MIMO在LTE/LTE-A中起著重要的作用。在NR中，為了滿足市場(chǎng)和移動(dòng)通信對(duì)高數(shù)據(jù)速率和頻譜效率的日益增長(zhǎng)的要求，Massive MIMO仍然很重要。另外，與LTE/LTE-A不同，當(dāng)UE移動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以動(dòng)態(tài)地確定跟隨UE的最佳服務(wù)TRP集。Massive MIMO技術(shù)與多TRP協(xié)作技術(shù)的結(jié)合是解決NR中TRP協(xié)作問(wèn)題和改善用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

NR中的Massive MIMO帶來(lái)的好處包括：

• 增強(qiáng)的數(shù)據(jù)速率

在NR的典型場(chǎng)景中，通常需要非常高的區(qū)域業(yè)務(wù)容量。采用大量天線陣實(shí)現(xiàn)Massive MIMO是一種通過(guò)SU-MIMO和MU-MIMO技術(shù)來(lái)提高容量的技術(shù)。城區(qū)場(chǎng)景通常是一個(gè)豐富的分散環(huán)境，當(dāng)在TRP和UE中部署大規(guī)模天線陣列時(shí)，SU-MIMO的空間流數(shù)量會(huì)增加。因此，SU-MIMO吞吐量性能（即：峰值數(shù)據(jù)速率和峰值頻譜效率）可以被改進(jìn)。

另一方面，由于密集場(chǎng)景中UE的密度極高，因此增加MU-MIMO維數(shù)有利于充分利用空分復(fù)用能力。然而，當(dāng)UE密集分布時(shí)，如何在空域上區(qū)分UE和增加多用戶配對(duì)的數(shù)量將是一個(gè)挑戰(zhàn)。Massive MIMO可以提高空間分辨率，因?yàn)楦嗟牟ㄊ鵀?/span>多用戶配對(duì)提供了更高的自由度（DOF：degree of freedom）。

• 覆蓋增強(qiáng)

在無(wú)線通信中，覆蓋增強(qiáng)是非常需要的，尤其是當(dāng)載波頻率增加時(shí)。初步的鏈路預(yù)算分析表明，2GHz和4GHz在覆蓋率方面存在較大差距，約28dB。Massive MIMO可以利用大規(guī)模天線陣提供波束賦形增益來(lái)補(bǔ)償傳播損耗，提高覆蓋率。

• 提高能效

在無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，頻譜效率（SE：Spectral efficiency）一直是人們追求的目標(biāo)。然而，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始關(guān)注能源效率，以減少運(yùn)營(yíng)成本。能量效率（EE：Energy efficiency）定義為總數(shù)據(jù)速率除以發(fā)射功率。

在Massive MIMO系統(tǒng)中，由于大的陣列增益和多用戶復(fù)用增益可以顯著提高發(fā)射功率的效率，因此能量效率將得到提高。

全數(shù)字波束賦形或混合波束賦形

對(duì)于低載波頻率（例如4ghz）下的Massive ?MIMO，最佳方式是通過(guò)在每個(gè)天線單元后面使用RF?Chain來(lái)利用高空間自由度，這是現(xiàn)有部署中的一般架構(gòu)。當(dāng)部署的天線單元數(shù)量不太大時(shí)，這種結(jié)構(gòu)是可行的。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，頻率選擇性波束賦形可以在基帶數(shù)字域中進(jìn)行，稱為全數(shù)字波束賦形。然而，隨著天線單元的數(shù)量逐漸增加（例如，最多256個(gè)或更高），就RF?Chain的成本和實(shí)際部署中的限制而言，總是采用這種架構(gòu)將越來(lái)越不經(jīng)濟(jì)。一個(gè)替代方案是使用比天線單元更少的RF?Chain，每個(gè)RF?Chain驅(qū)動(dòng)具有靜態(tài)/非靜態(tài)模擬權(quán)重的多個(gè)天線單元。因此，這種結(jié)構(gòu)中的波束賦形是模擬波束賦形和數(shù)字波束賦形的結(jié)合，稱為混合波束賦形。在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，為了在較低的載波頻率下保持最大的空間復(fù)用增益，選擇的RF Chain應(yīng)盡可能多。圖1示出了“sub-array”結(jié)構(gòu)中的混合波束賦形的框圖，每個(gè)RF?Chain僅連接到部分不相交的天線單元。與數(shù)字波束賦形不同，模擬波束賦形通常由移相器實(shí)現(xiàn)，移相器的幅度和相位分辨率有限，波束賦形范圍較寬。

在較高的載波頻率下，由于其獨(dú)特的信道特性，例如高傳輸損耗、具有更大天線元件數(shù)量的Massive ?MIMO可以用于補(bǔ)償信道傳播損失，從而導(dǎo)致覆蓋問(wèn)題。考慮到TRP和UE端的實(shí)現(xiàn)成本，混合陣列結(jié)構(gòu)和混合波束賦形有利于提高載波頻率，其中與低載波頻率相比，部署RF?Chain的頻率要少得多。

不同的使用場(chǎng)景需要支持各種陣列架構(gòu)，但是從規(guī)范的角度來(lái)看，物理層過(guò)程是特別為特定的陣列架構(gòu)設(shè)計(jì)的。例如，當(dāng)給定UE訪問(wèn)一個(gè)波束時(shí)，TRP處的波束賦形以模擬/數(shù)字/混合方式進(jìn)行，對(duì)于UE來(lái)說(shuō)應(yīng)該是透明的。無(wú)論在TRP側(cè)部署全數(shù)字波束賦形還是混合波束賦形，UE都能運(yùn)行。

MIMO配置和尺寸

TRP處的Massive ?MIMO可設(shè)計(jì)為具有多達(dá)1024個(gè)天線單元，以實(shí)現(xiàn)高波束賦形增益或復(fù)用增益。波束賦形增益提高了控制/數(shù)據(jù)面覆蓋率，復(fù)用增益提高了數(shù)據(jù)吞吐量。對(duì)于數(shù)據(jù)面，Massive ?MIMO有兩個(gè)關(guān)鍵步驟。一種是信道測(cè)量，它影響TRP上可用的空間維度的程度。另一個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸和解調(diào)過(guò)程，它決定了從TRP到UE的數(shù)據(jù)傳輸能力。因此，Massive ?MIMO維數(shù)相關(guān)問(wèn)題，如用于CSI測(cè)量的天線端口數(shù)量、MU-MIMO的傳輸層總數(shù)和SU-MIMO的傳輸層數(shù)量等，都需要進(jìn)一步研究。

還希望增加UE接收天線數(shù)目以改進(jìn)接收SINR和空間復(fù)用度。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)UE端的接收能力變得越來(lái)越普遍。

與Massive ?MIMO相關(guān)的幀結(jié)構(gòu)

出于成本考慮，混合波束賦形結(jié)構(gòu)尤其適用于高頻，包括由移相器實(shí)現(xiàn)的模擬波束賦形和具有減小尺寸的基帶數(shù)字波束賦形。

模擬波束賦形需要用于波束切換操作的斜坡下降時(shí)間，其中在模擬波束切換時(shí)間期間數(shù)據(jù)傳輸和接收不可用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)：要么引入保護(hù)時(shí)間，要么在CP設(shè)計(jì)中考慮。這也會(huì)影響用戶面信道中的數(shù)據(jù)速率匹配。

另一方面，由于6GHz以上的高路徑損耗，傳輸是基于波束的，因此關(guān)鍵問(wèn)題是TRP和UE之間的波束對(duì)準(zhǔn)。粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)可以考慮兩級(jí)波束對(duì)準(zhǔn)，分別用于初始同步和數(shù)據(jù)傳輸。一般來(lái)說(shuō)，某一模擬波束需要切換的頻率取決于UE在連接到小區(qū)時(shí)需要以多快的速度獲取相應(yīng)的控制/數(shù)據(jù)信息。在波束對(duì)準(zhǔn)階段，需要快速切換一些候選波束，而在數(shù)據(jù)傳輸階段，波束切換只會(huì)發(fā)生在TTU或子幀的開頭。因此，從規(guī)范的角度出發(fā)，對(duì)于6GHz以上的控制信道和數(shù)據(jù)信道，應(yīng)分別考慮一些專用的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

此外，信道測(cè)量結(jié)果表明波束賦形對(duì)信道特性有影響。用可操縱定向天線測(cè)得的時(shí)延擴(kuò)展與用全向天線測(cè)得的時(shí)延擴(kuò)展有很大的不同。因此，幀結(jié)構(gòu)中CP的長(zhǎng)度或保護(hù)時(shí)間應(yīng)考慮波束賦形對(duì)信道特性的影響。

隨著NR中天線單元數(shù)的增加和載頻的擴(kuò)展，給空口設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，如覆蓋問(wèn)題。對(duì)于較低的載波頻率，例如4GHz，覆蓋的挑戰(zhàn)可能是如何在不增加TRP功率的情況下提供與LTE類似的覆蓋，從而成功推出NR。初步鏈路預(yù)算分析表明，對(duì)于具有大量天線的NR，需要額外的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)與LTE類似的覆蓋系統(tǒng)。對(duì)于更高的載波頻率，覆蓋帶來(lái)的主要挑戰(zhàn)是如何補(bǔ)償較大的路徑損耗以保證覆蓋率和對(duì)用戶移動(dòng)性的魯棒性。

因此，為了保證大規(guī)模MIMO技術(shù)的大范圍覆蓋，必須考慮公共控制信道/信號(hào)的功率提升和基于波束的解決方案。一方面，具有中等波束形成增益的寬波束可以覆蓋更多的區(qū)域，減少波束掃描的開銷，并且具有更好的用戶移動(dòng)性，這對(duì)于公共控制信道是比較好的。另一方面，UE專用的控制信道可以由具有更高波束賦形增益的專用定向波束來(lái)控制，這可以進(jìn)一步提高控制信道的頻譜效率。因此，在NR中應(yīng)考慮波束賦形的公共/UE特定控制信道。

為了充分利用Massive ?MIMO的空間復(fù)用增益和陣列增益，必須了解發(fā)射端的信道狀態(tài)信息。在TDD系統(tǒng)中，利用探測(cè)的信道互易性可以得到信道的CSI。在FDD系統(tǒng)中，CSI必須通過(guò)UE測(cè)量和報(bào)告來(lái)獲得。與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)相比，Massive ?MIMO系統(tǒng)由于其龐大的信道規(guī)模，使得其信道捕獲問(wèn)題更具挑戰(zhàn)性。

利用多波束可以提高單個(gè)小區(qū)的覆蓋率，但不幸的是，NR中基于波束的業(yè)務(wù)可能會(huì)在虛擬化小區(qū)（即波束）之間產(chǎn)生新的移動(dòng)性問(wèn)題。在基于波束的Massive ?MIMO系統(tǒng)中，由于移動(dòng)性的存在，服務(wù)波束的切換將更加頻繁。隨之而來(lái)的定向傳輸不穩(wěn)定甚至中斷問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。

在LTE系統(tǒng)中，時(shí)域/頻域分集方案（如SFBC、FSTD等）被廣泛采用，以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，特別是在高移動(dòng)性的情況下。NR呢？

此外，波束指向的公共信道/信號(hào)以及波束指向的小區(qū)搜索/同步將對(duì)NR非常重要。這些信道/信號(hào)的可靠性要求將更加迫切。在NR中還可以考慮連接方面的分集方案，其中一個(gè)UE可以同時(shí)連接/接入具有不同波束方向的多個(gè)虛擬小區(qū)。

在非獨(dú)立系統(tǒng)中，通過(guò)與低載頻業(yè)務(wù)的協(xié)調(diào)，可以進(jìn)一步提高高載頻的傳輸可靠性。為了避免高載頻下波束間的頻繁切換，可以在低載頻下的控制信道上攜帶一些輔助信息，如跨載波調(diào)度信息。