Verkko seuraa pian kaikkialle

Kun 5G -verkko laajenee, maailma muuttuu. Supernopea verkko palvelee niin robottiautoja kuin etäkirurgiaa. Se myös sulattaa virtuaalimaailman todellisuuteen.

Kun 5G -verkko laajenee, maailma muuttuu. Supernopea verkko palvelee niin robottiautoja kuin etäkirurgiaa. Se myös sulattaa virtuaalimaailman todellisuuteen.

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. Tutkijat ja teleoperaattorit ovat avaamassa ensimmäisen sukupolven 1G-verkon lapsenlapsenlapsenlasta, 5G-verkkoa.

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.

© Wenn/ All Over

Vuosikymmenen verkkosukupolvet

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

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

Yhdysvaltalaisen Gartner-analyysiyrityksen mukaan vuonna 2016 maailmassa oli noin 6,4 miljardia internetiin yhteydessä olevaa laitetta.

Nyt luku on 20,8 miljardia, vain neljässä vuodessa määrä on siis kolminkertaistunut.

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.

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.

© Jørgen Stamp

Lääketiede: Nopea vaste, varma yhteys

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

© Jørgen Stamp

Teollisuus: Nopea vaste, nopea tiedonsiirto

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

© Jørgen Stamp

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.

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.