Proč je rozdíl mezi 4G a 5G zásadní
Mobilní sítě páté generace (5G) nejsou pouze „rychlejší 4G“. Jádrem rozdílu je kombinace vyšší propustnosti, řádově nižší latence, determinističtějších zpoždění a programovatelné architektury (network slicing, edge computing), která umožňuje současně obsluhovat náročný mobilní broadband, kritickou průmyslovou komunikaci i masivní IoT. Následující text systematicky rozebírá parametry rychlosti a latence a vysvětluje, z jakých architektonických a rádiových důvodů se 5G od 4G liší.
Referenční parametry: rychlost a latence v číslech
| Parametr | 4G (LTE/LTE-A) | 5G (NR, NSA/SA) | Poznámka |
|---|---|---|---|
| Špičková rychlost DL | Teoreticky až ~1 Gb/s (LTE-A Pro), běžně 30–150 Mb/s | Teoreticky 10 Gb/s+, běžně 200 Mb/s–2 Gb/s (FR1/FR2) | Závisí na šířce pásma, MIMO řádu a modulaci |
| Špičková rychlost UL | 10–50 Mb/s (typicky) | 20–300 Mb/s (typicky), špičkově 1 Gb/s | UL je limitován výkonem terminálu a přiděleným zdrojem |
| Rádiová (air-interface) latence | ~10–20 ms | ~1–4 ms (eMBB), <1 ms (URLLC, cílově) | Závisí na numerologii (μ), TTI a HARQ |
| End-to-end latence (uživatel ↔ aplikace) | ~30–60 ms (veřejný internet) | ~10–20 ms (MEC/edge), <5–10 ms (URLLC lokálně) | Edge computing zásadně zkracuje trasu do aplikačního serveru |
| Jitter (variabilita zpoždění) | Vyšší, desítky ms | Nižší, jednotky ms (při QoS/URLLC) | Determinismus je klíčový pro průmysl a XR |
| Hustota připojení | ~100 tis. zařízení/km² | ~1 mil. zařízení/km² (mMTC) | Masivní IoT s nízkou spotřebou |
Spektrum a šířka pásma: základ pro vyšší propustnost
4G typicky využívá pásma pod 3 GHz s kanály 1,4–20 MHz. 5G přidává flexibilitu:
- FR1 (sub-6 GHz): kanály 5–100 MHz, lepší pokrytí, dobrý kompromis mezi rychlostí a dosahem.
- FR2 (mmWave ~24–40 GHz): kanály 100–400 MHz, extrémní rychlosti a kapacita, kratší dosah a vyšší citlivost na překážky.
Širší kanály (např. 80–100 MHz v FR1 a 400 MHz v FR2) spolu s vyšší modulací (256–1024QAM) a masivním MIMO umožňují 5G dosahovat násobně vyšších datových toků než 4G.
Numerologie a rámcování: proč má 5G nižší latenci
5G New Radio zavádí numerologie (μ) – škálování sub-carrier spacing (SCS) 15, 30, 60, 120, 240 kHz. Kratší symboly a flexibilní slot length umožňují:
- Mini-sloty a short TTI pro latencemi citlivé přenosy (např. 2–7 symbolů namísto celého slotu).
- Rychlejší grant-free UL přístup a optimalizace HARQ pro snížení retransmisních zpoždění.
Oproti tomu LTE používá fixní 1 ms TTI a SCS 15 kHz, což limituje minimální dosažitelnou air-interface latenci.
Massive MIMO a beamforming: více bitů stejným éterem
5G masově využívá anténní pole (např. 32T32R, 64T64R) a pokročilý beamforming, který vytváří úzké svazky směrované na konkrétní uživatele. Výsledkem je:
- Lepší SINR a vyšší modulační řády (256/1024QAM).
- Více současných datových proudů (MU-MIMO) a růst kapacity bez lineárního navýšení spektra.
- Menší interferenční zátěž a lepší využití buněčných hran.
Duplexní režimy a agregace: jak se skládají rychlosti
4G využívá FDD i TDD a carrier aggregation (CA) obvykle do 5–7 nosných. 5G NR dále rozšiřuje CA v rámci FR1/FR2, přidává EN-DC (dual connectivity LTE+NR) v režimu NSA a komplexní uplink enhancement (např. SU-MIMO UL, PUSCH/PUSCH CA), čímž zvyšuje UL rychlosti, které byly v LTE častým úzkým hrdlem.
Architektura core sítě: NSA vs SA a role edge computingu
- NSA (Non-Standalone): 5G NR pro data, ale signalizace přes 4G EPC. Latence E2E je omezena 4G kotvou a trasou do centrálních uzlů.
- SA (Standalone) s 5GC: plnohodnotný 5G Core s Service-Based Architecture, network slicingem, QoS Flows a MEC. To umožňuje nízkou, stabilní latenci a SLA.
Multi-access Edge Computing (MEC) umisťuje aplikační servery blíže rádiové přístupové síti (RAN). Zkrácení trasy přidává k rádiovým optimalizacím další milisekundy k dobru a snižuje jitter.
URLLC vs eMBB vs mMTC: různé profily latence
- eMBB (enhanced Mobile Broadband): priorita propustnost; latence typicky 10–20 ms E2E s edge.
- URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication): cíle <1 ms air-interface a >99,999% spolehlivost; využití v průmyslu, robotice, V2X.
- mMTC (massive Machine-Type Communication): nízké nároky na propustnost a energii, ale extrémní škálování zařízení.
Co tvoří latenci: rozklad zpoždění
End-to-end latenci lze zjednodušeně zapsat jako:
LE2E = Lair + LRAN + Lcore + Ltransport + Lapp (+ LHARQ/retx)
- Lair: ovlivněna SCS, TTI, schedulingem a modulací.
- LRAN: fronty, sdílení zdrojů, HARQ/ARQ.
- Lcore + transport: topologie sítě, vzdálenost k UPF/SGW/PGW, peering.
- Lapp: reakční doba serveru; dramaticky klesá s MEC.
Rychlost v praxi: co nejvíce ovlivňuje dosažené hodnoty
- Šířka přiděleného pásma: 100 MHz v 5G FR1 vs 20 MHz v LTE je zásadní rozdíl.
- Kvalita rádiového kanálu (SINR): rozhoduje o dosažitelné modulaci (QAM) a kódování.
- MIMO řád a počet streamů: více nezávislých datových proudů = vyšší throughput.
- Backhaul a core: úzké hrdlo mimo rádio může degradovat špičkové rychlosti i latenci.
- Terminál: kategorie modemu (Release 15/16/17), podpora CA, 1024QAM, power class.
Jitter a determinismus: klíč pro průmysl a XR
Pro reálné vnímání odezvy (AR/VR, cloud gaming, robotika) je stejně důležitá stabilita zpoždění (jitter) jako jeho průměrná hodnota. 5G v režimech URLLC a s QoS-řízenými flows dokáže výrazně omezit variabilitu zpoždění oproti LTE, zejména v privátních a průmyslových sítích s lokálním UPF na edge.
Handovery a mobilita: dopady na latenci
4G i 5G podporují rychlé předávání mezi buňkami. 5G přidává dual connectivity, conditional handover a přesnější měřicí reporty, což zkracuje výpadky a zlepšuje kontinuitu datových toků – zásadní pro nízkolatenční aplikace v pohybu (AGV, V2X).
Energy efficiency vs výkon: kompromisy
Nižší latence často znamená častější probouzení rádiového rozhraní a kratší DRX cykly, což zvyšuje spotřebu. 5G zavádí mechanismy jako C-DRX, adaptivní TBS a chytré plánování, aby vyvážilo prodlevy a výdrž baterie koncových zařízení.
Use-case perspektiva: kdy je 5G nezbytné
- XR/VR s cloudovou renderací: cílově <20 ms E2E; 5G+MEC je prakticky nutnost.
- Průmyslová automatizace (URLLC): cykly 1–10 ms, determinismus a spolehlivost >99,999%.
- V2X a kooperativní mobilita: velmi nízké latence pro kolizní varování a koordinaci.
- Cloud gaming a interaktivní média: citlivost na jitter; 5G výrazně zlepšuje QoE.
- eMBB v hustých lokalitách: stadiony, nádraží, kampusy – vyšší kapacita a rychlosti.
Metodika měření: jak správně porovnávat 4G a 5G
- Oddělit rádiovou a E2E latenci: měřit ICMP k gNB/UPF (edge) i dálkově do internetu.
- Kontrolovat stav sítě: NSA vs SA, přítomnost EN-DC, počet CA nosných, přiřazené pásmo.
- Opakovatelnost: stejné místo, časové okno, fixní server (ideálně v MEC).
- Interpretace jitteru a ztrát: nejen průměr, ale i P95/P99 metriky.
Bezpečnost a spolehlivost ve vztahu k latenci
5G Core zavádí service-based rozhraní s granulárním řízením politik a šifrování. Správné QoS a priorizace (5QI) zabraňují, aby bezpečnostní mechaniky zbytečně zvyšovaly latenci citlivých služeb. Redundance UPF na edge a lokální breakout zvyšují dostupnost a snižují zpoždění.
Praktický přehled výhod 5G oproti 4G ve zkratce
- Rychlost: násobně vyšší díky širším kanálům, vyšším modulacím a masivnímu MIMO.
- Latence: o řády nižší díky flexibilnímu rámcování, mini-slotům a MEC.
- Determinismus: QoS-řízené toky a URLLC pro kritické aplikace.
- Škálování: efektivní obsluha milionů zařízení (mMTC).
- Programovatelnost: network slicing a edge umožňují SLA pro různé use-cases.
Dopady na uživatelskou zkušenost (QoE)
Uživatelé vnímají rozdíl nejen v peak rychlostech, ale ve stabilitě a odezvě. Video ve 4K/8K, streamovaná hra nebo interaktivní AR aplikace běží plynuleji, protože 5G snižuje buffery, přepínání bitrate a prodlevy vstup-výstup.
Limity a realita nasazení
- Pokrytí FR2: vnější prostředí a interiéry vyžadují hustou síť malých buněk.
- NSA kompromisy: část latence zůstává „čtyřgéčková“. SA je pro nízkou latenci zásadní.
- Terminálová podpora: ne všechny telefony/modemy zvládnou 1024QAM, vysoké CA a URLLC.
- Backhaul: bez optiky nebo kvalitního mikrovlnného spoje se latence i rychlost limitují mimo RAN.
Závěr
Rozdíl mezi 4G a 5G v rychlosti a latenci pramení z kombinace nových rádiových technik (numerologie, masivní MIMO, beamforming), širších kanálů a zásadně přepracované core architektury s podporou edge computingu a programovatelných QoS. 5G tak nejen zrychluje přenosy, ale především odemyká nízkolatenční a deterministické scénáře, které byly v 4G prakticky nedosažitelné. Pro aplikace citlivé na odezvu (průmysl, XR, V2X) představuje 5G kvalitativní skok, nikoli jen inkrementální upgrade.
