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多天线阵列是实现5G承诺的关键，所以让我们先来看看在MIMO的帮助下我们如何从当今的4G网络迈向未来的5G网络的。 向5G转变的移动标准承诺为每个用户提供比当前可用数据速率高100倍的网络，拥有1,000倍的容量，并支持每单位面积超100倍的连接设备。还估计可实现低至1ms的端到端延迟，99.999％的可靠性和与4G相比的100倍的能量效率。 建设5G网络中的大部分支持技术涉及到很多问题，它们给规划工程师和测验工程师都构成了挑战。
图1、为了实现5G愿景，5G网络中混合使用了各种关键技术 信道挑战众所周知，通过信道可以发送的信息的上限是由其带宽（以赫兹为单位测量）以及信噪比来决定的。因此，为了给每个用户获得更多的数据，您可以增加您所运用的信道数，以及每个信道的带宽和信噪比的组合。
5G网络运用多输入多输出（MIMO）策略来在发射机和接收机之间创建多个物理路径，以在相同的时间和频率资源块内传送更多的数据流。 随着现在的移动频谱图已经变得越来越拥挤，5G网络频率资源必须转移到毫米波（mmWave）频率以创造更大带宽的信道。这种信号相对于当今4G网络中运用的信号的有限传播距离也将要求运用波束成形以尽可能地向用户引导尽可能多的能量。 还可以运用高度定向的天线来提升每个信道的信噪比。这种方式的好处是有限的，并且会随着信道数量或信道带宽的增加而变得不太有效。 MIMO搞定方案多通道和多天线技术的许多组合被定义为MIMO。通过多个不一样路径发送相同信号的空间分集方式提升了信噪比。这在下面的图片中通过连接到最右边的用户的黑色虚线路径来表示。通过不一样路径发送不一样信号的空间复用可提升容量和频谱效率。这在下图中显示为到达右上方的同一个用户人物红色和蓝色的路径。
图2、LTE网络中的可视化空间分集和空间复用 MIMO的优点之一是其灵活性。它可以用于提升多个连接的可靠性，它们的容量和/或其频谱效率（每赫兹每秒传送的信息位数）。
图3、5G NR需要采用Beamforming技术来实现可靠通信 MIMO技术已经在4G网络和无线WiFi中运用。 在2009年初第8版3GPP标准定义了两个发射天线和两个接收天线的使用场景，现在许多LTE网络已经支持这种2x2 MIMO技术。 LTE-Advanced（3GPP Release 10，2011年发布）支持八个下载的MIMO流，而LTE-A Pro（3GPP Release 13，2016年初发布）支持全维度（FD，Full Dimension ）的MIMO技术，既FD-MIMO技术。
图4、垂直面中的Beamforming数据可以改善系统性能 FD-MIMO允许一次运用八个流，64个单元（8x8）的天线阵列，并且增加垂直方位的数据以获得更好的波束成形（Beamforming）能力。该方式使运营商能够同时服务多个用户，或者为同一个用户提供多个信道，以提升其连接的可靠性或者容量。与标准的早期3GPP协议修订版本中提供的水平方位数据一起工作的垂直方位的数据使基站能够将在垂直面上进行波束分隔，从而能够为多层建筑中的人员提供服务。
图5、一种支持Beamforming的电路架构示例 对于5G，3GPP的计划是引入大规模MIMO技术（Massive MIMO），Massive MIMO中运用非常大的天线元件阵列（可能是128个天线单元），相同数量的收发信机，以及采用不一样的方式来测量信道状态信息。基站从阵列天线中发送128个不一样的数据流，每个天线辐射唯一的信号，而不仅仅像FD-MIMO中那样发送相同信号的不一样相位和幅度调制版本。FD-MIMO技术可能仅在6GHz以下（Sub－6Ghz）频率工作，而且仅限于时分双工网络（FDD）。
图6、一种支持Beamforming示例 在大量MIMO（Massive MIMO）下，在相同的时间 - 频率资源块内，一次从所有天线向所有用户发送数据流。不一样的流被规划为让达到不一样用户的信号之间的干扰最小化。 |
