在 5G 以及即将到来的 5G-Advanced 时代，经常能听到一个词：“波束赋形”。如果说传统的基站天线像是一个“全向灯泡”，会把信号照向四面八方；那么波束赋形技术就直接把基站变成了一把“手电筒”甚至是“激光笔”，能够把信号精准地投射到手机上。
今天，就来深度扒一扒这个 5G 时代的核心黑科技，看看在 3GPP 标准的推动下，波束赋形是如何一步步进化，并且成为支撑起千兆级网络体验的中流砥柱的。
💡 第一部分：需要波束赋形的缘由
在 4G 时代，虽然也有 MIMO，但由于频段较低，并且信号穿透力强，基站主要以宽波束覆盖为主。
然而到了 5G 时代，为了实现更大带宽的获取，引入了中频段也就是 Sub-6GHz 乃至 mmWave 频段。频率越高，波长越短，信号在空气当中的衰减就越剧烈，同时穿透障碍物的能力也直线下降。如何去处理？答案就是 Massive MIMO 结合波束赋形。
借助对天线阵列中每个阵元的信号相位以及幅度进行调整，基站可以让电磁波在特定方向上发生干涉增强，而在其他方向上干涉相消。这样一来，不仅极大程度上提升了目标方向的信号强度，也就是弥补了高频段的路径损耗，还减少了对其他用户的干扰。
📜 第二部分：3GPP 标准下的波束演进之路
波束赋形听起来很美好，但要让基站以及手机在移动、遮挡等复杂环境当中始终保持“波束对准”，需要一套极其精密的游戏规则。这也就是 3GPP 要开展的事情——波束管理。
跟着 3GPP 的 Release 也就是版本更迭，来看看波束赋形的进化史：
1. 奠基时代：Release 15 即 5G NR 初登场 🏗️
Rel-15 是 5G 的基础版本，它首次为高频段，特别是毫米波引入了一套完整的波束管理框架。这一阶段的核心任务是“找到目标，并且锁定目标”。
波束扫描： 基站会像灯塔一样，轮流向不同方向发射同步信号块即 SSB。终端设备在下面进行接收，选出一个信号最强的方向，向基站发送位置信息。
波束测量以及上报： 手机开展参考信号即 CSI-RS 的持续测量工作，并且向基站汇报哪一束光最亮。
波束失败恢复： 毫米波极其脆弱，走过一辆公交车可能就会挡住信号。Rel-15 定义了 BFR 机制，要是手机发现当前波束断了，就可以迅速寻找候选波束，向基站发起请求，开展连接的快速恢复工作。
2. 效率提升：Release 16 即精雕细琢 🛠️
Rel-15 虽然去处理了有无问题，但有些机制还不够高效。Rel-16 对波束管理开展了全面优化，核心是降低延迟以及提升可靠性。
多 TRP 波束传输： 允许两个或多个基站发射点同时向一部手机发送数据。这就好比两把手电筒从不同角度进行照射，即使一边被挡住了，另一边还在，极大程度上提升了连接的可靠性。
更快的波束失败恢复： 在 Rel-16 当中，波束恢复机制扩展到了辅小区，并且优化了恢复流程，让断连后的重连时间极大程度上缩短。
3. 极简主义：Release 17 即统一以及降耗 ⚡
到了 Rel-17，5G 网络开始大规模商用，如何降低系统开销以及手机功耗成为了重中之重。
统一的 TCI ： 以前控制信道以及数据信道的波束状态要分开指示，极其繁琐。Rel-17 引入了“统一 TCI”框架，基站只需发一个指令，就能同时更新上下行、控制以及数据信道的波束，极大程度上减少了信令开销以及信道测量延迟。
多卡/多天线优化： 针对越来越复杂的终端，开展了波束切换效率的优化工作，让手机更省电。
4. 走向智能：Release 18 即 5G-Advanced 的 AI 革命 🧠
作为 5G-Advanced 的首个版本，Rel-18 最大的亮点就是把人工智能即 AI 以及机器学习即 ML 引入了空口。波束管理迎来了质的飞跃！
AI/ML 辅助的波束管理： 传统的波束扫描极其耗时。借助 AI，基站以及手机可以基于历史移动轨迹以及当前环境来开展预测，预测出下一个最佳波束，从而跳过繁琐的全局扫描步骤，拥有“未卜先知”的功能。
L1/L2 触发的移动性： 传统的基站切换 需要经过高层即 L3 信令，延迟高。Rel-18 允许在更底层也就是 L1/L2 直接开展小区间的波束切换工作，让跨基站移动像在同一个基站下切换波束一样丝滑无感。
🔧 第三部分：底层逻辑——TCI 究竟是个啥？
如果深入 3GPP 的协议，就会发现波束赋形绕不开一个核心概念：TCI 即 Transmission Configuration Indicator 状态。
简单通俗地进行理解：TCI 就是空间方向的“快捷键”。
基站以及手机之间不可能每次都啰嗦地描述：“请把天线相位调整到 X 度，同时幅度调整到 Y”。相反，会提前约定好一系列的 TCI 状态，比如 TCI 0 代表正前方，TCI 1 代表偏左 30 度。开展通信时，基站只需发送指令：“接下来请运用 TCI 1 来进行接收”，手机就会马上调动天线阵列去对准那个方向。这被称为 QCL 也就是准共址关系假设，是 5G 高速波束调度的灵魂所在。
🚀 结语以及展望
从 Rel-15 的“灯塔扫描”，到 Rel-17 的“统一调度”，再到 Rel-18 的“AI 预测”，3GPP 关于波束赋形的标准演进，其本质上就是对更高频段、更低延迟以及更强算力的不断征服。
随着通信向 6G 演进，也就是进入太赫兹频段，波束会变得像头发丝一样细，也就是所谓的“Pencil Beam”。届时，极其依赖 AI 的原生智能波束管理，以及通感一体化，即借助波束像雷达一样去感知环境，会把通信史上全新的篇章掀开。
作为通信从业者，看到这些冷冰冰的协议化作太空中看不见的“光束”，连接起万物互联的世界，这或许就是顶级的理工科浪漫。
