# 物聯網-網路通訊相關技術

| 行動通訊網路 | 應用 | 技術重點 |
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| 1G | 語音電話傳送類比語音，例如第一代商用行動電話「黑金剛」。 | 類比語音技術 |
| 2G | 保密性佳，系統容量高，可提供較佳數位語音電話與簡訊、數據的傳輸，例如使用SIM卡的Nokia 3310。 | 類比語音技術 |
| 3G | 數位語音電話、簡訊與數據的多媒體服務，例如可以傳送圖片及使用APP的手機。 | 行動電話寬頻 |
| 4G | 全IP化網路服務（含語音與寬頻數據服務），例如可做影音直播、Uber叫車的智慧型手機。 | 行動電話寬頻 |
| 5G | 三大應用特點：達到即時、多人、同時且大量的資料傳輸。1. 超大寬頻2. 超可靠低延遲3. 超大量連結 | 網絡型社會連結：• Air Interface• NFV（Network Function Virtualization）• Open vRAN（Open Virtualized Radio Access Network）• SDN（Software Defined Networks）• NSA（Non-Stand Alone）• HetNet（Heterogeneous Network）• Massive MIMO（Multiple Input and Multiple Output）• mmWave（Millimeter Wave） |

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#### IoT主要通訊方式
> 包括D2D(Device-to-Device)、M2M(Machine-to-Machine)

#### D2D(Device-to-Device)
> 指無線裝置間不經過BS(Base station,基地台)進行協調傳送而是直接通訊的技術。
> eg. 用手機跟遠方朋友打電話(不須透過base station牽線)

#### M2M(Machine-to-Machine)
> 指機器間的數據交換，利用機器對遠端的機器進行操控與通訊。
> M2M系統包括 HardWare、Software，各個Hardware間可透過網路進行遠端間的數據溝通，對設備能進行更有效的控制，可逐漸廣泛地應用在自動傳輸、遠端控制和測量等。

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### 物聯網組成架構

> 可分為三個階層，由下而上為感測層、網路層與應用層。
- 感測層包含: 末端被感測的物體、感測器、感測區域網路及gateway
- 網路層: 大多是TCP/IP網路或行動通訊網路
- 應用層: 則是企業因應不同的業務需求建置的應用系統


### 感測層
> 又可分為「感測技術」、「辨識技術」
- 感測技術: 將感測器安裝於硬體上，使其具備感測環境變化或物體移動的能力，並將蒐集而來的資料上傳雲端平台。感測器有如人體的感官，即偵測周遭物理變化後，轉換為類比的電器訊號，再將類比轉成數位訊號。主要感測器的種類如下:

- 辨識技術: 有助於快速識別物體的身分。如品項名稱、生產國別、製造日期等

### 網路層
> 包含各種不同通訊範圍及傳輸速率的無線網路，可區分為「短距離無線通訊網路」、「長距離無線通訊網路」，但兩者的目的仍是要連接網路上雲端。下圖為無線通訊協定的分類:


#### 短距離無線通訊網路(又稱"區域網路")
> 較具代表性的通訊技術有ZigBee、Bluetooth與Wi-Fi。這類技術的通訊速度快，一般而言Wi-Fi傳輸距離約100m、ZigBee為30m及Bluetooth 4.2 / 5.0分別為20m / 50m
>
> 由於傳輸範圍是屬於100m內，相當適合應用於工廠這類空間有限、存在大量須被控制裝置的場域。
>
> - 優點: 頻段穩定及通訊速度快
> - 缺點: 裝置消耗功率大，不過近年來裝置的電源設計上皆朝向低耗能的發展趨勢。而UWB（超寬頻技術）則因在室內/戶外場域使用時，須廣布指向性天線且須拉設乙太網路供電線（Power Over Ethernet，POE），其訊號傳輸易受金屬屏蔽物影響而導致訊號微弱，不適用於建造中之工地使用，在此不予討論。下圖是短距離無線通訊協定比較


#### 長距離無線通訊網路(又稱"外網")
> 較具代表性的通訊技術有3G、4G LTE與近幾年在IoT世界備受矚目的LPWA。
> 先說明電信網路通訊技術，3G/4G LTE應該是大家耳熟能詳，是由基地台與手持設備所組成，使用者只要位於基地台通訊含蓋範圍內，便可進行語音或資料傳輸，其架構由底層至上層可分為三個階層（如下圖），行動電話→基地台→電信機房內之交換機
>

而近年盛行的5G（第五代通訊技術） 為下一代行動通訊網路技術，特性是低延遲（URLLC）、大頻寬（eMBB）與廣連結（mMTC），而衍生出的Open RAN技術，則可推廣至「企業專網」應用，而這是另一面向的討論，故本文就不深入探究電信網路通訊技術的演進，將重點放在對LPWA的認知。

因應物聯網市場持續地擴大，各種低耗能廣域網路（Low Power Wide Area, LPWA）陸續被開發出來，如LoRa、Sigfox與NB-IoT…等，共同的特色是通訊範圍可達數百公尺以上之長距離，具有高覆蓋（Deep/Wide Coverage）、低耗能（Low Power Consumption）和大連接（Massive Connections）等特性，下圖是長/短距離無線通訊距離與電池消耗之關聯。


#### LPWA (Low Power Wide Area, 低功耗的無線通訊技術)
> 指所有實現「低功耗遠距離通訊」的無線通訊技術，使用 LPWA的網際網路稱為 「LPWAN」(低功耗廣域網路)
>
> LPWA 又可分為「蜂巢式」、「非蜂巢式」。


### **Cellular LPWA** (蜂巢式LPWA)
> 是基於現有的蜂巢網路（如 4G LTE 或 5G）的技術，它們由電信運營商運營，通常需要訂閱服務來連接到公共蜂巢網絡。

#### 常見技術：
1. **NB-IoT（窄帶物聯網）**：這是一種基於 LTE 網絡的技術，專為大規模低功耗設備通信設計。NB-IoT 可以覆蓋遠程地區，消耗的能量很低，非常適合靜態的、周期性傳輸少量數據的設備。
2. **LTE-M（LTE Cat-M1）**：這是一種更高速、更靈活的技術，相比 NB-IoT，它可以提供移動性支持，因此適合移動中的設備（例如，車輛或可穿戴設備）。

#### 優點：
- **網絡覆蓋廣**：由於利用了現有的基地台，提供廣泛的地理覆蓋。
- **高可靠性**：蜂窩網絡由運營商維護，通常具有較高的服務質量和穩定性。
- **支持移動性**：特別是 LTE-M 支持移動中的設備，在移動應用中表現較好。
- **安全性高**：蜂窩技術天生具備較高的安全性，因為它們繼承了蜂窩通信的加密和認證機制。

#### 缺點：
- **成本較高**：使用蜂窩 LPWA 需要訂閱服務，運營商的數據計費模式可能增加運營成本。
- **依賴運營商**：需要依賴運營商的基站，沒有自己的網絡控制權。

### **Non-Cellular LPWA**
Non-Cellular LPWA 是非蜂窩基礎設施的低功耗廣域網技術，通常由企業或社區網絡自建，或通過專門的LPWA運營商提供服務。

#### 常見技術：
1. **LoRa（Long Range）**：LoRa 是基於專有技術的無線通信協議，使用免許可的無線電頻譜進行低速數據傳輸，適合靜態物聯網設備。
2. **Sigfox**：Sigfox 是一種全球範圍的 IoT 網絡技術，專注於超低功耗、低速傳輸。它的數據傳輸速度非常慢，但覆蓋距離長且成本低。

#### 優點：
- **部署成本低**：Non-cellular LPWA 可以在免許可的頻譜上運行，因此設備和運營成本較低，且可自主部署，不需要依賴第三方運營商。
- **功耗非常低**：這類技術設計為長時間運行，電池壽命可長達數年，特別適合要求電池壽命長的靜態設備。
- **長距離通信**：LoRa 和 Sigfox 都能夠實現長距離的數據傳輸，最遠可達數公里，甚至在城市環境中也能有較好的覆蓋範圍。

#### 缺點：
- **數據速率低**：相比蜂窩技術，Non-Cellular LPWA 的數據傳輸速率更低，通常只適合傳輸小量的數據，如傳感器數據。
- **移動性支持差**：大部分 Non-Cellular LPWA 技術不適合移動中的設備，主要針對靜態物聯網設備。
- **網絡覆蓋受限**：因為大多數時候是企業自建網絡或依賴專門的運營商，網絡覆蓋範圍通常比蜂窩技術小，需要專門的基礎設施來支持。

以下是 **Cellular LPWA** 和 **Non-Cellular LPWA** 的比較表格：

| 項目 | Cellular LPWA | Non-Cellular LPWA |
|------------------------|---------------------------------------------------|--------------------------------------------|
| **技術** | NB-IoT、LTE-M | LoRa、Sigfox |
| **網絡基礎設施** | 依賴現有的蜂窩網絡基站，由運營商維護 | 使用免許可頻譜，可自建或依賴專門運營商 |
| **覆蓋範圍** | 廣，基於運營商的蜂窩網絡 | 覆蓋範圍有限，通常需要自建網絡 |
| **移動性支持** | 支持（尤其是 LTE-M 支持移動設備） | 通常不支持，適合靜態設備 |
| **數據傳輸速率** | 相對較高（LTE-M 更高，NB-IoT 較低） | 低，適合小數據傳輸 |
| **功耗** | 低功耗，但相對 Non-Cellular 稍高 | 超低功耗，電池壽命可達數年 |
| **網絡安全性** | 高，繼承蜂窩通信的加密與認證機制 | 視部署方式而定，安全性可能較低 |
| **部署成本** | 高，需依賴運營商服務並支付數據費用 | 低，自建網絡或使用較低成本的專用運營商 |
| **應用場景** | 大範圍覆蓋、需要移動支持、可靠性要求高的應用 | 靜態、長期監控且數據量小的 IoT 應用 |
| **主要優點** | 覆蓋範圍廣、可靠性高、安全性強、支持移動設備 | 部署成本低、功耗非常低、長距離傳輸 |
| **主要缺點** | 成本較高、需依賴運營商的網絡 | 覆蓋範圍有限、數據傳輸速率較低、不支持移動性 |

物聯網最重要的關鍵，是以低耗能長距離且持續傳輸少量數據，因此適合用在需大範圍監測環境、追蹤人/物位置、公用事業的智慧水/電錶資訊蒐集…等，下圖針對LoRa、Sigfox與NB-IoT…等通訊技術，進行比較整理。


物聯網遭遇到的瓶頸是不同網路通訊技術之間無法溝通的問題，因此必須藉由異質網路（如上圖、長/短距離無線通訊距離與電池消耗之關聯）的整合技術，藉助異質閘道器的協助，整合多種無線通訊之協定，讓不同的無線通訊協定彼此溝通。

舉例來說，在實際監測環境中所應用的短距離無線技術網路，如Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）及ZigBee…等，須與長距離無線技術網路，如LoRa、Sigfox及NB-IoT…等彼此溝通，目前市面上的gateway多數會相容幾種的通訊技術（如Wi-Fi、Bluetooth及ZigBee），以確保彼此溝通無礙。

#### LoRaWAN

#### Sigfox

#### NB-IoT

#### LTE (Long Term Evolution)
> 介於3G 和 4G 之間的技術，實質上被視為4G的通訊技術




### MIMO (Multi-In Multi Out, 多輸入多輸出)
> 使用多根無線天線提高通訊速度的技術。裝置和基地台皆架設多根天線，各個天線同時進行收發訊號。資料傳輸線路充沛，得以實現高速傳輸

### SISO (Single-In Single-Out, 單輸入單輸出)
> 裝置只使用一根天線和基地台也只使用一根天線


#### LTE advanced
> 正式被歸類為4G的LTE通訊技術。以LTE為基礎，提高LTE的通訊速度，透過導入「載波聚合」(carrier aggregation)、多點協調傳輸(coMP, coordinated Multiple Point)、MIMO擴張、SC-FDMA(Single Carrier-FDMA)、異質網路(HetNet)、接力傳送等新技術，實現最大1Gbps(下行)的通訊速度


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#### LTE-M (LTE Cat.M1)
> 又稱「eMTC」(enhanced Machine Type Communication)，M:代表Machine
> 歸類為5G的LTE通訊技術，適用於IoT的LTE無線通訊規格，由於IoT設備不需要原先LTE所具備的「通訊速度快、功耗高」，所以不需要如同LTE寬廣的頻寬，於是LTE-M僅使用部分的LTE頻寬(最大1.4MHz頻寬)，並用於IoT的資料通訊中

透過縮短BandWidth，可將LTE-M的通訊速度降至「最大1Mbps」(上行、下行)


LTE-M 是一種針對物聯網（IoT）設備設計的蜂窩通信技術，為了降低功耗、擴展覆蓋範圍、支持軟件升級等，LTE-M 採用了多項技術，其中包括 eDRX、PSM、擴展覆蓋率技術（EC：Extended Coverage），以及 FOTA（Firmware Over-The-Air）。接下來將對這些技術進行詳細介紹。

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### 1. **eDRX（延遲的不連續接收，Extended Discontinuous Reception）**

**eDRX** 是 LTE-M 中為了降低設備功耗而引入的一項技術。其設計理念是允許設備在長時間不進行通信時關閉部分硬件，並定期在預定的時間點喚醒進行網絡檢查。這樣，設備可以節省大量功耗，特別是在低頻率通信的物聯網場景中非常實用。

#### **工作原理**：
- 當啟用 eDRX 後，設備進入 "睡眠模式" 或 "低功耗模式"，只有在需要接收或傳輸數據時才會喚醒射頻模塊進行通信。
- **eDRX 週期** 是指設備與網絡檢查是否有數據傳輸的間隔時間。這個週期可以設置為從幾秒到幾分鐘甚至幾個小時，具體取決於應用需求。週期越長，設備的功耗越低，但延遲性也越高。

#### **優點**：
- **降低功耗**：eDRX 通過減少射頻模塊的開啟時間，能夠大大降低設備的功耗，尤其適合需要長期監控但不經常通信的應用。
- **長期運行**：例如智慧表具、環境傳感器等設備可以利用 eDRX 長期運行且依靠電池供電。

#### **應用場景**：
- 適合不需要實時通信的 IoT 設備，如智慧停車場、空氣質量監測系統，這些設備可以每隔幾分鐘或幾小時與網絡通信一次。

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### 2. **PSM（節能模式，Power Saving Mode）**

**PSM** 是 LTE-M 中的另一項節能技術，它允許物聯網設備進入一個更深度的低功耗狀態，這種狀態下，設備保持註冊狀態，但不進行通信，直到需要重新啟動通信時才喚醒。

#### **工作原理**：
- 當設備完成一次數據通信後，進入 PSM 模式。此時，設備關閉大多數功能，包括射頻模塊和網絡通信功能，只保留一些基本功能以維持設備的內部運行。
- 不像 eDRX 需要定期喚醒，PSM 允許設備在一段極長的時間內不進行任何網絡通信，直到需要主動傳輸數據時才喚醒。
- 設備在 PSM 模式下不會接收來自網絡的下行數據（即網絡無法主動喚醒設備），但仍然保持註冊狀態，這樣設備在重新喚醒時不需要進行完整的網絡重新連接流程。

#### **優點**：
- **極低功耗**：PSM 可以實現設備長時間運行，特別適合那些需要依靠電池供電、並且不頻繁進行數據通信的 IoT 設備。根據應用場景，電池壽命可以達到 10 年以上。
- **快速重新連接**：當設備從 PSM 模式中喚醒後，它保持了之前的網絡註冊狀態，這意味著它可以快速恢復通信，無需重新進行網絡附著。

#### **應用場景**：
- 適合長期監控且數據通信頻率極低的應用，如遠程監控設備、智慧農業中的傳感器等，這些設備只需要定期或在特定事件觸發時進行通信。

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### 3. **擴展覆蓋率技術（EC：Extended Coverage）**

**擴展覆蓋率技術（EC）** 是 LTE-M 中的一個關鍵技術，旨在改善網絡的覆蓋範圍，特別是對於在信號較弱的地區，如室內、地下或偏遠地區的物聯網設備。

#### **工作原理**：
- 通常情況下，LTE-M 設備可以通過重傳（Repetition）的方式來加強信號。具體而言，設備會多次重複發送相同的數據包，這樣可以增強信號並確保數據能夠被網絡正確接收。
- LTE-M 引入了三個不同的 **覆蓋等級（Coverage Enhancement Levels，CE）**，具體等級會根據設備和網絡之間的信號強度來選擇。
- **CE Level 0**：適合標準信號強度的區域，不需要特別的覆蓋增強。
- **CE Level 1** 和 **CE Level 2**：適合弱信號區域，設備將通過重傳機制提高傳輸成功率。

#### **優點**：
- **提升弱信號區域的覆蓋率**：擴展覆蓋率技術使得 LTE-M 設備在地下室、密集建築物內或偏遠地區仍能正常通信，這是傳統 LTE 網絡無法達到的。
- **可靠的數據傳輸**：通過多次重傳，即使在信號差的地區，數據也可以準確無誤地傳輸。

#### **應用場景**：
- 適合部署在信號差、偏遠地區的物聯網應用，如遠程監控設備、農業傳感器、智慧城市中的地下基礎設施監控等。

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### 4. **FOTA（Firmware Over-The-Air）**

**FOTA**（Firmware Over-The-Air）是一項允許遠程更新設備固件的技術，通過空中下載（OTA）的方式對物聯網設備進行固件升級。FOTA 是物聯網設備管理的重要功能，特別是對於大規模部署的設備，FOTA 可以大幅提高管理效率並減少維護成本。

#### **工作原理**：
- 當設備需要升級時，運營商或設備管理平台會將新固件上傳到遠端服務器。
- 然後，設備通過 LTE-M 網絡下載新固件，並在後台進行升級。升級完成後，設備會重新啟動並應用新固件。
- 整個升級過程可以無縫進行，並且設備在此期間可以保持正常工作，直到升級完成。

#### **優點**：
- **遠程管理**：不需要物理訪問設備即可實現固件更新，這對於分散在不同地理區域的大量 IoT 設備來說非常重要。
- **即時升級**：能夠在有漏洞或新功能發布時即時對設備進行升級，確保設備的安全性和穩定性。
- **降低維護成本**：通過遠程更新技術，運營商可以減少派遣技術人員的需求，降低人力和運營成本。

#### **應用場景**：
- 適合大規模部署的物聯網設備，如智慧城市中的基礎設施、車隊管理中的車輛追踪設備，或智能家庭中的連網設備，這些設備需要定期更新或修補漏洞。

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| 技術 | 功能 | 優點 | 應用場景 |
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| **eDRX** | 延遲不連續接收，讓設備週期性喚醒檢查網絡。 | 大幅降低功耗，適合周期性低頻通信的設備。 | 智慧表具、環境傳感器。 |
| **PSM** | 節能模式，允許設備進入深度睡眠狀態。 | 超低功耗，設備電池壽命可達數年，適合極少通信的設備。 | 遠程監控、智慧農業中的傳感器。 |
| **擴展覆蓋率** | 提升弱信號區域的網絡覆蓋能力，通過重傳增強信號。 | 使設備在信號差的區域仍能正常通信，確保數據傳輸可靠性。 | 偏遠地區、地下設施、農業傳感器。 |
| **FOTA** | 允許通過無線網絡遠程更新設備的固件。 | 遠程管理，降低維護成本，實現即時升級，確保設備安全與穩定。 | 大規模物聯網部署中的設備管理，如智慧城市基礎設施。 |


參考文章: https://iot.telenor.com/zh/resources/lte-m-vs-nb-iot-guide-differences/

### 應用層
待整理

參考資料: https://www.ctci.com/e-newsletter/CH/468/technology/article-01.html

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### Open RAN

### IoT gateway
> 是IoT設備的智慧中心樞紐，可將IoT設備對外連接到雲端和彼此，將IoT設備之間的通訊進行翻譯並過濾以轉為有用的資訊


https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.dusuniot.com%2Fzh-TW%2Fblog%2Fwhat-is-an-iot-gateway%2F&psig=AOvVaw2ghT4kWSQmDKF6aBB8vzr4&ust=1726651197566000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBcQjhxqFwoTCJjg-43TyYgDFQAAAAAdAAAAABAY

二. 物聯網路規格

三. WiFi種類

四. WiFi 資安防護
https://www.tp-link.com/tw/wpa3/

## 5G (第五代行動通訊)
> 是最新世代的「行動通訊系統」，針對IoT大幅升級的技術。5G 滿足「eMBB」(高速度)、「URLLC」(低延遲)、「mMTC」(多連結)等要求。


> 5G不同於4G LTE的地方在於，其通過網路切片（Network Slicing）的技術，虛擬化了5G的網路傳輸，並將其切割成多個虛擬端到端的網路，並且賦能三種架構。

> 這三種架構分別為:
1. 增強型行動寬頻（eMBB, enhanced Mobile BroadBand）
> 簡單說就是更快速的4G網路，特性與4G相同但更快且承擔能力更強，不僅網路變快，對於需要高質量傳遞的應用來說(如8k影片、VR等)也非常合適

2. 超可靠低延遲通訊（URLLC, Ultra-Reliable and Low Latency Communications）
> 求慢、求低延遲、求高可靠的特性，使其非常適用應用於對於可靠性要求較高的應用上 eg. 自駕車

3. 大規模機器型通訊（mMTC, massive Machine Type Communication）
> 聚焦於低耗能，廣連結的特性(一次可以連結非常多個設備)，


#### Q: 哪一種5G架構會成為主軸？
在現在最主流的應用都是eMBB，原因出自支撐eMBB架構的晶片就是我們在智慧型手機上所使用的，而在B2B端，eMBB也有越來越多企業發展該領域，以及晶片的設計。

而URLLC的技術尚在進步中，等其成熟到一定程度，再加上整體5G基礎建設的完善後，產業的採納才會開始，目前專家普遍預計在2023年後才會看到URLLC技術的普及。屆時，URLLC會聚焦在較為小眾，但是對於可靠程度有絕對依賴性的應用，其中像是健康醫療產業、智慧交通、智慧基礎建設等。

mMTC的特性，也就是可以連接無數個裝置，並且其耗電量較低的特性，讓其成為以LoRaWan為首其他LPWAN的連接技術的直接競爭對手，然而LoRaWan相對5G起跑點早了整整五年，故此產業的廣泛的採納仍然需要等到2025-2030後。


# 5G的基本技術有哪些?

- 空中介面（Air Interface）：
> 物理設備與存取點（access point）之間的無線電互聯管理，運用空氣作為傳輸介質 。新的空中介面將有利於在5G網路提升數據承載量、提升瀏覽速度及降低延遲。5G網路朝向介面開放與標準化，網路系統不再像傳統系統般地封閉，電信營運商將攜手第三方設備供應商，共同推動介面開放及標準化，打破既有由國際品牌大廠所寡占壟斷之局面 ，使第三方設備供應商有搶攻市場之機會。透過更多設備供應商彼此間競爭，將可使電信營運商降低設備採購費用，因而降低網路布建成本，並可因此而增加功能客製化與服務差異化的機會，搶攻5G多樣化服務之商機，增加營收來源。
- 網路功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）：
> 在現今網路設備以硬體為核心的情況下，硬體相容性及互通的設計難度、硬體汰換成本相對較高。NFV是用軟體控制、充分利用高彈性之硬體資源，以虛擬化所有網路設備的功能，未來設備更新僅需軟體即可完成，免除硬體更新需求，降低汰換、備料等維運成本。因為NFV需要高運算及記憶能力之硬體，以實現並整併虛擬化網路功能，有利於帶動高容量高運算能力之伺服器設備等產業與加值應用之蓬勃發展。
- **開放式虛擬化無線接取網路（Open Virtual Radio Access Network，Open vRAN）：**傳統的蜂巢式網路架構中，天線、射頻設備、數位訊號處理器、基頻單元裝置等，全都安置在同一個基地台的站點；為了能夠更有效利用資源、降低能源消耗、提升頻譜使用效率、降低布建與維運成本，遂運用虛擬化無線接取網路技術，將基地台切分為中央單元（CU；Central Unit）、分散單元（DU；Distribution Unit）、射頻單元（RU；Radio Unit）等設備。系統特性為介面統一開放、虛擬雲端化、高彈性易客製化。Open vRAN 是由全球電信業者、國際晶片大廠、設備商所提倡，建構標準化之虛擬、開放、雲端化硬體平台，並已成立O-RAN 聯盟。對於全球電信業者來說，營運商直接向製造業者購買設備，打破既有國際品牌大廠寡占壟斷之局面，打造具彈性且價格實惠的5G網路系統，可大幅降低高昂布建成本壓力。由於Open vRAN容易客製化的特性，可以創造開放的產業環境並提升服務差異化 [5]。
- 蜂巢式網路（Cellular network）：是一種行動通訊系統的建設，在規劃基地台的設置時，相鄰的基地台收發無線電波的範圍彼此是重疊且近似圓形，但概念上每一個基地台的電磁波範圍以不重疊的六角形表示（六角形為可無縫鋪滿一區域之最大正多邊形），此範圍稱為細胞，多個小細胞彼此相連形狀如同蜂巢，故命名蜂巢式網路。其優點是基地台之間距離緊密，發送電磁波強度所需的功率可以較低 [6]。
- 天線（Antenna）：在無線電通訊過程中，可轉換電磁波為電能訊號或將電能訊號轉變為電磁波，並有效地發射或接收電磁波中特定範圍內頻率的裝置 [7][8]。
- 射頻設備：發射或接收無線電頻譜中9千赫（kHz）～300吉赫（GHz）間[9]任何頻率電磁波的設備。
- 數位訊號處理器（Digital signal processor，DSP）：是指具內建指令集，並可高效處理數位訊號的裝置，能夠蒐集、控制及處理需要高速傳輸的資料，例如聲音、影像等 [10]。
- 基頻信號（Baseband signal）：原始輸出的訊號，有類比信號及數位信號兩種形式。若直接將基頻信號從輸入端傳送至接收端，即為基頻傳輸 （baseband transmission） [11]；基頻信號也可能經過調變（modulation），將信號提升到另一頻率，或是轉換信號的波形，以利訊息在光纖等通道中的傳送 [12]。
- 頻譜效率：用來表示每單位時間內，單位頻譜的資料傳輸量（單位：bit/s/Hz）[13]。
- **軟體定義網路（Software Defined Networks，SDN）：**行動通訊網路的布建、基地台之間無線電波參數的調整十分繁雜，所需成本及人力較高。SDN透過適當的介面設定，讓相關數據傳送到中央式的控制平面，有助於管理者更即時地了解資訊並調整參數，可以讓5G網路動態地調整參數、提昇效益並降低人力與時間成本
- **非獨立技術（Non-Stand Alone，NSA）：**新世代網路推行通常經過一連串產品的問世：例如晶片、設備、手機，之後才開始布建、試行、正式推行，程序十分漫長。為了讓5G網路可以更快推行，使用舊有4G為基礎的天線、設備、技術來發展5G核心網路，此稱為非獨立的5G，目標是使用舊有設備仍能維持連結時的可靠度、高覆蓋率、高輸出量 [14]。

終端設備會利用不同的頻段決定使用哪些適合的網路

### Heterogeneous Network (異質性網路,HeNet)
> 透過兼容不同無線接取技術，整合多個無線網路

一般同質網路中，每個terminal都是由信號最強的base station提供服務，因此來自其他base station的多餘訊號就被視為干擾

> 但在HeNet中，可透過合作協調功能，如聯合傳送和接收，為用戶提供更高的傳輸速率和數據的吞吐量。主要技術包括:
> 感知小細胞網路、細胞間干擾協調/管理、超密集型小細胞布建下之自我組織網路

#### 感知小細胞網路(Congnitive Small Cell Networks)
> 在通訊工程專業中，BS所涵蓋的範圍稱為細胞cell，小細胞又稱為小型基地台技術（Small cell）是在大型基地台通訊範圍下，劃分更小單元的站點以部署小型的基地台。
>
> Small cell所耗功率較低，且可以協助提高行動通訊的網路密度。small cell 搭配感知無線電技術後，即可以自行偵測用戶的所在位置、環境以及無線網路頻譜使用現況。當大型基地台與小型基地台使用相同的頻譜，兩者之間可能會互相干擾，此時感知型小細胞網路就能統計分析出這些干擾的狀況，以便提升頻譜使用效率。


#### 細胞間干擾協調/管理 (Interference Coordination/Management)
> 意即透過強化上述感知小細胞網路的技術，來增強頻譜使用的效能。有四個主要強化的方式：
1. 高階調變：運用更高階的調變技術(256 QAM)，讓傳輸端的訊號品質更好，傳送時的效率速度也較高。
2. 小細胞開關：目的在於降低cell間的干擾，讓小型基地台根據指標來判斷不同頻譜互相干擾的情況，決定要啟動或關閉開關。
目前方法可分為半靜態開/關、動態開/關。
> - 半靜態開/關: 根據變動較不劇烈的指標，如流量負載來決定small cell基地台的開關
> - 動態開/關: 以仔訊框來進行開/關的判斷

3. 增進發現機制：發現機制是指讓行動裝置在多個小型基地台之中，尋找最適合的連線，而增進這個步驟的效能有助於強化頻譜的使用效能。
4. 雙重連線：讓行動裝置可以接收來自兩個不同小型基地台(two cell)的訊號，同時間內增加傳輸數據量。

#### 超密集型小細胞布建下之自我組織網路 (Ultra-dense Small Cells Development with Self-Organizing Network, SON)
> SON是一種自動化機制並提升運作效率與品質的網路，意即在布建非常密集的小型基地台條件下，網路要具備以下特點:
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自組織網路（Self-Organizing Networks, SON）功能通常被劃分為三大子功能群組，每個群組包含廣泛的使用案例。以下是主要功能及其重點整理：

1. **自配置功能（Self-Configuration Functions）**
- **目標**：實現“即插即用”（plug-and-play）的網路配置，即新基站能自動配置並整合至網路中。
- **主要功能**：
- 當新基站被引入並啟動時，網路會自動識別並註冊該基站。
- 鄰近的基站會自動調整技術參數（如發射功率、天線傾角等），以提供所需的覆蓋範圍和容量，同時避免干擾。
- **供應方式**：通常由設備供應商與每個無線電小區一起提供，作為軟體交付的一部分。

2. **自優化功能（Self-Optimisation Functions）**
- **目標**：自動調整基站參數，以最佳化網路性能。
- **主要功能**：
- **自動鄰居關係建立（ANR）**：自動設定基站之間的鄰居關係。
- **隨機存取參數優化**：基於基站和行動設備的測量，調整隨機接入參數。
- **移動性穩健性優化**：處理交接時的波動問題。
- **節能功能**：在夜間自動關閉部分基站，鄰近基站會重新配置以保持覆蓋範圍，當需求增長時，這些基站能立即恢復運行，節省能源。
- **優點**：顯著節省運營商的能源成本。

3. **自我修復功能（Self-Healing Functions）**
- **目標**：當網路節點出現故障時，減少故障對網路的影響。
- **主要功能**：
- 當基站失效時，自我修復機制自動調整鄰近小區的參數，讓其他節點承擔故障節點的工作。
- **故障識別**：即時檢測並識別失效基站，迅速採取措施，確保服務質量不受或只受到輕微影響。
- **優點**：減少因故障導致的服務中斷時間與資源浪費。

4. **自我保護功能（Self-Protection Functions）**
- **目標**：主動防禦系統免受未經授權的使用者侵入以及各類攻擊（主動或被動）。
- **主要功能**：
- 確保系統安全性無法被破解，保護數據的機密性和安全性。

- **大規模天線多輸入多輸出技術（Massive MIMO）：**又稱為巨量天線系統，是未來5G可能採用的傳輸技術，可以同時包含多種不同的天線型態，由於天線的數量增加了，提升電波的指向性、提高傳輸距離、降低干擾、提高數據傳輸量，也可以提升傳輸效率，這些正是5G網路的需求。

- **毫米波（Millimeter Wave, mmWave）：**毫米波是指波長長度範圍在1 mm-10 mm、頻率範圍在30-300 GHz的電磁波。在電磁波頻譜中，毫米波位於紅外線和微波之間，其在穿過大氣時，因為大氣組成分子和水蒸氣會吸收毫米波的能量，雨滴會引起散射等因素，使毫米波耗損。也因為毫米波的波長較一般低頻段波長短，使得單位面積的天線數目增加（理論上天線間的距離為波長的一半），接收和傳輸端皆可以設計高密度天線，以利獲得更高的波束成形增益（Beamforming gain），在5G網路中有助提升傳輸電波的指向性、降低雜訊及訊號的衰減、提高傳輸距離、降低相鄰基地台之間的干擾。
- **波束成形增益（Beamforming gain）：**能運用具自我適應、調整功能的演算法驅動陣列天線，使之產生特定的波束形狀，將主要波束對準目標訊號，用以強化接收品質。有助於達到增加系統容量、擴大涵蓋面和提高傳輸率的多重目的 [15]。
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#### 起因: 在傳統的行動通訊網路架構中，天線、無線設備、數位處理器、基頻單元(Baseband Unit,BBU)裝置全部都集中在同一個基地台中，但隨著行動寬頻服務逐漸普及，基地台數量持續成長，建置成本效益與能源消耗都帶來許多挑戰

- C-RAN (Cloud Radio Access Network,雲端無線接取網路)
> 將所有或部分的BBU(基頻單元, Baseband Unit)資源統一管理，以集中與資源動態配置的管理模式，提升資源使用率與降低耗能，並經由協同合作的方式提升網路效能。具備特點:
> 1. 降低耗能、減少資本投入與營運支出
> 2. 提高頻譜效率
> 3. 以開放平台型式支援多重標準與平順升級
> 4. 提供用戶更好的網際網路服務

> 架構又可分為:
> 1. 完全集中式:

> 2. 部分集中式:

- SDN (Software Defined Network,軟體定義網路)

- Full Duplex Radio(全雙工無線電技術)

- 頻譜共享技術

https://www.fibocom.com/Blog/info_itemid_3158.html

https://www.qualcomm.com/research/5g/5g-nr
5G相關技術

5G參考資料: https://smctw.tw/4462/