為了更有效挖掘空間自由度、更有效利用發送端能量、找到更多的分集和復用增益，現代通信普遍采用多天線系統來提高物理層鏈路性能，我們叫做多輸入多輸出技術（MIMO）。通常MIMO采用空間預編碼（Precoding）的方式來補償物理信道，實現空間分集、空分復用或者空分多址： · 空間分集在不同的空間信道傳輸相同數據使等效信道更加平穩，從而對抗實際環境下的信道衰落，使傳輸更加可靠；空間分集的使用方式有很多，可以采用空時聯合編碼、空頻聯合編碼等。 · 空分復用利用不同空間信道的弱相關性來傳輸不同數據，提升系統數據傳輸速度，使數據傳輸更加有效； · 空分多址則利用多個用戶的空間位置帶來的天然信道弱相關來分別向不同位置用戶傳輸數據，提升系統連接數和容量，這種使用方式也被稱為多用戶MIMO（MU-MIMO）。實際上，空分復用和空分多址是MIMO系統對空間自由度的不同利用方式，我們可以認為這兩種方式都是在挖掘信道的空間復用增益。自從20世紀80年代以來，MIMO在IEEE 802.11，3GPP 4G LTE/5G NR系統中都得到了廣泛應用。802.11ac協議中的MIMO方法最多可以支持8個發送和接收天線（8x8 MIMO），而LTE R10/R13/R14則分別支持8/16/32基站側發送天線來構建MIMO系統。雖然根據信道互易性（channel reciprocity），不論發送端和接收端都有能力采用預編碼來獲得MIMO增益，但是一個非常現實的問題是，用戶側計算能力是有限的，所以在比較偏工程的研究里我們通常不同時考慮接收方和發射方的precoding問題。
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　　大規模天線陣列（massive MIMO）則是MIMO技術的天然延伸，通過把原有發送側天線數提高一個數量級（64或者128），進一步同時提升上述提到的增益；基本上現在實用的massive MIMO都是在基站側部署M個發射天線對K個單天線/雙天線用戶進行空分多址（發射天線數M要遠遠大于用戶數K），通過多對一的冗余天線來提升單用戶的分集增益，并通過多個弱相關的空間信道來提升復用增益。這一目標通過設計上述預編碼矩陣P獲得，基本上是一個凸優化問題，在這種凸優化問題中，我們非常強烈的需要確保信道已知，才能保證這個凸優化問題是確定的而不是隨機優化。理論上，massive MIMO除了可以提供比MIMO更多的空間自由度，也會隨著天線數的增加帶來其他優勢： · 空間分辨率提升：根據陣列信號處理，大規模天線陣列在接收信號過程中可以被當做集中式MIMO雷達，可以通過合成虛擬孔徑的方式獲得更多的角度分辨率。同時，發送側的mMIMO陣列也可以使信號在復雜散射環境中把波束能量匯聚到非常小的一片區域內，從而降低對其他扇區的用戶干擾。更重要的是，因為一維天線部署方式會給電路板設計帶來類似風載、長度等挑戰，所以目前mMIMO系統均采用3D陣列部署天線，這不僅僅給了波束朝向更多調整空間，波束的發射方向也可以在水平和垂直維度上調整。此外這種3D結構也給現存的信道建模帶來了挑戰，當然也是信號處理新場景下的新機會，特別是有關俯仰角、運動估計等波束對齊問題。