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81/100 📌 第 9 周：5G/6G 核心技術 - 高速、低延遲、智慧化、廣覆蓋
📘 單元 81：Cell-Free Massive MIMO 🛰️ — 分散天線協同，實現「無小區」極致覆蓋！
🎯 單元導讀
傳統蜂巢網的 Massive MIMO 是在每個基地站安裝大天線陣列，提高容量與頻譜效率。但仍存在「小區邊界效應」：用戶一旦移到邊界，訊號品質掉落。Cell-Free Massive MIMO 則顛覆傳統概念，把大量分散的天線像「網狀」布在整個區域，所有天線協同為每個用戶服務，實現真正「無小區（Cell-Free）」的極致覆蓋。
👉 一句話：Cell-Free Massive MIMO = 分散天線協同，消滅小區邊界，容量與體驗全面升級！
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🧠 一、Cell-Free Massive MIMO 的定義
• Massive MIMO：在單一基地站部署大規模天線陣列（64×64、128×128…）。
• Cell-Free Massive MIMO：將大量分散的小型天線（Access Points, AP）佈滿整個服務區域，不再劃分傳統「小區」，所有 AP 透過集中控制器協同服務每個 UE。
👉 差異：傳統是「每小區一座塔」，Cell-Free 是「整片天線網」。
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🧠 二、核心架構
1️⃣ 分散式天線（APs）
• 小型、低功率、多數量，分佈密集。
• 與 UE（用戶設備）直接建立多路鏈路。
2️⃣ 協同處理（Central Processing Unit, CPU）
• 集中控制多個 AP，執行協調傳輸、功率分配、用戶排程。
• 透過光纖或高容量回程與 APs 互聯。
3️⃣ 特色
• 所有 AP 同時為每個 UE 發射/接收訊號（共用波束）。
• 干擾管理效果大幅提升，小區邊界消失。
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🧠 三、關鍵技術特色
• 協同多點傳輸（CoMP）升級版：不只是基地台之間協同，而是整個網狀天線同時服務。
• 動態功率控制：根據用戶位置與即時負載，自動分配功率與資源。
• 大規模分散式 MIMO：比傳統 Massive MIMO 更均勻的服務品質（均勻 SINR）。
• 回程需求高：需高容量低延遲回程網路支撐（光纖、毫米波）。
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💻 四、ASCII 示意圖
Cell-Free Massive MIMO 架構
UE1 UE2 UE3
│ │ │
(多個AP分散) AP AP AP AP AP
\ | /
── CPU / 中央協調器 ──> Core Network / Internet
在 Cell-Free Massive MIMO 架構中，不再以「基地台小區（Cell）」為中心，而是由多個分散的接入點（AP, Access Point）共同為所有使用者（UE）服務。
每個 AP 透過中央處理單元（CPU, Central Processing Unit）協同運作，動態分配波束與資源，使整個區域像一個「無邊界巨型天線陣列」。
這種架構能顯著提升邊緣用戶的訊號品質、降低干擾，並實現更均勻的頻譜效率與低延遲傳輸。
👉Cell-Free Massive MIMO 讓「整個網路」變成一個巨大的協同天線系統，消除小區邊界效應，實現真正的全域覆蓋與高效能連線。」。
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🧩 五、模擬題
1️⃣ 專業題
題目：
說明 Cell-Free Massive MIMO 與傳統 Massive MIMO 的主要差異，以及它如何解決「小區邊界效應」。
答案：
傳統 Massive MIMO 採「基地台中心化」架構，每個小區由一個大型天線陣列服務，用戶在小區邊界時容易受到相鄰基地台干擾，造成速率下降與切換不穩。
而 Cell-Free Massive MIMO 則取消小區概念，由多個分散的 AP（Access Points）透過中央處理單元（CPU）協同服務所有用戶。
每個用戶可同時被多個 AP 傳送與接收訊號，形成分散式協同波束，訊號不再受小區邊界限制，干擾顯著降低。
👉 重點差異：
• 傳統 Massive MIMO：以「基地台」為中心 → 容易產生邊界干擾。
• Cell-Free Massive MIMO：以「用戶」為中心 → 所有 AP 共同服務，用戶體驗更一致。
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2️⃣ 應用題
題目：
若你要在一個體育場部署 Cell-Free Massive MIMO，需注意哪些挑戰（回程、協調延遲、頻譜規劃）？
答案：
在體育場高密度環境中，Cell-Free 架構能有效分散干擾，但也面臨以下挑戰：
1. 回程網路（Backhaul）：每個 AP 必須與中央協調器（CPU）低延遲連線，需高頻寬光纖或毫米波回程。
2. 協調延遲（Coordination Delay）：AP 間資訊交換頻繁，若延遲過高會影響協同波束成效。
3. 頻譜規劃（Spectrum Planning）：需避免 AP 間同頻干擾，可能採用動態頻道分配或 TDD 同步。
✅ 結論：
體育場部署時應以高速回程 + 精確時鐘同步 + 動態功率控制確保穩定性能。
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3️⃣ 情境題
題目：
假設一家運輸公司希望在港口提供 AGV（自動導引車）全覆蓋無線網路，你會如何利用 Cell-Free Massive MIMO 提升連線穩定度？
答案：
港口場域廣、金屬結構多且干擾強，適合採用 Cell-Free 架構：
1. 分散式 AP 佈局：在倉儲區、碼頭、道路沿線布建多個 AP，形成無邊界覆蓋。
2. 集中協調 CPU：由中央單元即時分配波束與功率，確保移動中的 AGV 始終被多個 AP 同時服務。
3. 動態波束追蹤與負載分攤：根據 AGV 移動方向自動切換最優 AP 組合，減少切換延遲與掉線。
✅ 成效：
即使在金屬遮蔽與高流量場景下，仍能保持低延遲、高穩定度的連線，支援 AGV 精準導航與即時控制。
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🛠 六、實務演練題
1️⃣ 模擬覆蓋測試
題目：
在模擬軟體中布置 64 個小型 AP，觀察與傳統 4 個大基站相比，用戶 SINR 分布差異。
解答：
傳統 4 大基站下，SINR 在邊界顯著下降，容易出現小區干擾；
而 Cell-Free（64 小型 AP）能提供更均勻的訊號覆蓋，邊緣用戶 SINR 提升明顯。
✅ 結論： Cell-Free 架構有效消除小區邊界效應，使整體 SINR 分布更平均。
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2️⃣ 功率分配策略
題目：
設計一個簡單的動態功率分配演算法，根據 UE 距離 AP 的距離來分配發射功率，測試網速提升。
解答：
可採「距離平方反比」分配：距離越遠的 UE 分配較高功率，距離近的 UE 減少功率。
範例公式：
模擬結果顯示平均速率提升約 20%，特別改善邊緣用戶的吞吐量。
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3️⃣ 回程壅塞測試
題目：
模擬 AP 與 CPU 之間回程容量不足時，分析對用戶吞吐量的影響。
簡要解答：
當回程頻寬由 10 Gbps 降至 2 Gbps，協調延遲明顯上升，波束更新速度下降；
整體吞吐量下降約 30%，邊緣用戶受影響最大。
✅ 改善建議：
升級光纖回程、使用分層協調架構（Local CPU 分流處理），以降低延遲並穩定效能。
Cell-Free 架構的優勢在於分散式覆蓋與協同波束，但需搭配合理功率分配與高效回程設計，才能充分發揮高容量、低延遲的網路效能。
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✅ 七、小結與啟示
• Cell-Free Massive MIMO 是 Massive MIMO 的進階版，採用分散式天線協同服務，用戶再也沒有「邊界」體驗落差。
• 它能在高密度、高可靠場景（智慧工廠、港口、體育場、智慧城市）提供均勻覆蓋。
• 需要強大的回程與中央協調能力，是 6G 時代的重要技術之一。
👉 一句話總結：Cell-Free Massive MIMO = 分散天線＋集中協同，消滅小區邊界，實現極致覆蓋！
