引言
空間自由度是多天線系統獲取性能增益的源泉。
- 作爲LTE系統物理層最重要的支撐技術，自R8引入了空間複用、發射分集、波束賦形及多用戶MIMO（MU-MIMO）之後，爲MIMO維度的擴展奠定了理論基礎。在後續版本中對MIMO技術的增強都是LTE標準化最重要的工作之一。在R12之前，無論是支持的端口數、單UE最大流數還是多UE的正交端口數都得到了顯著的擴展，而且多天線技術也逐漸擴展到了多小區、協作化的場景。但是，這一階段所考慮的方案主要針對二維空間信道，還不能實現對垂直維信道空間自由度的利用。
- ３ＧＰＰ從R１２階段開始針對３Ｄ信道與場景模型問題的研究，並在R１３、１４及後續版本中對全維度ＭＩＭＯ（ＦＤ－ＭＩＭＯ）技術進行了標準化。在５ＧＮＲ的第一個版本R１５中，針對大規模天線技術的研究與標準化也一直是３ＧＰＰ的一個重要工作方向。
注：
MU-MIMO和SU-MIMO分別指的是同時和基站聯繫的用戶數是一個還是多個。如果MIMO系統僅用於增加一個用戶的速率，即佔用相同時頻資源的多個並行的數據流發給同一個用戶或從同一個用戶發給基站，稱之爲單用戶MIMO（SU-MIMO）。
- 比如下行調度如果是多個用戶共用20M帶寬的100個PRB（:Physical Resource Block 物理資源塊），就是MU-MIMO。
- 再比如上行比較常見的，一個用戶使用2個天線向基站發射，基站同一時刻只接受這個用戶信號，則是比較典型的SU-MIMO。
1. 天線規模的影響
①對大規模天線系統的部署和維護有重要影響，實用有源天線系統中使用的數字通道數不會超過64個。
②對設備的複雜度有重要影響，規模增大使MIMO計算更加複雜。
解決方法：降維處理。適用於全數字序列或者數模混合陣列。
③規模擴大對信道狀態信息（CSI）的獲取和參考信號的設計帶來挑戰。隨着天線規模的擴大，CSI測量精度和參考信號、反饋信息開銷之間的矛盾將更加突出。這一問題與導頻設計、碼本設計、反饋機制設計有直接聯繫。
2. 頻段的影響
問題：由於６ＧＨｚ以下頻段日益緊張，在R１５中，系統可以支持最高頻率到５２.６ＧＨｚ，在後續版本5G支持頻段將會逐漸擴展至100GHz。高頻段和低頻段傳播特性存在明顯差異。高頻段時，信號的傳播會受到很多非理想因素的影響，產生衰落。這些不利影響隨頻率升高惡化。
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大規模天線技術帶來的高增益以及靈活的空域預處理方式爲高頻段系統克服不利的傳播條件、提升鏈路餘量、保證覆蓋範圍提供了非常重要的技術手段。
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更高頻段意味着在相同天線數的條件下，天線尺寸可以更小，即在相同的尺寸約束下，頻段越高則可以容納的天線數可以更多。因此頻段提高對設備小型化、部署便利化和天線規模的擴大有利。
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對於大量天線的使用，NR設計採用基於面板（Ｐａｎｅｌ）的設計。一個面板是若干個天線陣子及相應的射頻通道和部分基帶功能模塊進行集成得到的一個基本模塊。可以對多個面板進行組合形成所需的陣列形態。
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出於成本和複雜度的考慮，大規模天線系統不可能爲所有的天線都配置完整的射頻與基帶通道。
當系統帶寬較大時，全數字陣列中大量的ＤＡＣ／ＡＤＣ以及高維度的基帶運算會給系統的成本、複雜度和散熱等實際問題帶來難以想象的挑戰。
因此，數模混合波束賦形甚至是單純的模擬賦形將是高頻段大規模天線的主要實現形式。但是，接收機無法通過數字域的參考信號估計出多有收發天線對之間的完整MIMO信道矩陣。因此，在數字域的ＣＳＩ測量與反饋機制之外，模擬域波束賦形的操作需要一套波束搜索、跟蹤、上報與恢復等過程。上述過程在標準化研究中被稱爲波束管理以及波束失效恢復。
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爲了獲得較高的模擬賦形增益以及對抗路徑損耗，模擬波束所能覆蓋的角度比較窄，只能涵蓋角度和時延比較小的一組直射與反射路徑，因而顯著影響賦形後的大尺度統計特性。如果時延擴展降低，信道的頻域選擇性程度將會相應的降低。這種情況下，影響頻率選擇性調度的增益和頻率選擇性預編碼的顆粒度。
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此外，毫米波頻段的相位噪聲會對數據解調產生嚴重影響，因此需要考慮特殊的參考信號設計用於估計相位噪聲。相位噪聲跟蹤導頻（PT-RS）用來估計相鄰OFDM符號之間由於相位噪聲而導致的相位變化。
3. 多用戶MIMO技術的影響
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多用戶MU-MIMO技術時提升系統頻帶利用率的一種重要手段。由於ＵＥ側的天線數與併發數據流數的比率更低，並且干擾信號的信道矩陣一般難以估計，ＭＵ－ＭＩＭＯ系統的性能更加依賴於CSI的獲取精度以及後續的預編碼與調度算法的優化程度。
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ＮＲ系統中設置了兩種CSI反饋方式：
① 常規精度（TypeⅠ），針對單用戶或多用戶MIMO；
② 高精度（TypeⅡ），針對多用戶MIMO傳輸的增強。採用了線性合併方式構造預編碼矩陣，能夠顯著提升ＣＳＩ精度，進而極大的提升ＭＵ－ＭＩＭＯ系統的性能。
4. 系統設計靈活性的影響
面對複雜多樣的應用場景以及更爲豐富的業務類型，面向５Ｇ的大規模天線系統設計需要充分考慮各項系統參數配置的靈活性，並儘可能在各個層面降低處理時延。體現在以下諸多方面。
① 靈活可配置的CSI-RS導頻設計。基本所有參考信號的具體功能、發送的時頻位置、帶寬都是可以配置的。CSI-RS支持的端口數包括１、２、４、８、１２、１６、２４、３２。CSI-RS的圖樣由基本圖樣聚合得到，並且支持多種基本圖樣和ＣＤＭ（碼分複用）類型。
② 前置DMRS設計：爲降低譯碼時延，ＤＭＲＳ的位置被放置在儘量靠前的位置，即放在一個時隙的第三個或者第四個OFDM符號上，或者放置在所調度的PDSCH/PUSCH數據區域的第一個OFDM符號上。上下行ＤＭＲＳ採用趨於一致的設計，目的時方便上下行交叉干擾的測量和抑制。ＮＲ支持兩種類型的ＤＭＲＳ，分別支持最多１２個正交ＤＭＲＳ端口和８個正交ＤＭＲＳ端口.
③ 靈活的CSI反饋框架：統一的反饋框架，能夠同時支持CSI反饋和波束測量上報。所有與反饋相關的參數都可以設置。網絡設備可以根據實際的需要配置相應的參數。相比之下，ＬＴＥ需要多種反饋模式，並且將反饋和傳輸模式綁定，因而靈活度欠佳。