行動通訊網路概述
2025-10-19 13:41:45
行動通訊技術演進總覽表
| 世代 | 名稱 | 全名 | 主要技術 | 傳輸方式 | 主要特色 | 備註 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1G | Analog Cellular | 第一代行動通信系統 | AMPS（美國）、NMT（北歐）等 | 類比 (Analog) | 只能進行語音通話、品質差、無加密。 | 手機初始時代（1980s），每通話需專用頻道。 |
| 2G | GSM | Global System for Mobile Communications | TDMA、FDMA | 數位 (Digital) | 支援語音、簡訊 (SMS)、漫遊與基本資料傳輸。 | 首個全球化的行動標準。 |
| 2.5G | GPRS | General Packet Radio Service | 封包交換 (Packet Switching) | 混合（電路＋封包） | 新增封包數據傳輸，實現初步行動上網。 | 可達約 56–114 kbps。 |
| 3G | UMTS | Universal Mobile Telecommunications System | WCDMA | 全封包 (Packet Switching) | 同時支援語音與高速資料（影像、網頁、串流）。 | 速率達 384 kbps–2 Mbps。 |
| 4G | LTE | Long Term Evolution | OFDMA、SC-FDMA | All-IP (全封包) | 高速行動網路、低延遲、支援 VoLTE。 | 實現寬頻化與智慧手機時代。 |
| 4G+ | LTE-A | LTE-Advanced | 載波聚合、MIMO、多天線 | All-IP (全封包) | 更高傳輸速率（上看 1 Gbps）、更佳頻譜效率。 | 為 5G 的過渡階段技術。 |
5G頻段特性
5G NR (New Radio)為 3GPP 制定的第五代無線接取標準（TS 38.300 系列），頻段分為 Sub-6GHz（中頻段）和 mmWave（>6GHz）。
| 類別 | 中頻段 (Mid Band) | 高頻段 (High Band / mmWave) |
|---|---|---|
| 頻段區間 | 2 GHz ～ 6 GHz | > 6 GHz（通常為毫米波 mmWave 頻段） |
| 代表頻段 | 3.3 ～ 4.2 GHz、4.4 ～ 5.0 GHz | 24.25 ～ 29.5 GHz、37 ～ 43.5 GHz |
| 主要支援特性 | eMBB、URLLC、mMTC | eMBB（主打高速） |
| 主要功能 | 訊號涵蓋 + 系統容量平衡 | 超高頻寬、超高速率 |
| 資料速率 | 百 Mbps ～ 1 Gbps | 可達 10 ～ 20 Gbps |
| 涵蓋範圍 | 中等（城市區域） | 最小（數十公尺至數百公尺） |
| 部屬時期 | 初期 ～ 中期 | 中期 ～ 晚期 |
| 部屬區域 | 人口密集區（市中心、商圈） | 特定地點（體育館、車站、機場） |
| 基站形式 | 大型基地台 + 街道小型基地台 (Small Cell) | 室內/街道級小型基地台 |
| 優點 | 傳輸速度與覆蓋兼顧 | 傳輸速率極高、延遲最低 |
| 缺點 | 成本中等、干擾需控管 | 穿透力弱、需高密度布建 |
5G 三大應用場景比較表
| 名稱 | 全名 | 中文名稱 | 主要特色 | 代表應用 | 技術重點 |
|---|---|---|---|---|---|
| eMBB | enhanced Mobile Broadband | 增強型行動寬頻 | 高速率、大頻寬、高用戶密度 | 4K/8K 串流影音、雲端遊戲、AR/VR、遠距教育 | 使用 中/高頻段，強調頻寬提升與用戶體驗 |
| URLLC | Ultra-Reliable and Low-Latency Communication | 超高可靠低延遲通訊 | 延遲極低（<1 毫秒）、可靠性極高（99.999%） | 自駕車、遠距手術、智慧工廠、電網控制 | 核心為低延遲協定設計、邊緣運算 (MEC)、網路切片 |
| mMTC | massive Machine-Type Communication | 大規模機器型通訊 | 支援大量裝置連接（百萬級/km²） | 智慧城市、智慧電錶、農業感測、環境監控 | 著重省電、長連接時間、廣覆蓋 |
5G 核心網路架構演進
在 5G core network 中, 以 CUPS 技術將控制面(Control Plane)與使用者面(User Plane)切割，控制信令集中於核心，資料傳輸則就近於邊緣處理，提升速度與靈活性。
| 技術名稱 | 全名 | 中文名稱 | 核心概念 | 主要優點 | 實際應用 |
|---|---|---|---|---|---|
| SBA | Service-Based Architecture | 服務化架構 | 將核心網路功能以服務形式（Service） 模組化與 API 化，透過 HTTP/REST 介面彼此通訊。 | 網路功能軟體化、可虛擬化部署、開發敏捷性高。 | 提供快速擴展與更新，例如 AMF、SMF、UPF 可獨立升級。 |
| CUPS | Control and User Plane Separation | 控制面與使用者面分離 | 將控制面 (Control Plane) 與使用者面 (User Plane) 拆開部署。 | 支援分散式部署（中央與邊緣資料中心）、減少延遲。 | 可在邊緣部署 UPF，加速自駕車、AR/VR 等低延遲服務。 |
| Network Slicing | — | 網路切片 | 將一個實體網路切成多個虛擬、獨立的子網 (Slice)。 | 根據應用需求客製化 QoS、延遲、頻寬等參數。 | 不同切片支援不同服務，如 eMBB、URLLC、mMTC。 |
5G NR gNB 架構與介面整理
gNB 的分層架構
| 模組 | 全名 | 主要功能 | 對應層級 |
|---|---|---|---|
| CU（Central Unit） | Centralized Unit | 控制面與高層資料處理，例如 RRC、SDAP、PDCP。 | 核心層 (Central Unit) |
| DU（Distributed Unit） | Distributed Unit | 負責無線資源控制與資料鏈路層功能，如 RLC、MAC、PHY-high。 | 分散層 (Edge / Access) |
| RRH（Remote Radio Head） | Remote Radio Head | 處理射頻層 (PHY-low)，與天線模組連接。 | 實體層 (Radio) |
主要協定層 (Protocol Stack)
| 協定層 | 功能 |
|---|---|
| RRC (Radio Resource Control) | 負責連線管理、無線資源分配、移動控制。 |
| SDAP (Service Data Adaptation Protocol) | 將 QoS 流映射到 PDCP。 |
| PDCP (Packet Data Convergence Protocol) | 處理加密、完整性保護、壓縮。 |
| RLC (Radio Link Control) | 分段/重組封包、錯誤更正。 |
| MAC (Medium Access Control) | 排程與通道多工。 |
| PHY (Physical Layer) | 實際無線訊號調變、編碼、傳輸。 |
5G gNB 介面對應與功能
| 介面名稱 | 方向 | 功能說明 |
|---|---|---|
| NG-C / NG-U | gNB ↔ 5G Core（AMF / UPF） | 與核心網連線：NG-C 為控制面、NG-U 為使用者面。 |
| Xn-C / Xn-U | gNB ↔ gNB | 基地台之間的控制與資料通訊（Xn介面取代 4G 的 X2）。 |
| E1 | CU-CP ↔ CU-UP | 在中央單元內部分離控制與使用者面。 |
| F1-C / F1-U | CU ↔ DU | 控制與資料分流介面，實現高層功能分離。 |
| F2-C / F2-U | DU ↔ RRH | 進一步的低層分離，負責射頻與訊號傳輸。 |
4g 如何過渡到 5g?
目前大多使用者仍然維持使用 4g，要如何兼顧兩種設備的使用者呢? 其實在 4G 與 5G 過渡階段，ng-eNB 讓 4G LTE 手機仍能透過 5G 核心網使用部分 5G 服務；而 gNB 則是完整支援 5G NR 空中介面與模組化架構（CU/DU/RU 拆分）的新一代基地台，具備更高頻寬、低延遲與彈性部署能力。
| 項目 | ng-eNB | gNB |
|---|---|---|
| 全名 | Next Generation eNodeB | Next Generation NodeB |
| 用途 | 讓使用 4G LTE 無線介面的裝置（UE）能連接到 5G 核心網 (5G Core) | 讓使用 5G NR（New Radio） 介面的裝置連接到 5G 核心網 |
| 連線介面 | LTE 空中介面（E-UTRA） | 5G NR 空中介面 |
| 對接核心網 | 透過 NG 介面 連接 5G Core (NG-C, NG-U) | 同樣透過 NG 介面連接 5G Core |
| 設計目的 | 為 4G 區域提供 5G Core 接入，作為 4G-5G 過渡階段使用 | 完整支援 5G 無線技術，為 5G 網路主要基地台 |
| 架構組成 | 類似傳統 eNB（單一節點） | 拆分為三個功能模組： • CU（Central Unit）：控制與管理 • DU（Distributed Unit）：實體層與 MAC 處理 • RU（Radio Unit）：射頻收發 |
| 內部介面 | — | F1 介面：連接 CU 與 DU Xn 介面：gNB 間交換控制與資料 |
| 功能特性 | 提供 E-UTRAN 控制與資料平面終止點 | 提供 5G NR 控制與資料平面終止點，支援軟體化與彈性部署 |
| 應用時期 | 5G 初期部署（過渡型網路） | 5G 主流與長期部署架構 |
4G EPC vs 5G Core 功能拆分與演進對照表
到了 5G，gNB（Next Generation NodeB） 取代 eNB，支援更靈活的虛擬化與邊緣部署，提升傳輸效率與網路彈性。
| 4G EPC 元件 | 5G Core 對應功能 | 主要職責 | 說明 |
|---|---|---|---|
| MME (Mobility Management Entity) | AMF (Access and Mobility Management Function) | 控制面 | 管理 UE 的註冊、移動、連線與安全控制。MME 在 5G 中拆分出 AMF 與部分 SMF 職能。 |
| SGW-C (Serving Gateway – Control Plane) + PGW-C (PDN Gateway – Control Plane) | SMF (Session Management Function) | 控制面 | 管理 PDU Session 建立、IP 配置與 QoS，取代原本 4G 的閘道控制功能。 |
| SGW-U (Serving Gateway – User Plane) + PGW-U (PDN Gateway – User Plane) | UPF (User Plane Function) | 使用者面 | 處理用戶資料封包轉送、封包檢查與流量導向。UPF 可在邊緣節點部署，實現低延遲。 |
| HSS (Home Subscriber Server) | UDM (Unified Data Management) + AUSF (Authentication Server Function) | 控制面 | HSS 在 5G 被拆分為： • UDM：管理用戶訂閱資料 • AUSF：處理使用者認證與安全程序。 |
| PCRF (Policy and Charging Rules Function) | PCF (Policy Control Function) | 控制面 | 制定 QoS 與流量政策，並與 SMF、AMF 協作。是 PCRF 在 SBA 架構下的延伸。 |
| — (4G 無對應) | NRF (NF Repository Function) | 控制面 | 管理並註冊所有 5G 網路功能 (NF) 的 API 資訊，支援動態發現與服務互通。 |
| — (4G 無對應) | NSSF (Network Slice Selection Function) | 控制面 | 根據服務類型（eMBB、URLLC、mMTC）選擇合適的網路切片。 |
| — (4G 無對應) | NEF (Network Exposure Function) | 控制面 | 提供對外 API 介面，使第三方服務可安全使用 5G 網路能力（例如 QoS、位置資訊）。 |
| PDN / DN (Public Data Network) | DN (Data Network) | 使用者面 | 實際的外部資料網路（如網際網路、企業雲端、應用伺服器）。 |
