近年来,随着世界各国加快开拓海洋的步伐,民用、军事等领域对水声通信网络提出了深入的需求。水声通信网络是数字化智慧海洋建设的关键技术,为人类开发、认识和管理海洋开辟便捷的途径,使得沉睡在海洋的数据发挥巨大的价值。然而,水下声波传输时延大,存在严重的多径、多普勒频移等使得水声信道是最具挑战性的信道之一。另外由于海洋环境的复杂,布设稳定、可靠的水声网络是亟待解决的难题。而且,水声通信网络节点能量有限,容易受到海洋环境影响,会出现失效、大浮动偏移等状况。为解决上述问题,满足水声网络的可靠性、低功耗、快速收敛等需求,本文深入研究水声网络的物理层、数据链路层、网络层的协议并成功搭建水下通信网。主要工作概括如下:(1)针对水声信道估计存在误码率高的问题,采用一种MC-MFSK的水声通信系统方案,选择适合本系统算法的FPGA处理器实现,降低通信中的误码率,取得可靠的通信。(2)水声节点存在移动性强、分布稀疏的问题,将时间同步和簇首、簇间的同步结合,形成快速收敛的成簇时间同步方案。另外,无应答模式的MACA握手协议效率不高,数据链路层将多帧确认和增加节点静默退避技术应用到MACAW握手协议,提高信道的利用率。(3)为克服LEACH协议随机选举簇头节点而导致其加速衰亡,充分利用节点的剩余能量,结合时间同步算法,采用不规则分配时隙技术,提出了一种低功耗的改进型LEACH路由协议。并将改进的数据链路层协议和网络层路由算法与物理层相融合,设计与实现了一种高效的水声网络通信系统。(4)水池和海洋实验结果表明,本系统实现了基于MC-MFSK通信系统的MACAW握手机制,能有效避免单信道水声通信冲突,并建立层次路由通信,减少节点能量消耗。该水声网络通信系统可以保证水下节点间进行可靠地通信。