《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 🌐》
5/100 第1周：無線通訊基礎
5. 信號傳播特性 📶
穿牆、反射、繞射，訊號就像城市裡迷路的旅人！
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🎯 單元導讀
無線電波不像光纖那樣走直線，它在傳播過程中會受到 建築物、山丘、天氣、大氣層 的影響。
訊號可能會 衰減、折返、繞過障礙、甚至互相干擾。
因此，理解 信號傳播特性，是電信工程師規劃基地台、設計網路覆蓋、確保品質的基礎能力。
👉 一句話：無線訊號 = 在現實世界中旅行的旅人，必須面對重重挑戰才能抵達目的地。
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🧠 一、核心傳播現象
1️⃣ 路徑損耗（Path Loss）
• 隨著距離增加，訊號逐漸減弱。
• 舉例：手機離基地台越遠，訊號越差。
2️⃣ 反射（Reflection）
• 訊號遇到建築物或牆壁，會反彈。
• 優點：有時能到達「原本看不到的地方」。
• 缺點：可能造成多徑干擾。
3️⃣ 繞射（Diffraction）
• 訊號遇到障礙物時，能「繞過」邊緣。
• 使得山後、建築物後方仍可能收到訊號。
4️⃣ 散射（Scattering）
• 訊號遇到粗糙表面或小物體（樹葉、車輛），能量分散。
• 造成訊號強度不穩定。
5️⃣ 多徑效應（Multipath）
• 同一訊號經由不同路徑（直射、反射、繞射）抵達接收端。
• 優點：有時可加強訊號。
• 缺點：也可能因相位差而互相抵消。
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🧠 二、實際應用挑戰
• 室內覆蓋：牆壁、水泥會造成反射 & 衰減，需要室內小基站（Femto Cell）。
• 都市環境：高樓林立 → 多徑效應明顯，需 MIMO 技術改善。
• 農村山區：繞射可帶來有限覆蓋，但仍需更高功率或低頻段。
• 5G/毫米波：高頻更容易受阻 → 必須依靠波束成形（Beamforming）與密集小基站。
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💻 三、ASCII 示意圖
📡 基地台
|
| 直射
v
(使用者) 📱
↘ 反射 (建築物)
▒▒▒▒▒
▓▓▓▓▓ ← 繞射 (山丘後方)
(另一使用者) 📱
這張 ASCII 圖示表現了無線訊號在基地台與使用者之間的傳播特性：訊號可以直射直接到達使用者手機，也可能遇到建築物產生反射，或經過山丘、障礙物邊緣產生繞射到達另一側的使用者。這些傳播現象會影響訊號強度與品質，是無線通訊設計時必須考量的重要因素。
👉 說明：
• 直射 → 最佳路徑。
• 反射/繞射 → 讓訊號抵達原本遮蔽的地方，但可能產生干擾。
• 環境越複雜，訊號路徑越多，網路設計越困難。
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🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題：請解釋「路徑損耗」與「多徑效應」對無線通訊的影響，並說明 5G 為什麼特別需要 MIMO 技術來解決這些問題。
• 路徑損耗（Path Loss）
‧ 定義：無線訊號在空氣傳播時，隨距離增加與環境吸收而逐漸衰減的現象。
‧ 影響：距離越遠、頻率越高（如毫米波），損耗越大，接收端訊號變弱、SNR 降低。
• 多徑效應（Multipath Effect）
‧ 定義：同一訊號經建築物、地面反射、繞射或散射後，沿不同路徑抵達接收端，形成多個延遲版本。
‧ 影響：訊號疊加會造成衰落（Fading）、時延擴散與符號間干擾（ISI），降低傳輸品質。
• 5G 為什麼特別需要 MIMO（Massive MIMO）
‧ 毫米波頻段雖可提供超大頻寬，但路徑損耗大、穿透力弱、多徑顯著。
‧ MIMO 透過多天線同時傳送與接收訊號，可進行空間分集（降低衰落影響）、波束成形（Beamforming，把能量集中到特定方向補償路徑損耗）、多流傳輸（提高容量與頻譜效率），因此是 5G 必不可少的核心技術。
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2️⃣ 應用題：假設市區高樓密集，如何確保 5G 毫米波訊號能穩定覆蓋？請提出至少兩種解決方案。
• 方案一：部署更多小基站/微基站（Small Cell）
‧ 毫米波穿透力弱、有效覆蓋範圍小，可在高樓間、室內、行人密集區設置小基站或室內分布系統（DAS），縮短用戶與基站距離，減少路徑損耗與遮蔽物阻隔。
• 方案二：使用波束成形（Beamforming）與 Massive MIMO
‧ 利用多天線聚焦能量，將訊號指向特定用戶或區域，提高接收功率並減少干擾。
• 加值方案三：多頻段整合（Sub-6GHz + mmWave）
‧ 在毫米波訊號受阻時自動切換到較低頻段（如 3.5GHz Sub-6）確保連線不中斷，再結合載波聚合提升總速率。
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3️⃣ 情境題：農村基站建在山腳下，居民抱怨收訊差。作為工程師，你會如何運用「繞射特性」與「頻段選擇」來改善？
• 利用繞射特性（Diffraction）
‧ 低頻訊號波長較長，遇到山丘或障礙物較能繞射，訊號可「繞過」山頭傳到背面。
‧ 可以調整基站天線高度或方向，讓主波束經過障礙物頂端，提升繞射效果。
• 頻段選擇
‧ 改用較低頻段（如 700MHz、900MHz）進行覆蓋，穿透力強、繞射能力好，比高頻或毫米波更適合山區與農村廣域。
‧ 結合動態頻譜資源，在人少的區域給予較大覆蓋範圍的低頻帶做主力，高頻作為補充。
• 整體改善：透過「調整天線/基站位置 + 使用低頻段 + 提升繞射路徑」可顯著改善農村收訊，減少盲區。
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🔑 總結
• 路徑損耗造成訊號隨距離與頻率增加而衰減；多徑效應導致衰落與干擾，兩者皆是 5G 毫米波大挑戰。
• 5G 透過 Massive MIMO + 波束成形克服這些問題，提升容量與品質。
• 在高樓林立的都市可用 小基站 + 波束成形 + 多頻段提升覆蓋；在農村山區則可用 繞射特性 + 低頻段改善盲區。
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✅ 五、小結與啟示
• 訊號傳播不是單純直線，而是會受到環境影響。
• 路徑損耗、反射、繞射、散射、多徑效應，是電信網路設計必須考慮的核心因素。
• 低頻 → 穿透力與繞射佳，適合廣域覆蓋。
• 高頻（毫米波/太赫茲） → 容量大，但受阻嚴重，需要新技術支撐。
• 解決方案 → 小基站、MIMO、Beamforming、智慧頻譜規劃。
👉 一句話總結：無線訊號就像迷路的旅人，工程師要設計正確的「地圖與指引」，才能讓它順利抵達每一個使用者手中。
