在發射端和接收端支援數量眾多的、方向可控的天線單元，是5G NR的關鍵特性。在高頻段，大數量的天線單元能被用於波束賦形，以擴大覆蓋範圍；而在中低頻段，大數量的天線單元能用於massive MIMO，並通過空間分隔實現干擾迴避。

5G雖然可以使用低於6GHz的低頻頻段，但是由於低頻頻段的資源有限，而5G對頻寬的需求量又很大，因此大部分5G網路會部署在高頻頻段，即毫米波頻段（mmWave）。

根據不同的頻段，5G NR 將使用不同的天線解決方案。在低頻段和中頻段，可以使用較少或者中等數量的天線陣列（一般最多32個單元的天線陣列），同時通常使用FDD制式。在這種情況下，要獲取通道狀態資訊（CSI），需要在下行鏈路傳送CSI-RS，並且在上行鏈路傳送CSI報告。由於低頻段和中頻段的頻寬有限，因此需要通過MU-MIMO和高階空間複用技術來提高頻譜效率；與LTE相比，這需要解析度更高的CSI報告。

在高頻段，同樣的天線口徑中可以使用更多數量的天線單元，因此增加了波束賦形和MU-MIMO的容量。高頻段通常使用TDD制式。在TDD制式中，由於上下行鏈路的對稱性，通過上行鏈路的SRS，可以獲取高解析度的CSI，從而完成對通道的清晰評估。這樣的高解析度CSI能夠讓基站有條件使用複雜的預編碼演算法，從而有可能減少使用者之間的干擾，但如果上下行鏈路達不到較完美的對稱性，也會需要UE過多地反饋有關小區間干擾的資訊。

對於更高的頻段，比如毫米波頻段，還可以使用模擬式的波束賦形技術，從而可以減少單位時間內向某個波束方向的訊號發射次數。從無線電波的物理特徵來看，如果我們使用低頻頻段或者中頻頻段，我們可以實現天線的全向收發，至少也可以在一個很寬的扇面上收發。但是，當使用高頻頻段（如毫米波頻段）時，我們別無選擇，只能使用包括了很多天線單元的天線陣列。使用多天線陣列的結果是，波束變得非常窄。為什麼在毫米波頻段，我們只能使用多天線陣列呢？

在理想傳播模型中，當發射端的發射功率固定時，接收端的接收功率與波長的平方、發射天線增益和接收天線增益成正比，與發射天線和接收天線之間的距離的平方成反比。在毫米波段，無線電波的波長是毫米數量級的，所以又被稱作毫米波。而2G/3G/4G使用的無線電波是分米波或釐米波。由於接收功率與波長的平方成正比，因此與釐米波或者分米波相比，毫米波的訊號衰減非常嚴重，導致接收天線接收到的訊號功率顯著減少。怎麼辦呢？我們不可能隨意增加發射功率，因為國家對天線功率有上限限制；我們不可能改變發射天線和接收天線之間的距離，因為移動使用者隨時可能改變位置；我們也不可能無限提高發射天線和接收天線的增益，因為這受制於材料和物理規律。唯一可行的解決方案是：增加發射天線和接收天線的數量，即設計一個多天線陣列。

3GPP R1-136362對5G引入Massive MIMO的動機做了很好的總結：隨著行動通訊使用的無線電波頻率的提高，路徑損耗也隨之加大。但是，假設我們使用的天線尺寸相對無線波長是固定的，比如1/2波長或者1/4波長，那麼載波頻率提高意味著天線變得越來越小。這就是說，在同樣的空間裡，我們可以塞入越來越多的高頻段天線。基於這個事實，我們就可以通過增加天線數量來補償高頻路徑損耗，而又不會增加天線陣列的尺寸。使用高頻率載波的移動通訊系統將面臨改善覆蓋和減少干擾的嚴峻挑戰。一旦頻率超過10GHz，衍射不再是主要的訊號傳播方式；對於非視距傳播鏈路來說，反射和散射才是主要的訊號傳播方式。同時，在高頻場景下，穿過建築物的穿透損耗也會大大增加。這些因素都會大大增加訊號覆蓋的難度。特別是對於室內覆蓋來說，用室外巨集站覆蓋室內使用者變得越來越不可行。而使用massive MIMO（即天線陣列中的許多天線），我們能夠生成高增益、可調節的賦形波束，從而明顯改善訊號覆蓋，並且由於其波束非常窄，可以大大減少對周邊的干擾。

多天線陣列無疑是把雙刃劍。很明顯，多天線陣列的大部分發射能量聚集在一個非常窄的區域。這意味著，使用的天線越多，波束寬度越窄。多天線陣列的好處在於，不同的波束之間，不同的使用者之間的干擾比較少，因為不同的波束都有各自的聚焦區域，這些區域都非常小，彼此之間不大有交集。多天線陣列的不利之處在於，系統必須用非常複雜的演算法來找到使用者的準確位置，否則就不能精準地將波束對準這個使用者。因此，我們不難理解，波束管理和波束控制對massive MIMO的重要性。

舉個例子。有一個基站工作在非常高的頻段，並且使用了massive MIMO技術。在這個基站的附近有一個使用者正好打開了他的5G UE。開機後，5G UE就開始了同步過程。這時，基站應該把一個叫“同步訊號”的特殊訊號發給UE。但是，現在碰到一個嚴重的問題。基站發的攜帶“同步訊號”的波束非常窄，只能打到一個非常小的區域。怎麼才能讓這個波束照到這個UE呢？有一個簡單的方法，讓基站360度同時傳送許多個波束，就像一朵向日葵。這樣，雖然每個波束都非常窄，但總有一個波束能照到這個UE。顯然，這個方法不現實。另一個馬上想得到的做法是，不是同時360度傳送許多個波束，而是一個波束360度快速分時傳送。這種做法無疑比第一種做法可行得多。實際部署的5G移動通訊系統的波束管理演算法肯定比這複雜和聰明得多，還涉及到UE對通道的測量並將測量結果反饋基站的策略。

一旦UE和網路建立連線之後，波束又是如何管理的？大致上來說有4種情況：1，一對收發埠和一個波束；2，多對收發埠，每對收發埠一對波束；3，一對收發埠，多個波束；4，多對收發埠，每對收發埠有多個波束。在實際的網路部署中，基站會為波束管理提供一個特定的參考訊號。UE收到這個參考訊號後，執行一些測量，並將測量結果反饋給基站。

5G NR的通道和訊號，包括控制訊號和同步訊號，都被設計成支援波束賦形。通過基於下行鏈路上的CSI-RS而生成的CSI反饋報告，以及由於上下行對稱性而獲得的上行鏈路測量，可以獲得使用massive MIMO所需要的CSI。為了獲得靈活性，5G NR既可以支援模擬式波束賦形，也可以支援基於預編碼的數字式波束賦形。在高頻段，模擬式波束賦形——波束用數模轉換進行整形——從實施的角度看是必須的。模擬式波束賦形帶來了一種限制，即在某個時間點，一個發射波束或者接收波束只能在一個方向上形成，因此就需要引入波束掃描機制，讓相同的訊號在多個OFDM符號（位於不同的波束）內重複。有了波束掃描機制，就能保證任何訊號都能夠藉助狹窄而高增益的波束而被送到所需要的覆蓋範圍。5G NR定義了支援波束管理程序的信令，比如幫助終端選擇一個接收波束——模擬式波束賦形的情況，用作接收使用者資料或控制資料——的指示資訊。對於大數量的天線單元，波束很狹窄，波束追蹤很可能失敗，因此必須定義波束恢復程序，以便一個終端可以觸發波束恢復程序。而且，一個基站小區很可能有多個傳輸點，每個傳輸點都有波束；波束管理程序讓終端能實現透明化的移動性，在不同傳輸點的不同波束之間無縫切換。另外，通過使用上行鏈路訊號，還有可能實現以上行鏈路為中心、上下行對稱的波束管理。

在中低頻段使用大數量天線單元時，無論在上行鏈路還是下行鏈路，都增加了在空間分隔使用者的可能性，但是需要發射端了解通道情況。對於5G NR，對這種多使用者空分複用的支援，或者是通過使用DFT向量的線性組合而產生的高解析度CSL資訊反饋來實現，或者是通過使用通道對稱性的上行鏈路SRS來實現。為了實現多使用者MIMO傳輸，5G NR定義了12個正交DMRS，使得NR終端在下行鏈路最多可以接收8層MIMO，在上行鏈路最多獲得4層MIMO。而且，5G NR還使用了相位追蹤參考訊號（PTRS），因為高頻段載波產生的相位噪聲功率會影響高階調製星座，如64AM，的解調效能。

另外，5G NR還準備支援分散式MIMO（Release 15還不支援）。分散式MIMO意味著終端能夠在一個時隙上接收到多個彼此獨立的PDSCH訊號，從而向一個使用者同時傳送來自不同傳輸點的不同資料。這就是說，有些MIMO層來自一個基站，另一些MIMO層來自另一個基站。

5G NR設計了靈活但是統一的CSI框架，降低了CSI測量、CSI報告和實際的DL傳輸之間的耦合程度（相比LTE）。CSI框架可以被看成一個工具箱，為通道和干擾管理而進行的不同CSI報告設定和不同CSI-RS資源設定可以被混合起來，並進行匹配，從而與實際使用中天線部署和傳輸機制相對應，而不同波束的CSI報告可以被動態觸發。這個CSI框架還支援更先進的機制，比如多點傳輸協調（multi-point transmission and coordination）。根據自包含（self-contained）原則，控制資訊（使用者解碼的資訊，如DMRS）和使用者資料都在一次傳輸中完成，因此當UE移動時，網路能夠無縫地改變傳輸點或者波束。