5G 技術的蓬勃發展正推動著電信產業鏈的革新。本文將深入剖析從 4G LTE 到 5G 的網路架構演進、核心技術突破及關鍵應用場景，旨在提供一份清晰的技術藍圖。分析顯示，5G 並非 4G 的簡單升級，而是一個融合了網路功能虛擬化、軟體定義網路等創新技術的全新架構，為增強型行動寬頻 (eMBB)、超可靠低延遲通訊 (URLLC) 和大規模機器型別通訊 (mMTC) 三大應用場景奠定了堅實基礎。
4G LTE 技術基礎
要理解 5G，必須先掌握其前身 4G LTE 的核心技術。LTE 透過系統架構演進 (System Architecture Evolution, SAE)，建立了一個全 IP 的簡化網路，為高速、低延遲的通訊奠定基礎。
頻譜利用與載波聚合 (Carrier Aggregation)
LTE 的效能高度依賴於頻譜的有效利用。除了在授權頻譜中運作，LTE 也發展出在非授權頻譜（如 5 GHz）中運作的技術，如 LTE-U 和 授權輔助存取 (LAA)，後者透過 “Listen-Before-Talk” (LBT) 機制與 Wi-Fi 共存。
為了進一步提升速率與容量，LTE 引入了載波聚合技術，它能將多個分散的頻段（載波）捆綁使用，最高可聚合五個 20 MHz 的頻道，達到 100 MHz 的總頻寬。其主要方法有三種：
- 同頻段連續 (Intra-band Contiguous): 將同一頻段內相鄰的載波合併。
- 同頻段不連續 (Intra-band Non-contiguous): 合併同一頻段內不相鄰的載波。
- 跨頻段不連續 (Inter-band Non-contiguous): 合併不同頻段的載波，這是最靈活也最常見的方式。
4G LTE 核心網路 (EPC) 架構
4G 的核心網路被稱為演進式封包核心 (Evolved Packet Core, EPC)，其架構由以下幾個關鍵網路功能元件組成：
- 移動管理實體 (MME): 負責控制層面的主要功能，如身份驗證、安全、位置追蹤和移動性管理。
- 服務閘道器 (SGW): 處理使用者資料流量，在基站 (eNodeB) 和 PGW 之間路由封包。
- 公共資料閘道器 (PGW): 作為使用者裝置連接到外部網路（如網際網路）的錨點，並負責分配 IP 位址。
- 使用者資料庫 (HSS): 儲存使用者訂閱資訊、服務權限等資料的中央資料庫。
- 政策控制與計費規則功能 (PCRF): 根據使用者策略和網路狀況，制定服務品質 (QoS) 和計費規則。
圖表解說：4G LTE 核心網路 (EPC) 架構圖
此圖展示了 4G LTE EPC 的主要元件及其標準化的介面與互動關係。
物聯網技術：Cat-M1 與 NB-IoT
為了滿足物聯網 (IoT) 的低功耗、廣覆蓋需求，LTE 演進出了兩種關鍵技術：
- LTE Cat-M1: 提供約 1.4 MHz 的頻寬和最高 1 Mbps 的傳輸速率，支援移動性和語音功能，適用於車載資通訊 (V2V) 等場景。
- NB-IoT (Cat-NB): 頻寬更窄 (180 kHz)，功耗極低，專為靜態、低資料量的感測器應用設計，不支援移動性切換。
5G 網路架構與關鍵技術
5G 在繼承 4G 優勢的基礎上，進行了革命性的架構重塑，以滿足三大應用場景的需求：
- 增強型行動寬頻 (eMBB): 提供極致的下載速度，支援 4K/8K 影片串流和 VR/AR 應用。
- 超可靠低延遲通訊 (URLLC): 延遲低於 1 毫秒，可靠性極高，適用於自動駕駛、遠端手術等關鍵任務。
- 大規模機器型別通訊 (mMTC): 每平方公里可支援百萬級的裝置連接，專為大規模物聯網而生。
5G 核心網路 (5GC) 的服務導向架構 (SBA)
與 4G 的點對點介面不同，5G 核心網路 (5GC) 採用了服務導向架構 (Service-Based Architecture, SBA)。此架構將網路功能 (Network Functions, NF) 解構成一系列可獨立部署、升級和重複使用的微服務，大幅提升了網路的靈活性、擴展性和資源效率。
主要網路功能 (NF) 包括：
- 存取與移動管理功能 (AMF): 負責註冊、連線、可達性與移動性管理。
- 會話管理功能 (SMF): 負責會話建立、修改與釋放，並為使用者裝置分配 IP 位址。
- 使用者平面功能 (UPF): 處理使用者資料的路由與轉發，是控制與使用者平面分離 (CUPS) 架構的關鍵。
- 統一資料管理 (UDM): 相當於 4G 的 HSS，儲存使用者資料和訂閱資訊。
- 認證伺服器功能 (AUSF): 負責對使用者進行認證。
- 政策控制功能 (PCF): 制定統一的網路策略。
圖表解說：5G 核心網路 (5GC) 服務導向架構圖
此圖展示了 5G 核心網路的服務導向架構，其中各個網路功能 (NF) 以服務的形式相互通訊。
5G 安全性與註冊流程
5G 透過統一認證框架顯著提升了安全性。它採用用戶永久識別碼 (SUPI)，並在傳輸時將其加密為用戶隱私識別碼 (SUCI)，有效防止了身份被竊聽。
圖表解說：5G 註冊與認證流程
此循序圖詳細說明了 5G 網路中，使用者裝置 (UE) 從發起註冊到完成認證的完整流程。
5G 技術的發展正推動著電信產業鏈的革新。相較於 4G，5G 不僅在速度、延遲和容量上實現了飛躍，更重要的是其採用了服務導向的雲原生架構，為網路切片、邊緣運算等創新應用提供了可能。然而，5G 的普及仍面臨毫米波傳播限制、網路部署成本高昂以及安全威脅演變等挑戰。技術團隊必須專注於克服這些障礙，才能完全釋放 5G 的潛力。玄貓認為，隨著基礎設施的完善和生態系統的成熟，5G 將深刻改變社會的運作方式，並催生出前所未有的創新應用與商業模式。
