《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 🌐》
62/100 📌 第 7 周：頻譜與無線資源管理 - 分配頻率與時槽以提升容量和效率。
62. 頻率再利用 ♻️
同一頻率重複用，容量翻倍！
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🎯 單元導讀
在無線通訊中，頻譜就像土地，稀缺而有限。如何讓更多用戶同時「住進去」？答案是 頻率再利用（Frequency Reuse）。
核心概念：同一組頻率可以在不同小區重複使用，只要彼此距離足夠遠，不會造成嚴重干擾，就能大幅提升系統容量。
👉 2G/3G/4G → 採用「蜂巢式架構」，將整個服務區域劃分成六邊形小區（Cell）。
👉 每個小區分配部分頻率，並在相隔一定距離的小區重複使用。
👉 5G → 進一步引入 動態頻譜分配（DSS）、Massive MIMO，甚至實現 N=1 再利用（所有小區同頻）。
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🧠 一、再利用因子（Frequency Reuse Factor, N）
• 定義：一組頻率可在多少小區重複出現。
• N 小（如 1）：頻譜效率最高，但干擾最大。
• N 大（如 7、12）：干擾小，但頻譜利用率下降。
👉 核心挑戰：在 容量 與 干擾 之間找到平衡。
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🧠 二、蜂巢小區模型（Cellular Hexagonal Model）
• 六邊形結構最適合覆蓋平面，沒有縫隙。
• 基地台位於中心，覆蓋整個小區。
• 頻率規劃需確保：同一頻率的小區 不相鄰，降低干擾。
👉 類比：像社區規劃，隔幾條街才會有同一間超市。
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🧠 三、干擾控制機制
• 同頻干擾（Co-channel Interference, CCI）：主要來自鄰近小區。
• 解決方法：
o 功率控制（降低信號外溢）。
o 切換（handover）策略。
o 智慧天線（beamforming）。
o Massive MIMO（多天線提升空間隔離）。
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💻 四、ASCII 示意圖
蜂巢式小區頻率再利用 (N=3 範例)
[A] [B] [C]
\ | /
\ | /
[C]--[A]--[B]--[C]
/ | \
/ | \
[B] [C] [A]
這張圖展示了蜂巢式行動網路中的 頻率再利用（Frequency Reuse） 概念，以 N=3 為例。
整個覆蓋區域被劃分成多個六角形小區，每個小區指派一組特定頻段（A、B、C），相鄰小區之間不使用相同頻率，以避免干擾。
這樣的配置能讓相同頻率在較遠的小區重複使用，大幅提升頻譜利用效率，同時兼顧通訊品質與容量。
簡而言之，頻率再利用 就是讓有限的頻譜在空間上「隔開重複用」，達到「不干擾又高效率」的目標。
圖例：
[A], [B], [C] = 不同頻率組
相鄰小區避免同頻，隔一層後可再利用
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🧩 五、模擬題
1️⃣ 專業題
請解釋「頻率再利用因子 N」對容量與干擾的影響，並舉例說明 N=1 和 N=7 的差異。
在蜂巢式行動網路中，頻率再利用因子（Frequency Reuse Factor, N） 表示整個網路覆蓋區被劃分為多少組不重疊的頻率。
• 當 N 值小（如 N=1）時：
所有小區都可使用相同頻率，頻譜利用率最高、容量最大，但同頻干擾（Co-channel Interference）也最嚴重。
👉 例：城市區域、高容量需求。
• 當 N 值大（如 N=7）時：
每組小區使用不同頻段，干擾大幅減少，通話品質穩定，但可用頻寬被分割，整體容量下降。
👉 例：郊區或邊境區域，優先確保穩定連線。
✅ 結論：
N 小提升容量但干擾高；N 大降低干擾但容量低。
實務上常折衷採 N=3 或動態頻譜共享設計。
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2️⃣ 應用題
一名用戶搭高鐵，手機訊號需跨越數百個小區。請說明 MME 與頻率再利用如何協作，確保不中斷服務。
在高速移動場景下，用戶的手機（UE）需頻繁切換小區，若切換過程延遲或干擾過高，容易造成斷線。
MME（Mobility Management Entity） 的角色是：
• 負責 UE 的位置更新與切換控制（Handover Management）；
• 與基站（eNodeB）協調確保切換即時完成；
• 當使用 N=1 或 N=3 頻率再利用時，可動態調整功率與干擾保護區，減少切換邊界的干擾。
協作機制：
MME 根據移動速度與信號強度，提前預測 UE 將進入的下一個小區，透過 RRC 指令完成快速切換；同時頻率再利用策略確保相鄰小區使用不同頻段或具干擾保護，以維持穩定連線。
✅ 結論：
MME 提供「切換控制」，頻率再利用提供「干擾隔離」，
兩者結合可確保高速移動中的連線不中斷。
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3️⃣ 情境題
若某地區人口密度突然暴增（如跨年晚會），N=3 的規劃無法支撐需求，請提出改善方案（提示：小區劃分、功率控制、MIMO）。
當短時間內流量激增時，網路容量受限於頻譜與干擾管理，需從以下三面著手改善：
1. 小區劃分（Cell Splitting）
將原本的大區域小區分割為多個微小區（Micro Cell、Pico Cell、Femto Cell），提升基地台密度以增加容量。
2. 功率控制（Power Control）
降低發射功率，縮小每個小區的覆蓋範圍，減少相鄰干擾，使頻率可更密集再利用。
3. 多天線技術（MIMO / Beamforming）
透過空間分集（Spatial Multiplexing），讓同一頻譜能同時服務多個用戶，提升頻譜效率。
✅ 結論：
面對人潮爆增時，可結合「小區分裂 + 功率控制 + MIMO」提升容量與穩定度，
達成即時高密度場景下的高效頻譜利用。
💡:
N 值決定頻譜重用與干擾平衡；
MME 管移動不中斷，小區分裂與 MIMO 提升高峰容量。
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✅ 六、小結與啟示
• 頻率再利用 是蜂巢網路的基礎，讓有限頻譜「翻倍利用」。
• 再利用因子 N：小 → 容量大但干擾強；大 → 干擾小但容量受限。
• 5G/6G 融合 Massive MIMO、動態頻譜分配，逐步逼近「N=1」的理想狀態。
👉 一句話總結：頻率再利用就像都市規劃，在有限土地上蓋更多大樓，既要防止擁擠，又要提升使用效率。
