5G-tulevaisuuttamme tutkimassa

On tavallista, että uuden sukupolven langattoman verkkoteknologian käyttöönotosta aletaan puhua jo kauan ennen kuin siitä tulee osa arkeamme.

Ensimmäinen 3G-verkko otettiin käyttöön vuonna 1998, mutta tärkeimmät 3G:n mahdollistamat palvelut – mobiilisähköposti ja videoiden suoratoisto – yleistyivät vasta 2000-luvun alussa. Esimerkiksi YouTubesta tuli osa elämäämme vasta vuonna 2005. Vuoden 2009 lopussa otettiin käyttöön maailman ensimmäinen 4G-verkko, joka oli 500 kertaa 3G:tä nopeampi ja tuki palveluja, jotka tulivat meille tutuiksi 2010-luvulla: ryhmävideokeskusteluja, verkkopelaamista ja verkkosivujen selailua mobiililaitteella 

Nyt olemme siirtymässä 5G-aikakaudelle, jonka käyttöönotto vastaa edeltäjiensä pätkittäistä kehityskulkua. Erona on kuitenkin se, että siinä missä aiempien sukupolvien verkot mahdollistivat kuluttajapalvelujen asteittaiset muutokset, 5G:n käyttöönotto merkitsee jättiläismäistä harppausta sen suhteen, miten verkkoteknologiaa käytetään teollisuudessa. 5G mullistaa langattoman viestinnän monilla aloilla, sillä se pystyy käsittelemään valtavia määriä dataa pienellä latenssilla eli hyvin pienellä siirtoviiveellä. 5G mahdollistaa verkkojen viipaloinnin, minkä avulla 5G-verkon palveluita voidaan mukauttaa sekä kotien että yritysten tarpeisiin.

”Yksi 5G:n edeltäjistään erottavista tekijöistä on se, että verkko-ohjelmisto toimii fyysisen palvelimen sijaan pilvessä. Sen ansiosta 5G:n skaalaaminen ylös- ja alaspäin erilaisia toimintoja varten on paljon helpompaa ja joustavampaa kuin aiempien sukupolvien langattomien verkkojen”, Aalto-yliopiston tietoverkkojen professori Raimo Kantola kertoo. 

”Uuden sukupolven käyttöönotossa kestää aina useita vuosia, sillä tukiasemat on asennettava matkapuhelintukiasemiin ja sen jälkeen yhdistettävä verkkoon asianmukaisesti”, hän toteaa.

”Joissakin osissa Eurooppaa 5G-taajuuslisenssejä ei ole vielä edes myönnetty. Suomessa asiat etenevät kuitenkin hyvin, ja matkaviestinoperaattorit ilmoittivat hiljattain, että niiden 5G-verkot kattavat jo 30–40 prosenttia väestöstä. Käyttöönotto etenee nopeasti myös Yhdysvalloissa ja Kiinassa”, Kantola sanoo.

Yksi verkko, useita viipaleita

Aalto-yliopisto edistää alan kehitystä tutkimalla 5G:n teollisia käyttökohteita. 

Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitoksen tutkijoista koostuva tiimi on ylläpitänyt Nokian lahjoittamien laitteiden avulla pientä 5G-verkkoa yliopiston kampuksella vuoden 2019 alusta lähtien. Tiimiä johtaa tutkija Jose Costa-Requena, joka toimii myös verkkoteknologiaa kehittävän Cumucoren toimitusjohtajana.

”Kaikissa tämän alan aiemmissa sukupolvenvaihdoksissa oli kyse kuluttajien palvelujen lisäämisestä, parantamisesta ja nopeuttamisesta. 5G:tä käytetään kuitenkin pääasiassa teollisuudessa ja yksityisten verkkojen perustamista varten”, Costa-Requena kertoo.

”Suuren kaistanleveytensä ja pienen viiveensä lisäksi yksi 5G:n keskeisistä ominaisuuksista on se, että verkko voidaan jakaa niin sanottuihin viipaleisiin”, hän toteaa. ”Jokainen viipale on periaatteessa oma verkkonsa, jonka tietoturva- ja tiedonkäsittelyprofiili voivat olla täysin erilaisia seuraavaan viipaleeseen verrattuna. Tämän ansiosta matkaviestinoperaattorit voivat rakentaa asiakkailleen useita yksityisiä erityisverkkoja.”

Verkon suojauksen parantaminen

Aiempien verkkosukupolvien turvallisuusominaisuudet suunniteltiin lähinnä tietoliikenteen salaamista varten. 5G:n ansiosta tietoturva on paljon vankempi.

”Aina kun 5G-tukiasema ja ydinverkko muodostavat yhteyden toisiinsa, niiden on todennettava toisensa. Tätä vaatimusta ei ollut aiempien sukupolvien verkoissa”, Costa-Requena toteaa. ”Myös oman laitteesi sovelluskerroksessa on lisäsuojaus.”

”Haasteena on kuitenkin se, että tällaista turvallisuustasoa on erittäin vaikea ottaa laajasti käyttöön", hän sanoo. ”Jotta 5G-järjestelmä olisi oikeasti turvallinen, on yhdistettävä kolmen jatkuvasti liikkeessä olevan kappaleen – tukiaseman, ydinverkon ja itse laitteen – turvallisuusominaisuudet.”

Costa-Requena ja hänen tiiminsä pyrkivät ratkaisemaan ensin tukiasemiin liittyvän haasteen. Tämä tarkoittaa yhteistyötä Nokian kaltaisten valmistajien kanssa, jotta voidaan testata tuotteiden ensisijaisia ja toissijaisia todennusprofiileja. 

Tietojen kerääminen drooneilla

Ryhmä on tutkinut myös drooniteknologiaa. 

Drooneja käytetään yhä enemmän kaupallisiin tarkoituksiin, ja 5G-verkot tarjoavat vielä enemmän tällaisia mahdollisuuksia. Osa Aalto-yliopiston tutkijoista on testannut, miten drooneilla voidaan auttaa pelastustyöntekijöitä.

”Ajatuksena on, että 5G:n ansiosta pelastusasemat voivat ottaa käyttöön paloautossaan olevan vakaan yksityisen verkon, kun he työskentelevät syrjäisemmällä alueella. Tämän verkon avulla he voivat hallita drooneja, joilla kerätään ja lähetetään videokuvaa kaikille tulipaloa sammuttaville tiimeille”, Costa-Requena selittää. ”Olemme testanneet tällaista skenaariota korealaisten kumppaneiden kanssa EU:n ja Korean yhteistyöhankkeessa.”

Aloite syntyi Aalto-yliopiston ja Soulissa sijaitsevan Yonsein yliopiston aiemman tutkimuksen pohjalta. Droonien sijaan ryhmä käytti erityisvarusteltuja ilmapalloja auto-onnettomuuksien havaitsemisessa ja niistä raportoimisessa pelastustyöntekijöille Etelä-Korean 5G-verkon välityksellä.

Älykkäisiin verkkoihin liittäminen

Tiimi keskittyy energiaverkkojen parissa tekemässään työssä tutkimaan sitä, mitä vaikutuksia voi olla siirtymisellä kuituoptisista kaapeleista 5G:hen. 

Perinteisissä energiaverkoissa sähkövirta kulkee yksisuuntaisesti keskussähköntuottajilta asiakkaille. Seuraavan sukupolven energiaverkot eli älykkäät verkot mahdollistavat kuitenkin kaksisuuntaisen sähkön- ja tiedonsiirron, mikä luo hajautetun energianjakeluverkon. Tällaisessa mallissa viat on havaittava reaaliaikaisesti ja korjattava automaattisesti. Tämä tarkoittaa monien tunnistimien käyttöönottoa ja sitä, että IT-tukea tarvitaan nykyistä enemmän. 

Kaiken tämän haasteena ovat kustannukset. Energiaverkoissa käytetään usein kallista kuituoptista teknologiaa rakennusten liitäntöjen loppumetreillä, minkä jälkeen verkko kytketään takaisin langattomaan ydinverkkoon olemassa olevan matkapuhelinstandardin välityksellä. 5G tarjoaa mahdollisuuden täydentää ja korvata näitä kuituoptisia kaapeleita, jotta verkkoja voidaan hallita edullisemmin.

”Kuitu on teknologiana erittäin luotettava, mutta myös erittäin kallis”, Costa-Requena sanoo. ”Jos pystymme hyödyntämään 5G:n pientä viivettä myös energiateollisuudessa, kuidun korvaaminen langattomalla teknologialla on erittäin perusteltua.” 

Älykkään verkon monista eduista huolimatta sen eri osien välisten yhteyksien lisääntyminen tekee verkoista erityisen alttiita kyberhyökkäyksille. 

”Hyökkäyksillä pyritään häiritsemään kriittisten palvelujen toimintaa, ja hyökkäykset voivat aiheuttaa huomattavia vahinkoja, kuten sähkökatkoja”, verkon turvallisuuteen ja luotettavuuteen perehtynyt tohtorikoulutettava Mandana Ghasemi kertoo. ”Teemme kovasti töitä, jotta voisimme kehittää työkaluja älykkäiden verkkojen turvallisuuden parantamiseksi siten, että älykkäät verkot voivat toimia turvallisesti 5G-verkossa.”

Itseohjautuvien ajoneuvojen ohjaus

Tiimi testaa myös 5G:tä itseohjautuvien ajoneuvojen ohjaamisessa. 

Insinöörit ovat luoneet kahden Aalto-yliopiston kampuksen tukiaseman avulla verkon, joka mahdollistaa lyhyet koeajot suomalaisen startup-yrityksen Sensible 4:n kehittämällä ajoneuvolla. Yritys on erikoistunut itseohjautuviin ajoneuvoihin, jotka toimivat kaikissa sääolosuhteissa.

”Sensible 4 käyttää tällä hetkellä 4G-teknologiaa ajoneuvojensa ohjaamisessa. Tämä tarkoittaa sitä, että käytössä on kaksi modeemia sen varalta, että toisen modeemin yhteys häviää tai katkeaa”, Costa-Requena kertoo. ”Testaamme tutkimuksessamme 5G:n tiedonsiirron viivettä ja luotettavuutta itseohjautuvassa ajotilanteessa, jotta tämä ominaisuus voitaisiin ottaa käyttöön sitten kun sen aika koittaa.”

Teksti: Andrew Flowers