随着“海洋强国”、“智慧海洋”和“数字海洋”等国家战略目标的提出,有关新一代海洋信息化装备的研究逐渐得到了工业、学术和军事等领域的越来越多的关注。水下传输技术是海洋信息化装备的核心技术,通过水下传输技术可以为海洋装备提供可靠的通信能力,为海洋装备实现信息化、智能化和自主化运行提供了可能。目前常用的水下传输技术包括水下光缆通信、水声通信、水下光通信、水下电磁波通信和水下量子通信技术。其中,水声通信技术是当前最热门的水下传输技术,其在水下环境传输距离远、传输可靠性高且灵活性强,在近年来得到了广泛的研究和应用。水声信道被认为是自然界中最复杂的通信信道之一,其传输带宽小、多径效应严重、多普勒效应严重、存在大量脉冲噪声和传播延时长等特点严重限制了水声通信的传输速率、传输可靠性和传输范围,给水声通信技术中的物理层和网络协议研究带来了巨大的挑战。因此,为了获得更好的水下传输性能,我们需要对水声通信物理层和网络协议进行研究来降低或消除水声通信信道的影响。目前,已有很多研究机构提出了多种的水声通信物理层和网络协议设计方案,这些方案通常针对特定的水下环境和应用场景进行设计,无法应用于变化剧烈的实际水下环境和应用场景中。因此,我们需要设计一种具有较强的抗干扰能力和自适应能力的水声通信物理层和网络协议方案。本文以水声通信技术为基础,对实际水声信道的特点进行了研究,并根据实际水声信道特点设计了可以应用于复杂多变的水下环境中的水声通信物理层和网络协议方案。在水声通信物理层方案设计中,为了解决传统水声通信中物理层自适应能力较差的问题,我们采用了自适应调制技术以提高水声通信的自适应能力。我们设计了三种自适应调制方案,分别是基于预训练的自适应调制方案、基于线性反馈的自适应调制方案和基于环境感知的自适应调制方案。基于预训练的自适应调制方案主要通过测定对每种调制模式适用的功率值来实现自适应调制,比较适合应用于水下环境稳定的无移动节点水下通信应用中,基于线性反馈的自适应调制方案通过线性调频信号作为反馈信号提高了反馈信道的可靠性,可以应用在比较适合应用在水下环境稳定的移动节点水下通信应用中,而基于环境感知的自适应调制方案在基于线性反馈的自适应调制方案的基础上加入了多普勒误差和脉冲噪声联合估计,该方案可以应用于水下环境变化剧烈的移动节点水下通信应用中。我们通过不同信道条件下的仿真实验证明了三种自适应调制方案的可行性和有效性。在水声通信网络协议方案设计中,我们主要对水声通信中的MAC层协议进行了重新设计,我们设计了基于TDMA的水声MAC协议来消除水声信道的长传输延时、脉冲噪声和传输阴影区对水声网络传输性能的影响,提高了水声网络通信性能与抗干扰能力。该协议基于最小功率传输干扰模型和水下多跳网格型网络实现,针对水声信道和水声网络结构特点对TDMA协议中的调度方案进行了优化,在保证网络中信息完全无冲突传输的基础上,优化了水声网络的吞吐量和能量消耗。同时改变了水声网络中的传输结构,增加网络中源节点信息传输的空间分集,增强了水声网络的抗干扰能力。仿真实验验证了该协议具有良好的传输性能和抗干扰能力。最后,我们开发了水声通信实验平台和I-SEA海空一体化跨介质通信实验平台用于实际水下环境实验和测试。该水声通信实验平台是完全基于软件定义的水声通信平台,默认实现了四种调制模式和基于预训练的自适应调制方案,可以应对大多数水下环境场景。该平台具有具有良好的软件重构性,用户可以通过软件任意实现自定义算法和功能。而I-SEA海空一体化跨介质通信实验平台则通过水下潜器、空中无人机和中继浮标组成了海空一体化网络结构,可以实现海空双向跨介质通信,有效的提高了系统的通信能力和覆盖范围。我们分别从硬件结构和软件结构两个部分对I-SEA水声通信实验平台和海空一体化跨介质通信实验平台的设计思路和实现方案进行了详细介绍,并利用两个平台分别进行了湖试实验来验证两个平台性能和功能,实验结果证明了两个平台的性能的优越性和功能的有效性。