[發明專利]大規模MIMO水聲通信方法與系統

有效

• 申請號: 202010050511.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111245525B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 高西奇;吳文謙;孫晨
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04B7/0456
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

1.大規模MIMO水聲通信方法，其特征在于：所述通信方法中，發射端和接收端分別配置發射換能器陣列和接收換能器陣列，構成發射陣列或接收陣列的換能器單元個數為十個以上；發射端根據信號頻率和收發陣列配置確定相應的一組收發舵矢量，即收發陣列在多個角度上的方向矢量組；利用收發舵矢量，構建波束域信道統計模型，并利用波束域信道稀疏性，形成降維的波束域信道表示；發射端利用降維后的波束域統計信道信息進行預編碼設計，并通過生成的預編碼矩陣與接收端進行水聲通信；

所述的收發舵矢量確定方法包括：根據波束方向采樣個數以及發送信號的最低頻率和最高頻率，確定接收和發送方向采樣角；根據收發陣列中單元配置情況，并結合收發方向采樣角，生成一組與頻率相關的接收和發射舵矢量，不同的頻率的發送信號對應不同的收發舵矢量；

發射端利用探測信號或反饋鏈路獲得波束域統計信道信息，結合波束域信道稀疏性，選擇波束增益較大的波束方向，得到降維后的波束域統計信道信息和對應方向的收發舵矢量；其中，降維后的波束域統計信道信息只包括波束增益較大方向的波束增益；發射端利用降維后的波束域統計信道信息進行低復雜度預編碼設計。

2.根據權利要求1所述大規模MIMO水聲通信方法，其特征在于：發射換能器陣列和接收換能器陣列的單元間距為發送信號最高頻率對應的半波長量級，收發陣列為一維或二維陣列；發射端通過數字預編碼的方法生成預編碼發送信號。

3.根據權利要求1所述大規模MIMO水聲通信方法，其特征在于：所述的低復雜度預編碼設計為基于確定性等同的低維度預編碼設計，具體包括利用大維隨機矩陣理論和降維后的波束域統計信道信息計算出可達遍歷速率的確定性等同；利用凸優化最優性條件得到最大化可達遍歷速率確定性等同問題最優解對應的定點方程，通過求解該定點方程更新低維度的輸入協方差矩陣；迭代上述過程直至前后兩次結果對應的速率的確定性等同之差小于某個預設門限值，并返回最新的低維度輸入協方差矩陣；最后，通過發送舵矢量和滿秩分解得到預編碼矩陣。

4.根據權利要求1所述大規模MIMO水聲通信方法，其特征在于：所述的低復雜度預編碼設計為基于確定性等同的波束域預編碼設計，具體包括采用波束域傳輸，波束方向由發射舵矢量確定，發射端利用降維后的波束域統計信道信息對波束域發送信號進行功率分配；其中，功率分配算法為：利用大維隨機矩陣理論和降維后的統計信道信息計算出可達遍歷速率的確定性等同；對于最大化速率確定性等同問題，利用凸優化最優性條件得到最優功率分配矩陣對應的定點方程，通過求解該定點方程更新低維度的功率分配矩陣；迭代上述過程直至前后兩次結果對應的速率的確定性等同之差小于某個預設門限值，并返回最新的低維度功率分配矩陣；最后，通過波束方向矢量和功率分配矩陣得到預編碼矩陣。

5.根據權利要求1所述大規模MIMO水聲通信方法，其特征在于：所述的低復雜度預編碼設計為基于經典注水的波束域預編碼設計，具體包括采用波束域傳輸，波束方向由發射舵矢量確定，利用降維后的波束域統計信道信息，發射端通過經典的注水算法進行低維度的波束域功率分配；之后，通過發送舵矢量和滿秩分解得到預編碼矩陣，該預編碼矩陣適用于任一子載波頻率上的發送信號。

6.大規模MIMO水聲通信系統，其特征在于：系統發射端和接收端分別配置發射換能器陣列和接收換能器陣列，構成發射陣列或接收陣列的換能器單元個數為十個以上；發射端使用根據權利要求1-5任一項所述的大規模MIMO水聲通信方法與接收端進行通信。