随着我国对海洋资源力度不断加大,对水下无线通信技术的需求越来越迫切。由于电磁波在水中传播时衰减严重,而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水下实现中远距离传输的能量形式。然而水声信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道,是至今通信难度最大的无线通信信道。协作通信技术可以有效提高水声通信信道容量、增大通信覆盖范围以及增强传输可靠性。与Radio Frequency(RF)通信类似,中继选择问题(Relay Selection,RS)是水声协作通信中需要解决的关键问题,然而由于水声信道独特的性质,使得传统的RF协作通信中继选择策略无法直接适用于复杂的水声通信环境。因此,本文针对复杂的水声通信环境在不同的通信场景中为用户提出了高效、低成本、强可适用性的中继选择方法。本文首先分析了水声通信信道特性及对通信系统的影响,介绍了海洋中的声速特性,对传输过程中的路劲损耗、阴影衰落、多途扩展、多普勒频移以及水声信道噪声进行了分析。进而针对水声协作通信中继技术,分别给出了单源节点和多源节点的协作中继选择原则。通过分析水下信道的特殊性和复杂性,提出将水下传感器网络中的中继选择问题建模为多臂老虎机(Multi-armed Bandit,MAB)的决策问题。其次,在单源节点多中继的情况下,针对固定概率分布或者衰减模型无法准确描述信道环境对信息传输影响的问题,结合上下文多臂老虎机(Contextual Bandit,CB)算法,建立单源节点水声协作通信网络中继选择模型,根据信道环境信息(温度、盐度、中继节点位置等等)与网络吞吐量之间的线性与非线性函数关系分别提出了的LinUCB和KernelUCB两种中继选择算法,有效地提高了通信系统的网络吞吐量,简化了中继选择过程。仿真结果表明KernelUCB算法对于变化的环境具有更强的鲁棒性,相比LinUCB算法更适用于复杂多变的水下通信环境。最后,在多源节点多中继的情况下,针对动态水下环境信道状态信息(Channel State Information,CSI)不完美的特点,提出了一种分布式稳定匹配多用户多臂老虎机(Distributed Stable Matching Multi-user Multi-armed Bandit,DSMU-MAB)中继选择方法。该方法采用稳定匹配理论和设置定时器实现分布式要求,不仅能有效消除用户冲突而且还能避免大量的信息交换,减少了计算复杂度,解决了多用户之间由于冲突原因所导致的总吞吐量降低的问题,从而提高了信息传输的有效性;进而在考虑多水下环境因素(风速改变,船的噪声等)对中继选择影响的情况下,通过引入折扣因子对历史回值信息进行折扣取舍,提出了一种分布式的鲁棒性中继选择方法(Distributed Stable Matching Multi-user Robust Multi-armed Bandit,DSMU-rMAB),该方法可以有效地对抗任意改变的通信环境,提高了算法的强鲁棒性,在复杂多变的水下通信环境中具有较强的可适用性。