📘 《AI 時代系列（9）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 8周: 📱 從小晶片到手機：嵌入式、Android 與 IoT × AI
IoT × MCU × Android × TinyML 完整實戰
77／150單元： 行動網路 App 設計 🧩 端對網架構（End-to-Network Architecture）
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🎯 單元導讀
你平常開 APP（Line、IG、地圖、銀行），
看起來只是「手機 ↔ 伺服器」，
但在電信工程的角度，真正的架構是：
📱 UE → RAN → Core → Internet/Cloud → Service
這構成了 端對網（End-to-Network）架構。
本章帶你理解：
✔ App 如何穿過 5G / 4G 網路送出封包
✔ OSI / TCP/IP 在 App → Radio 之間的 mapping
✔ Android / iOS 如何建立 Data Session
✔ App 設計怎樣避免排隊、延遲、壅塞
✔ URLLC / mMTC / eMBB 各種流量的 App 設計差異
✔ 如何讓 App 運作符合 5G slicing（切片）政策
一句話：
行動網路 App 的背後，不只是 App，而是一整套 Radio + Core + Cloud + QoS 協作。
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🧠 一、App 到基地台：完整通訊流程
讓我們先從「一個 App 發出一個封包」開始看起：
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⭐（1）App 層（HTTP / WebSocket / gRPC）
APP 使用：
• HTTP/HTTPS
• WebSocket
• MQTT
• QUIC
• gRPC
產生 TCP/UDP 封包。
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⭐（2）OS 網路層（Android / Linux Kernel）
Android 把封包交給：
✔ Socket
✔ TCP/IP stack
✔ Routing table
✔ QoS marking / DSCP
這裡會決定：
• 要走 mobile data 還是 Wi-Fi
• 要不要建立新 socket
• 封包 priority（QoS tag）
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⭐（3）Modem（3GPP Stack）
封包從 Kernel 進入 Modem：
• PDCP（加密、完整性）
• RLC（切片、重傳）
• MAC（排程）
• PHY（調變、編碼）
Modem 才是真正進行 LTE/NR 的地方。
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⭐（4）gNodeB / eNodeB
基地台側會：
• 排程 UE 的 uplink（UL grant）
• 決定調變（QPSK/16QAM/256QAM）
• BWP、beamforming
• 控制手動切換（handover）
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⭐（5）5G Core（AMF / SMF / UPF）
封包從 RAN 進 5GC：
• AMF (NAS 訊令)
• SMF (Session 管理)
• UPF (封包轉送)
UPF 是 5G Data Plane 的高速路由器。
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⭐（6）Internet / Cloud / 服務端
封包最後到：
• Google Cloud
• AWS
• Azure
• 銀行後端
• 遊戲伺服器
• 企業 API
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🧠 二、行動網路 App 設計必懂的 3 大概念
App 要在 4G/5G 網路中穩定，需要掌握：
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✔ ① 流量模式（Traffic Pattern）
APP 封包=行為模式
• 聊天（Chat）：小封包、高頻率，重視即時回應但容忍少量延遲
• 影音（Video / Streaming）：大封包、持續傳輸，重視吞吐量與穩定頻寬
• 遊戲（Online Gaming）：小封包、極低延遲，對抖動（jitter）非常敏感
• IoT / 感測裝置：低頻率傳輸、超省電，通常可容忍較高延遲
• 自動駕駛 / 車聯網：URLLC 等級超低延遲、超低 jitter，要求極高可靠性與即時性
行為決定：
✔ 需要的 QoS
✔ Slicing 類型
✔ 走 TCP / UDP / QUIC
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✔ ② Slicing × App
5G 切片對應：
Slice App
eMBB video、下載、社群
URLLC 自駕車、機器手臂、遠距手術
mMTC IoT、大量 sensor
App 設計若能配合切片 → 延遲、穩定度大幅提升。
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✔ ③ 端對網的瓶頸：排隊（queue）
App → Kernel → RLC → MAC → UPF → Server
任何一點排隊 → 延遲爆炸。
常見問題：
• 遊戲封包被 video 流量淹沒
• App 連線峰值時 TCP queue 堆積
• Server 壓力大 → RTT 增加
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🧠 三、如何讓 App 更適合 5G？
這裡是你未來做「電信級 App 設計」的重要技巧。
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⭐ 技巧 1：避免小封包過密（chatty pattern）
例如不斷送心跳 / ping：
❌ 每 50ms 一個封包會造成 UL grant 減少
✔ 推薦：bundle、batch、aggregate
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⭐ 技巧 2：對延遲敏感 → 用 UDP / QUIC
遊戲 / AR / XR → 千萬不要用 TCP。
因為：
TCP = 拥塞控制 + 重傳
→ 延遲完全不可控
QUIC 更適合 5G / LEO。
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⭐ 技巧 3：支援 5G NR SA 特性
• QoS Flow
• 5QI
• DSS
• VoNR IMS
App 可使用：
✔ QoS marking
✔ TrafficClass
✔ Android Network Slice API（即將支援）
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⭐ 技巧 4：App 不要一直醒（WakeLock）
原因：
✔ DRX 模式會省電
✔ WakeLock 會破壞 RRC idle/cell_paging
→ 導致 app 看起來「網路慢」
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⭐ 技巧 5：Server 端要靠近使用者（Edge 化）
放在台灣的流量就不要跑到美國
→ RTT 從 200ms → 10ms
5G 時代＝Mesh edge server 才是王道。
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🧠 四、ASCII：端對網架構（End-to-Network）
[ App ]
|
[ Socket / TCP/UDP / QUIC ]
|
[ Kernel Routing ]
|
[ Modem 5G Stack ]
|
[ gNodeB / eNodeB ]
|
[ UPF ]
|
[ Cloud Server ]
這張 端對網（End-to-Network）ASCII 架構圖說明了一個資料封包從 手機 App 出發，如何一路穿越作業系統、行動網路到達 雲端伺服器：App 透過 Socket（TCP / UDP / QUIC） 產生資料流，交由作業系統核心的 Kernel Routing 進行封包轉送與佇列管理，接著送入 5G Modem Stack，由行動通訊協定負責空中傳輸到 gNodeB / eNodeB，再進入核心網的 UPF（使用者平面功能） 進行高速封包轉發，最終抵達 Cloud Server。整體重點在於：App 只決定「用什麼協定送資料」，真正決定延遲、吞吐量與穩定性的，是 Kernel、Modem、基地台與 UPF 這條網路資料平面。
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🧠 五、模擬題
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1️⃣ 專業題：為什麼遊戲類 App 不建議用 TCP？
📦 答案：TCP 有重傳與拥塞控制，造成不可控延遲，對即時遊戲 fatal。
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2️⃣ 應用題：如何讓 App 在 5G 下延遲更穩定？
A. 增加心跳頻率
B. 改用 QUIC + 批次傳送 ✔
C. 只靠 Wi-Fi
D. 定時關掉 data
👉 QUIC 建立在 UDP 之上，搭配批次傳送可減少握手與重傳抖動，更能配合 5G 的排程機制，讓端到端延遲表現更穩定。
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3️⃣ 情境題：影片 App 緩衝常常卡住怎麼辦？
✔ 使用 Adaptive bitrate (ABR)
✔ 用更大的 buffer window
✔ 適配 slicing（eMBB）
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🛠 六、實務演練題
1️⃣ 用 Android QUIC 實作低延遲傳輸
2️⃣ 觀察 App 下的 RRC state transition
3️⃣ 測量 RLC buffer 與 UL scheduler 行為
4️⃣ 設計 gaming app 的封包間隔策略
5️⃣ 在 Edge server 與雲端比較 RTT 效能
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⭐ 七、小結：行動網路 App = App 設計 × 5G 協議 × Core × Cloud
✔ App 不只跑在手機，而是整個 5G data path 的一部分
✔ RAN / Core / UPF 共同影響你的效能
✔ App 要避免排隊、避免 chatty traffic
✔ 5G slicing 將改變 App 設計哲學
✔ 未來 6G / NTN App 會需要更好的 flow classification
一句話：
⭐ 真正懂 5G 的人，才能設計未來十年的行動網路 App。
