Historie 1G–5G

Od analogového hlasu k digitálním datům

Historie mobilních sítí je příběhem postupného přechodu od jednoduchého analogového hlasového spojení k vysoce škálovatelným, softwarově definovaným a cloudově řízeným platformám pro všudypřítomná data, multimédia a internet věcí. Každá „generace“ (G) přinesla nejen vyšší přenosové rychlosti a lepší spektrální efektivitu, ale také zásadní změny v síťové architektuře, bezpečnosti, regulaci a obchodních modelech. Následující přehled systematicky mapuje vývoj od 1G po 5G včetně klíčových milníků, technologií a dopadů.

1G: analogová éra (konec 70. let – 80. léta)

• Standardy: AMPS (USA), NMT 450/900 (Nordické země a střední Evropa), TACS (UK), C-Netz (DE).
• Modulace a přístup: analogová frekvenční modulace (FM), frekvenční dělení kanálů (FDMA).
• Služby: výhradně hlas, bez šifrování a bez podpory dat.
• Vlastnosti: velké buňky, nízké kapacity, slabá odolnost vůči odposlechu a podvodům (klonování SIM tehdy neexistovalo – používaly se programovatelné identifikátory).

1G položilo základy buněčného konceptu (reuse frekvencí, handover), ale trpělo omezenou kapacitou a bezpečností. Rychle rostoucí poptávka po mobilitě akcelerovala přechod na digitální 2G.

2G: digitalizace a masová adopce (90. léta)

• Standardy: GSM (Evropa a globální rozšíření), IS-95 cdmaOne (CDMA, USA/Asie), IS-136 (D-AMPS).
• Klíčové inovace: digitální hlas (kódeky jako FR/EFR/AMR), SMS, základní šifrování (A5/x), lepší mobilita a roaming (SIM, HLR/VLR).
• Rádio: GSM používá TDMA/FDMA, cdmaOne používá širokopásmový DS-CDMA.

2G přineslo kvalitnější hlas, nižší spotřebu a první datové služby s nízkou rychlostí (CSD). Zásadní byla interoperabilita a mezinárodní roaming, díky čemuž se GSM stalo de facto globálním standardem.

2.5G a 2.75G: mobilní data před 3G

• GPRS (2.5G): paketově směrovaná data (SGSN/GGSN), typicky desítky kbit/s, „vždy online“ billing.
• EDGE (2.75G): vyšší spektrální efektivita pomocí modulace 8PSK; teoreticky stovky kbit/s.

Tato mezifáze připravila architektury a obchodní modely pro masovější mobilní internet, přestože latence a rychlosti zůstávaly omezené.

3G: mobilní širokopásmo a multimédia (počátek 2000s)

• Standardy: UMTS/WCDMA (3GPP), CDMA2000 (3GPP2).
• Rádio: širokopásmový CDMA (5 MHz kanály u WCDMA); počátky sofistikovaného řízení výkonu, měkké handovery.
• Služby: videohovory, MMS, mobilní internet s vyšší rychlostí.

3G znamenalo zásadní nárůst kapacity a zavedení paketové domény jako hlavního média pro data, ale první verze měly vyšší latence a omezenou rychlost uplinku.

3.5G: HSPA/HSPA+ a „mobilní broadband“

• HSDPA/HSUPA (HSPA): výrazné zvýšení rychlostí v downlinku/uplinku, plánování na bázi kanálových kvalit (CQI), adaptivní modulace a kódování (AMC).
• HSPA+: MIMO, 64QAM, vyšší kapacita a efektivita; latence postupně klesá.

HSPA prakticky otevřela cestu pro mobilní aplikace a streaming a byla mostem k plně OFDM-based 4G.

4G: IP-native éra s LTE (2010s)

• Standard: LTE (3GPP Release 8+), později LTE-Advanced a LTE-Advanced Pro.
• Rádio: OFDMA v downlinku, SC-FDMA v uplinku; flexibilní šířky kanálů 1.4–20 MHz; MIMO (2×2, 4×4, Massive MIMO v LTE-A Pro); nosné agregace (CA).
• Core: Evolved Packet Core (EPC) – plně paketový, IMS pro VoLTE (nahrazuje CS doménu), QoS třídy a bearer koncept.
• Výkonnost: střední až desítky/stovky Mbit/s, latence ~10–30 ms, vysoká mobilita.

4G sjednotilo hlas a data do IP ekosystému. S nástupem chytrých telefonů explodovala spotřeba dat, vznikly nové CDN a okrajové cache, síť se virtualizovala a začal nástup SDN/NFV.

5G: platforma pro gigabitová data a masivní IoT (konec 2010s – 2020s)

• Standard: 3GPP Releases 15–18 (5G NR a 5G Core).
• Režimy nasazení: Non-Standalone (NSA – 5G NR + LTE EPC) a Standalone (SA – 5GC s Service-Based Architecture).
• Klíčové technologie: Massive MIMO, beamforming, OFDM s numerologií (více SCS), TDD/FDD flexibilita, sdílení spektra (DSS), síťové slice, MEC/edge computing.
• Výkonnostní domény: eMBB (gigabitové datové toky), URLLC (nízká latence a vysoká spolehlivost), mMTC (masivní počet zařízení).
• Frekvenční pásma: sub-1 GHz (široké pokrytí), 3.4–3.8 GHz (C-band, kapacita), mmWave 24–40+ GHz (extrémní kapacita na krátkou vzdálenost).

5G se odlišuje především cloud-natívní architekturou jádra (SBA, mikroslužby, API), možností garantovaných parametrů přes network slicing a těsnou integrací s edge výpočty. Otevírá to průmyslové scénáře (private 5G), AR/VR, pokročilé V2X komunikace a digitální dvojčata.

Vývoj rádiového rozhraní: od FDMA k OFDM a Massive MIMO

• 1G: FDMA s analogovou FM.
• 2G: TDMA/FDMA (GSM) a úzkopásmový CDMA (IS-95).
• 3G: širokopásmový CDMA (WCDMA); počátky HSPA s vyššími modulacemi.
• 4G: OFDMA/SC-FDMA, MIMO, agregace nosných, 64/256QAM.
• 5G: pokročilé OFDM s více numerologiemi, Massive MIMO, beam management a mmWave.

Evoluce jádra sítě: od HLR k cloud-native 5GC

• 2G/3G: oddělení CS a PS domény (MSC/HLR vs. SGSN/GGSN), SS7 signalizace.
• 4G: EPC s čistě paketovou doménou (MME, SGW, PGW), IMS pro VoLTE, Diameter signalizace.
• 5G Core: Service-Based Architecture (AMF, SMF, UPF, UDM…), mikroservisy, API rozhraní (HTTP/2, SBI), cloud/edge integrace, podpora slice.

Bezpečnost: od minimálního šifrování k end-to-end hardeningu

• 1G: prakticky žádné šifrování, vysoké riziko odposlechu a klonování.
• 2G: A5/x šifry, autentizace pomocí SIM, avšak zranitelnosti starých algoritmů.
• 3G/4G: silnější šifrování (KASUMI/SNOW 3G), vzájemná autentizace UE–síť, EPS/AKA.
• 5G: SUCI (ochrana identity), 5G-AKA/EAP-AKA’, lepší integrita signalizace, bezpečnostní domény pro slice a MEC.

Regulační rámec a spektrum: licencované vs. sdílené pásma

Regulace se vyvíjela od pevných makro-cel pokrývajících rozsáhlé oblasti k vícevrstvým heterogenním sítím (macro, micro, pico, femto) s refarmingem a flexibilním přidělováním spektra. Vedle licencovaných pásem akceleroval význam sdílených a lokálních přídělů pro privátní 4G/5G (např. CBRS, lokální průmyslové příděly v pásmu 3.7 GHz apod.).

Zařízení a ekosystém: od „cihel“ k chytrým telefonům a IoT modulům

• 1G/2G: základní mobilní telefony, postupný přechod na SMS a WAP.
• 3G/3.5G: smartphony první generace, mobilní aplikace, mobilní hotspoty.
• 4G: éra iOS/Android, masivní streaming, wearables, M2M moduly.
• 5G: 5G smartphony, CPE pro FWA, průmyslové moduly (mMTC/URLLC), AR/VR headsety.

Klíčové milníky a časová osa

• 1979–1981: první komerční 1G sítě (Japonsko, NMT v severských zemích).
• 1991–1992: spuštění GSM a první SMS.
• 1999–2001: WCDMA/UMTS a počátky 3G.
• 2005–2008: HSDPA/HSUPA (HSPA) – praktický mobilní broadband.
• 2009–2012: LTE rollout, později VoLTE.
• 2018–2020: první 5G NR sítě (NSA), následně SA a rozšiřování pásma C a mmWave.

Srovnání generací: metriky a schopnosti

Generace	Typické rychlosti	Latence	Rádio	Hlas	Architektura jádra
1G	– (hlas)	Vysoká	FDMA, analog FM	Analog	Obvodově orientovaná
2G	~10–100 kbit/s (GPRS/EDGE)	Stovky ms	TDMA/FDMA, CDMA	Digitální (CS)	CS + první PS (SGSN/GGSN)
3G	~0.3–2 Mbit/s (UMTS), 3–20+ Mbit/s (HSPA)	~100–200 ms (nižší s HSPA)	WCDMA	CS (později VoIP přes HSPA)	CS + PS, rozvoj packet core
4G	10–300+ Mbit/s (LTE-A: 1 Gbit/s teoreticky)	~10–30 ms	OFDMA/SC-FDMA, MIMO, CA	VoLTE (IMS)	EPC (IP-native)
5G	Stovky Mbit/s až Gbit/s (eMBB)	<10 ms (URLLC cíl <1–5 ms)	OFDM s numerologiemi, Massive MIMO, mmWave	VoNR (IMS přes 5GC) / VoLTE v NSA	5GC (SBA, cloud-native, slicing)

Ekonomika a obchodní modely: od minut k gigabajtům a SLA

1G/2G monetizovaly hlasové minuty a SMS. S 3G/HSPA se objevily datové balíčky, 4G LTE přešlo na objemový billing a neomezené tarify s řízením politik (PCRF/PCF). 5G přidává B2B scénáře: privátní sítě, garantované parametry (SLA) díky slicing, FWA jako alternativa k pevnému přístupu a integraci s edge aplikacemi.

Inovace v plánování a správě sítě

• SON (Self-Organizing Networks): automatizace konfigurace, optimalizace a uzdravování sítě.
• SDN/NFV: virtualizace síťových funkcí (vEPC, vRAN), programovatelnost a škálování.
• Open RAN: otevřená rozhraní (např. fronthaul), více dodavatelů, cloud-native DU/CU.

Vliv na společnost a aplikace

• 2G: globalizace komunikace, SMS kultura.
• 3G/3.5G: nástup mobilního internetu, sociálních sítí a mobilních aplikací.
• 4G: streaming, sdílená ekonomika, mobilní práce.
• 5G: průmyslový internet věcí, V2X, eHealth, AR/VR a chytrá města.

Roaming a interoperabilita

Od 2G se standardizované identifikátory (IMSI/IMSI attach), signalizace a clearingové procesy staly klíčovými pro globální mobilitu. 4G/5G roaming rozšiřuje modely (LBO/Home Routed, S8/SEPP v 5G) a zohledňuje regulaci velkoobchodních cen a bezpečnost mezinárodní signalizace.

Technologické stavebnice: modulace, kódování, antény

• Modulace: od GMSK (GSM) přes QPSK/16QAM/64QAM k 256QAM a vyšším.
• Kódování: konvoluční a turbo kódy (3G/4G) k LDPC a polar kódům (5G) pro různé linky.
• Anténní techniky: diversity, MIMO, Massive MIMO s digitálním/ hybridním beamformingem.

Přechody mezi generacemi: zpětná kompatibilita a refarming

Operátoři prováděli refarming historických pásem (např. 900/1800 MHz z 2G na 3G/4G/5G) a udržovali multimódové sítě v přechodných obdobích. 5G NSA využilo LTE jako kotvu pro řízení a pokrytí, SA následně umožnilo plný potenciál 5GC a network slicing.

Současné trendy v 5G a směr k 6G

• 5G Advanced (Rel-18/19): zlepšení energetické efektivity, AI-asistované rádio, rozšířené URLLC a RedCap pro jednoduchá zařízení.
• Soumrak 2G/3G: postupné vypínání starších technologií ve prospěch 4G/5G a IoT variant (LTE-M, NB-IoT).
• Směr k 6G: vize sub-THz pásem, kombinace komunikace a senzingu, nativní integrace AI v řízení sítí, ještě hlubší propojení cloud-edge-device.

Závěr

Pět generací mobilních sítí transformovalo způsob, jakým lidé a stroje komunikují. Od analogového hlasu 1G přes digitalizaci 2G, mobilní internet 3G, IP-nativní 4G až po cloudově řízený, škálovatelný a vertikálně orientovaný svět 5G – každá generace nejen zvýšila rychlost a snížila latenci, ale zásadně proměnila architekturu, bezpečnost a ekonomiku sítí. Historie naznačuje, že další krok (6G) nebude pouze „rychlejší 5G“, nýbrž nová integrační vrstva pro komunikaci, výpočet a sensing v jednom koherentním ekosystému.