MIMO在LTE/LTE-A中起着重要的作用。在NR中，为了满足市场和移动通信对高数据速率和频谱效率的日益增长的要求，Massive MIMO仍然很重要。另外，与LTE/LTE-A不同，当UE移动时，网络侧可以动态地确定跟随UE的最佳服务TRP集。Massive MIMO技术与多TRP协作技术的结合是解决NR中TRP协作问题和改善用户体验的关键技术。

NR中的Massive MIMO带来的好处包括：

• 增强的数据速率

在NR的典型场景中，通常需要非常高的区域业务容量。采用大量天线阵实现Massive MIMO是一种通过SU-MIMO和MU-MIMO技术来提高容量的技术。城区场景通常是一个丰富的分散环境，当在TRP和UE中部署大规模天线阵列时，SU-MIMO的空间流数量会增加。因此，SU-MIMO吞吐量性能（即：峰值数据速率和峰值频谱效率）可以被改进。

另一方面，由于密集场景中UE的密度极高，因此增加MU-MIMO维数有利于充分利用空分复用能力。然而，当UE密集分布时，如何在空域上区分UE和增加多用户配对的数量将是一个挑战。Massive MIMO可以提高空间分辨率，因为更多但更窄的波束为多用户配对提供了更高的自由度（DOF：degree of freedom）。

• 覆盖增强

在无线通信中，覆盖增强是非常需要的，尤其是当载波频率增加时。初步的链路预算分析表明，2GHz和4GHz在覆盖率方面存在较大差距，约28dB。Massive MIMO可以利用大规模天线阵提供波束赋形增益来补偿传播损耗，提高覆盖率。

• 提高能效

在无线通信系统的设计中，频谱效率（SE：Spectral efficiency）一直是人们追求的目标。然而，运营商已经开始关注能源效率，以减少运营成本。能量效率（EE：Energy efficiency）定义为总数据速率除以发射功率。

在Massive MIMO系统中，由于大的阵列增益和多用户复用增益可以显著提高发射功率的效率，因此能量效率将得到提高。

全数字波束赋形或混合波束赋形

对于低载波频率（例如4ghz）下的Massive  MIMO，最佳方式是通过在每个天线单元后面使用RF Chain来利用高空间自由度，这是现有部署中的一般架构。当部署的天线单元数量不太大时，这种结构是可行的。根据这种结构，频率选择性波束赋形可以在基带数字域中进行，称为全数字波束赋形。然而，随着天线单元的数量逐渐增加（例如，最多256个或更高），就RF Chain的成本和实际部署中的限制而言，总是采用这种架构将越来越不经济。一个替代方案是使用比天线单元更少的RF Chain，每个RF Chain驱动具有静态/非静态模拟权重的多个天线单元。因此，这种结构中的波束赋形是模拟波束赋形和数字波束赋形的结合，称为混合波束赋形。在保证经济性的前提下，为了在较低的载波频率下保持最大的空间复用增益，选择的RF Chain应尽可能多。图1示出了“sub-array”结构中的混合波束赋形的框图，每个RF Chain仅连接到部分不相交的天线单元。与数字波束赋形不同，模拟波束赋形通常由移相器实现，移相器的幅度和相位分辨率有限，波束赋形范围较宽。

在较高的载波频率下，由于其独特的信道特性，例如高传输损耗、具有更大天线元件数量的Massive  MIMO可以用于补偿信道传播损失，从而导致覆盖问题。考虑到TRP和UE端的实现成本，混合阵列结构和混合波束赋形有利于提高载波频率，其中与低载波频率相比，部署RF Chain的频率要少得多。

不同的使用场景需要支持各种阵列架构，但是从规范的角度来看，物理层过程是特别为特定的阵列架构设计的。例如，当给定UE访问一个波束时，TRP处的波束赋形以模拟/数字/混合方式进行，对于UE来说应该是透明的。无论在TRP侧部署全数字波束赋形还是混合波束赋形，UE都能运行。

MIMO配置和尺寸

TRP处的Massive  MIMO可设计为具有多达1024个天线单元，以实现高波束赋形增益或复用增益。波束赋形增益提高了控制/数据面覆盖率，复用增益提高了数据吞吐量。对于数据面，Massive  MIMO有两个关键步骤。一种是信道测量，它影响TRP上可用的空间维度的程度。另一个是数据传输和解调过程，它决定了从TRP到UE的数据传输能力。因此，Massive  MIMO维数相关问题，如用于CSI测量的天线端口数量、MU-MIMO的传输层总数和SU-MIMO的传输层数量等，都需要进一步研究。

还希望增加UE接收天线数目以改进接收SINR和空间复用度。随着硬件技术的发展，增强UE端的接收能力变得越来越普遍。

与Massive  MIMO相关的帧结构

出于成本考虑，混合波束赋形结构尤其适用于高频，包括由移相器实现的模拟波束赋形和具有减小尺寸的基带数字波束赋形。

模拟波束赋形需要用于波束切换操作的斜坡下降时间，其中在模拟波束切换时间期间数据传输和接收不可用。框架结构设计应考虑到这一点：要么引入保护时间，要么在CP设计中考虑。这也会影响用户面信道中的数据速率匹配。

另一方面，由于6GHz以上的高路径损耗，传输是基于波束的，因此关键问题是TRP和UE之间的波束对准。粗对准和精对准可以考虑两级波束对准，分别用于初始同步和数据传输。一般来说，某一模拟波束需要切换的频率取决于UE在连接到小区时需要以多快的速度获取相应的控制/数据信息。在波束对准阶段，需要快速切换一些候选波束，而在数据传输阶段，波束切换只会发生在TTU或子帧的开头。因此，从规范的角度出发，对于6GHz以上的控制信道和数据信道，应分别考虑一些专用的帧结构设计。

此外，信道测量结果表明波束赋形对信道特性有影响。用可操纵定向天线测得的时延扩展与用全向天线测得的时延扩展有很大的不同。因此，帧结构中CP的长度或保护时间应考虑波束赋形对信道特性的影响。

随着NR中天线单元数的增加和载频的扩展，给空口设计带来了极大的挑战，如覆盖问题。对于较低的载波频率，例如4GHz，覆盖的挑战可能是如何在不增加TRP功率的情况下提供与LTE类似的覆盖，从而成功推出NR。初步链路预算分析表明，对于具有大量天线的NR，需要额外的增益来实现与LTE类似的覆盖系统。对于更高的载波频率，覆盖带来的主要挑战是如何补偿较大的路径损耗以保证覆盖率和对用户移动性的鲁棒性。

因此，为了保证大规模MIMO技术的大范围覆盖，必须考虑公共控制信道/信号的功率提升和基于波束的解决方案。一方面，具有中等波束形成增益的宽波束可以覆盖更多的区域，减少波束扫描的开销，并且具有更好的用户移动性，这对于公共控制信道是比较好的。另一方面，UE专用的控制信道可以由具有更高波束赋形增益的专用定向波束来控制，这可以进一步提高控制信道的频谱效率。因此，在NR中应考虑波束赋形的公共/UE特定控制信道。

为了充分利用Massive  MIMO的空间复用增益和阵列增益，必须了解发射端的信道状态信息。在TDD系统中，利用探测的信道互易性可以得到信道的CSI。在FDD系统中，CSI必须通过UE测量和报告来获得。与传统的MIMO系统相比，Massive  MIMO系统由于其庞大的信道规模，使得其信道捕获问题更具挑战性。

利用多波束可以提高单个小区的覆盖率，但不幸的是，NR中基于波束的业务可能会在虚拟化小区（即波束）之间产生新的移动性问题。在基于波束的Massive  MIMO系统中，由于移动性的存在，服务波束的切换将更加频繁。随之而来的定向传输不稳定甚至中断问题变得更加严重。

在LTE系统中，时域/频域分集方案（如SFBC、FSTD等）被广泛采用，以增强系统的鲁棒性，特别是在高移动性的情况下。NR呢？

此外，波束指向的公共信道/信号以及波束指向的小区搜索/同步将对NR非常重要。这些信道/信号的可靠性要求将更加迫切。在NR中还可以考虑连接方面的分集方案，其中一个UE可以同时连接/接入具有不同波束方向的多个虚拟小区。

在非独立系统中，通过与低载频业务的协调，可以进一步提高高载频的传输可靠性。为了避免高载频下波束间的频繁切换，可以在低载频下的控制信道上携带一些辅助信息，如跨载波调度信息。