Co označujeme jako mobilní síť
Mobilní síť je vícevrstvý ekosystém rádiových a paketových technologií, který poskytuje mobilní přístup k hlasu, datům a multimédiím. Skládá se z přístupové části (RAN), jádra sítě (Core), transportu (backhaul/fronthaul/midhaul), podpůrných IT systémů (OSS/BSS) a propojení na veřejný internet a další sítě. Moderní sítě využívají virtualizované síťové funkce (NFV), softwarově definovanou konektivitu (SDN) a cloud-native principy, aby dosáhly škálovatelnosti, nízké latence a automatizace.
Historie a vývoj: 1G → 5G a vyhlídky 6G
- 1G (80. léta): analogový hlas (AMPS, NMT), bez šifrování, nízká kapacita.
- 2G (90. léta): digitální hlas a SMS (GSM), základní data (GPRS/EDGE), SIM, šifrování A5/x.
- 3G (2000s): paketová data (UMTS/HSPA), přechod na IP služby, vyšší rychlosti a QoS profily.
- 4G (2010s): plně paketová architektura (LTE/EPC), OFDMA, MIMO, VoLTE přes IMS.
- 5G (2020s): New Radio (NR), 5G Core (SBA), síťové řezy, URLLC/mMTC/eMBB, edge computing.
- 6G (2030s, výzkum): sub-THz pásma, reconfigurable intelligent surfaces (RIS), AI-native řízení, cell-free massive MIMO a „senzorová“ konektivita.
Architektura: RAN, Core a transport
- RAN: základnové stanice (gNB/eNB) s rádiovou jednotkou (RU), distribuovanou jednotkou (DU) a centrální jednotkou (CU). Funkční dělení (split) 7-2x/2 dovoluje O-RAN fronthaul (eCPRI).
- Core: EPC (4G) vs. 5GC (service-based architecture) s funkcemi jako AMF/SMF/UPF/PCF/UDM/AUSF/NEF/NRF. V 5GC je uživatelská rovina (UPF) umístitelná na edge pro snížení latence.
- Transport: fronthaul (RU↔DU), midhaul (DU↔CU), backhaul (RAN↔Core). Synchronizace pomocí SyncE/IEEE 1588v2 PTP (G.8275.1/2) je kritická pro TDD a přesný časový slotting.
Rádiová vrstva: spektrum, modulace a vícenásobný přístup
- Spektrum: nízká pásma (sub-1 GHz; pokrytí), střední pásma (1–7 GHz; kapacita vs. pokrytí), cmWave/mmWave (24–100 GHz; vysoká kapacita, beamforming), sdílená/nelicencovaná pásma (LAA, NR-U).
- Kanálování a duplex: FDD vs. TDD (flexibilní poměr DL/UL, synchronizace TDD clusterů).
- Modulace a kódování: OFDMA (DL) / SC-FDMA (LTE UL) / OFDMA (5G UL), QPSK/16-256QAM (5G i 1024QAM v některých profilech), LDPC/Polar kódy v 5G.
- MIMO a beamforming: SU-/MU-MIMO, masssive MIMO s 32T32R/64T64R anténami, hybridní a digitální formování svazků, precoding (Codebook/CSI-R).
Protokolové vrstvy a signalizace
- U-plane: PDCP → RLC → MAC → PHY.
- C-plane: RRC (nastavení rádiových parametrů), NAS (registrace, PDU session), S1/N2 (LTE/NR).
- Řízení mobility: idle/connected režimy, handover (intra/inter-freq, inter-RAT), měřicí události A3/A5 (LTE), eventy v 5G (B1/B2 atd.).
Bezpečnost a identita: od IMSI k SUCI
- Autentizace: AKA (2G/3G/4G), 5G-AKA s ochranou identity.
- Identifikátory: IMSI/SUPI a jejich chráněné formy (GUTI/SUCI) pro snížení rizika IMSI-catcher útoků.
- Šifrování: 128-EEA/EIA algoritmy (LTE) a NEA/NIA (5G), integrita na C-plane, volitelně U-plane.
5G režimy nasazení: NSA vs. SA
- NSA (EN-DC): kotva v LTE EPC (eNB) + NR pro data (gNB), rychlé zavedení, závislost na LTE pokrytí.
- SA (5GC): NR + 5G Core, umožňuje síťové řezy (Network Slicing), VoNR, nízkou latenci a MEC s UPF na edge.
QoS, latence a spolehlivost
- 4G: EPS bearers (GBR/non-GBR), QCI, ARP.
- 5G: 5QI, reflective QoS, packet marking, deterministické trasy přes SRv6/Segment Routing v transportu.
- Latence: TTI 1 ms (LTE) vs. mini-sloty a flexibilní numerologie (Δf 15–120 kHz) v 5G umožňující sub-ms reakce v URLLC scénářích.
Hlas a multimédia: VoLTE, VoWiFi, VoNR
- IMS: SIP-založená architektura pro hlas/video, služby jako SMS over IP (SMSoIP), MMTEL.
- VoLTE: priorizované bearery s QCI 1/5; nutnost SRVCC pro přechod do CS sítě (2G/3G), dnes již méně časté.
- VoNR: hlas nativně přes 5G SA; fallback na VoLTE při nedostupnosti IMS/5G.
IoT v mobilních sítích: NB-IoT, LTE-M a 5G mMTC
- NB-IoT: úzkopásmový přenos (180 kHz), hluboké pokrytí (MCL ~164 dB), velmi nízká spotřeba (PSM/eDRX).
- LTE-M (Cat-M1): mobilita a hlas přes VoLTE, vyšší throughput než NB-IoT, vhodné pro wearables a senzory s PDN potřebami.
- 5G mMTC: masové připojení senzorů, síťové řezy pro průmyslové IoT, deterministická latence pro řízení strojů (URLLC).
Plánování a optimalizace sítě
- Rádio-plán: výběr lokalit, simulace pokrytí (RSRP/RSRQ/SINR), interference management (ICIC/eICIC/FeICIC), nastavení parametrů RRM.
- Drive test & benchmarking: měření KPI (DL/UL throughput, latency, BLER, call setup success), crowdsourcingová data.
- SON/automatizace: self-config/optimize/heal; AI/ML pro anomálie a predikci zatížení.
O-RAN a otevřené rozhraní
- Disaggregace: otevřená rozhraní (A1, E2, O1, fronthaul 7-2x) umožňují multi-vendor prostředí.
- RIC: near-RT RIC (xApps) pro řízení v řádu 10–100 ms; non-RT RIC (rApps) pro politiku a dlouhodobou optimalizaci.
- Výzvy: interoperabilita, synchronizace časování, bezpečnost, SLA na rozhraních.
Edge computing (MEC) a síťové řezy
- MEC: zpracování dat blízko uživatele/zařízení; scénáře AR/VR, průmysl 4.0, video analytika.
- Network Slicing: logicky izolované řezy s vlastními politikami QoS/bezpečnosti (např. veřejná bezpečnost, podnikové aplikace, IoT).
- Orchestrace: MANO/SMO pro životní cyklus VNFs/CNFs; exposure přes NEF/API pro integraci s aplikacemi.
Privátní a kampusové sítě (Non-Public Network, NPN)
- Modely: úplně izolované (standalone NPN), nebo integrované s veřejnou sítí (public network integrated NPN).
- Use-cases: továrny, logistika, těžba, zdravotnictví; přísná kontrola nad pokrytím, bezpečností a latencí.
- Neutral host: sdílení infrastruktury (DAS/small cells) s více operátory, koordinace spektra a podpůrné backhaul SLA.
Vnitřní pokrytí: DAS, small cells a opakovače
- DAS: pasivní/aktivní distribuované anténní systémy pro stadiony, kanceláře a nákupní centra.
- Small cells: indoor pico/femto, enterprise RAN, CBRS/zdílená pásma.
- Repeater: selektivní/kanálové opakovače pro specifická pásma, s pečlivou regulací zisků kvůli oscilaci a rušení.
Synchronizace a časování
- PTP (IEEE 1588v2) + SyncE: fázová a frekvenční přesnost pro TDD a koordinované vícebodové vysílání (CoMP).
- GNSS vs. grandmaster: hybridní architektury zvyšují odolnost proti výpadkům a spoofingu.
Energetická efektivita a udržitelnost
- RAN šetření: vypínání nosných/TRX v nízké zátěži, deep sleep režimy, dynamické řízení výkonu PA.
- Infrastruktura: free-cooling, likvidní chlazení, solární/back-up systémy, DC napájecí domény.
- Softwarová optimalizace: AI-řízené plánování a predikce zatížení pro úsporu kWh na přenesený GB.
Bezpečnostní hrozby a mitigace
- IMSI-catchers a rogue BTS: mitigace přes SUCI, detekce anomálií a monitorování control-plane.
- Signální útoky: SS7/Diameter/SBI API; ochrana firewallingem, rate-limitingem a validací stavů.
- Supply-chain a patching: SBOM, pravidelné aktualizace CNF/VNF, segmentace sítě a zero-trust modely.
Regulace, licence a EMF
- Licenční pásma a aukce: národní regulátoři přidělují pásma (FDD/TDD), stanovují povinnosti pokrytí a kvality.
- EMF limity: plnění norem (ICNIRP), plánování výkonů a výšek antén, transparentní komunikace s veřejností.
- Tísňové služby a LI: přesná lokalizace volání, zákonné odposlechy v souladu s legislativou, odolnost vůči výpadkům.
Výkonové metriky: KPI a KQI
| Kategorie | Příklady KPI | Význam |
|---|---|---|
| Pokrytí | RSRP/RSRQ/SINR, % indoor pokrytí | Kvalita signálu a dostupnost služby |
| Kapacita | PRB utilization, DL/UL throughput percentily | Dimenzování a plánování investic |
| Spolehlivost | Call setup success, drop rate, BLER | Stabilita a uživatelská zkušenost |
| Latence | RTT, jitter, edge vs. central UPF | Podpora real-time aplikací |
Rádio-výpočty: rychlá orientace v link budgetu
- Jednoduchý link budget: RX = TX (dBm) + zisk antény TX − ztráty cesty − ztráty kabelu + zisk antény RX − margin. Pro NB-IoT se pracuje s MCL kolem 164 dB; pro sub-6 GHz 5G je typický MCL ~140–155 dB podle modulace a cílové BLER.
- Kapacitní odhad (zjednodušeně): C ≈ BW × SE, kde spektrální efektivita SE závisí na SINR a MIMO vrstvení.
Zařízení a úspora energie na koncových zařízeních
- Kategorie UE: LTE Cat 4/6/12…, 5G FR1/FR2 capability, CA/EN-DC kombinace pásem.
- DRX/eDRX/PSM: prodloužení výdrže baterie u IoT a telefonů v klidových stavech, kompromis mezi latencí a spotřebou.
Účtování a monetizace: BSS/OCS a v 5G CHF
- Online/offline charging: OCS/OFCS (4G) a Charge Function (5G) pro rating, kvóty a slicing-aware tarifikaci.
- Exposure: API (NEF) pro partnery a podnikové aplikace, SLA pro vyhrazené řezy.
Testování, validace a interoperabilita
- Conformance & IOT: testy podle 3GPP, interoperability plugfesty u O-RAN, end-to-end validace sítě.
- Monitorování: telemetrie sSB/sRS, PCAP na SBA rozhraních, syntetické sondy pro KQI (např. OTT streaming, gaming).
Trendy a budoucnost: směrem k 6G
- Sub-THz a RIS: extrémní kapacity v krátkých vzdálenostech, inteligentní povrchy pro řízení šíření.
- Cell-free sítě: kooperující mnohoanténní uzly bez striktních buněk, vyšší uniformita pokrytí.
- AI-native: uzavřené regulační smyčky od RAN po Core, federativní učení, energeticky efektivní inference.
- Konvergence: satelitní NTN do standardu (Direct-to-Device), integrace Wi-Fi/5G řízená politikami.
Závěr
Mobilní sítě prošly rychlou evolucí od analogového hlasu k cloud-native platformám pro kritickou konektivitu a digitální průmysl. Klíčem k úspěšnému provozu je kombinace promyšleného plánování rádiové vrstvy, robustního transportu, bezpečného a automatizovaného jádra a pružných IT systémů. 5G stanovuje základ pro nízkolatenční a spolehlivé případy použití, přičemž otevřené rozhraní a edge computing umožňují novou vlnu inovací. Nadcházející 6G přinese další posun v kapacitě, inteligenci i konvergenci sítí a aplikací.