5G-verkkoteknologia muuttaa maailmaa nopeammaksi ja tehokkaammaksi

Kuva: Milo Toivonen

Jonni Lehtiranta, Antti Van Wonterghem, Kalle Ranto

Matkapuhelinteknologia kehittyy sykäyksittäin. Uusia teknologisia sukupolvia tuodaan markkinoille noin vuosikymmenen välein, ja nyt on vuorossa sukupolvista viides, fifth generation eli 5G. Sen myötä tapa, jolla mobiililaite keskustelee tukiaseman kanssa muuttuu ja siirrettävä tieto sekä paketoidaan että muutetaan sähkömagneettisiksi aalloiksi uudella tavalla. Tämän myötä sekä laitteet että ohjelmistot täytyy uusia. Ensimmäiset 5G-puhelimet ovat jo saapuneet kauppoihin, mutta 5G-verkon kuuluvuusalue (Elisa, DNA) ei vielä peitä edes koko pääkaupunkiseutua. Monesta Suomen kaupungista 5G-verkot puuttuvat toistaiseksi kokonaan. 5G-puhelin osaa toki käyttää myös 4G- ja 3G-verkkoja, mutta tällöin uuden teknologian eduista ei pääse nauttimaan. Tällä hetkellä vain noin 20 prosenttia kuluttajista voi hyötyä 5G-tekniikasta. 5G:n pitäisi pärjätä laadussa, siis luotettavuudessa ja tiedonsiirtoviiveessä, totutuille kiinteille internet-yhteyksille kuten mm. ADSL:lle. 5G tekee siis saman kuin 4G mutta paremmin. Tulevaisuudessa se tulee tekemään myös kokonaan uusia temppuja. 5G siirtää tietoa puhelimen ja internetin tai toisen mobiililaitteen välillä aiempaa pienemmällä viiveellä, ja siksi esimerkiksi laitteiden etäohjaamisesta mobiiliteknologiaa käyttäen tulee sujuvaa. 

Tietoverkkotekniikan professorin Raimo Kantolan mukaan esimerkiksi dronet toimivat todennäköisesti lähivuosina 5G:llä ja huoli lentohärvelin menettämisestä etäyhteyden katkeamisen vuoksi jää historiaan.

Kantolan mukaan 5G on digitalisaation avainteknologia, joka tulee avaamaan sellaisiakin ovia, joita emme vielä osaa edes ajatella. Teknisiä muutoksia on lukuisia. Kantolan mukaan joka kerta kun matkapuhelintekniikasta tulee uusi sukupolvi, tekniikan monimutkaisuus moninkertaistuu. 5G näyttää tietä tulevaisuuden etätyölle Raimo Kantolan tutkimusryhmä Aalto-yliopistossa on tutkinut teollisuudessa tarvittavia tiedonsiirtoratkaisuja ja Espoon Otaniemessä on jo jonkin aikaa ollut 5G-testiverkko. Tutkimusten mukaan 4G:llä ei saavuteta riittävää tietoliikenteen laatutasoa, jotta sitä voisi käyttää teollisuuden sovelluksissa, mutta 5G-teknologia on paljon lupaavampaa luotettavuutensa ja pienemmän viiveensä ansiosta. Esimerkiksi merikonttien lastaamiseen käytettäviä satamanostureita ohjataan nykyään nosturin hytistä, mutta tulevaisuudessa yksi työntekijä voi ohjata useampaa nosturia toimistosta käsin. Myös sähköverkot voivat hyötyä 5G-teknologiasta. Hajautetun uusiutuvan sähköntuotannon lisääntyessä kasvaa myös tarve säätää, valvoa ja hallita sähköverkon toimintaa. Vanhoissa sähköverkoissa ei aina ole tämän tarpeen edellyttämää tiedonsiirtovalmiutta mukana, ja langaton teknologia on edullisuutensa vuoksi uusia datakaapeleita houkuttelevampi ratkaisu. Sähköverkkoa koskevat säädöt on kuitenkin tehtävä samanaikaisesti siirtolinjojen eri päissä ja siksi 5G:n tuoma nopeus ja luotettavuus ovat tarpeen. 5G-teknologian soveltuvuudet eivät kuitenkaan rajoitu vain tietoliikenteeseen.

”Radiosignaalit ja niiden heijastukset antavat todella paljon tietoa ympäröivästä maailmasta”, Kantola sanoo.

4G-verkkoja on käytetty muun muassa puhelimen paikan selvittämiseen GPS:n ohella, mutta 5G:n avulla voidaan tehdä vielä tarkempaa paikannusta. Tästä on hyötyä esimerkiksi itseajavia autoja kehittäessä, kun paikannusvirhe laskee jopa 10 cm:n tasolle. 5G:n myötä mobiiliverkkoon tulee ensi kertaa päätelaitteiden välinen viestintämahdollisuus, joten vaikkapa peräkkäin ajavat autot voivat vaihtaa tietoja keskenään suoraan ja viiveettä. Tämän hyödyntäminen vaatii tosin vielä kaupallisen sovelluksen kehittämistä. 3,5 Gigahertsin lähtölaukaus Suomessa 5G toimii aluksi 3,5 gigahertsin (GHz) taajuusalueella, joka ei oleellisesti poikkea nykyisin 4G:ssä ja WIFI-tekniikassa käytetyistä taajuuksista. 5G-standardi ei aseta tiukkoja rajoja käytetyille taajuuksille, vaan kysymys on hallinnollinen. Standardin puolesta tarjolla on kaksi taajuusaluetta, alempi (410 MHz - 7125 MHz) ja korkeampi (24,25 GHz - 52,6 GHz). Viime kesäkuussa huutokaupattiin kaistaa 26 GHz:n taajuusalueella, ja tätä korkeampaa taajuutta hyödyntäviä päätelaitteita odotetaan markkinoille ensi vuonna. 26 GHz:n kaistalla operoivat tulevaisuudessa Elisa, Telia ja DNA. Tällä hetkellä myynnissä olevat 5G-puhelimet eivät kuitenkaan pysty hyödyntämään 26 GHz:n taajuusaluetta. Odotettavissa on, että ensin otetaan käyttöön 3,5 GHz:n taajuusalue, jolla on saavutettu jo reilun gigabitin tiedonsiirtonopeus. Useiden gigabittien siirtonopeudet mahdollistava 26 GHz:n taajuusalue otetaan käyttöön sen jälkeen. Tulevaisuudessa 5G-puhelin voi käyttää samanaikaisesti sekä 3,5 GHz:n että 26 GHz:n taajuusalueita, ja näin voidaan saavuttaa jopa yli 10 Gbit/s nopeuksia. Osa 26 GHz:n taajuuksista rajattiin huutokaupan ulkopuolelle, jotta näiden avulla voidaan toteuttaa paikallisia verkkoja esimerkiksi satamiin ja teollisuuslaitoksiin. Kun aiemmin mobiiliverkot ovat olleet puhtaasti kuluttajamarkkinoita varten, 5G:n myötä rinnalle tulevat yritysmarkkinat sekä yksityisiä langattomia verkkoja samalla tekniikalla. Yksityiset verkot ovat operaattoreista riippumattomia ja ne parantavat entisestään yritysten mahdollisuuksia häiriöttömään tiedonsiirtoon omilla alueillaan. Jos 4G olisi hampurilainen, 5G olisi jo koko ateria 5G:n radiosignaali muistuttaa rakenteeltaan hyvin paljon 4G:tä ja WIFIä - kaikissa data on moduloitu kantoaallolle samalla tavalla. Tällä hetkellä käytössä olevat 3,5 GHz:n taajuuskaista ovat hiukan leveämpiä kuin 4G:ssä - mitä leveämpi taajuuskaista, sitä nopeampaa tietoliikennettä voidaan tarjota. 5G:ssä yhdellä operaattorilla on Suomessa käytössään 60+70 MHz:n levyiset taajuuskaistat, kun 4G:ssä on tyypillisesti 20+20 MHz (esim. DNA:lla 1940 - 1960 MHz ja 2500 - 2520 MHz). Juuri huutokaupatut 26 GHz:n 5G-kaistat ovat 800 MHz levyisiä per operaattori. Leveämpi kaista ja suurempi taajuus tarkoittaa suurempia datanopeuksia.

5G:ssä on monenlaisia parannuksia, jotka parantavat datayhteyden laatua, viivettä ja datanopeutta. 4G:ssä on tyypillisesti 4 lähetysantennia tukiasemassa ja 2 vastaanottoantennia kännykässä, kun 5G:ssä voi olla jopa 8 antennia molemmissa päissä.

Tämä MIMO (multiple-input multiple-output) -tekniikka mahdollistaa useamman datavirran lähettämisen yhtä aikaa, jos radiokanava on sopiva. Toisaalta useammilla lähetysantenneilla voidaan tehdä ns. keilanmuodostusta (beamforming), jossa lähetys kohdistetaan paremmin vastaanottajan suuntaan eikä lähetetä ympärisäteilevästi koko tukiaseman alueelle. Radiosäteilyn kannalta suurin muutos on tulevat 26 GHz:n taajuusalueet, joita ei ole aikaisemmin käytetty matkapuhelinverkoissa. Mitä korkeampi taajuus, sitä lyhyempi kantomatka sillä saavutetaan. Siksi 26 GHz:n tukiasemia tarvitaan tiheämmin ja siksi näitä tullaan luultavasti käyttämään lähinnä kaupunkien keskustoissa ja sisätiloissa WIFI:n tapaan. 26 GHz:n radiosignaali ei läpäise hyvin esteitä kuten seiniä, ja siksi tietoliikenne tarvitsee käytännössä joko heijastavan pinnan tai näköyhteyden lähetysantenniin. Mobiiliverkoillakin on solut Mobiiliverkot koostuvat soluista. Yksi solu on yhden tukiaseman palvelema alue. Nämä alueet ulottuvat tyypillisesti kilometrien tai kymmenien kilometrien päähän ja ovat muodoltaan joko pyöreitä tai kiilamaisia. Tukiasemien lähetystehot viritetään riittävän korkeiksi, että viestintä oman solun alueella onnistuu, mutta samalla niin mataliksi, ettei viereisten solujen alueella radioliikenne häiriinny. Mitä tiheämmin jossakin on mobiiliverkon käyttäjiä, sitä tiheämmin tarvitaan myös heitä palvelevia tukiasemia. Kun tukiasemaverkko on tiheämpi, myös lähetystehot säädetään alhaisemmiksi. Uudet vastaanottimet ovat vanhoja herkempiä, joten myös kännyköiden lähettimet tarvitsevat entistä vähemmän tehoa. Harvaan asutulla alueella on tukiasematkin harvassa ja lähetystehot suurempia. 5G-tukiasemat suuntaavat signaaliaan 4G:tä energiatehokkaammin, mikä vähentää turhia radiohäiriöitä. Yleensä kaikkialla kuuluu samaan aikaan kaikkien operaattorien verkot, mutta harvimmin asutuille alueille operaattorit voivat asentaa yhteisiä tukiasemia. Tukiasemaverkon ja solujen suunnittelu on kuitenkin lopulta verkon peittävyyden ja toimivuuden määrittävä tekijä.

Raimo Kantolan mukaan 5G:n myötä voidaan saada esimerkiksi junamatkoille katkeilematon verkkoyhteys riippuen siitä, missä tukiasematorneja on.

Yleisesti laadukkaita ja laajapeittoisia 4G-verkkoja on Kantolan mukaan lähinnä pohjoismaissa ja Kiinassa, kun esimerkiksi Saksassa ja USAssa maaseutua, moottoriteitä ja raideverkostoa palvellaan yhä monin paikoin vain 3G- tai jopa 2G-tekniikalla. Koska 5G-tukiasemat ovat 4G-tukiasemia pienempiä ja edullisempia operoida, 5G-verkosta luultavasti tulee kattava ja laadukas. Rajat tulevat vastaan, tekniikassakin Vaikka teknologia kehittyy, radioteitse tapahtuva tietoliikenne on toistaiseksi jouduttu rakentamaan kompromissin pohjalle. Raimo Kantolan mukaan kolmesta laatutekijästä - tiedonsiirron virheettömyydestä, viiveettömyydestä ja suuresta tiedonsiirtokapasiteetista - käytännössä voidaan yhtä aikaa saavuttaa vain kaksi. 5G-tekniikka on suunniteltu siten, että tämä valinta voidaan tehdä sovelluskohtaisesti ja se vaikuttaa kaikkeen radiosignaalin tasolle asti. Tällöin esimerkiksi teollisuudessa voidaan tehdä hyvin luotettavaa viestintää pienillä viiveillä ja yksityishenkilöille voidaan tarjota pientä viivettä ja äärimmilleen venytettyä tiedonsiirtonopeutta. Nykyään 4G:n tekniikan rajoittuneisuus määrittää, mitä mobiiliverkkojen varassa on mahdollista tehdä. 4G-verkkojen kymmenien millisekuntien mittainen ja satunnaisesti poukkoileva viive on merkittävä rajoite fyysisen maailman ja digitaalisen maailman rajapinnassa ja ohjelmoijien haaveiden saavuttamisessa. Mitä vähemmän näitä rajoitteita on, sitä enemmän uusia mahdollisuuksia avautuu. Myös tietoverkon toimivuus kaikkialla on tärkeä mahdollistaja.

Kantolan mukaan Kiinassa lähimaksaminen toimii nykyään usein kännykällä. Esimerkiksi ravintolassa asiakas voi älypuhelimellaan valita haluamansa annoksen ruokalistasta ja sen jälkeen vilauttaa kännykkäänsä kassalla, jolloin samalla kertaa hoituu sekä tilaus että maksu.

Tällainen palvelu ei kuitenkaan lähde lentoon, ellei se ole laajalti käytettävissä ympäri maata. 5G parantaa elämää 5G etenee eri maissa eri nopeudella. Kehittyvissä maissa on tähänkin asti luotettu laajasti mobiiliteknologiaan ja 5G:n myötä pätkimätön ja viiveetön verkkoyhteys saadaan moneen paikkaan ensi kertaa. Se on suuri muutos siellä, missä kännykkä on usein ainoa saatavilla oleva älylaite ja jossa kaikki tarpeet rahaliikenteestä viihteeseen toteutetaan kännykän avulla. Afrikan tiheästi asutuissa miljoonakaupungeissa mobiiliverkon käyttäjämäärät ja käyttömäärät ovat korkeita. Tähän tarpeeseen uudemmat mobiiliverkkoteknologiat ovat tutkimuksissa järjestään olleet vanhoja edullisempia. ”Muuta tekniikkaa, joka pystyy samaan, ei ole olemassakaan”, Raimo Kantola toteaa.

Suomi on yhä eturintamassa rakentamassa 5G-tekniikkaa ja sen mahdollistamia uusia ratkaisuja.

Pitkäjänteinen työ voi kantaa hedelmää ja 5G:n avulla voidaan parantaa ihmistyön tuottavuutta ja mielekkyyttä. ”5G auttaa pitämään teollisuuslaitoksia Suomessa”, Kantola toteaa. Turvallisuushuolia ja disinformaatiota 5G on herättänyt huolta uuden teknologian turvallisuudesta samoin kuin 4G ja 3G aikanaan. Sotatieteiden tohtorin Saara Jantusen mukaan uusi teknologia aiheuttaa ihmisissä ymmärrettävästi huolta. Hänen mukaansa huolta on kuitenkin helppo lietsoa. 5G-teknologiaan kohdistuva disinformaatio nousi julkisuuteen viime vuonna, kun Venäjän valtion hallinnoima Russia Today (RT) -uutiskanava uutisoi 5G-verkon syövyttävän aivot. RT America teki useita juttuja, joissa ei viitattu vertaisarvioituihin tutkimuksiin, vaan artikkelit pohjautuivat 5G-verkkoja vastustavien yksityishenkilöiden näkemyksiin. Huolta 5G:tä kohtaan luotiin tunteisiin vetoavilla tarinoilla epäonnisten ihmisten kokemuksista. Jantusen mukaan 5G-teknologiaan liittyvä disinformaatio saa digitalisoituneessa yhteiskunnassa helposti näkyvyyttä. ”Se, että jokin valtio levittää tällaista disinformaatiota voi johtua siitä, että se kokee olevansa alakynnessä esimerkiksi teknologisessa kehityksessä ja pyrkii siksi hidastamaan kehitystä muualla. Tällainen valtio käyttää silloin todennäköisesti useita eri keinoja päämääränsä toteuttamiseen, myös disinformaatiota. Toisaalta informaatiovaikuttamisen tai disinformaation tavoitteena voi olla vain yksinkertaisesti luoda disruptiota (häiriötä) kohdeyhteiskunnassa.” 5G voi olla haitallisten vaikuttamiskeinojen kanavan lisäksi myös puolustuslinja hakkeroinnille. Tietoturva on mobiiliverkoissa jo ennestään internetin perustasoa parempi, mutta 5G:n tietoturva on 4G:tä parempi. Salakuuntelija voisi esimerkiksi pystyttää oman valetukiaseman, johon mobiililaite voisi ottaa automaattisesti yhteyttä, ja jonka avulla salaamattomia tietoja voisi varastaa. 5G-tekniikka tekee tällaisesta hyökkäyksestä entistäkin vaikeampaa. Tietoturvallisuuden kehitystä kuitenkin hidastaa tarve tukea vanhempia verkkoteknologioita. Uusi teknologia voi myös pelottaa ja erilaiset teknologiaan liittyvät pelot eivät ilmiönä ole uusia. Jo ennen 4G:tä vastustettiin muun muassa TV- ja radiolähetyksiä. Saara Jantunen toteaa, että keskustelua sähkölinjojen säteilystä käydään joissakin piireissä edelleen - ja usein hyvin disinformaatiopitoisesti. ”TV- ja radiolähetykset ovat olleet oman aikakautensa käännekohtia. Siinä kontekstissa ne edustivat ihmisille elintason nousua ja informaatioyhteiskunnan kehitystä, johon olemme ehkä nykypäivänä jo melko turtuneet. Moralistiset näkökulmat ja erilaiset huolet ovat aina kytkeytyneet teknologiseen kehitykseen."

"Jopa sähkövalolle ja puhelimille on löytynyt paheksujansa. Siinä missä ennen erilaiset taikauskot, jotka hidastivat esimerkiksi kansanterveyden kehitystä, olivat normaali osa kulttuuria, nykypäivän riesana ovat salaliittoteoriat. Ne toimivat samalla vahingollisella tavalla esimerkiksi koronaepidemian aikana.”

Tietoverkkotekniikan professori Raimo Kantolakin toppuuttelee 5G-teknologiaan liittyviä terveyshuolia. “Ei kuitenkaan ole tiedossa, että 5G-teknologiaan liittyisi terveysriskejä. Jos tietoa tulee, totta kai siihen pitää reagoida, mutta tällä hetkellä sellaista ei ole.”