问题,不同于传统的三重隐藏终端问题。我们提出的水下认知声学网络系统,能够适应海底观测网搭建,水下集群移动探测,水下地质和气象等观测的数据收集等大型水下网络应用的组网需求,结合了可扩展的节点拓扑部署策略与水下媒体接入控制协议设计。同时为水下声学多跳网络和移动自组网中的功率控制考虑和媒体介入控制提出了新的实际设计约束。