行動通訊技術的世代演進：從 1G 到 5G 的旅程與未來

無所不動的連結，如何實現？

我們生活在一個前所未有、緊密連結的時代；智慧型手機不僅是通話工具，更是集通訊、娛樂、工作、學習於一身的行動超級電腦；這一切的便利，都建立在數十年來行動通訊技術的飛速演進之上；從僅能進行語音通話的「大哥大」，到如今能夠流暢觀看 8K 影片、體驗虛擬實境（VR）的 5G 網路，每一次技術的躍進，都深刻改變了我們的生活方式與社會樣貌；

本文將帶您穿越時光，回顧從 1G 到 5G 的行動通訊技術演進歷程；我們將不僅解釋各世代技術的核心原理與差異，更會探討其背後的驅動力、面臨的挑戰，以及對未來的展望；無論您是想了解基礎概念的科技愛好者，或是尋求深入細節的專業人士，都能在這趟旅程中有所收穫。

第一代 (1G)：類比通話時代的開端

時間回到 1980 年代，第一代行動通訊技術（1G）開啟了無線通話的序幕；它採用類比訊號傳輸語音，就像傳統的收音機一樣；代表性的技術是先進移動電話系統（AMPS, Advanced Mobile Phone System），主要流行於美洲，以及總 доступ 行動通訊系統（TACS, Total Access Communication System），主要應用於歐洲。

這個時代的行動電話體積龐大、價格昂貴，通常被稱為「大哥大」；1G 的核心技術是分頻多重接取（FDMA, Frequency Division Multiple Access），想像一下，就像是把可用的無線電頻譜切割成許多獨立的頻道，每個通話獨佔一個頻道。

然而，1G 有其明顯的局限性；首先，由於採用類比訊號，通話品質容易受到干擾，且安全性差，容易被竊聽；其次，頻譜利用效率低，導致系統容量有限，無法同時支援大量用戶；最重要的是，1G 基本上只能提供語音通話服務，無法傳輸數據。

第二代 (2G)：數位化革命與簡訊的誕生

為了克服 1G 的缺點，1990 年代 ushered in 第二代行動通訊技術（2G）；2G 最大的變革是從類比轉向數位訊號傳輸；這帶來了顯著的進步：通話品質更清晰、抗干擾能力更強，並且透過加密技術提升了安全性。

2G 時代有兩大主流標準：全球行動通訊系統（GSM, Global System for Mobile Communications）和分碼多重接取（CDMA, Code Division Multiple Access）；GSM 主要採用**分時多重接取（TDMA, Time Division Multiple Access）技術，將同一個頻道在時間上切割成多個片段（time slots），分配給不同用戶輪流使用，就像多個人輪流使用同一條電話線；CDMA 則是讓所有用戶共享同一個頻段，但為每個用戶分配獨特的展頻碼（Spreading Code）**來區分訊號，就像在同一個房間裡，不同人用不同語言交談，只要你知道對方的語言（展頻碼），就能聽懂他的話。

2G 不僅改善了語音通話，更帶來了劃時代的功能——簡訊（SMS, Short Message Service）；隨後，透過通用封包無線電服務（GPRS, General Packet Radio Service）和增強數據速率GSM演進技術（EDGE, Enhanced Data rates for GSM Evolution）等技術（常被稱為 2.5G 或 2.75G），2G 開始提供基礎的數據傳輸服務，讓手機可以瀏覽簡單的 WAP 網頁、收發 Email，開啟了行動數據的時代；儘管速率很慢（GPRS 約幾十 Kbps，EDGE 約幾百 Kbps），但已是重要的里程碑。

第三代 (3G)：行動網路的起飛

進入 21 世紀，人們對行動數據的需求日益增長，推動了第三代行動通訊技術（3G）的發展；3G 的核心目標是提供更高速的數據傳輸，支援更豐富的行動網路應用；

3G 的主要標準包括基於 GSM 演進的寬頻分碼多重接取（WCDMA, Wideband CDMA），也就是通用行動電信系統（UMTS, Universal Mobile Telecommunications System），以及基於 CDMA 演進的 CDMA2000；這些技術採用更寬的頻寬和更先進的訊號處理技術，大幅提升了數據傳輸速率，達到 Mbps 等級（每秒百萬位元）。

隨著 3G 的普及，行動裝置開始能夠實現視訊通話、流暢的行動網頁瀏覽、線上音樂播放等功能；之後更快的技術，如高速下行鏈路封包接取（HSDPA, High-Speed Downlink Packet Access）、高速上行鏈路封包接取（HSUPA, High-Speed Uplink Packet Access）以及其升級版 HSPA+（合稱 3.5G 或 3.75G），進一步將速度推升至數十 Mbps，為智慧型手機的爆發奠定了基礎。

第四代 (4G)：高速行動寬頻時代

大約在 2010 年前後，第四代行動通訊技術（4G）開始部署，其目標是提供真正的行動寬頻體驗；4G 的代表性技術是長期演進技術（LTE, Long-Term Evolution）。

相較於 3G，4G LTE 帶來了革命性的變化；它採用了更有效率的正交分頻多重接取（OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access） 作為下行鏈路（基地台到手機）的核心技術，以及單載波分頻多重接取（SC-FDMA, Single-Carrier FDMA）作為上行鏈路（手機到基地台）技術；OFDMA 將頻寬切割成大量互相正交（不會互相干擾）的子載波，可以更靈活地分配給不同用戶，大幅提升頻譜效率和傳輸速率。

此外，4G 還引入了多輸入多輸出（MIMO, Multiple-Input Multiple-Output） 技術，利用多根天線同時傳送和接收訊號，如同增加了多條數據傳輸的「車道」，能夠在不增加頻寬的情況下成倍提升速率和連結穩定性；4G LTE 的網路架構也轉變為全 IP 化（All-IP Network），語音和數據都以封包的形式在 IP 網路上傳輸（VoLTE, Voice over LTE）。

4G LTE 的理論下載速度可達數百 Mbps，甚至透過載波聚合（Carrier Aggregation）等技術的 LTE-Advanced (LTE-A) 和 LTE-Advanced Pro (LTE-A Pro)（常被稱為 4.5G）可達到 Gbps 等級（每秒十億位元）；這使得高畫質（HD）影音串流、複雜的線上遊戲、豐富多樣的行動應用程式（App）得以蓬勃發展，徹底改變了人們的數位生活。

第五代 (5G)：萬物互聯的基石

從 2019 年開始商用部署的第五代行動通訊技術（5G），其目標不僅僅是更快的網速，而是賦能全新的應用場景，成為**萬物智慧互聯（AIoT）**的基礎設施；5G 主要定義了三大應用場景：

1. 增強型行動寬頻（eMBB, Enhanced Mobile Broadband）： 提供比 4G 更高的峰值速率（數 Gbps 至數十 Gbps）、更大的頻寬和更好的使用者體驗，支援 4K/8K 影音、VR/AR 等高流量應用。
   

2. 超可靠低延遲通訊（URLLC, Ultra-Reliable Low-Latency Communication）： 提供極低的延遲（低至 1 毫秒）和極高的可靠性，滿足自動駕駛、遠距手術、工業自動化等對時間延遲極度敏感的應用需求。
   

3. 巨量機器型通訊（mMTC, Massive Machine-Type Communication）： 支援每平方公里百萬級別的設備連接密度，滿足智慧城市、智慧農業、環境監測等大規模物聯網（IoT）應用需求，這些設備通常只需要傳輸少量數據且對功耗要求低。

為了實現這些目標，5G 採用了一系列關鍵技術；5G 新空中介面（NR, New Radio） 設計更具彈性，可適應不同頻段和應用場景；頻譜方面，5G 不僅使用傳統的 Sub-6GHz 頻段，更開拓了**毫米波（mmWave）**等更高頻段，以獲取更大的頻寬，但毫米波傳輸距離短、穿透力差是其挑戰。

大規模 MIMO（Massive MIMO） 在基地台部署數十甚至數百根天線，結合**波束成形（Beamforming）**技術，可以將訊號能量精準地聚焦到特定用戶設備上，提升訊號品質、覆蓋範圍和系統容量，同時減少干擾；**網路切片（Network Slicing）**技術允許在同一個物理基礎設施上，為不同的應用場景（如 eMBB、URLLC、mMTC）創建具有不同特性（如頻寬、延遲、可靠性）的虛擬獨立網路，提供客製化服務。

行動通訊技術世代比較

特性	第一代 (1G)	第二代 (2G)	第三代 (3G)	第四代 (4G LTE)	第五代 (5G NR)
主要時代	1980s	1990s	2000s	2010s	2020s+
訊號類型	類比	數位	數位	數位	數位
核心技術	FDMA	TDMA (GSM), CDMA	WCDMA, CDMA2000	OFDMA, MIMO, SC-FDMA	OFDMA (彈性), Massive MIMO, Beamforming, mmWave
核心網路	-	-	-	全 IP 化 (All-IP)	服務化架構 (SBA), 網路切片
峰值速率	約 2.4 Kbps	9.6-14.4 Kbps (GSM/CDMA) <br> ~384 Kbps (EDGE)	2 Mbps (初期) <br> ~42 Mbps (HSPA+)	~1 Gbps (LTE-A Pro)	10-20 Gbps+ (eMBB)
典型延遲	數百毫秒	數百毫秒	~100 毫秒	~30-50 毫秒	<10 毫秒 (eMBB) <br> ~1 毫秒 (URLLC)
主要應用	語音通話	語音通話, 簡訊, <br> 基本數據 (WAP)	語音通話, 行動網路, <br> 視訊通話	行動寬頻, HD 影音串流, <br> App Store	eMBB, URLLC (自動駕駛, 遠程醫療), <br> mMTC (IoT)
頻譜效率	低	中	中高	高	非常高
頻譜使用	< 1 GHz	~900/1800 MHz	~1.9-2.1 GHz	700 MHz - 2.6 GHz 等	Sub-6GHz & 毫米波 (mmWave, >24 GHz)

(註：峰值速率和延遲為理論值或典型值，實際體驗受多種因素影響)

技術演進的核心驅動力與挑戰

行動通訊技術的演進並非一蹴可幾，其背後有多重驅動力和持續存在的挑戰；

驅動力：

1. 永無止境的需求： 消費者和企業對更高速度、更低延遲、更大容量和更豐富應用的渴望是技術進步最根本的動力。

2. 應用創新： 新的應用場景（如影音串流、社群媒體、物聯網、AI、VR/AR）不斷湧現，對網路能力提出更高要求，反過來也刺激技術發展。

3. 頻譜效率提升： 無線頻譜資源是有限且寶貴的，每一代技術的核心目標之一就是更有效地利用頻譜，在單位頻寬內傳輸更多數據。

4. 技術突破： 半導體技術的進步（更快的處理器、更低功耗的晶片）、先進的訊號處理演算法、新的天線技術（如 MIMO）等，都是實現世代躍進的基石。

5. 標準化組織的努力： 國際標準化組織（如 3GPP）協調全球產業界，制定統一的技術標準，確保了不同廠商設備間的互通性，促進了技術的全球普及。

挑戰：

1. 頻譜取得與管理： 尋找並分配新的可用頻譜（尤其是連續的大頻寬頻段）變得越來越困難且昂貴；不同頻段的物理特性（如傳播距離、穿透力）也帶來不同的部署挑戰。

2. 部署成本與複雜性： 每一代新技術都需要建設新的基地台或升級現有基礎設施，涉及巨大的資本支出；網路規劃、優化和維護也日益複雜。

3. 干擾管理： 隨著設備密度增加和更多頻段的使用，如何有效管理和抑制各種干擾成為關鍵。

4. 能耗與永續性： 基地台和網路設備的能耗是巨大的，如何在提升性能的同時控制能耗，實現綠色通訊，是 5G 及未來技術的重要考量。

5. 安全性與隱私： 隨著連接設備數量的爆炸性增長和應用場景的多樣化，網路安全和用戶隱私保護面臨前所未有的挑戰。

未來展望：邁向 6G 與無限可能

儘管 5G 仍在全球範圍內加速部署和發展，但學術界和產業界已經開始展望第六代行動通訊技術（6G）；6G 的願景是建立一個整合通訊、計算、感知、智慧的泛在網路，實現「數位孿生（Digital Twin）」和「智慧內生（AI Native）」的網路環境。

目前 6G 仍在早期研究階段，但一些潛在的關鍵技術方向已經浮現：

1. 太赫茲（THz）通訊： 使用比毫米波更高頻率的太赫茲頻段（0.1-10 THz），有望實現 Tbps 等級（每秒兆位元）的超高峰值速率。

2. 空間-空中-地面整合網路（SAGIN）： 將地面蜂巢網路、無人機、高空平台、低軌衛星等多層次網路無縫整合，實現真正的全球無死角覆蓋。

3. AI/ML 深度融合： 人工智慧和機器學習將不僅用於網路優化和管理，更將成為 6G 網路內生的核心能力，實現智慧化的資源調度、波束賦形、干擾管理等。

4. 通訊與感知整合（Integrated Sensing and Communication, ISAC）： 利用通訊訊號同時實現環境感知、定位、成像等功能，賦能更多超越傳統通訊的應用。

5. 全像通訊與沉浸式體驗： 支援超高逼真度的全像投影通訊和多感官融合的沉浸式 XR（延展實境）體驗。

當然，這些願景的實現還需要克服眾多技術和工程上的挑戰；預計 6G 的標準化工作將在未來幾年展開，商用部署可能落在 2030 年左右。

結論

行動通訊技術的演進是一部追求更快速度、更低延遲、更廣連接、更智慧能力的創新史詩；從 1G 的類比語音到 5G 的萬物互聯，每一代技術的突破都極大地拓展了人類溝通的邊界，重塑了社會經濟的形態；了解這段演進歷程，不僅能讓我們理解手中智慧型手機背後的技術基石，更能洞察未來數位世界的發展趨勢；雖然挑戰重重，但對更美好連結的追求將持續推動技術前行；從 5G 的深化應用到 6G 的初步探索，行動通訊的下一篇章，無疑將更加精彩，帶來更多超乎想像的可能性。