Multiple-input-multiple-out (MIMO) — очень важная технология для беспроводных сетей. Она используется для одновременной отправки и приёма нескольких сигналов по одному и тому же радиоканалу. MIMO играет большую роль в сетях WI-FI, 3G, 4G и 4G LTE-A.

MIMO, в основном, используется для достижения высокой спектральной эффективности и энергоэффективности, но она не соответствует требованиям пропускной способность и надежности подключения. Эти показатели у MIMO относительно низкие. Чтобы решить эту проблему, было использовано множество технологий MIMO, таких как однопользовательское MIMO (Single-User MIMO, SU-MIMO), многопользовательское MIMO (Multi-User MIMO, MU-MIMO) и сетевое MIMO (Network MIMO). Однако эти новые виды MIMO также не удовлетворяли требованиям конечных пользователей.

Massive MIMO — это усовершенствование технологии MIMO для сети 5G, в которой сотни и тысячи антенн подключены к базовым станциям для увеличения пропускной способности и спектральной эффективности. Несколько передающих и приёмных антенн используются в Massive MIMO для увеличения скорости передачи и спектральной эффективности.

Когда несколько пользовательские устройства UE (User Equipment) генерируют нисходящий трафик одновременно, Massive MIMO достигает более высокой пропускной способности. Massive MIMO использует много излучающих элементов антенн для направления энергии радиоволн в более узкие области пространства, чтобы повысить спектральную эффективность и пропускную способность.

В традиционных сетях связи с обычными треёх-секторными антеннами сбор данных с интеллектуальных датчиков Интернета Вещей представляет собой сложную задачу, поскольку это приводит к увеличению задержки, снижению скорости передачи данных и надёжности. В то время как массивный MIMO с методами формирования луча (beamforming) и огромным мультиплексированием может воспринимать данные от разных датчиков с малой задержкой, высокой скоростью передачи данных и более высокой надёжностью.

Massive MIMO способно обеспечить передачу данных, собранных с разных датчиков, в реальном времени  в центральные точки мониторинга для таких интеллектуальных приложений, использующих датчики, как беспилотные автомобили, центры здравоохранения, интеллектуальные электросети (Smart Grid), умные города (Smart City), интеллектуальные автомагистрали (Smart Highway), умные дома (Smart Home) и умные предприятия (Smart Enterprises).

Основные особенности технологии 5G Massive MIMO:

1. Скорость передачи данных: Massive MIMO считается одной из наилучших технологий для достижения высокой скорости беспроводной связи и высокую скорость передачи данных на уровне гигабит в секунду.
2. Зависимость между частотой волны и размером антенны: оба обратно пропорциональны друг другу. Это означает, что для низкочастотных сигналов нужна антенна большего размера и наоборот.
3. Количество пользователей: для технологий 1G-4G одна сота состоит примерно из 10 антенн. Но в технологиях 5G одна сота может содержаться более 100 антенн. Следовательно, в одной маленькой соте одновременно могут обрабатываться несколько пользователей, как показано на рисунке
4. Роль MIMO в 5G: Massive MIMO будет играть решающую роль в развёртывании будущих сетей 5G, поскольку может быть обеспечена более высокая спектральная и энергоэффективность.

Связанной с Massive MIMO технологией является «Формирование луча» (Beamforming) — ключевая технология беспроводных сетей, которая передаёт сигналы направленным образом. Beamforming 5G обеспечивает надёжное беспроводное соединение для принимающей стороны. В обычных системах, когда в малых сотах не используется формирование луча, перемещение сигналов в определенные области весьма затруднено, из-за препятствий (стены домой, деревья и пр.). Технология Beamforming решает эту проблему, используя «малые соты» (Small Cells) с формированием луча, которые могут передавать сигналы в определенном направлении на такие устройства, как мобильные телефоны, ноутбуки, автономные транспортные средства и устройства IoT. Beamforming повышает эффективность и экономит энергию сети 5G.

Beamforming можно разделить на три категории: цифровое формирование луча, аналоговое формирование луча и гибридное формирование луча. Цифровое формирование луча: многопользовательский MIMO аналогичен цифровому формированию луча, который в основном используется в сетях LTE Advanced Pro и в диапазонах 5G NR (New Radio).

• Цифровое формирование луча: одни и те же частотные ресурсы или временные интервалы могут использоваться для одновременной передачи данных нескольким пользователям, что повышает пропускную способность ячеек беспроводных сетей.
• Аналоговое формирование луча: в миллиметровом диапазоне частот 5G NR аналоговое формирование луча является очень важным подходом, который улучшает покрытие. При цифровом формировании луча возможны большие потери на трассе в миллиметровых диапазонах, поскольку формируется только один луч на набор антенн, в то время как аналоговое формирование луча устраняет этот недостаток.
• Гибридное формирование луча: гибридное формирование луча представляет собой комбинацию аналогового формирования луча и цифрового формирования луча. В миллиметровых диапазонах сети 5G будет, в основном, использоваться гибридное формирование луча.

Базовые станции в сети 4G охватывают большие территории и могут обеспечивать Beamforming. Таким образом, энергия сигнала быстро рассеивается, и пользователи сталкиваются помехами. Для решения этой проблемы в сети 5G используется метод Beamforming. При формировании луча сигналы являются направленными. Они движутся подобно лазерному лучу от базовой станции к пользователю, поэтому кажется, что сигналы передаются по невидимому кабелю. Формирование луча помогает достичь более высокой скорости передачи данных; поскольку сигналы являются направленными, это приводит к меньшему потреблению энергии и меньшим помехам.