Principy 5G a architektura

Proč 5G není jen „rychlejší 4G“

5G sítě představují zásadní posun od tradiční „jednoúčelové“ mobilní infrastruktury směrem k programovatelným, cloud-native platformám, které paralelně obsluhují různorodé požadavky: extrémně vysoké rychlosti (eMBB), ultra-spolehlivou komunikaci s nízkou latencí (URLLC) a masivní konektivitu zařízení (mMTC). Klíčem je servisně orientovaná architektura (SBA) jádra 5G, virtualizace funkcí sítě (NFV), softwarově definované sítě (SDN), network slicing a nové rádiové rozhraní 5G NR s pokročilým využitím spektra a anténních technik.

Přehled referenční architektury 5G

5G se dělí na dvě hlavní domény: RAN (Radio Access Network) a 5GC (5G Core). RAN tvoří základnové stanice gNB (v NSA režimu částečně i eNB), které zajišťují rádiový přístup. Jádro 5GC je postaveno jako Service-Based Architecture, kde síťové funkce (NF) komunikují přes standardizovaná REST rozhraní.

• RAN: gNB s jednotkami CU/DU (Centralized/Distributed Unit), fronthaul/midhaul/backhaul transport, O-RAN rozhraní (O-CU, O-DU, O-RU).
• 5GC: síťové funkce AMF, SMF, UPF, PCF, UDM, AUSF, NSSF, NRF, NEF, AF aj., provázané v rámci SBA.
• Orchestrace: NFV MANO, SDN kontroléry, automatizace (closed-loop), telemetrie a observabilita.

RAN: 5G NR, numerologie a rádiové techniky

5G NR (New Radio) přináší flexibilní numerologii s podnásobky subcarrier spacing (SCS) označovanými μ: 15/30/60/120/240 kHz. To umožňuje přizpůsobit latenci, šířku pásma i robustnost přenosu podle scénáře. Sloty mohou být variabilní délky, s mini-sloty pro URLLC a TDD konfiguracemi dynamicky rozdělujícími DL/UL.

• Modulace a kódování: OFDM v DL i UL (DFT-s-OFDM pro UL), LDPC pro datové kanály, Polar kódy pro kontrolní kanály.
• Masivní MIMO a beamforming: vysoce směrové svazky (beam management: sweep, refinement, tracking) zvyšují kapacitu i dosah, zejména v mmWave.
• Spektrum: FR1 (sub-6 GHz) a FR2 (mmWave, ~24–52 GHz); podpora DSS pro sdílení pásma s LTE, režimy FDD/TDD.
• Synchronizace: SSB (Synchronization Signal Block) a PRACH pro počáteční přístup; přesná časová synchronizace (např. IEEE 1588 PTP) pro TDD a koordinaci buněk.

Oddělení C-Plane a U-Plane, CU/DU a rozhraní

5G rozkládá základnové stanice do funkcí gNB-CU (řídicí logika a vyšší vrstvy) a gNB-DU (nižší vrstvy, blíže rádiu). To přináší flexibilitu škálování a umožňuje centralizovanou koordinaci (např. CoMP). Rozhraní F1 (CU–DU), E1 (CU-CP a CU-UP), a open RAN specifikuje další O-rozhraní (A1, E2, O1) pro programovatelnost a RIC (RAN Intelligent Controller).

5G Core (SBA): síťové funkce a jejich role

• AMF (Access and Mobility Management Function): registrace zařízení, mobilita, NAS signalizace.
• SMF (Session Management Function): správa PDU session, přidělování IP, volba UPF, QoS parametry.
• UPF (User Plane Function): datová rovina, směrování/překládání, zakotvení pro MEC a obsluhu traffic steeringu.
• UDM/AUSF: identita a autentizace (5G-AKA), správa SUCI/SUPI s ochranou soukromí.
• PCF: politika řízení (policy), 5QI/QoS, pravidla pro směrování a prioritizaci.
• NSSF: přidělení a výběr síťových řezů (slices).
• NRF: registr služeb, vyhledání NF v SBA.
• NEF/AF: exponování síťových schopností třetím stranám a aplikačním funkcím.

Komunikace mezi NF probíhá přes service-based rozhraní (HTTP/2, JSON, TLS) s možností škálování a instancování funkcí podle zatížení (cloud-native mikro-služby, kontejnery, CI/CD).

Protokolový stack 5G NR

• PHY: OFDM, kódování LDPC/Polar, HARQ.
• MAC: plánování (scheduler), TDD konfigurace, agregace nosných (CA), LBT v sdíleném pásmu.
• RLC: režimy TM/UM/AM (přenos, nepořádek, retransmise).
• PDCP: šifrování, integrita, zřetězení/přesměrování, duplicitní doručování (DC).
• RRC: konfigurace rádiových parametrů, měření, handovery, stavové modely (RRC_IDLE, RRC_INACTIVE, RRC_CONNECTED).
• SDAP: mapování QoS toků (5QI) na PDCP; umožňuje jemnozrnné zajištění kvality.

QoS a 5QI: řízení kvality a latence

5G definuje 5QIs (5G QoS Identifiers) s charakteristikami pro latenci, ztrátovost a prioritu. Guaranteed Bit Rate (GBR) toky jsou vyhrazeny pro služby s požadavkem na zajištěnou kapacitu (např. průmyslové řízení), zatímco Non-GBR obsluhuje běžná data. PCF v kombinaci se SMF a UPF uplatňuje politiku per-tok i per-slice, včetně mechanizmů reflective QoS.

Network Slicing: virtuální „síť v síti“

Řezy sítě (slices) umožňují provozovat izolované domény pro různé případy použití na sdílené infrastruktuře. Každý řez má vlastní sadu NF (logicky – někdy i fyzicky) a pravidla QoS. Řízení zajišťují funkce NSMF a NSSMF, které sestavují řez napříč RAN, transportem a jádrem. Příklady: řez s URLLC pro automatizované továrny, eMBB pro spotřebitele, mMTC pro IoT.

MEC/Edge Computing: zkrácení cesty dat

Multi-access Edge Computing přesouvá aplikace a síťové funkce blíže uživateli. Pro URLLC a průmyslové scénáře lze umisťovat UPF na okraj (tzv. UL-CL a branching provozu), čímž se snižuje latence na jednotky milisekund a umožňuje lokální breakout dat.

Režimy nasazení: NSA vs. SA

• NSA (Non-Standalone): 5G NR kotvené v LTE Evolved Packet Core (Option 3/3a/3x), dual connectivity EN-DC; rychlé uvedení eMBB, omezené core schopnosti (bez plného slicing/MEC řízení v 5GC).
• SA (Standalone): plnohodnotné 5GC (Option 2), podpora slicing, VoNR, nativní 5G bezpečnost a QoS.

Přechod z NSA na SA je strategický: umožňuje monetizaci skrze B2B služby, SLA a API exponování.

Handovery, mobilita a duální konektivita

5G podporuje inter-/intra-RAT handover (NR↔LTE), Dual Connectivity (E-UTRA-NR DC i NR-NR DC) a mechanismy pro conditional handover snižující přerušení. V mmWave prostředí je klíčové beam-level mobility a rychlé vyhodnocení kvality svazků.

Bezpečnostní architektura a ochrana identity

5G zavádí 5G-AKA s funkcemi AUSF a UDM, a chrání identitu uživatele pomocí SUCI (šifrovaný identifikátor) odvozeného ze SUPI. Všechny SBA interakce jsou zabezpečeny (TLS). PCF/NEF přidávají řízené exponování funkcí pro aplikace, což se opírá o audit, autorizaci (OAuth2) a granularitu politik.

Transportní síť: fronthaul, midhaul, backhaul

Volba topologie a přenosového média zásadně ovlivňuje latenci a spolehlivost. Fronthaul (RU–DU) vyžaduje nízkou latenci a přesné časování; midhaul (DU–CU) a backhaul (RAN–5GC) škálují kapacitu pro masivní MIMO. SDN umožňuje traffic engineering, segment routing a tvrdé/soft SLA pro řezy.

O-RAN a otevřenost ekosystému

O-RAN specifikuje otevřená rozhraní a RIC (Near-/Non-RT) pro inteligentní řízení RAN. Aplikace xApps a rApps přinášejí adaptivní optimalizaci (např. řízení energie, interference, QoS). Otevřenost podporuje multi-vendor prostředí a rychlejší inovaci.

Hlasové služby: VoNR a EPS Fallback

V SA režimu je cílem VoNR (Voice over NR). Tam, kde pokrytí nebo kapacita VoNR chybí, terminály využijí EPS Fallback – dočasný přechod do LTE/IMS pro hlas.

Energetická efektivita a udržitelnost

5G zavádí RRC_INACTIVE, dynamické vypínání nosných, inteligentní řízení výkonu svazků a spánek komponent (RU, DU). V kombinaci s AI v RIC lze snižovat spotřebu při zachování KPI. Virtualizace umožňuje elastické škálování podle denní křivky provozu.

Private 5G a průmyslové nasazení

Průmysl využívá nezávislé privátní 5G (standalone) v lokálním spektru nebo sdílených pásmech. Výhody: deterministická latence, lokální UPF/MEC, izolované řezy pro OT/IT, přesné časování a QoS pro robotiku, AGV, AR/VR a procesní řízení.

Proces přístupu zařízení a řízení přenosu

1. Počáteční přístup: UE detekuje SSB, synchronizace, PRACH pro random access.
2. Registrace: NAS s AMF (identita přes SUCI), autentizace 5G-AKA (AUSF/UDM).
3. Ustanovení PDU session: SMF přiděluje IP, volí UPF, nastaví QoS a politiku.
4. Datový přenos: UPF směruje data (lokální breakout, path selection), SDAP mapuje 5QI na PDCP.
5. Mobilita a optimalizace: měření, handover/dual connectivity, beam tracking.

Klíčové KPI a výkonnost

• Propustnost: stovky Mb/s až jednotky Gb/s v eMBB; CA, MIMO řády, šířky pásma do 100 MHz (FR1) a 400 MHz (FR2).
• Latence: air interface v jednotkách ms; end-to-end pod 10 ms s MEC a optimalizovaným transportem.
• Spolehlivost: URLLC cíluje 99.999%+ pro kritické aplikace.
• Hustota připojení: až milion zařízení/km² v mMTC scénářích.

Řízení a orchestrácia: od plánování po provoz

End-to-end orchestrace propojuje RAN, transport a core. Intent-based řízení převádí obchodní záměry (SLA/SLO) na technické politiky (QoS, slicing). Telemetrie (streaming), AI/ML pro prediktivní údržbu a closed-loop automatizace zajišťují průběžnou optimalizaci KPI a nákladů (TCO).

Migrační strategie a integrace s LTE

Operátoři typicky začínají NSA pro rychlé eMBB a postupně přechází na SA. DSS usnadňuje sdílení pásma mezi LTE a NR. V průběhu migrace je klíčová kompatibilita terminálů (podpora VoNR, carrier aggregation NR-NR/LTE-NR) a modernizace transportu pro vyšší kapacitu a časování.

Bezpečnostní a provozní výzvy

• Segmentace a izolace mezi řezy, řízení přístupu a audit v SBA.
• Závislost na softwaru: supply-chain bezpečnost, patching, kontinuální testování.
• Citlivá data IoT: end-to-end šifrování, správa identit zařízení, zero-trust přístup.

Budoucí evoluce: 5G-Advanced a směrem k 6G

5G-Advanced přinese další zvýšení efektivity (enhanced MIMO, AI-native řízení), přesnější lokalizaci, rozšířený sidelink pro V2X/industriální scénáře a energeticky úspornější provoz. Tyto schopnosti připravují půdu pro 6G s konvergencí komunikací a senzoriky (ISAC) a ještě hlubší integrací AI.

Závěr

Princip fungování 5G sítí stojí na kombinaci flexibilního rádiového rozhraní, cloud-native jádra a programovatelného řízení end-to-end. Tato architektura umožňuje stejnou fyzickou infrastrukturu využít pro rozličné služby s přesně definovanými SLA – od gigabitového broadbandu až po misi-kritické řídicí smyčky s milisekundovou latencí. Úspěšné nasazení vyžaduje vedle technologií i procesní a provozní změny: automatizaci, telemetrii, bezpečný DevSecOps a datově řízené rozhodování.