[发明专利]大规模MIMO水声通信方法与系统

权利要求书

1.大规模MIMO水声通信方法，其特征在于：所述通信方法中，发射端和接收端分别配置发射换能器阵列和接收换能器阵列，构成发射阵列或接收阵列的换能器单元个数为十个以上；发射端根据信号频率和收发阵列配置确定相应的一组收发舵矢量，即收发阵列在多个角度上的方向矢量组；利用收发舵矢量，构建波束域信道统计模型，并利用波束域信道稀疏性，形成降维的波束域信道表示；发射端利用降维后的波束域统计信道信息进行预编码设计，并通过生成的预编码矩阵与接收端进行水声通信；

所述的收发舵矢量确定方法包括：根据波束方向采样个数以及发送信号的最低频率和最高频率，确定接收和发送方向采样角；根据收发阵列中单元配置情况，并结合收发方向采样角，生成一组与频率相关的接收和发射舵矢量，不同的频率的发送信号对应不同的收发舵矢量；

发射端利用探测信号或反馈链路获得波束域统计信道信息，结合波束域信道稀疏性，选择波束增益较大的波束方向，得到降维后的波束域统计信道信息和对应方向的收发舵矢量；其中，降维后的波束域统计信道信息只包括波束增益较大方向的波束增益；发射端利用降维后的波束域统计信道信息进行低复杂度预编码设计。

2.根据权利要求1所述大规模MIMO水声通信方法，其特征在于：发射换能器阵列和接收换能器阵列的单元间距为发送信号最高频率对应的半波长量级，收发阵列为一维或二维阵列；发射端通过数字预编码的方法生成预编码发送信号。

3.根据权利要求1所述大规模MIMO水声通信方法，其特征在于：所述的低复杂度预编码设计为基于确定性等同的低维度预编码设计，具体包括利用大维随机矩阵理论和降维后的波束域统计信道信息计算出可达遍历速率的确定性等同；利用凸优化最优性条件得到最大化可达遍历速率确定性等同问题最优解对应的定点方程，通过求解该定点方程更新低维度的输入协方差矩阵；迭代上述过程直至前后两次结果对应的速率的确定性等同之差小于某个预设门限值，并返回最新的低维度输入协方差矩阵；最后，通过发送舵矢量和满秩分解得到预编码矩阵。

4.根据权利要求1所述大规模MIMO水声通信方法，其特征在于：所述的低复杂度预编码设计为基于确定性等同的波束域预编码设计，具体包括采用波束域传输，波束方向由发射舵矢量确定，发射端利用降维后的波束域统计信道信息对波束域发送信号进行功率分配；其中，功率分配算法为：利用大维随机矩阵理论和降维后的统计信道信息计算出可达遍历速率的确定性等同；对于最大化速率确定性等同问题，利用凸优化最优性条件得到最优功率分配矩阵对应的定点方程，通过求解该定点方程更新低维度的功率分配矩阵；迭代上述过程直至前后两次结果对应的速率的确定性等同之差小于某个预设门限值，并返回最新的低维度功率分配矩阵；最后，通过波束方向矢量和功率分配矩阵得到预编码矩阵。

5.根据权利要求1所述大规模MIMO水声通信方法，其特征在于：所述的低复杂度预编码设计为基于经典注水的波束域预编码设计，具体包括采用波束域传输，波束方向由发射舵矢量确定，利用降维后的波束域统计信道信息，发射端通过经典的注水算法进行低维度的波束域功率分配；之后，通过发送舵矢量和满秩分解得到预编码矩阵，该预编码矩阵适用于任一子载波频率上的发送信号。

6.大规模MIMO水声通信系统，其特征在于：系统发射端和接收端分别配置发射换能器阵列和接收换能器阵列，构成发射阵列或接收阵列的换能器单元个数为十个以上；发射端使用根据权利要求1-5任一项所述的大规模MIMO水声通信方法与接收端进行通信。