《AI時代系列(5)：掌握AI + 6G無線行動通訊網路 —— 超高速、零延遲、智慧城市全攻略 🌐》
9/100 第1周：無線通訊基礎
9. MIMO 基礎 📡
多天線齊發力，讓頻譜效率大升級！________________________________________
🎯 單元導讀
MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）是現代無線通訊的關鍵技術之一。
它的核心思想是：在發射端與接收端同時使用多根天線，讓訊號能「並行傳送」。
MIMO 的出現，讓通訊系統不再受限於單一路徑，而是能利用 空間維度 來提升容量，逼近香農公式的極限。
👉 一句話：MIMO 就是把空氣當高速公路，加開多車道，一次跑更多資料！
________________________________________
🧠 一、MIMO 的核心概念
1️⃣ 多路徑是「敵人」也是「資源」
• 過去：多徑效應造成干擾，降低品質。
• MIMO：把多徑轉化為「平行通道」，反而提升容量。
2️⃣ 空間分集（Spatial Diversity）
• 多根天線 → 降低訊號衰落（Fading）。
• 提升可靠度（Reliability）。
3️⃣ 空間多工（Spatial Multiplexing）
• 多天線同時傳不同資料流 → 提高容量（Throughput）。
• 實現「同一頻譜、多倍速率」。
4️⃣ 波束成形（Beamforming）
• 調整多天線的相位與幅度 → 讓訊號集中在特定方向。
• 提升覆蓋範圍與效率，降低干擾。
________________________________________
🧠 二、MIMO 的應用演進
• 2G / 3G：單天線系統（SISO, Single Input Single Output）。
• 4G LTE：MIMO 成為標準，常見 2x2、4x4 MIMO。
• 5G NR：Massive MIMO（64、128 甚至 256 天線），支撐 eMBB、mMTC、URLLC。
• 6G：預期進入「Cell-Free MIMO」與「智能反射面（RIS）」時代，網路環境更靈活。
________________________________________
💻 三、ASCII 示意圖
單天線 SISO:
Tx 📡 ~~~~~> 📱 Rx
雙天線 MIMO:
Tx1 📡 ~~~> 📱 Rx1
Tx2 📡 ~~~> 📱 Rx2
Massive MIMO:
[📡📡📡📡📡📡📡📡📡] → 📱📱📱📱
基地台陣列天線 多用戶同時高速傳輸
這張 ASCII 圖示說明了無線系統天線架構的演進：單天線 SISO 是一根天線對一個接收端，傳輸容量有限；雙天線 MIMO 利用多天線同時傳輸多個資料流，提高速率與可靠性；而 Massive MIMO 則在基地台配置數十甚至上百根天線，搭配波束成形同時對多個用戶傳送高速資料，顯著提升頻譜效率、容量與覆蓋品質，是 5G/6G 核心技術之一。
👉 說明：
• SISO：一對一，容量有限。
• MIMO：多條傳輸路徑，容量倍增。
• Massive MIMO：基地台多天線同時服務多用戶，頻譜效率爆發性提升。
________________________________________
🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題
題目： 請解釋「空間多工」與「空間分集」的差異，並說明它們分別解決了什麼問題。
說明：
空間多工（Spatial Multiplexing）：在同一頻率、同一時間上，同步傳輸多個獨立資料串流，依靠多天線與不同空間路徑的可分離性，在接收端透過矩陣分離或訊號處理重建各串流。目的是提高頻譜效率與資料傳輸速率，解決「速度不夠快」的問題。
空間分集（Spatial Diversity）：同一資料在多根天線或多個路徑上同時傳送（或接收），讓接收端從多個版本中選擇或合成，藉此降低衰落、提升可靠性。目的是解決「訊號易衰落不穩定」的問題，而不是增加速率。
→ 簡單說：多工追求「多量多路」、分集追求「穩定抗衰落」。
________________________________________
2️⃣ 應用題
題目： 假設一個都市區域要建設 5G 基地台，為什麼需要使用 Massive MIMO 而不是傳統 2x2 MIMO？
說明：
都市區域用戶密集、流量需求大，傳統 2x2 MIMO 天線數少、同時服務能力有限。Massive MIMO 配置數十甚至上百根天線單元，可同時產生多條空間串流，動態分配給多用戶（MU-MIMO），大幅提升頻譜效率與容量，並結合波束成形（Beamforming）把能量聚焦到各用戶，減少干擾、提升SNR。因此在高密度都市環境要滿足 5G Gbps 級速率與多用戶同時上線，Massive MIMO 是必要的。
________________________________________
3️⃣ 情境題
題目： 若在農村部署基站，用戶分布稀疏，Massive MIMO 是否仍具效益？請提出技術與經濟面的分析。
說明：
技術面：農村用戶分散、頻寬需求相對低，Massive MIMO 的多用戶空間多工優勢無法充分發揮。不過仍可利用波束成形把能量集中傳輸，延伸覆蓋距離或改善邊緣用戶訊號品質，對提高覆蓋與連線穩定性有幫助。
經濟面：Massive MIMO 成本高、天線陣列大、安裝維護複雜。若用戶稀疏且流量需求不高，投入大量硬體可能無法回收成本。通常會選擇低頻段、大功率、較少天線數量的基站搭配傳統 MIMO 或定向天線以降低成本。
→ 總結：在農村場景 Massive MIMO 的「增容」價值不高，但「增距離」與「波束聚焦」仍有技術價值；是否採用需權衡建設成本與實際需求，常見做法是簡化版多天線或波束成形方案而非完整 Massive MIMO。
________________________________________
✅ 五、小結與啟示
• MIMO = 多天線並行傳輸，讓頻譜效率突破單一通道的限制。
• 三大核心：空間分集 → 提升可靠度、空間多工 → 提升速率、波束成形 → 提升覆蓋與效率。
• 4G → MIMO 普及；5G → Massive MIMO；6G → 智能、分布式 MIMO。
• 它是實現 香農極限 的關鍵技術之一。
👉 一句話總結：MIMO 把多天線變成「平行高速公路」，讓無線網路能同時更快、更穩、更強。
