Langattomasta tietoliikenneteknologiasta uusia menestystarinoita

Oulu tunnetaan merkittävänä ICT-alan keskuksena. Nokian 1990-luvun nousu linkittyi vahvasti Oulun yliopistossa tehtävään tietoliikennetekniikan tutkimukseen. Uusia tulevia menestystarinoita kasvaa yliopiston huomassa koko ajan. Muun muassa 5G-tekniikkaa ja älykästä kaupunkia tutkitaan Centre for Wireless Communication (CWC) -tutkimuskeskuksessa.

Älykkäässä kaupungissa langattomat tiedonsiirtoyhteydet ovat osa infrastruktuuria, ja laitteet kykenevät kommunikoimaan keskenään sensorien välittämän datan avulla. Tutkimusjohtaja Harri Posti ja tohtorikoulutettava Jaakko Nevala mittaavat ja arvioivat siihen tarvittavien antennien suorituskykyä.

 

5G on jo kampuksen ovella

Tiedonsiirron ja radioteknologian saralla kehitys on mennyt nopeasti eteenpäin siitä, kun Harri Holkeri soitti ensimmäisenä pidetyn GSM-puhelun vuonna 1991. Tällä hetkellä Suomessa rakennetaan kovaa vauhtia 4G-verkkoja, mutta uusi 5G-sukupolvi on jo ovella.

”Samsung on luvannut esitellä oman versionsa 5G-verkosta vuoden 2018 talviolympialaisissa. Vauhti on siis kova”, professori Matti Latva-aho CWC:n RAT-tutkimusryhmästä kertoo.

 
Matti Latva-aho  

”Tällä hetkellä 5G-teknologialle ei vielä ole standardeja, ja määrittelyetu muodostuu tietysti sille taholle, joka toimivan verkon ensimmäisenä kehittää.” Teoriassa 5G-verkossa datansiirtonopeudet ovat huimia, jopa 10 gigatavua sekunnissa. Nykyisillä 4G-tekniikoilla on Suomessa saatu aikaan sekunnissa noin 100 megatavun nopeuksia.

”Uuden sukupolven radioteknologian ehkä parhaana ja teknisesti haastavimpana puolena voidaan pitää viiveen (latency) putoamista kymmenesosaan”, Latva-aho kertoo.

Tämä tarkoittaa, että esimerkiksi kaukoluettava data vaikkapa patojen veden virtaamismääristä tai teollisuuden prosesseista on eksaktia. Tarkkuutta vaativilla aloilla ja pitkien etäisyyksien tapauksissa tämä on elinehto.

Haasteita kuitenkin riittää. ”Energiansäästö on 5G-tekniikan kehittämisessä keskeistä, sillä datamäärän ja käyttäjämäärän kasvaessa myös energian tarve kasvaa. Jos verkkoa lähdetään kehittämään isojen tukiasemien kautta, on energian tarve valtava.”

Esimerkiksi Suomessa, missä asutus on paikoitellen hyvin harvaa, eivät isot tukiasemat ole tuottavia investointeja. Tähän ratkaisuna onkin Oulun yliopistossa tutkittavat lyhyen kantaman pienet tukiasemat, joita julkisissa tiloissa tai asuinkortteleissa olisi useita.

Oulussa ollaan kehityksen kärjessä, ja yliopistolle on suunniteltu luokassaan ensimmäistä 5G-kampusverkkoa jo vuodelle 2015. ”5G-teknologia perustuu pieniin tukiasemiin ja piensoluverkkoihin, joita yliopistolle asennettaisiin useita. Piensoluverkot mahdollistavat sen, että samoja taajuuksia voidaan paikallisesti käyttää eri alueilla. Tällöin käytössä on useampia taajuuksia, säästetään energiaa ja annetaan käyttäjille paremmat yhteydet.”

”Todennäköisesti 5G-verkot lanseerataan laajemmin vuonna 2020 ja samanaikaisesti aletaan jo miettiä seuraavaa sukupolvea ja sen vaatimaa tekniikkaa. Tulevaisuuden ratkaisut laitetaan alulle jo tänään”, Latva-aho painottaa.

 

Älykäs kaupunki rakentuu langattomuuden ympärille

Tulevaisuudessa langattomat tiedonsiirtoyhteydet ovat osa kaupunkien infrastruktuuria, kuten tiet ja vesijärjestelmät. Tätä mieltä CWC:n johtaja Harri Posti vakaasti on, vaikka tällä hetkellä kaupunkien päättäjät eivät vielä samoilla linjoilla olekaan.

Posti haluaa puhua älykkäistä kaupungeista, jollainen esimerkiksi Oulu jo osittain on. ”Monesti älykkäistä kaupungeista puhuttaessa huomio kiinnittyy vihreyteen ja energiatehokkuuteen. Kyseessä on kuitenkin paljon suurempi ja mullistavampi asia, joka koskee koko yhteiskunnan toimintaa”, hän sanoo.

Älykkäässä kaupungissa laitteet ovat kytköksissä toisiinsa ja kykenevät kommunikoimaan erilaisten sensorien välittämän datan avulla. Postin mukaan pitää miettiä sitä, miten kytkentäisyyttä hyödynnetään yhteiskunnan ja yhteisön kannalta.

TOP 3 tutkimusaiheet – näitä kannattaa pitää silmällä:

5G: Mullistaa datansiirtonopeudet ja mahdollistaa muun muassa tehokkaan sisätilanavigoinnin.
 

Internet of Things: Tavaroiden kytkentäisyys tuo ennennäkemätöntä hyötyä esimerkiksi lääketieteelle.
 

Näkyvän valon kommunikaatio: Näkyvän valon, esimerkiksi luokkahuoneen loisteputkien avulla voidaan siirtää informaatiota, kuten kuvia, videoita ja muita tiedostoja.

”Kunnilla on tiettyjä lakisääteisiä palveluita, jotka voitaisiin toteuttaa kustannustehokkaammin kytkentäisyyden avulla. Lisäksi vapaaehtoiset palvelut, kuten kirjastot, voivat hyötyä vaikkapa kirjoista, jotka muistuttavat laina-ajan olevan päättymässä, uusivat itse itsensä tai ilmoittavat jonossa olevista lainaajista.”

Liikenteestä voidaan kehittää älykästä autoilla, joiden renkaat ilmoittavat teiden kunnosta tai soittavat onnettomuuden sattuessa automaattisesti hätäpuhelun. Huoltoyhtiöt saavat tietoa autojen kunnosta ja osaavat ilmoittaa lähimmän huoltopisteen. 

”Kyseessä ei ole on/off-asia, vaan kytkentäisyys kasvaa pikku hiljaa. Jokin määräävä tekijä saa esimerkiksi autojen varusteluun kuulumaan kytkentäisyyden kannalta välttämätöntä radiotekniikkaa, jolloin populaation kasvaessa myös sovelluksia alkaa tulla enemmän.”

Näin on käynyt esimerkiksi kännyköissä, jotka on varustettu erilaisilla sensoreilla ja tarjoavat alustan monenlaisille sovelluksille – ja markkinat kasvavat huimaa vauhtia.

”Älykkäässä kaupungissa julkinen terveydenhuolto perustuu ihmisen kehoverkkoihin ja erilaisten mittaustulosten langattomaan etäseurantaan. Esimerkiksi vanhukset tai vaikeasti sairaat voivat hoitaa itseään kotioloissa ilman rasittavia päivystyskäyntejä”, Posti visioi.

Älykkäässä kaupungissa kaiken keskiössä eivät kuitenkaan ole laitteet, vaan ihminen. Kaikki lähtee ihmisten tarpeista, ja älykkään kaupungin tehtävänä onkin tuottaa lisäarvoa yhteiskunnalle ja ihmiselle – ei pelkästään helpottaa yksittäisiä toimintoja.

”Kun ensimmäiset PC-tietokoneet lanseerattiin, ihmiset kysyivät: miksi haluaisin tietokoneen? Vastaus oli vaikkapa, että voit kirjoittaa koneelle ruokareseptejä. Kun ensimmäisiä 3G-puhelimia kaupattiin, niitä markkinoitiin videopuhelumahdollisuudella. Nämä eivät loppujen lopuksi olleet niitä syitä, jotka saivat teknologiat menestymään ja tuottamaan lisäarvoa.”

”Samalla lailla älykästä kotia voidaan markkinoida esittelemällä jääkaappia, joka tajuaa maidon olevan lopussa ja tilaa sitä lisää. Tämä ei kuitenkaan ole kuin hitunen siitä lisäarvosta, jota älykäs koti ja älykäs kaupunki tuovat.” Harri Postin mukaan älykäs kaupunki vaikuttaa siihen, miten ihminen elää ja toimii. Se voi lisätä elämän helppoutta, vapaa-aikaa, turvallisuutta ja sosiaalisuutta tavoilla, joita emme osaa vielä aavistaa.

 

 

CWC johtaa tietoliikennetekniikan tutkimusta

Monelle langattomuus ja verkot tuovat ensiksi mieleen kännykät ja kuuluvuusalueet, mutta ICT:ssä ja sen tutkimuksessa on kyse paljon muustakin. Centre for Wireless Communications (CWC) -tutkimuskeskuksen johtaja Harri Posti haluaa muistuttaa, että kaiken taustalla on radio. ”Radiolla tässä tarkoitetaan teknologiaa, joka mahdollistaa langattomuuden ja sen sovellukset.”

Radio ei siis ole vain suosittua musiikkia soittava vempain, vaan esimerkiksi kännyköistä löytyvä laite, joka siirtää informaatiota paikasta toiseen radioaaltoja hyväksikäyttäen. ”Radio ottaa vastaan signaalin, joka sitten prosessoidaan esimerkiksi ääneksi, sähköpostiksi tai kuvaksi”, selittää CWC:n signaalin prosessoinnin tutkimusryhmää johtava professori Markku Juntti.

CWC:n tutkimusryhmät ja esimerkki tutkimusaiheista:

Communication Signal Processing (CSP)
- Langattomassa tekniikassa käytettyjen algoritmien optimointi esimerkiksi energiatehokkuuden lisäämiseksi.

Radio Access Technologies (RAT)
- 5G-verkkojen luominen ja tukiasemien suunnittelu.


Networking (NET)
-Mobiilin internetin, modeemien ja tukiasemien tutkimus.

Wireless Systems (WS)
-Langattoman teknologian sovellusten kehittäminen esimerkiksi terveydenhoidon, ympäristön ja energian aloilla.
 

”Radio mahdollistaa sen, että kännykällä voi soittaa kaverille tai että sillä pääsee internetiin. Radio on vähän niin kuin moottoritie, jota pitkin autot pääsevät liikkumaan eri paikkoihin eri matkustajien kanssa”, Posti lisää.

Erilaista digitaalista informaatiota sinkoilee ympärillämme jatkuvasti yhä kasvava määrä. Lisääntyneen informaation tarpeen ja määrän aiheuttamiin haasteisiin CWC:n tutkimusryhmät kehittävät ahkerasti vastauksia ja uusia teknologioita.

Professori Juntti tutkimusryhmineen osallistuu uuden 5G-teknologian kehittämiseen optimoimalla algoritmeja, joita energiasyöpöt verkkojen tukiasemat käyttävät. ”RAT-tutkimusryhmä luo arkkitehdin tavoin suunnitelman radioteknologiasta ja verkoista, ja me insinöörin tavoin yritämme toteuttaa vision signaalin prosessoinnin tasolla”, Juntti selittää CWC:n tutkimusryhmien yhteistyötä.

Eri tutkimusryhmien yhteistyön avulla uusien teknologioiden tuomiin haasteisiin saadaan ratkaisut helpommin kuin pyörän uudelleen keksimisellä. Esimerkiksi 5G:n myötä yhä suuremmaksi muodostuva ongelma, urheilutapahtumien ja isojen ihmisjoukkojen aikaansaama verkon tukkeutuminen, ratkotaan Juntin ryhmässä käyttämällä verkkojen luomaa häiriötä hyväksi signaalien vahvistamisessa.

CWC on yrityksille mahdollistaja

Oulussa merkittävää langattoman tietoliikennetekniikan tutkimusta on tehty jo vuodesta 1986 lähtien, ja sitä Posti ja Juntti molemmat pitävät yhtenä yliopiston valteista. ”Pitkät perinteet ja toimiva yhteistyö tietoliikenneteollisuuden kanssa ovat mahdollistaneet tutkimusalan nousun”, Posti miettii.

CWC on perustettu vuonna 1995. ”Hahmotan itse CWC:n toiminnan hyvin laajana. Lähdemme liikkeelle perustavan laatuisesta radiokanavien tutkimisesta ja signaalien optimoinnista aina mobiiliin internetiin ja uudenlaisiin langattoman tiedonsiirron mahdollisuuksiin. Luomme tietoliikenne-ekosysteemiä”, Posti kertoo.

Käytännössä CWC tarjoaa yritysten käyttöön tutkimustuloksia, joita voidaan tuotteistaa ja joiden päälle voidaan rakentaa erilaisia sovelluksia. Nykyään tärkeitä yhteistyökumppaneita ovat Nokian verkkoyksikkö, Elektrobit ja Suomen puolustusvoimat.

”CWC on mahdollistaja, joka luo yrityksille puitteet saada aikaan haluttuja tuloksia ja sovelluksia”, Posti visioi. Langaton teknologia on tulevaisuudessa yhä enemmän pohjana eri toimialoilla, palveluissa ja ratkaisuissa, ja yhteistyötä tehdäänkin kasvavalla mielenkiinnolla.

 
  Markku Juntti

Mielenkiintoisena yhteistyöalana Posti mainitsee teollisuusautomaation, jossa langattomalla teknologialla on suurenmoisia käyttömahdollisuuksia. Perinteisessä automaatiossa tietokoneet ohjaavat muita koneita ja prosesseja. CWC mahdollistaa tutkimustuloksillaan esimerkiksi sisätilanavigaation, jonka avulla koneet osaavat navigoida teollisuushalleissa ja niitä voidaan seurata erittäin tarkasti.

”Sisätilanavigaatio mahdollistaa myös kalliiden laitteiden tarkan paikantamisen vaikkapa sairaaloissa. Lisäksi soveltamismahdollisuuksia löytyy lentokentistä suuriin tavarataloihin ja myös ihmis- ja tavaravirtojen seuraamiseen.”

Langattoman teknologian saralla puhutaan paljon tulevaisuudesta, ja vuosiluvut 2020 ja 2050 näkyvät usein spekulaatioissa milloin minkäkin uuden sovelluksen vuosikymmeninä. Menneisyys kuitenkin opettaa, että tulevaisuuden ennustaminen on vaikeaa, ellei peräti mahdotonta.

”Sanoisin, että kymmenen vuoden kuluttua yhteiskunnassamme on jo sellaisia uusia ratkaisuja, joita ei vielä kunnolla tunneta. Vuonna 2050 yhteiskunta toimii sovelluksilla, joita en osaa edes kuvitella. Vuonna 2100 yhteiskunta taas toimii sellaisella teknologialla, jota en kykene ymmärtämään”, Posti visioi.

 

Tekstit: Juho Karjalainen
Kuva: Juha Sarkkinen

 

 

Viimeksi päivitetty: 27.1.2017