Beam Designs for Millimeter-Wave Backhaul with Dual-Polarized Uniform Planar Arrays

Abstract

본 논문은 이중 편파(dual-polarization) 평면 배열 안테나(UPA)를 이용하는 기지국 간의 밀리미터파(mmWave) 백홀 통신을 위한 하이브리드 빔포밍(hybrid beam-forming)을 제안한다. 두 가지 빔포밍 방법이 제안되었으며, 각각은 제곱 오차(squred error) 또는 내적의 크기를 목적 함수로 가지는 최적화 문제를 통해 얻어진다. 이중 편파 평면 배열 안테나 구조는 이 최적화 문제의 제약조건으로 고려된다.두 가지의 최적화 문제에서 공통적으로 최적 빔포머가 동일한 최적화 기준을 공유하는 단일 편파(single-polarization) 평면 배열 안테나를 위한 최적 빔포머의 함수형태로 나타난다. 이러한 사실을 기반으로 본 논문은 이중 편파 평면 배열 안테나를위한 빔포밍을 처음부터 디자인하는 대신, 동일한 최적화 기준에 대해 이미 만들어진 단일 편파 평면 배열 안테나를 위한 빔포밍을 이용하여 이중 편파 평면 배열안테나를 위한 빔포밍을 얻어낼 수 있음을 보인다. 본 논문에서 고려된 빔포머는제곱 오차를 최적화 기준으로 둔 경우 지원 영역(covering region) 내에서 가장 균일한 이득(gain)을 얻으며, 내적의 크기를 최적화 기준으로 둔 경우 지원 영역 내에서가장 높은 평균 이득을 얻는다.

This paper proposes hybrid beamforming designs for millimeter-wave (mm-Wave) multiple-input multiple-output (MIMO) backhaul systems equipped with uniform planar arrays (UPAs) of dual-polarization antennas at both the trans-mit and receive base stations. The proposed beamforming designs are to near-optimally solve optimization problems taking the dual-polarization UPA struc-ture into account. Based on the solutions of optimization problems, this paper shows it is possible to generate the optimal dual-polarization beamformer from the optimal single-polarization beamformer sharing the same optimality. As spe-cific examples, squared error and magnitude of inner product are considered re-spectively for optimization criteria. To optimize proposed beamformers, partial channel information is needed, and the use of low overhead pilot sequences is also proposed to figure out the required information. Simulation results verify that the resulting beamformers have the most uniform gain (with the squared error criterion) or the highest average gain (with the magnitude of inner product criterion) in the covering region with the UPA of dual-polarization antennas.