Verkko seuraa pian kaikkialle

Lähivuosina käyttöön otettava 5G-tekniikka merkitsee tiedonsiirron vallankumousta. Supernopea verkko ohjaa suurta osaa elämästämme, sulauttaa virtuaalisen maailman todelliseen ja avaa tietä aivan uusille sovelluksille.

Shutterstock

Istut kotisohvalla juttelemassa vanhan ystäväsi kanssa. Ystävä näyttää istuvan vieressäsi, mutta oikeasti hän on toisella puolella maapalloa.

Se, mitä näet sohvallasi, on supertarkka 3D-hologrammi, jota 5G-verkko lähettää jokseenkin viipeettä augmented reality -laseihisi, ja nämä puolestaan lisäävät sen sinun näkökenttääsi.

Ensimmäisen sukupolven mobiilitieto­liikenneverkkojen käyttöönotosta on lähes 35 vuotta. First generation- eli 1G-verkko vapautti puhelimen johdon päästä. Se oli mullistava uudistus, ja nykyään harva pystyy edes kuvittelemaan arkea, jossa puhelin ei kulkisi mukana taskussa.

Nyt kun edessä on jälleen uusi tekniikan vallankumous, maailman tietoliikenneverkot pitää rakentaa uudestaan. Tutkijoiden ja telekommunikaatioyhtiöiden katseet ovat 2020-luvulla, jolloin pitäisi saada käyttöön 1G-tiedonsiirtotekniikan lapsenlapsen lapsenlapsi, 5G-mobiiliverkko.

Koko kaupunki viestii verkossa

5G-verkosta tulee esineiden internetin selkäranka. Sen ansiosta koneet ja laitteet voivat viestiä keskenään. Tiehen sijoitetut anturit kertovat autollesi, milloin keli on liukas, ja älypuhelin varoittaa, jos ilmanlaatu on heikko.

Jørgen Stamp

Lähdet liikkeelle kotoasi esikaupungista ja istut autoon. Talossa sijaitsevat anturit kommunikoivat puhelimesi kanssa, ja kun astut ulos, ovi menee takanasi automaattisesti lukkoon. Sisällä lämpötila laskee hiukan ja valot sammuvat.

Kun koneiden välinen viestintä on mahdollista, voi itseohjautuva autosi varmistaa yhdessä muiden autojen kanssa, ettei törmäyksiä tapahdu. Auto noutaa 5G-verkosta tiedon vapaista pysäköintipaikoista. Parkkiruudun anturit hoitavat maksun älypuhelimen kanssa.

Jørgen Stamp & Oliver Larsen

AR-lasit opastavat sinua kaupungin kaduilla 5G-verkosta noutamiensa tietojen avulla. Signaalin kantama on heikko, ja siirryt uuden tukiaseman piiriin aina, kun käännyt kadunkulmasta.

Jørgen Stamp & Oliver Larsen

Päätät mennä hetkeksi puistoon. Puhelin kertoo, että puistoon asennettujen antureiden mukaan ilmanlaatu on huono. Siksi kutsut autosi luoksesi ja lähdet kotiin.

Jørgen Stamp

Uusi verkko on monin verroin nykyistä nopeampi, ja sen kautta dataa siirtyy useita giga­bittejä sekunnissa. Sellaisilla nopeuksilla HD-tasoinen video, jonka lataaminen vie 4G-yhteydellä 7 ja 3G-yhteydellä 70 minuuttia, latautuu kuudessa sekunnissa.

Nopeus ei kuitenkaan ole viidennen polven mobiiliverkkotekniikan ainoa valtti. Tulevaisuudessa verkko yhdistää jopa 100 miljardia laitetta ja konetta niin sanotuksi esineiden internetiksi: autot, vaatteet, hoiva­laitteet, valvontakamerat, lukot ja monet muut sähköiset laitteet ovat langattomassa yhteydessä toisiinsa.

Verkko käy ahtaaksi

Ensimmäinen matkapuhelin, Motorola DynaTAC 8000x, tuli markkinoille Yhdysvalloissa vuonna 1983. Sillä voitiin viestiä vain puhumalla analogisen 1G-verkon kautta.

1980-luvun jälkeen mobiiliverkot ovat uudistuneet noin kerran vuosikymmenessä, ja jokainen uudistus on merkinnyt uusia teknisiä aluevaltauksia. Ensimmäisen polven verkkotekniikkaa seuranneessa 2G-verkossa mobiilisignaali oli jo digitaalinen ja puhelimella voitiin lähettää tekstiviestejä ja sähköpostia.

Kymmenisen vuotta myöhemmin 3G-verkkojen laajakaistanopeudet helpottivat huomattavasti internetin mobiilikäyttöä. 2010-luvulla monet ovat jo tottuneet katselemaan suoratoistopalveluista HD-tasoista videokuvaa 4G-puhelimillaan ja muilla mobiililaitteillaan.

Insinööri Martin Cooper tunnetaan matkapuhelimen isänä.

Vuosikymmenen verkkosukupolvet

Mobiiliverkon neljä teknologialoikkaa ovat noin kymmenen vuoden välein kiihdyttäneet kännykän kehitystä tiiliskivi­puhelimesta monipuoliseksi multimedialaitteeksi.

  • 1G: 1980-luku

    Analogiset langattomat puhelut
    Ensimmäisen polven mobiiliverkko mahdollisti matkapuhelimet, signaali oli analoginen. Ensimmäiset matkapuhelimet tulivat myyntiin 1983.

  • 2G: 1990-luku

    Teksti- ja multimediaviestit mahdollisiksi
    2G-verkossa tietoliikennekaistalle pääsi useampia käyttäjiä kerrallaan. Yhteyden saaminen tiheään asutuilla alueilla helpottui.

  • 3G: 2000-luku

    Musiikin ja video­materiaalin suoratoisto
    3G-verkossa voitiin surffata netissä, katsoa videoita ja käyttää navigaattoria. Vuonna 2012 3G-verkon piirissä oli yli kaksi miljardia ihmistä.

  • 4G: 2010-luku

    Huippulaatuinen videokuva
    4G-verkossa data liikkuu entistä nopeammin. Neljännen polven tekniikka mahdollistaa teräväpiirto­videon suoratoiston.

Kunkin verkkosukupolven uudet mahdollisuudet ovat aina houkutelleet yhä useampia käyttämään nettiä matkan päällä.

Yhdysvaltalaisen Gartner-tutkimuslaitoksen mukaan maailmassa oli vuonna 2016 noin 6,4 miljardia verkkoon kytkettyä yksikköä. Vuonna 2020 tuo luku on jo 20,8 miljardia, eli verkossa olevien koneiden ja laitteiden määrän odotetaan yli kolminkertaistuvan vain neljässä vuodessa.

Matkapuhelin lähettää puhetta ja dataa digitaalisina paketteina määrätaajuisilla radioaalloilla, joita sanotaan kantoaalloiksi. Digitaaliset paketit yhdistetään kantoaaltoon niin sanotussa modulaatiossa, pienenä vaihteluna sen taajuudessa.

Lähin tukiasema ottaa signaalin vastaan ja lähettää sen seuraavaan. Perille saapuessaan kantoaallon värähtelyksi pakattu signaali puretaan taas puheeksi tai dataksi.

Jotta radiosignaalit eivät häiritsisi toisiaan, Kansainvälinen televiestintäliitto ITU valvoo taajuuksia. Tällä hetkellä 2G-, 3G- ja 4G-verkot käyttävät taajuuksia 700 megahertsistä 2,6 gigahertsiin. Jokainen yhteys vie taajuusalueesta pienen osansa, eikä miljardeille uusille ilman halki tietoa siirtäville yksiköille yksinkertaisesti riitä tilaa.

Millimetriluokan ratkaisu

Suurten siirtonopeuksien ja paisuvan käyttäjäkunnan mahdollistamiseksi New Yorkin yliopistossa työskentelevä yhdysvaltalaistutkija Ted Rappaport ehdotti vuonna 2013 julkaistussa artikkelissa, että 5G-verkon taajuusalueet pitäisi hakea spektrin yläpäästä eli millimetriaalloiksi kutsutuista taajuuksista.

Aiempien polvien verkoissa on hyödynnetty 10–40 senttimetrin aallonpituuksia. 30–300 gigahertsin alueella, missä aallonpituus on alle senttimetrin, 5G-tekniikka pääsisi hyödyntämään taajuusspektrin vähemmän käytettyjä alueita.

Suurten taajuuksien ja lyhyiden aallonpituuksien ongelma on kuitenkin heikko kantama: rakennukset, puut, pensaat ja jopa sadekuurot vaimentavat signaalia. Ted Rappaport testasi opiskelijaryhmän kanssa 28:n ja 38 gigahertsin taajuudella lähetettyjen mobiilisignaalien toimintaa New Yorkin ja Austinin kaltaisissa suurkaupungeissa.

Heidän mukaansa 5G-peitto on kaupunki­oloissa mahdollinen, kun tukiasemia on 200 metrin välein. Nykyverkoissa mastoja on yleensä 2—3 kilometrin välein.

Mobiiliverkko viipaleiksi

Tulevaisuudessa internetiin liittyy miljardeja uusia laitteita, joista jokaisella on omat tehtävänsä ja tarpeensa. 5G-verkko on siksi jaettava niin, että jokainen yksikkö saa juuri sellaisen yhteyden kuin se tarvitsee.

Älypuhelimet: Nopea tiedostojen lataus, monta yksikköä

Puhelinten käyttäjät tarvitsevat nopeaa tiedonsiirtoa. Tämä viipale keskittyy siksi tarjoamaan suurta kaistan­leveyttä monelle käyttäjälle.

Lääketiede: Nopea vaste, varma yhteys

Yksi viipale voidaan omistaa etäkirurgialle. Yhteys robottikirurgiin ei saa katketa, ja vasteajan tulee olla mahdollisimman lyhyt.

Teollisuus: Nopea vaste, nopea tiedonsiirto

Kaivinkoneen tarkka ohjaus edellyttää lyhyttä vasteaikaa ja reaaliaikaiseen video­kuvaan etäisestä työmaasta tarvitaan kaistanleveyttä.

Älymittarit: Paljon yksiköitä, vähäinen virrankulutus

Älykäs sähkömittari kirjaa kulutuksesi verkon kautta. Akun maksimoimiseksi tämä viipale vie yksiköistä minimaalisesti energiaa.

IT-jätit 5G-nopeuksia testaamassa

Heikon kantaman vuoksi tulevassa 5G-mobiiliverkossa täytyy olla tukiasemia kaupungin joka korttelissa.

Suurtaajuustekniikan hyvä puoli on kuitenkin se, että kun signaalin taajuus kasvaa, radioantennin koko pienenee. 5G-matkapuhelimeen voi mahtua satoja pieniä antenneja, ja tukiasemassa antenneja voi olla tuhansia.

Vaikka signaalien kantama on lyhyempi, ne voidaan suunnata paljon tarkemmin tiettyjä yksikköjä kohti: kun antenneja on paljon, ne voidaan kohdistaa eri suuntiin.

Pieniä tukiasemia on mahdollista sijoittaa myös sisätiloihin, mikä vähentää esimerkiksi betonirakennusten signaalia vaimentavasta vaikutuksesta johtuvia ongelmia. Mobiilijätti Samsung on testannut prototyyppitason suurtaajuustekniikkaa hyvin tuloksin.

Testeissä onnistuttiin lähettämään dataa vastaanottimeen, joka sijaitsi eteläkorealaisen Suwonin kaupungin kaduilla 25 kilometrin tuntivauhtia ajavassa autossa.

Keskimääräinen siirtonopeus oli 1,67 gigabittiä sekunnissa, mikä on noin viisinkertainen nopeus 4G-yhteyteen verrattuna. Samalla osoitettiin, että auton liikkuessa signaali siirtyi tukiasemasta toiseen siirtonopeuden juuri alenematta.

Maailman ensimmäinen mobiili 5G-testi­yksikkö on pari metriä korkea. Lähivuosina tekniikka kutistuu taskukokoiseksi.

Mobiilinetti täydentää tosielämää

Ennen kuin 5G-liittymiä päästään myymään kuluttajille, on edessä vielä paljon työtä. Koko teollisuudenala on kuitenkin yhtä mieltä siitä, että 5G on markkinoilla jossain vaiheessa ensi vuosikymmentä.

Vaiheittainen siirtymä vie vuosia, ja vanhan polven laitteet toimivat pitkään uusien rinnalla. Yksi 5G:n mukanaan tuomista lupaavimmista uudistuksista liittyy AR-sovelluksiin eli lisättyyn todellisuuteen. Siinä missä virtual reality ”upottaa” käyttäjän virtuaaliseen 3D-ympäristöön, AR eli augmented reality toimii todellisuuden jatkeena.

Microsoft on esimerkiksi kehittänyt lasit, jotka projisoivat kolmiulotteisia virtuaalielementtejä käyttäjän näkökenttään. Jos olet vaikkapa aikeissa hankkia uuden nojatuolin, voit ladata laseihisi tuolin 3D-mallin ja tarkastella sitä omaan olohuoneeseesi sijoitettuna ennen ostopäätöstä.

Toistaiseksi lasien käyttö edellyttää lähi­verkkoyhteyttä – niiden täysiä mahdollisuuksia päästään hyödyntämään 5G-verkon myötä.

Tuleva verkko on paljon muutakin kuin vain uusi versio langattomasta internetistä. Siitä on tulossa mobiilisovellusten vallankumous, joka panee meidät katsomaan todellisuutta uudella tavalla.

Lue myös:

Ruoka-aineet

Näin tehdään alkoholia – 4 vaihetta

1 minuuttia
Vempaimet

Tutkijat tarvitsevat SINUN apuasi

3 minuuttia
Teknologia

Uudet kamerat löytävät rikollisia ja eksyneitä lapsia

1 minuuttia

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!