在使用Massive MIMO的模拟和混合波束形成中，针对NR复盖，使用时域中的多个传输和窄复盖波束复盖不同的服务区。 无线信道在高频下的特性与LTE目前引入的sub 6GHz信道有很大不同，其频率比小于6GHz受到更高的路径损耗的影响。 表1表示的是2.8GHz和28GHz的自由空间中由Friis方程式导出的路径损失的例子。
如表1所示，为高频设计NR的重要挑战是克服这样更大的路径损失。 除了较大的路径损耗外，由于衍射不良引起的堵塞，高频也受到不利的散射环境的影响。 因此，为了在接收侧确保足够的信号电平，MIMO/波束形成是不可缺少的。
由表1可知，高频MIMIO/波束形成需要设计为补偿20~30dB的额外路径损失。 如果只依赖数字预编码来补偿该路径损耗，则gNB/UE所需的TXRU数可以远远超过100，超过1000。 为了实现类似于低频的MIMO/波束形成性能(例如，在Rel-13 FD-MIMO中为16 TXRU )，高频的MIMO/波束形成需要支持更多的TXRU。 当然，从实现的角度来看，光是处理大量TXRU的数字预编码成本就太高了。
为了在保持合理实现复杂性的同时补偿大路径损耗，MIMO/波束形成的设计需要脱离当前LTE中使用的全数字预编码。 自适应模拟波束形成必须与数字预编码而不是全数字预编码结合使用。 波束成形可以补偿路径损耗，并且数字预编码可以提供与6GHz以下的MIMO类似的性能提升。 请注意，与支持自适应模拟波束形成相关联的实现复杂性明显小于数字预编码，因为其主要依赖于简单移相器。 这种自适应模拟波束形成和数字预编码的组合被称为混合波束形成，如图1所示。
足够窄的波束应该由多个天线单元形成，这可能与LTE评估中所设想的波束非常不同。 如果波束形成增益大，则波束宽度有相应地变小的倾向，因此定向天线增益大的复盖波束不能用三扇区结构复盖整个水平扇区区。 因此，为了复盖不同的服务区域，需要在时域中使用狭窄的复盖波束进行多个传输。 本质上，子阵列的模拟波束可以在每个OFDM符号上朝向单一方向，因此子阵列的数量决定波束方向的数量和每个OFDM符号上的对应盖。 但是，复盖整个服务区的波束数量经常多于子阵列的数量，特别是在各个波束宽度较窄的情况下。 如图2所示，需要支持具有不同时域方向的窄波束的多个发射，使得波束成形接入复盖整个服务区，同时实现大方向的天线增益。 在一些文献中，为此目的提供多个窄的复盖波束被称为“波束扫描”。 对于模拟和混合波束形成，波束扫描是提供NR的基本复盖所不可缺少的。 因此，可以分配不同方向的波束可在子阵列中发射的多个OFDM符号，并且可以周期性地发送这些OFDM符号。 波束扫描操作会导致额外的开销，可能需要有效的波束扫描设计。
在NR中的波束扫描适用于传输公共控制信号、物理广播信道和RRM测量。 这里，公共控制信令包括同步信号、下行链路的系统信息和上行链路的随机接入信道。 至少应该考虑基于波束扫描的初始信道设计。
如同LTE系统一样，NR中的UE必须在数据的发送接收之前执行几个步骤。 这些过程包括小区搜索和下行链路同步、系统信息的收集和随机访问。 基本上，物理同步信号被传输用于小区识别和时间同步，而PBCH将系统信息传输到所有UE。 类似地，随机接入信道用于获取上行链路时间同步和系统信息。 因此，应当确保在服务小区内可靠地接收这些信号和所有UE的信息，并且如图3所示，应当采用波束扫描传输进行初始访问。
RRM测量还需要考虑波束扫描，获得同步信息和广播信息的UE为了小区选择和RSRP报告，需要获得每个邻接小区的不同波束的信道强度信息。 为此，需要引入基于波束扫描的附加参考信号。
定向波束信号质量测量是NR波束/小区选择和RRM测量的基础，是保证NR基本覆盖的关键。 由于基于波束形成的高方向性，gNB和UE需要在正确的方向上进行对准以获得最大增益。 NR用gNB可以使用模拟波束形成和数字预编码的组合，其中混合波束形成发射具有根据通过改变波束成形权重所创建的天线模式预先定义的特定波束的参考信号。 UE测量来自各个方向的参考信号的质量。 UE可以根据测量的质量选择最佳波束，并反馈给gNB。
因此，
NR中的波束赋形接入需要引入特定于波束的参考信号，称这些参考信号为波束测量参考信号。NR中的波束测量参考信号的主要目的是在UE与其服务NR gNB之间选择最佳波束对，其可用于控制信令和数据通信。波束测量参考信号具有如下特征：
1. 波束测量参考信号的作用类似于小区特定的参考信号。即：用于波束赋形接入的波束测量参考信号被周期性地发送，例如PSS/SSS/BCH。
2. 波束测量参考信号占据不同波束上的多个符号，覆盖整个区域。即，从gNB发送单个Tx波束上的波束测量参考信号，直到发送所有Tx波束。
图4展示了帧结构中与波束测量参考信号相关的传输。用于波束选择的波束测量参考信号应定期从gNB传输，如同步信号/广播信道。与波束特定参考信号相关的程序的一个示例如下：
① gNB在子帧/帧中发送多个波束测量参考信号，以支持gNB的波束数。一个具有不同N个波束的UE在波束测量期间保持其UE Rx波束，并在每一束测量参考信号周期切换。
② UE通过比较当前帧和前一帧估计的信号质量来选择最佳波束对。
③ UE通过PUCCH/PUSCH将最佳gNB Tx波束索引发送到gNB，并存储与估计的gNB Tx波束索引相对应的UE Rx波束索引。
蜂窝系统中混合波束赋形的波束选择需要较长的时间来选择波束，因为服务的gNB需要在所有可能的波束组合中选择最佳波束对。为了减少波束选择的时长，它可以应用于子帧/帧中分配的符号束，但它可能会给蜂窝系统带来很大的负担。事实上，gNB和UE波束之间的微小失调可能会导致接收功率的显著损失，特别是对于具有窄波束的系统。因此，在设计波束选择框架时，需要考虑到波束测量参考信号的开销与波束测量周期之间的最佳权衡。此外，利用波束测量参考信号，可以进一步有效的改善波束选择机制。例如，还可以考虑用于波束细化的附加UE特定参考信号。
波束赋形NR中的CSI采集
MIMO和波束赋形技术是数字信号采集的关键技术之一，CSI信息的获取是多天线技术的关键因素之一。在FDD模式下，UE测量下行CSI，然后将测量反馈给gNB。在TDD系统中，一般方法是gNB通过上下行互易性来测量上行传输（例如SRS）的下行CSI。在FDD模式下，NR没有上下行互易和部分上下行互易的情况。在TDD模式下NR工作时，可以得到完全上下行互易和部分上下行互易的情况。
TDD模式
具有高频（>6GHz）的NR可以具有用于BS Tx和Rx天线的各种配置选项。一个配置选项是Tx和Rx使用单独的天线面板。一个例子如图5所示。这种配置的一个优点是没有开关损耗。由于Tx和Rx不共享相同的天线，不能假设完全的上下行互易。Tx和Rx天线面板的放置以及Tx和Rx面板之间的距离可能产生不同水平的上下行互易性。如果面板足够近，仍然可以假设最佳覆盖模拟波束存在上下行互易，因为到达角与离去角相同，并且可以假设长期CSI存在上下行互易。
BS天线的另一个配置选项是Tx和Rx共用相同的天线。这里可以假设上下行互易性是最佳覆盖波束和信道CSI。但是，这种配置有开关损耗。开关损耗不影响最佳覆盖波束的上下行互易性，但会影响信道CSI的上下行互易性。影响上下行互易性的另一个因素是UE天线配置。UE天线配置可以有各种选项，包括：
1. ·Tx和Rx共用天线。
大胆的裙子和Rx使用单独的天线
3. ·UE对Tx的波束赋形能力有限或没有
4. ·UE对Tx具有完整的波束赋形能力
5. ·UE对Rx的波束赋形能力有限或没有
6. ·UE具有完整的接收波束赋形能力。
如果UE Tx和Rx共用天线并且Tx和Rx具有相同的波束赋形能力，则可以假设最佳覆盖波束和信道CSI的完全上下行互易性。但在所有其他情况下，目前不能假定上下行完全对等。在Tx和Rx具有不同波束形成能力的情况下，可能不会假设最佳覆盖波束和CSI的上下行互易性。在Tx和Rx具有相同的波束赋形能力但使用不同的天线的情况下，仍然可以假设部分上下行互易。
上行SRS传输是TDD模式下通过上下行互易性测量CSI最常用的方法。在波束赋形系统中，下行链路传输由一些Tx波束形成，上行传输由一些Rx波束接收。为了利用完整的上下行互易性，BS应该对一个UE的Tx和Rx使用相同的波束。BS应该使用相同的波束来接收来自一个UE的SRS传输。该波束为模拟波束，用于时域信号。因此BS只能对一个SRS OFDM符号应用一个波束。这可能对上行SRS的设计和调度带来一些挑战。BS需要确保在相同SRS OFDM符号上调度的ue具有相同的Rx覆盖波束。如果UE具有Tx和Rx波束赋形能力，应该确保UE将相同的波束应用到SRS传输中，作为用于下行接收的波束。
如上所述，对于TDD模式下的波束赋形NR系统，不能总是假设完全上下行互易。对于只有部分上下行互易性的情况，可能需要一些来自UE的DL测量反馈来帮助CSI捕获。
FDD模式
在FDD系统中，通常没有完全的上下行互易性。当下行和上行之间的保护带宽较大时，FDD没有上下行互易性。当下行和上行之间的保护带宽不大时，可以有部分的上下行互易性，这使得我们能够从上行传输中获得用于下行的长期CSI信息。在波束赋形NR中，由于载波频率的不同，可以得到不同的Tx波束和Rx波束，从而降低了上下行互易性。窄波束使用波束赋形NR可以减少信道延迟扩展，并且可以增加最小保护带宽的值，从而获得部分上下行互易性。
基站天线配置对CSI捕获有影响。一个BS天线配置选项是双极化配置和不同面板上的不同极化。此配置选项的一个示例如图6所示，每个面板由具有相同极化的天线组成。不同面板上使用的Tx波束可以相同也可以不同。从一个面板测得的CSI不能应用于其他面板。如果基站发送CSI-RS来测量所有的天线面板，开销可能会过大。