《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 🌐》
16/100 第2周：網路傳輸媒介與技術
16. MIMO、波束成形與天線陣列 🎯
多天線與波束成形提升容量！
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🎯 單元導讀
在 4G/5G 甚至 6G 網路中，MIMO（多輸入多輸出） 和 波束成形（Beamforming） 是大幅提升容量與速率的關鍵技術：
• 透過多根天線同時收發訊號，就像多條高速車道同時運行。
• 波束成形則像「聚光燈」，把訊號能量集中到需要的使用者方向。
👉 一句話：多天線 + 波束成形 = 頻譜效率大躍升。
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🧠 一、MIMO 的核心概念
1️⃣ 定義
• MIMO（Multiple Input Multiple Output）：同時使用多根天線在發射端與接收端傳輸訊號。
2️⃣ 優點
• 多路徑環境中利用空間分集（Spatial Diversity）提升穩定度。
• 空間多工（Spatial Multiplexing）可同頻同時傳多個資料流，速率大幅提升。
3️⃣ 常見形式
• 2×2、4×4 MIMO：手機常見。
• Massive MIMO（64T64R 以上）：5G 基地台常用，容量爆增。
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🧠 二、波束成形（Beamforming）
1️⃣ 定義
• 透過控制多根天線的相位與幅度，使訊號在特定方向疊加加強，在其他方向抵消。
2️⃣ 優點
• 提高訊號品質與覆蓋距離。
• 降低干擾，提升整體頻譜效率。
3️⃣ 應用
• 5G gNodeB、Wi-Fi 6/7、雷達定位。
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🧠 三、天線陣列（Antenna Array）
1️⃣ 結構
• 多個小天線以特定排列構成（線性陣、平面陣）。
• 透過控制各單元的相位與振幅，形成指向性與多波束。
2️⃣ 優點
• 支援 MIMO 與波束成形。
• 可同時服務多用戶、多方向。
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💻 四、ASCII 示意圖
1️⃣ MIMO 多天線
Tx: 📡📡📡 ← 多根天線同時發射
↓↓
Rx: 📶📶📶 ← 多根天線同時接收
→ 同頻多流量
2️⃣ 波束成形
[基地台] >>>>>> 用戶A
>>> 用戶B
→ 訊號像聚光燈集中
3️⃣ 天線陣列
| | | | | ← 線性陣列
| | | | |
→ 相位控制形成波束
這三個示意圖分別代表現代無線通訊的關鍵天線技術：MIMO（多輸入多輸出）利用多根天線同時發射、接收同頻多條資料流，大幅提高頻譜效率與容量；波束成形則透過調整相位與振幅，把訊號能量像聚光燈一樣鎖定特定用戶，增強訊號品質並減少干擾；而天線陣列則是多個天線單元排列成線性或平面陣列，藉由相位控制形成不同方向的波束，是實現 MIMO 與波束成形的硬體基礎。
👉 說明：
• MIMO = 多車道同時送資料。
• 波束成形 = 聚光燈打在需要的方向。
• 天線陣列 = 多單元協同工作。
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🧩 五、模擬題
1️⃣ 專業題：MIMO 與波束成形如何提升頻譜效率與網路容量，以及兩者差異
MIMO（Multiple Input Multiple Output）
• 原理：在同一頻寬上使用多根發射與接收天線，利用多徑傳播特性，同頻傳輸多條獨立資料流（Spatial Multiplexing）。
• 效果：等於在同一頻譜上「開出多條車道」，顯著提高頻譜效率（bps/Hz）與總容量。
波束成形（Beamforming）
• 原理：透過調整天線陣列各單元的相位和振幅，使訊號在空間中特定方向相長干涉、其他方向相消干涉，把能量聚焦給目標用戶。
• 效果：提高訊號品質（SNR）、降低干擾，使傳輸更穩定，實際上也間接提升可用容量。
主要差異：
• MIMO強調「同時多流量」——在同一頻寬開多條獨立資料流。
• 波束成形強調「空間聚焦」——在同一時間把功率集中到某一用戶或方向。
• 在現代系統中兩者常搭配：Massive MIMO 需要波束成形才能同時對多位用戶發射多流量。
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2️⃣ 應用題：體育場/演唱會場館為何建議採用 Massive MIMO 陣列天線
• 場館特性：用戶數量極多、流量需求極高、空間複雜（多重反射與遮蔽）。
• Massive MIMO 的優勢：
o 大量天線單元可同時對多位用戶進行波束成形，每位用戶獲得專屬波束，減少互相干擾。
o 提供多條獨立資料流，提高整體頻譜效率與容量。
o 陣列天線可更靈活地調整覆蓋區域與波束方向，適應人潮分佈變化。
因此在體育場或演唱會這種高密度、高需求場景，Massive MIMO 幾乎是標配技術。
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3️⃣ 情境題：預算有限但需要同時服務多個方向用戶的天線陣列設計
可行方案 1：多扇區扇形天線
• 將一個基站的天線分成數個固定扇區（如 3 扇區、6 扇區），每個扇區用中等增益定向天線覆蓋一個方向。
• 成本較低，不需複雜電子控制，只靠多面固定天線就能同時服務多方向。
可行方案 2：小型相控陣列 + 簡單波束成形
• 使用較少單元的相控陣列，透過基本的相位控制在幾個主要方向之間切換或同時形成多個波束。
• 雖然沒有 Massive MIMO 那麼多單元，但可以在有限預算下實現基本的方向可調性和干擾控制。
這兩種方法都能在成本和性能之間取得平衡，適合偏遠或中小型基地台。
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✅ 六、小結與啟示
• MIMO：多天線同頻傳多流，提升速率與可靠度。
• 波束成形：訊號集中方向，增強品質、降低干擾。
• 天線陣列：支撐 MIMO 與波束成形的硬體基礎。
👉 一句話總結：MIMO + 波束成形 + 天線陣列是 5G/6G 頻譜效率與容量提升的三大武器。
