Langattomat järjestelmät ovat kehittyneet koko ajan kiihtyvällä vauhdilla. Langattomat verkot ovat monelle järjestelmälle elinehto. Tässä artikkelissa LAMK:in tekniikan alan tietoverkkotekniikan opiskelijat kertovat omia näkemyksiään tulevaisuuden tekniikoista langattomissa järjestelmissä. Artikkeli on kirjoitettu Wireless Networks -kurssin osana.

Kirjoittajat: Marianne Matilainen, Topi Kokki, Lauri Piirainen, Ville Larjava, Antti Hutri, Atte Lempelto, Joni Niemi, Ivan Roots, Lassi Karppinen, Mikko Jaakola, Kristiina Korabljova, Konsta Rautakorpi, Juuso Karikorpi, Tommi Lehtinen, Olli Valkama, Artur Malinin, Ilkka Patajoki ja Markus Vainio

Kognitiivinen radio

Radiotaajuuskaista ei ole ehtymätön luonnonvara. Taajuusjakotaulukon mukaan radiotaajuuskaistat ovat varattu lähes loppuun, joista kuitenkin vain murto-osia on aktiivisessa käytössä. Lopulta taajuuskaistaresurssit kuitenkin loppuvat, jos jatkamme nykyisellä taajuusjakopolitiikalla. Kognitiivinen radio on ohjelmistopohjainen itseään sekä muita tarkkaileva ja sen mukaan taajuuskaistansa valitseva järjestelmä. Teoriassa kognitiivinen radio osaa hyödyntää sen hetken primäärisen käyttäjän vapaana olevia taajuuksia ilman häiriöitä. Nykylainsäädännön mukaan toissijaista käyttöä ei kuitenkaan ole sallittu. (Ahmed ym. 2016.)

Kognitiivinen radio voidaan jakaa kahteen tyyppiin, heterogeeniseen ja spektrin jakavaan. Heterogeeninen tyyppi käyttää verkkopohjaista lähestymistapaa, jossa yksi tai useampi operaattori voi hyödyntää useampaa radioverkkoa, käyttäen joko samaa tai montaa eri radiorajapintaa. Tässä mallissa taajuusjaot ovat kiinteitä. Kognitiivinen verkko vain optimoi radioresurssit eri rajapintojen kesken ja edistää palvelun laatua. (Nguyen ym. 2012.)

Vaikka teoreettinen tutkimus kognitiivisesta radiosta kukoistaa, laitteiston ja järjestelmien kehitys laahaa perässä infrastruktuurin monimutkaisuuden takia. Lisäksi ongelmana on lainsäädäntö sekä häiriöiden minimointi, sillä kognitiivinen radio ei missään nimessä saa häiritä viranomaisten, operaattorien tai vaikkapa Puolustusvoimien liikennettä. Tällä hetkellä haasteena on myös laskennallisen tehon tarve ja hinta, sillä laajalla spektrillä toimiva radio, antennit sekä passiivikomponentit ovat kalliita rakentaa.

Kognitiivisella radiolla on teoreettiset mahdollisuudet korjata ennen pitkää loppuva taajuusspektri sekä optimoida nykyistä spektrin käyttöä. Hyötykäyttöön kognitiivista radiota joudumme kuitenkin odottamaan vielä pitkään.

Tulevan sukupolven matkapuhelinverkko – 5G

Langattomassa verkossa liikkuvan datan määrä on moninkertaistunut samalla, kun langattomia verkkoja käyttävien laitteiden kokonaismäärä on noussut. 5G-verkon tiedonsiirtokapasiteetin pitäisi tuhat kertaistua verrattuna 4G-verkkoon. 4G-verkossa reuna-alueella tiedonsiirtokapasiteetti on noin 5% kokonaismäärästä. 5G-verkossa reuna-alueiden tiedonsiirtonopeuden tulisi olla 100-1000 Gb/s, mutta 95 prosentille käyttäjistä 100 Mb/s –nopeuden saavuttaminen on erittäin haastavaa. (Andrews ym. 2014. 1-2.)

Jotta heterogeenisen verkkoinfrastruktuurin saavuttaminen olisi mahdollista, puhelinverkon laite-keskeisen arkkitehtuurin tukiasemia tulisi rakentaa entistä tiheämmin. Verkkojen tiivistyminen vaatii suuria muutoksia 5G:ssä. Lisääntynyt taajuuskaistojen tarve johtaa siihen, että tukiaseman pitää pystyä lähettämään useita taajuuskaistoja radikaalisti erilaisia etenemispiirteitä. (Boccardi ym. 2014.)

5G-verkon käyttöönotto on kallista ja tällä hetkellä osa annetuista teoreettisista nopeuksista ovat nykytekniikalla lähes mahdottomia saavuttaa 5G-standardin mukaisesti.

Muut potentiaaliset teknologiat

Tulevaisuus tarjoaa uusia vaihtoehtoja perinteisten tiedonsiirtotekniikoiden lisäksi. Yksi uusista innovaatioista on Li-Fi, jota kutsutaan suomeksi valodataksi. (Saksa 2016.) Li-Fi on led-valolla lähetettävää signaalia. Li-Fi-tekniikassa led-valoa voidaan katkoa ja sytyttää miljoonia kertoja sekunnissa. Nopeatempoisilla valopulsseilla voidaan välittää nollia ja ykkösiä samalla tavalla kuin perinteisellä radiosignaalilla. (Saksa 2016.)

Tällä hetkellä langaton signaali liikkuu radioaaltoina vastaanottimeen, mutta Li-Fissä se matkaisi valon seassa. Led-valaisimet ovat halpoja ja niiden sijoittaminen on joustavaa. Tämä myös lisää tietoturvaa, sillä mahdollisten kaappaajien tulisi olla samassa tilassa Li-Fi signaalin kanssa. Tämä tosin rajoittaa signaalin ulottuvuutta.

Siinä missä Li-Fi tarjoaa mahdollisuuden teollisen ympäristön tiedonsiirtoon, 802.11 AD standardi on ratkaisu langattomien lähiverkkojen kasvaneeseen tiedonsiirtotarpeeseen. Wireless Gigabit Alliance (WiGig) aloitti kehittämään IEEE 802.11 AD standardia, joka valmistui 2012. Ensimmäisiä 802.11 AD laitteita esiteltiin tammikuussa 2016 CES-messuilla. (Solis ym. 2016.)

802.11 AD standardi kykenee tarjoamaan teoriassa 7 Gb/s langattomat nopeudet. Käytännössä se mahdollistaa 1GB tiedoston lataamisen kolmessa sekunnissa ja 60 min pitkän 4K-laatuisen videon 30 sekunnissa. (Rohde ym. 2013.) Vaikka AD-standardi on ollut jo useamman vuoden, vasta 2017 vuoden lopulla markkinoilla saapuu sitä tukevia laitteita.

Teknologiset haasteet

Langaton tulevaisuus tuo haasteita teknologiaan. Jo nykypäivänä älypuhelimet ovat luoneet kuilun sosiaalisille vuorovaikutuksille. Suurimmat haasteet liittyvät energiansäästöön ja turvallisuuteen. (Linturi 2015.)

Ciscon (2017) mukaan vuonna 2016 mobiililiikenne kasvoi 30 miljoonaan terabittiin (kasvua 74% verrattuna vuoden 2015 vastaavaan ajanjaksoon). Terabitin kynnyksen ylittäminen ratkaisee verkkoliikenteen ongelmia, mahdollistaa uusien mobiilipalvelujen kehittämistä, sekä muuttaa joitakin nykyisiä kommunikointimalleja. Nykyinen teknologia ei kykene ylittämään yhden Tb/s-kynnystä, mikä on otettava huomioon verkkoliikenteen kasvussa. (Kuznetsov 2016.)

Taajuuden kasvaessa signaalin kyky läpäistä esteitä sekä kantomatka heikkenevät. Jotta voidaan täyttää 5G:n vaatimuksena pidettävä yhden millisekunnin viive, on loppukäyttäjän ja tukiaseman välinen etäisyys oltava hyvin lyhyt. (Manz 2017.) Tämä on käytännössä mahdotonta toteuttaa nykyisellä infrastruktuurilla.

Yhteenveto

Nykymaailma on menossa suuntaan, jossa kaikki on yhteydessä kaikkeen.  Uudet käyttökohteet vaativat luotettavaa ja nopeaa tiedonsiirtoa yhä useammalle laitteelle. Lyhyen välimatkan käyttökohteet voivat käyttää uusia tekniikoita, joissa taajuudet ovat valtavia. Pidemmillä välimatkoilla voidaan käyttää nykyisestä tekniikasta tuttuja pienempiä taajuuksia.

Suurin yksittäinen rajoittava tekijä tulevaisuudessa tulee olemaan suuri taajuus, jota nopeat yhteydet tarvitsevat toimiakseen. Suuret taajuudet eivät läpäise esteitä, ja menettävät energiaa törmätessään ilmamolekyyleihin. Fysiikan lakeja ei käy muuttaminen, joten ratkaisuksi voidaan suunnata ja keskittää heijastimilla sekä vahvistimilla.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tulevaisuus näyttää langattomuuden ja laitteiden internetin kannalta valoisalta. Pian saamme kaikki nauttia langattomuuden tuomasta vapaudesta ja tehokkuudesta valtavilla nopeuksilla, joihin aiemmin olemme tottuneet vain langallisesta yhteydestä puhuttaessa.

Lähteet

Ahmed, Z. I. A. M., Bilal, K. H. & Alhassan, M. M. 2016. Cognitive Radio Network Review. International Journal of Engineering, Applied and Management Sciences Paradigms. [Verkkolehti]. Vol. 35 (01), 19-26. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: http://www.ijeam.com/Published%20Paper/Volume%2035/Issue%2001/IJES%2004/IJEAMMay2016_19_26_Zeinab.pdf

Alkhazaali, N.H., Aljiznawi, R.A., Jabbar, S.Q. & Kadhim, D.J. 2017. Mobile Communication through 5G Technology (Challenges and Requirements). International Journal of Communications, Network and System Sciences. [Verkkolehti].  Vol. 10 (5), 202-207. [Viitattu 29.11.2017]. Saatavissa: https://doi.org/10.4236/ijcns.2017.105B020

Andrews, J., Buzzi, S., Choi, W., Hanly, S., Lozano, A., Soong, A. & Zhang, J. 2014. What Will 5G Be? IEEE Journal on Selected Areas in Communications. [Verkkolehti]. Vol. 32 (6), 1065 – 1082. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: http://ieeexplore.ieee.org/document/6824752/?reload=true

Arcep. 2017. 5G: Issues & Challenges. [Verkkodokumentti]. Paris: arcep. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/Report-5G-issues-challenges-march2017.pdf

Boccardi, F., Heath, R., Lozano, A. & Popovski, P. 2014. Five disruptive technology directions for 5G. IEEE Communications Magazine. [Verkkolehti]. Vol. 52(2), 74-80. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1312/1312.0229.pdf

Cisco. 2017. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2016–2021. White paper. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/complete-white-paper-c11-481360.html#_Toc484813982

Karjalainen, J. 2017. Langattomasta tietoliikenneteknologiasta uusia menestystarinoita. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: http://www.oulu.fi/yliopisto/node/38418

Kuznetsov, V. 2016. Разработана технология, способная увеличить скорость беспроводных сетей до 1 терабита в секунду. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://hi-news.ru/technology/razrabotana-texnologiya-sposobnaya-uvelichit-skorost-besprovodnyx-setej-do-1-terabita-v-sekundu.html

Linturi, R. 2015. Teknologia tuo mahdollisuuksia, jos yhteiskunta uudistuu. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://www.sitra.fi/uutiset/teknologia-tuo-mahdollisuuksia-jos-yhteiskunta-uudistuu/

Manz B. 2017. The Immense Potential and Daunting Challenges of 5G. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://www.mouser.fi/applications/challenges-of-5g/

Nguyen, V. T., Villain, F. & Guillou, Y. L. 2012. Cognitive Radio RF: Overview and Challenges. VLSI Design. [Verkkolehti].Vol. 2012 (2012), [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: http://dx.doi.org/10.1155/2012/716476

Rohde & Schwarz GmbH. 2013. 802.11ad – WLAN at 60 GHz A Technology Introduction. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma220/1MA220_2e_WLAN_11ad_WP.pdf

Solis, P. & Saadi, M. 2016. 802.11ad will vastly enhance Wi-Fi. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavissa: https://www.qualcomm.com/documents/abi-research-80211ad-will-vastly-enhance-wi-fi

Kirjoittajat

Marianne Matilainen toimii Lahden ammattikorkeakoulussa tekniikan alan lehtorina.

Topi Kokki, Lauri Piirainen, Ville Larjava, Antti Hutri, Atte Lempelto, Joni Niemi, Ivan Roots, Lassi Karppinen, Mikko Jaakola, Kristiina Korabljova, Konsta Rautakorpi, Juuso Karikorpi, Tommi Lehtinen, Olli Valkama, Artur Malinin, Ilkka Patajoki ja Markus Vainio opiskelevat Lahden ammattikorkeakoulussa tietoviestintätekniikan koulutusohjelmassa tietoverkkotekniikkaa.

Julkaistu 29.11.2017

Artikkelikuva: alkuperäisen https://static.pexels.com/photos/466685/pexels-photo-466685.jpeg (CC0) pohjalta muokannut Ville Larjava

Viittausohje

Matilainen, M., Kokki, T., Piirainen, L., Larjava, V., Hutri, A., Lempelto, A., Niemi, J., Roots, I., Karppinen, L., Jaakola, M., Korabljova, K., Rautakorpi, K., Karikorpi, J., Lehtinen, T., Valkama, O., Malinin, A., Patajoki, I. & Vainio, M. 2017. Langattoman tulevaisuuden uudet teknologiat. LAMK Pro. [Verkkolehti]. [Viitattu pvm]. Saatavissa: http://www.lamkpub.fi/2017/11/29/langattoman-tulevaisuuden-uudet-teknologiat/