《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 🌐》
69/100 📌 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。
69. 頻譜效率 📈
bps/Hz —— 頻譜利用率的成績單！
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🎯 單元導讀
在無線通訊中，頻譜就像高速公路，「能塞多少車」取決於它的效率。
👉 頻譜效率（Spectral Efficiency），以 bps/Hz 為單位，衡量在 1 Hz 頻寬下，最多能傳多少位元。
它是網路技術進步的重要指標，從 2G → 5G，頻譜效率不斷提升，才讓我們能享受更快的網速。
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🧠 一、頻譜效率的定義
• 公式：
頻譜效率=資料傳輸速率 (bps)頻寬 (Hz)\text{頻譜效率} = \frac{\text{資料傳輸速率 (bps)}}{\text{頻寬 (Hz)}}頻譜效率=頻寬 (Hz)資料傳輸速率 (bps)
• 解釋：同樣 10 MHz 頻寬，誰能傳更多資料，誰的頻譜效率就更高。
• 單位：bps/Hz（bit per second per Hertz）。
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🧠 二、影響頻譜效率的因素
1. 調變方式（Modulation）
o QPSK < 16QAM < 64QAM < 256QAM → 位元密度越高，效率越高。
2. 多工技術（Multiplexing）
o OFDMA、CDMA、MIMO 都能提升利用率。
3. MIMO 天線技術
o 多收多發，大幅提高容量（如 4x4 MIMO、Massive MIMO）。
4. 干擾管理與功率控制
o 減少重疊干擾，讓每一 Hz 更乾淨。
5. 編碼與壓縮效率
o 更先進的編碼（如 Turbo、LDPC、Polar Code），可接近香農極限。
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🧠 三、各世代的頻譜效率比較
• 2G GSM：~0.1–0.3 bps/Hz
• 3G WCDMA/HSPA：~0.5–1 bps/Hz
• 4G LTE：~2–4 bps/Hz
• 5G NR：~5–10 bps/Hz（搭配 Massive MIMO 與波束成形甚至更高）
👉 每一代提升，都是「bps/Hz 的飛躍」，讓有限頻譜能容納更多用戶與流量。
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💻 四、ASCII 示意圖
頻譜效率比較 (bps/Hz)
2G █
3G ██
4G ████
5G ████████
這張圖以文字長條方式顯示了各世代行動通訊的頻譜效率提升情形。
一段話說明如下👇
隨著行動網路技術演進，頻譜效率（每赫茲可傳輸的資料量）大幅提升：
2G 主要傳輸語音，效率最低；
3G 開始支援行動上網；
4G 以全 IP 技術實現高速影音服務；
而 5G 則透過 MIMO、多載波聚合與低延遲編碼技術，
使頻譜效率比 4G 提升數倍，能在相同頻寬下提供更快速度與更多連線容量。
👉 同樣 10 MHz 頻寬：
• 2G ≈ 1 Mbps
• 4G ≈ 30 Mbps
• 5G ≈ 80 Mbps
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🧩 五、模擬題
1️⃣ 專業題
定義：
頻譜效率＝在單位頻寬（1 Hz）內、單位時間可傳輸的資料量（bit/s/Hz）。它反映「每 1 Hz 頻譜能榨出多少吞吐量」，受調變編碼、MIMO、干擾、排程與無線環境影響。
典型值（實務、下行概念）：
• 4G LTE：
o 小區平均約 1–3 bps/Hz；
o 良好條件峰值約 6–8 bps/Hz（高 SNR、2×2/4×4 MIMO、64/256-QAM）。
• 5G NR：
o 小區平均約 4–8 bps/Hz；
o 良好條件峰值可 15–30 bps/Hz（Massive MIMO、波束成形、256/1024-QAM）。
註：數值依頻段、天線配置、載波聚合、網路負載而變動；5G 在高頻段與大規模天線陣列下通常更高。
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2️⃣ 應用題
題目： 20 MHz、平均頻譜效率 4 bps/Hz，可提供多少總容量？
計算：
• 頻寬 = 20 MHz = 20,000,000 Hz
• 容量 = 4 (bps/Hz) × 20,000,000 (Hz) = 80,000,000 bps = 80 Mbps
實際用戶可得吞吐量會因控制信令、重傳、協定開銷與共享用戶數而低於此值。
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3️⃣ 情境題
題目： 中心用戶過多導致平均頻譜效率下降，怎麼改善？
作法（聚焦提升每 Hz 的效益）：
• MIMO/波束成形升級： 擴到 8×8、64T64R Massive MIMO，做空分多工與更窄主瓣波束，提高同頻再用。
• 干擾管理： ICIC/eICIC/動態 TDD 同步、功率控制、CoMP（協作多點）降低鄰區/同區干擾。
• 調變與編碼升級： 在中心區域優先給高 SNR 用戶 256/1024-QAM 與高碼率 MCS；
排程採 Proportional Fair 或分層排程，讓高 SE 用戶多占資源同時兼顧公平。
• 負載分流與拓撲優化： 熱點布建小/微基站、開更高頻段（如 n77+n78）做 分流；智慧接手（Load Balancing）、頻段導流。
• 資源規劃： TDD 場景調整 DL/UL 比例；PRB/功率偏置給中心波束；必要時做 頻率重用分區（FFR）。
補充：載波聚合（CA）雖主要增加總頻寬，但結合上述手段可同步拉升用戶體驗與整體平均頻譜效率（SE 加權後上升）。
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✅ 六、小結與啟示
• 頻譜效率 = bps/Hz，是衡量頻譜資源利用率的核心指標。
• 影響因素：調變、多工、MIMO、干擾控制、編碼。
• 各世代行動網路的演進，本質上就是 頻譜效率的持續提升。
• 意義：提升效率 = 更多容量、更快速度、更高收益。
👉 一句話總結：頻譜效率就是「頻譜的成績單」，決定同一條道路能跑多少車、同一塊頻段能承載多少流量！
