《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 🌐》
4/100 第1周：無線通訊基礎
4. 多工方式 🧩
FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA —— 大家同時上網的排隊方法！
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🎯 單元導讀
無線網路最大的挑戰之一，就是 頻譜有限，但用戶很多。如果每個人都同時發送訊號，會造成嚴重干擾與碰撞。
因此，電信系統必須設計一套 「多工（Multiple Access）」方法，讓多人能同時分享有限的頻譜資源。
👉 簡單一句話：多工方式就是「大家怎麼排隊用網路」的規則。
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🧠 一、為什麼需要多工？
• 頻譜有限，不可能一人一條專屬頻道。
• 多工方式確保「公平分享」與「高效率使用」。
• 適用於：語音通話、行動數據、物聯網。
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🧠 二、主要多工技術
1️⃣ FDMA（Frequency Division Multiple Access）
• 原理：把頻譜切成多條「固定頻道」，每個人佔用一條。
• 特點：結構簡單，但頻譜利用率不高。
• 應用：1G 類比行動電話。
2️⃣ TDMA（Time Division Multiple Access）
• 原理：同一頻道，不同用戶「輪流」在不同時間發送。
• 特點：效率比 FDMA 高，但需要時間同步。
• 應用：2G GSM。
3️⃣ CDMA（Code Division Multiple Access）
• 原理：所有用戶同時使用同一頻段，但各自有不同「碼字」做區分。
• 特點：抗干擾強、容量大，但系統設計複雜。
• 應用：3G。
4️⃣ OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）
• 原理：把頻譜切成許多小子載波（Subcarriers），用戶分配不同子載波組合。
• 特點：頻譜效率高、抗多路徑干擾，適合高速數據。
• 應用：4G LTE、5G NR。
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💻 三、ASCII 示意圖
1️⃣ FDMA: 頻率分割
|用戶1|-----f1-----| 用戶2 |-----f2-----| 用戶3 |-----f3-----|
2️⃣ TDMA: 時間分割
時間 ---> | U1 | U2 | U3 | U1 | U2 | U3 | 循環...
3️⃣ CDMA: 碼字分割
所有人同頻發送，但用不同「碼」區分 → [U1: 1010], [U2: 1100], [U3: 1001]
4️⃣ OFDMA: 正交子載波
頻率 ---> [u1][u2][u3][u4]... 每人分配不同子載波群組
FDMA、TDMA、CDMA 與 OFDMA都是多工技術，用來讓多個使用者同時共用同一個無線頻譜資源。FDMA是把頻率分割成不同通道，每個用戶各占一段頻寬；TDMA是把時間切成時槽，依序輪流給不同用戶傳送；CDMA則是在同一頻段同時發送，但用不同的擴頻碼來區分使用者；OFDMA進一步把頻寬細分成許多互相正交的子載波群，動態分配給不同使用者，達到高頻譜利用率與靈活調度，特別適合 4G/5G 以上的寬頻行動網路。
👉 說明：
• FDMA = 固定車道，每人一條。
• TDMA = 單一車道，大家輪流走。
• CDMA = 同一車道，但每人車牌不同，不會搞混。
• OFDMA = 多線高速公路，車道可動態分配。
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🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題：請比較 FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA 在「頻譜效率」與「系統複雜度」上的差異，並指出為什麼 4G/5G 都採用 OFDMA。
• FDMA（Frequency Division Multiple Access，分頻多工）
‧ 頻譜效率：低到中等。每個用戶獨占一段頻寬，頻道閒置時無法動態利用。
‧ 系統複雜度：低，技術簡單，早期模擬行動電話系統常用。
• TDMA（Time Division Multiple Access，分時多工）
‧ 頻譜效率：中等。多個用戶共用同一頻寬但分時使用，空時隙仍浪費。
‧ 系統複雜度：中，需精確時間同步。2G GSM 主要採用此技術。
• CDMA（Code Division Multiple Access，分碼多工）
‧ 頻譜效率：中高。所有用戶同時用同頻帶，靠擴頻碼分開訊號，有較好干擾容忍度。
‧ 系統複雜度：高，需要複雜的擴頻、解碼與功率控制。3G（WCDMA、CDMA2000）常用。
• OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交分頻多工）
‧ 頻譜效率：最高。將頻寬切成許多正交子載波，根據用戶需求與通道品質動態分配，幾乎沒有閒置浪費。
‧ 系統複雜度：高，需要 FFT/IFFT 處理、頻率同步與精密調度。
• 為什麼 4G/5G 採用 OFDMA：
OFDMA 結合多工與動態分配的優點：可根據不同用戶的通道條件分配子載波，提高頻譜效率；可彈性支援高資料速率、低延遲、多樣化服務，並易於與 MIMO/波束賦形結合，是 4G/5G 高容量與高彈性需求的最佳選擇。
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2️⃣ 應用題：如果電信要提升 5G 熱點區域的用戶容量，你會如何利用 OFDMA 的「子載波分配」特性來設計解決方案？
• 核心想法：OFDMA 可將頻寬切成數十或數百個正交子載波，根據用戶的即時需求、通道品質和優先級動態調度。
• 設計做法：
‧ 將高流量熱點區域（如車站、演唱會場地）劃分為小區/微基站並使用 OFDMA 子載波細分。
‧ 即時監控各用戶的 SNR/頻道品質，對好通道的用戶分配高階調變+更多子載波，提高峰值速率；對差通道的用戶減少子載波+降階調變，確保穩定連線。
‧ 結合動態頻譜共享與載波聚合（Carrier Aggregation），將多個頻段資源整合，最大化整體頻譜利用率。
• 結果：同一熱點區域內更多用戶可同時上網且品質更平均，減少擁塞與掉速。
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3️⃣ 情境題：假設農村仍在使用 2G（TDMA），都市已升級 5G（OFDMA），請解釋這樣的差異對農村用戶與都市用戶的上網體驗會有什麼不同。
• 農村 2G（TDMA）：
‧ 頻譜效率中低，用戶數多時每人分到的時隙少。
‧ 主要提供語音與低速簡訊服務，資料速率僅 kbps 等級，延遲高。
‧ 無法支援高畫質影音、即時雲端應用。
• 都市 5G（OFDMA）：
‧ 頻譜效率高，可同時容納大量用戶且動態分配資源。
‧ 提供數百 Mbps 甚至 Gbps 級速率，延遲低至毫秒等級。
‧ 支援 4K/8K串流、VR/AR、IoT、車聯網等多樣化應用。
• 上網體驗差異：農村用戶僅能進行語音與簡單上網，速度慢、延遲高、同時用戶受限；都市用戶則可享高速、大容量、低延遲的網路體驗，多人同時上網也能維持品質。
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🔑 總結
• FDMA/TDMA 雖簡單但頻譜利用率低；CDMA 較好但複雜；OFDMA 兼具高效率與彈性，是 4G/5G 標準首選。
• 利用 OFDMA 子載波動態分配可在熱點區域大幅提升容量與品質。
• 2G 與 5G 網路差異反映在「速率、容量、延遲、應用多樣性」四方面，都市用戶體驗遠優於農村。
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✅ 五、小結與啟示
• FDMA → TDMA → CDMA → OFDMA，是行動通訊演進的核心脈絡。
• FDMA、TDMA：適合低速語音，但效率有限。
• CDMA：提升容量，推動 3G 普及。
• OFDMA：支撐 LTE 與 5G 的大容量、高速數據傳輸。
• 多工方式選擇 = 技術世代的關鍵。
👉 一句話總結：多工方式就是「如何讓大家同時上網」，它決定了行動通訊的效率與體驗。
