《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 🌐》
37/100 📌 第 4 周：無線接取網 RAN - 基地台＋無線鏈路，連接用戶與核心網。
37. 波束成形 🔦
訊號像手電筒直射，用得又準又穩！
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🎯 單元導讀
在傳統的無線通訊裡，基地台發射的訊號就像一顆電燈泡，光往四面八方散射，造成能量浪費與干擾。
但到了 5G 時代，隨著 Massive MIMO 天線數量暴增，我們有了新的「魔術」——波束成形（Beamforming）。
👉 它的原理是：透過 控制多天線的發射相位與幅度，讓無線電波在空中「相長干涉」集中成一束光，像手電筒一樣精準打到用戶身上。
換句話說，波束成形 = 天線界的聚光燈，訊號更強、干擾更少、速度更快。
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🧠 一、波束成形的核心概念
1️⃣ 相位控制
• 每根天線同時發射，但信號相位不同。
• 在空間中相長干涉 → 強化目標方向訊號。
• 在其他方向相消干涉 → 減少干擾。
2️⃣ 定向傳輸
• 傳統天線：全向發射，訊號浪費。
• 波束成形：定向光束，能量集中。
3️⃣ 動態調整
• 可依照用戶位置與移動情況，動態改變波束方向。
• 搭配 AI，可實現「智慧波束追蹤」。
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🧠 二、波束成形的優勢
• 訊號更強：覆蓋範圍延伸，改善邊緣用戶體驗。
• 容量提升：同頻用戶彼此干擾降低。
• 能效更高：不再四處亂射，功率集中。
• 低延遲支援：高速移動下仍能保持穩定連線。
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💻 三、ASCII 示意圖
傳統基站 (電燈泡式)
📡 )))))) → → → (訊號分散)
波束成形 (手電筒式)
📡 🔦 →→→→→ (定向光束)
👤 User
這張示意圖對比了 傳統基站 與 波束成形（Beamforming）基站 的訊號傳輸差異。傳統基站的無線訊號像「電燈泡」一樣向四面八方擴散，能量分散、干擾較大、效率較低；而波束成形技術則像「手電筒」般將訊號集中成窄而強的定向光束，精準指向特定使用者（User），大幅提升訊號強度、傳輸速率與頻譜利用率。這正是 5G 相較以往行動通訊更高效能、更穩定連線的關鍵技術之一。
👉 說明：波束成形讓訊號像「雷射光」一樣鎖定用戶，不再白白浪費能量。
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🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題：相長干涉在波束成形中的角色
在波束成形（Beamforming）中，相長干涉（Constructive Interference） 是形成定向波束的核心原理。
多根天線同時發射信號時，系統會精確控制每根天線的相位（Phase）與振幅（Amplitude），使得在目標方向上的電磁波「同相疊加」，產生相長干涉，能量集中成一條強而準的波束；而在其他方向上，則讓波彼此相消，形成相消干涉以抑制干擾。
因此，天線數越多，波束越窄、越精準，是因為：
• 可產生更多可控的相位組合；
• 陣列天線的主瓣（Main Lobe）變窄，旁瓣（Side Lobe）被抑制；
• 能量更集中於目標方向，提高信號增益與空間分離能力。
👉 總結一句話：
波束成形就是利用多天線的相長干涉，使能量集中在所需方向，實現「聚光燈式」通訊。
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2️⃣ 應用題：在台北捷運隧道內的波束成形應用
捷運隧道內環境狹長、反射強烈、干擾嚴重，若使用傳統全向天線，訊號易衰減與多路徑干擾。
可採用以下波束成形策略：
• 定向波束設計：沿隧道方向排列天線陣列，發射「長形波束」，讓能量集中沿軌道傳輸。
• 動態波束追蹤（Beam Tracking）：系統即時偵測列車位置與速度，自動調整波束方向與角度。
• AI 干擾消除：利用 AI 演算法學習隧道反射特性，主動抑制多徑干擾。
👉 效果：
可在列車高速行駛中仍保持穩定訊號與低延遲，達到「準直式覆蓋、高效能通訊」的 5G 隧道網路。
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3️⃣ 情境題：自駕車高速移動導致波束鎖定困難的解決方案
高速移動下，車輛位置變化迅速，若波束無法即時跟隨，會導致連線中斷或延遲增加。
建議採取以下解決方案：
1. AI 預測位置（AI-based Beam Prediction）
利用 AI/ML 分析車輛速度、加速度與路線，預測下一時刻位置，提前轉向波束，減少反應延遲。
2. 快速波束切換（Fast Beam Switching）
預先建立多條候選波束，當主波束信號衰減時即刻切換，確保不中斷。
3. 多波束覆蓋（Multi-beam Coverage）
同時維持兩個以上重疊波束，使車輛在移動過程中無縫過渡。
4. DU 邊緣部署
將控制單元（DU）部署於高速公路沿線的 MEC 節點，縮短反應路徑，提升連線穩定性。
👉 總結：
結合 AI 預測與快速波束切換，能實現高速移動下仍具「穩定連網、低延遲不中斷」的 5G 通訊體驗。
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✅ 五、小結與啟示
• 波束成形 = Massive MIMO 的核心技術，透過相位控制與干涉，讓訊號集中成光束。
• 優勢：訊號更強、干擾更少、能效更高。
• 意義：支撐 5G 的低延遲應用（自駕車、VR/AR、智慧工廠）。
• 展望：6G 將進化成 智慧波束（AI Beamforming），可自動預測用戶需求與移動路徑。
👉 一句話總結：波束成形就是讓訊號「聚焦」，像手電筒直射一樣，保證每個用戶都能享受專屬的高速通道。
