5G communication promises fast and large data stream which requires higher capacity of a cellular
wireless network. A higher capacity could be achieved with wider bandwidth and network densification,
but they are expensive approaches. Instead, upgrading the wireless network with higher-order Multiple
Input Multiple Output (MIMO) antenna system with polarization diversity can inexpensively escalate
the peak data rate for higher capacity. In the present scenerio, the application of multiple polarization
in MIMO communication system is limited to only two polarization, which are orthogonal to each
other. The orthogonality of polarization is important for low channel correlation and to provide high
communication capacity. However, the orthogonal polarization condition limits the data rate in the
present scenario where both the base station and mobile phones are equipped with high number of
antennas, at least 4. A 3-sector 4x4 MIMO is the current state of the art in a cellular network. 4
terminals in Tx and Rx counterparts with 4 polarization can improve the system communication data
rate if correlation among 4 non-orthogonal polarization could be minimized. We proposed and evaluated
4 polarization 4x4 MIMO system, each antenna with unique polarization, for the current 4T4R cellular
network. A systemic theoretical analysis is performed to find the suitable choice of 4 polarization for 4x4
MIMO 5G NR network in order to enhance the network capacity. 4 polarization (vertical, Horizontal,
±45◦ slant) MIMO system is analysed and optimized to perform better than conventional dual polarized
MIMO system with separation of 0.5λ.
In order to further improve the 4 polarization system performance with co-located and smaller
separation of 4 polarized antennas, polarization reuse diversity technique is introduced. In polarization
reuse technique, the antenna beam are separated by an optimized angle to reduce the correlation among
the channel formed with 4 polarization. With the novel polarization reuse technique, the 4 polarized
4T4R MIMO system with 0.5λ separation as well as ‘zero’ separation among antennas are analyse to
perform better than baseline dual pol MIMO system. This beam-separated polarization reuse technique
minimizes the channel correlation which maximizes the probability of four independent data streams
(rank 4). The field trial of the presented network indicates a higher portion of rank 4, supporting four
independent data streams in the rich scattering environment of a cellular network. The important fact of
the present work is that proposed scheme does not require changing the size of the existing BS and does
not require more number of antennas compared to the existing BS for channel capacity enhancement.
Also, the proposed scheme of beam separated multi-polarized antenna can be a good candidate for
mMIMO system for increasing number of Tx antenna in compact form.
5G 통신은 고속 대용량 스트림을 약속하지만, 높은 용량의 셀룰러 무선 네트워크를 필요로 한다. 이는 대역
폭과 네트워크의 밀도를 늘리는 것으로 해결이 가능하지만, 그 비용이 매우 많이 드는 접근 방식이다. 이를
대신해, 무선 네트워크를 편파 다이버시티가 있는 고차원 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나
시스템으로 업그레이드를 한다면 적은 비용으로 피크 통신 속도를 상승 시킬 수 있다. 현재 시나리오에서
MIMO 통신 시스템은 서로 직교하는 두 개의 편파로만 제한된다. 이 두 편파의 직교성은 낮은 채널 상관성
과 높은 통신 용량을 제공하는데 있어서 중요한 지표이다. 그러나, 직교 편파 조건은 최소 4개 이상의 많은
안테나가 장착된 기지국 혹은 휴대용 단말기가 포함된 현 시나리오에서 데이터의 속도를 제한한다. 3 섹터의
4x4 MIMO는 셀룰러 네트워크에서의 최신 기술이다. 4 개의 비직교 편파 사이의 상관 관계가 최소화될 수
있다면, 4개의 편파가 있는 4개의 상응하는 Tx 및 Rx 터미널은 시스템 통신 데이터의 속도를 향상시킬 수
있다. 본 연구에서는 현재의 4T4R네트워크에서 각각의 안테나가 고유한 편파를 가지는 4편파 4x4 MIMO
시스템을 제안하고 평가하였다. 네트워크 용량을 향상시키기 위해 4x4 MIMO 5G NR 네트워크에 적합한
4편파 선택을 찾기 위해 시스템적인 이론 분석이 수행되었다. 4편파(수직, 수평, ±45◦) MIMO 시스템을
분석하고 최적화하여 0.5λ 간격으로 기존의 이중 편파 MIMO 시스템보다 우수한 성능을 발휘하도록 하였다.
4편파 안테나의 같은 위치에 더 작은 간격의 4편파 시스템 성능을 더욱 향상시키기 위해 편파 재사용 다이
버시티 기술이 도입되었다. 편파 재사용 기법에서는 안테나 빔을 최적화된 각도로 분리하여 4편파로 형성된
채널 간의 상관성을 감소시킨다. 새로운 편파 재사용 기법이 적용된 상태에서는 0.5λ 분리를 갖는 4편파
4T4R MIMO 시스템뿐만 아니라 안테나 간 간격이 0인 시스템에서도 기존의 이중 편파 MIMO 시스템보다
우수한 성능을 발휘하는 것으로 분석된다. 이 빔 분리 편파 재사용 기술은 이 빔 분리 편파 재사용 기술은
채널 상관도를 최소화하여 4개의 독립적인 데이터 스트림(랭크 4)의 확률을 최대화한다. 네트워크의 현장
시험은 풍부한 산란 조건에서의 셀룰러 네트워크 환경에서 4개의 독립적인 데이터 스트림을 지원하는 랭크4
의 더 높은 비중을 나타낸다. 본 연구의 핵심은 제안하는 방식이 기존 기지국의 크기를 변경할 필요가 없고,
채널 용량 향상을 위해 기존 기지국보다 더 많은 안테나를 필요로 하지 않는다는 점이다. 또한 제안된 빔
분리 다중 편파 안테나 방식은 밀집된 형태로 송신 안테나의 수를 증가시키기 위한 mMIMO 시스템의 좋은
후보가 될 수 있다.
