Kuvitus Hans Eiskonen
Kuvitus Hans Eiskonen

Tulevaisuuden langaton verkko välittää silmänräpäyksessä viikon verran elokuvaa.

Ei siitä ole kuin viitisen vuotta, kun puhelimet muuttuivat langattomassa puhelinverkossa käytettäviksi taskutietokoneiksi. Puhelinverkot oli suunniteltu puheluiden välittämiseen, mutta ne otettiin pikavauhtia uuteen käyttöön ja uusia, entistä nopeampia  verkkoja alettiin vetää kaikkialle, missä oli asutusta.

Samaan aikaan internet otti uutta vauhtia nopeutuneesta tiedonsiirrosta. Täysi-ikäisyyden tuntumassa oleva väki muistaa – jos haluaa – kuinka internetiin kytkeydyttiin lankapuhelimen modeemilla. Se kurnutti, piipitti ja rutisi ennen kuin muodosti yhteyden 56:n tai peräti 128 kilotavun nopeudella. Nuoremmille puhelinmodeemi on tuttu kuten karttu tai jousiäes.

Tätä nykyä tieto siirtyy langattomissa verkoissa laitteisiin, jotka ovat jatkuvasti yhteydessä nettiin. 4G-verkon puhelin käsittelee datavirtaa jopa 150 megatavua sekunnissa eli kymmeniä kertoja nopeammin kuin lankapuhelinverkko.

Päiväannos sekunnissa

Lähivuosina verkot tulevat yhä nopeammiksi. Saksalaisen Karlsruhen teknisen yliopiston hallussa oleva maailmanennätys on 100 gigabittiä sekunnissa. Viuhuvan vauhdin voi käsittää vaikka niin, että sekunnissa voi siirtää niin paljon liikkuvaa kuvaa, että sen katsomiseen menisi kokonainen työpäivä.

Karlsruhessa tietoa siirrettiin vain 20 metrin matka, joskin sama laboratorio pystyy lähettämään 40 gigabitin sekuntivauhdilla tietoa kilometrin päähän. Ennätystekniikassa yhdistettiin erilaisia tiedonsiirtotekniikoita ja nopeimpia mahdollisia mikropiirejä.

Huippunopeuksiin ei päästä vielä niillä laitteilla, joita kodinkonemarketeissa myydään. Saksalaiset saattavat hyvinkin näyttää tulevaisuuden suuntaa myös kuluttajaelektroniikassa. Ennätyskoe oli osa Saksan valtion langattoman viestinnän kehittämishanketta. Ennätyslaitteisto sujuvoittaa tiedon siirtämistä kaapelista radioaalloille tavalla, joka voidaan yhdistää melko helposti nykyisiin laitteisiin.

Valosta radioaalloiksi

Kulki tieto sitten valokaapelissa tai ilmassa, se muodostuu fotoneista, jotka ovat sähkömagneettisen voiman välittäjähiukkasia. Näkyvän valon fotonit eivät pötki pitkälle ennen kuin pysähtyvät seiniin, ihmisiin ja muihin esteisiin. Radiotaajuuksilla ne sen sijaan läpäisevät talot ja muurit melko hyvin. Niinpä data täytyy muuttaa valosta radioaalloiksi.

Ennätysvauhtiin päästään,  kun valo suunnataan kahtena signaalina fotoneja sekoittavaan laitteeseen. Laitteessa fotonivirrat yhdistyvät, mistä syntyy korkeataajuuksinen radiosignaali suoraan ilman tavanomaisia virtapiirikytköksiä. Tällaisena signaali on myös helppo tuikata takaisin valokaapeliin, eli linkittäminen tukiasemasta toiseen helpottuu.

Langatonta verkkoa vauhditetaan erilaisilla moduloinneilla. Dataa ikään kuin yhdistetään ja puristetaan, jotta sitä mahtuisi kapealle kaistalle mahdollisimman paljon. Nämä tekniikat on helppoa ja järkevääkin yhdistää Karlsruhen käyttämään fotonien sekoittamiseen. Silloin tiedonsiirtonopeus on kertaluokkaa suurempi eli terabittejä sekunnissa. Tuolla vauhdilla liikkuvaa kuvaa tulisi silmänräpäyksessä koko työviikon verran.

Jos puhelin saisi valita

Suuremmat siirtonopeudet eivät merkitse suoraan nopeampia päätelaitteita. Langattomien laitteiden suorituskykyä voi parantaa muillakin keinoilla.

Useimmat liikkuvat laitteet toimivat sekä puhelinverkossa että langattomassa lähiverkossa, mikä on tietenkin hyvä asia. Vielä parempi olisi, jos laite saisi valita itse sen verkon, joka sillä hetkellä tarjoaa nopeimman yhteyden. Näin käyttäjä olisi kadulla kävellessään puhelinverkossa, kaupassa pistäytyessään kauppiaan lähiverkossa, ja bussipysäkillä laite valitsisi tarjolla olevista verkoista sopivimman.

Tekniikka onkin siirtymässä tähän suuntaan. Tai tarkemmin sanottuna: tekniikan puolesta asia olisi helppo toteuttaa. Eri operaattorien pitäisi vain päästä sopimukseen rahasta ja tietoturvasta.

Lisää kaistaa ja vauhtia

Langattoman verkon nopeuteen vaikuttaa myös siinä käytettävä taajuus, joka voidaan ilmaista kaistanleveytenä. Nykyisin houkuttelevimpia on 60 gigahertsin taajuus. Se  mahdollistaisi ainakin seitsemän kertaa nykyistä nopeammat yhteydet lähiverkossa.

Taajuuden käyttöön ottamista haittaa se, että 60 gigahertsin radioaallot eivät oikein läpäise seiniä. Lisäksi ne menettävät energiaa törmätessään ilman molekyyleihin. Niinpä nykyiset 60 gigahertsin lähettimet sopivat vain yhdistämään samassa huoneessa olevia laitteita toisiinsa.

Onneksi radioaaltoja voi suunnata ja heijastaa. Jos 60 gigahertsin aallot keskitetään kimpuksi, joka seuraa käyttäjää, kantama pitenee hieman. Huoneesta toiseen aallot voidaan lähettää heijastimien ja vahvistimien kautta.

60 gigahertsin lähiverkkolaitteet ovat tulossa kuluttajien ulottuville. Ensimmäisissä nopein kanava toimii lähietäisyydellä. Kauemmas yhteys hoidettaaan hitaammilla 2,4 ja 5 gigahertsin tehoilla.

Tulossa nettikukkaruukku

Tulevaisuuden langattomat verkot välittävät tietoa yhä enemmän ja aina vain no­peammin. Myös verkon käyttö kasvaa nopeasti moninkertaiseksi. Tätä nykyä internetissä on 10 miljardia laitetta, mutta vuonna 2020 jo 30 miljardia.

Yhä useampi uusista päätelaitteista on jotain muuta kuin tietokoneita ja älypuhelimia. Nykyisin  netin päässä on jo autoja, kameroita, kirjojen ja lehtien lukulaitteita, saunankiukaita, ilmastointi-, lämmitys- ja jäähdytyslaitteita.

Verkkoon yhdistetään koko ajan enemmän sellaista, mitä pidämme ennemmin esineenä kuin laitteena. Kukkaruukku seuraa valon, veden ja ravinteiden määrää ja lähettää tiedot puhelimeen. Alku­sammutin ilmoittaa, jos paine ei enää riittäisi tulipalon tukahduttamiseen. Katuvalot himmenevät, kun kuu paistaa täytenä.

Tutkijat puhuvatkin esineiden internetistä, joka yhdistää elinympäristömme yhteen ja samaan verkkoon. Tulevaisuudessa suuri osa tietoliikenteestä on laitteiden välistä eli kenenkään ei tarvitse näpytellä tai skannata tietoja, vaan pieni sensori maitotölkissä käskee jääkaappia tilaamaan ruokakaupan tietokoneelta litran laktoositonta seuraavaan ostoskassiin.

Robotteja kudokseen

Langattoman tiedonsiirron tarve voi olla lähes loputon. Uusia käyttökohteita tuntuu löytyvän kaiken aikaa.

Kehitteillä on ääniaaltoja käyttäviä langattomia laitteita, jotka valvovat meren syvyyksissä tsunameja ja lähettävät internetiin hälytyksen jättiaallosta nopeammin kuin mikään viranomainen.

Toisessa ääripäässä ovat pienet robotit, jotka ruiskutetaan tulehtuneen kudokseen. Ne saavat langattomasta verkosta energiaa, joka tuhoaa mikrobit lämmön avulla. Työnsä tehtyään pikku apulaiset liukenevat verenkiertoon ja poistuvat elimistöstä muutamassa tunnissa.

Petri Forsell on vapaa toimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Tekniikan päivät

Kognitiiviset radiotekniikat, Marja Matinmikko, VTT. Pe 17.1. klo 13.30 Dipolin sali 25+26.

Tietotekniikan tulevaisuus, Erkki Ormala, Aalto-yliopisto. Pe 17.1. klo 15.00 sali 25+26.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014.