5G-teknologia ja tulevaisuus
Aiemmin julkaisemassamme Internet-katsauksessa esiteltiin erilaisia Internetin käyttöön ja yhteyksiin liittyviä trendejä vuosien 2018 ja 2023 välisellä aikajänteellä. Huomionarvoisina johtopäätöksinä oli mm. nopeiden (yli 300 Mbit/s) mobiililiittymien sekä M2M-laitteiden lukumäärän voimakas kasvu. Merkittävimpänä asiana Suomessa voidaan kuitenkin pitää mobiiliverkossa siirretyn datamäärän räjähdysmäistä kasvua, joka tulee vuonna 2022 rikkomaan 4 000 miljoonan gigatavun rajapyykin, mikä vastaa noin 31*1015 tavallisen tekstiviestin sisältämää informaatiomäärää. Kaikkien mainittujen trendien kehityksen mahdollistavana tekijänä tulee ainakin osittain olemaan teknologian kuuma peruna, 5G.
Mikä 5G on?
Viidennen sukupolven 5G New Radio -standardi pohjautuu pitkälti aiempiin verkkostandardeihin, joihin kuuluvat 1G (esim. NMT), 2G (esim. GSM), 3G (esim. UMTS) sekä 4G (LTE). Merkittävimmät erot 4G:n ja 5G:n välillä on esitelty ao. kuvassa.
Muunneltavuus: 5G:ssä kaistanleveyttä voidaan muunnella eri vaatimusten mukaan. LTE:n maksimikaistanleveys on 20 MHz kun taas 5G NR:n suurin kaistanleveys on tällä hetkellä 400 MHz ja tulevaisuudessa jopa 800 MHz. Suurempi kaistanleveys mahdollistaa suurempien datamäärien lähetyksen.
Luotettavuus: 5G:ssä mobiiliverkon luotettavuus paranee usealla eri tavalla. Esimerkiksi kuuluvuutta voidaan parantaa CSI (Channel state information) ominaisuudella, joka mahdollistaa laitteiden välisen kommunikoinnin kanavan tilasta. Näin kullekin laitteelle voidaan määrittää parhaiten kuuluva antennikeila tai säätää lähetystehoa signaalitehon mukaan. Spatial multiplexing puolestaan mahdollistaa signaalin lähettämisen/vastaanottamisen useampaa eri signaalitietä pitkin. Näin laite pystyy yhdistämään kahden vastaavan informaatiosignaalin tiedot saavuttaen paremman lopputuloksen.
Suorituskyky: Merkittävin 5G-kehityksen ajuri on entistä mobiilidatan korkeamman kapasiteetin tarve. 5G:n maksimidatanopeus on jopa 1000x korkeampi kuin LTE:ssä ja heikoimmillaankin (”5% rate”) se tukee HD-tason videoiden striimausta.
Viive: Lyhyempi viive on välttämätön tietyissä sovelluksissa, kuten ajoneuvoissa ja terveydenhuollossa. 5G NR-standardin signaalirakenteen lyhyempi viive mahdollistaa uusien sovellusten kehittämisen.
5G-teknologian tuomien hyötyjen lisäksi on olemassa myös useita haasteita. Näihin lukeutuvat esimerkiksi monimutkaisempiin 5G NR-aaltomuotoihin sekä arkkitehtuuriin liittyvät haasteet. Korkeammille taajuuksille siirtyminen aiheuttaa puolestaan signaalien nopeampaa vaimenemista, mikä rajoittaa toimintasädettä. Nykyisin paljon tutkittu teknologian ekologinen näkökulma (”green communications”) pakottaa verkkolaitteiden suunnittelijat rajoittamaan energiankulutusta aiempaa enemmän, mikä aiheuttaa haasteita esimerkiksi vahvistinten suunnittelussa.
Oleellisimmat 5G-teknologian termit
1. NSA ja SA
Alkuvaiheen kuluttajille suunnatut 5G-liittymät tulevat edelleen nojautumaan selkeästi kattavampaan 4G LTE-verkkoon, jolloin puhutaan non-standalone-tilasta (NSA). Kun 5G-standardi on lopullisessa kuosissa, operaattorit siirtyvät asteittain 5G SA-tilaan. NSA-tilassa LTE-verkkoa käytetään ”ankkurina” esimerkiksi tiettyjen kontrollisignaalien lähettämiseen.
2. FR1 ja FR2-taajuusalueet
Nykyisin käytössä olevat FR1 (410 MHz – 7,125 GHz) taajuuskaistat ovat todella ruuhkautuneita jatkuvasti lisääntyvän dataliikenteen johdosta. Taajuusspektrin laajentaminen on yksi evoluution tavoitteista ja siksi 5G NR tullaan käyttämään myös FR2-taajuusalueella (24,25–52,6 GHz). Korkeille taajuuksille siirtyminen on kuitenkin merkittävä teknologinen haaste: Signaalit vaimentuvat herkemmin, jolloin niiden kantama lyhenee. Usein käytetään myös termiä mmW (millimetriaallot), jolla tarkoitetaan 30-300 GHz taajuuksia, jolloin signaalin aallonpituus on välillä 1-10mm.
3. mMIMO
mMIMO (massive multiple-input multiple-output) tarkoittaa datan siirtoa usealla lähetys- ja vastaanottoantennilla. MIMO:ssa hyödynnetään tilan ulottuvuutta, jolloin informaatiosignaali etenee useampaa etenemistietä pitkin. Vastaanottopuolella signaaleita vertaamalla saadaan tarkempi lopputulos ja parempi järjestelmän suorituskyky.
4. Beamforming (keilanmuodostus)
Keilanmuodostus tarkoittaa antennikeilan suuntaamista antenniryhmän vaihe-eroa hyödyntäen. 5G-tukiasemien antenniryhmät koostuvat parhaimmillaan useista sadoista antennielementeistä, joiden välistä vaihe-eroa säätämällä interferenssiä voidaan kasvattaa tai pienentää. Keilanmuodostuksella keilan leveyttä voidaan kaventaa ja ohjata tehoa halutuille alueille.
5. O-RAN
Mobiiliverkkojen eksponentiaalinen tihentyminen sekä monimutkaistuminen pakottavat verkko-operaattorit kokoamaan rivinsä resurssien tehostamiseksi. 4G LTE:ssä käytetyt, perinteiset fronthaul-tekniikat eivät enää pysty vastaamaan uusien järjestelmien vaatimuksiin ja siksi 5G on lähtölaukaus maailman suurimpien operaattoreiden aloittaman O-RAN:in (Open Radio Access Network) yhteiskehitykselle laitevalmistajien sekä palveluntarjoajien kesken.
O-RAN tavoite on lisätä radioverkon virtuaalisuutta, joustavuutta ja yhteensopivuutta kustannustehokkaasti. Se mahdollistaa uusien sovellusten, kuten tekoälyn ja koneoppimisen käyttämisen ja RF-laitevalmistajien aiempaa avoimemman yhteistoiminnan.
Mitä seuraavaksi?
5G tulee mahdollistamaan paljon uusia sovelluksia esimerkiksi sairaalaympäristöihin, logistiikkaan sekä teollisuuteen. Kuluttajamarkkinoilla se tulee näkymään entistä kehittyneempinä langattomina laitteina, joiden pullonkaulana on tähän saakka ollut riittävän kaistan puuttuminen. Kaikkia lupauksia tuskin saadaan lunastettua vielä 5G:n aikakaudella, mutta ei hätää: 6G on jo nurkan takana.