5G selitettynä: taajuudet, nopeus ja mitä se ei ratkaise

Puhelimen näytössä lukee 5G, mutta nopeustesti näyttää samaa kuin ennen. Naapurissa sama operaattori antaa moninkertaisen tuloksen. Ilmiö ei ole vika vaan seuraus siitä, että 5G on kokonainen tekniikkaperhe, jota käytetään kolmella hyvin erilaisella taajuusalueella.

Tässä artikkelissa käydään läpi, mitä 5G standardina lupaa, miksi lupaus toteutuu vain osassa tapauksia, mitä tukiasema tekee eri tavalla kuin 4G ja milloin 5G-kotilaajakaista kannattaa valita kiinteän yhteyden sijaan. Lopuksi käsitellään säteilykysymys viranomaislähteiden pohjalta.

Mitä 5G lupaa standardina

5G:n radiotekniikan nimi on 5G NR (New Radio), ja sen määrittelee 3GPP, joka on maailmanlaajuisten televiestintästandardien yhteenliittymä. 5G NR julkaistiin ensimmäisen kerran 3GPP:n Release 15 -kokonaisuudessa, ja järjestelmää on täydennetty myöhemmissä julkaisuissa.

Suorituskykytavoitteet tulevat Kansainväliseltä televiestintäliitolta ITU:lta, jonka IMT-2020-vaatimukset asettivat 5G:lle kolme päätavoitetta:

1. Suuri nopeus eli tavoitteellinen huippunopeus 20 gigabittiä sekunnissa alassuuntaan. Tämä on tukiaseman teoreettinen huippu ihanteellisissa oloissa, ei yhden käyttäjän saama nopeus.
2. Pieni viive, tavoitteena luokkaa yksi millisekunti radiorajapinnan yli erityisessä luotettavuutta vaativassa käyttötapauksessa. Kokonaisviive palvelimelle on aina suurempi, koska siihen lisätään runkoverkon ja palvelimen osuus.
3. Suuri laitetiheys, tavoitteena miljoona laitetta neliökilometrillä. Tämä koskee esineiden internetin antureita, ei puhelimia.

Kolmesta lupauksesta juuri laitetiheys ja kapasiteetti ovat se osa, joka toteutuu tavallisen käyttäjän arjessa varmimmin. Ruuhkaisella asemalla tai konserttipaikalla ero 4G:hen näkyy siinä, että yhteys ylipäätään toimii.

5G on ensisijaisesti kapasiteetti- ja viiveparannus verkolle, ei automaattinen nopeuslupaus yksittäiselle käyttäjälle.

Kolme taajuusaluetta ja niiden ominaisuudet

Tämä taulukko selittää suurimman osan siitä, miksi 5G-kokemukset eroavat niin paljon toisistaan. Radioaallon fysiikka on yksinkertaista: mitä korkeampi taajuus, sitä enemmän kaistaa on tarjolla ja sitä huonommin aalto läpäisee esteitä.

Suomessa 5G:n eurooppalaiset edelläkävijätaajuudet ovat 700 MHz, 3400-3800 MHz ja 26 GHz. Kaikki kolme on huutokaupattu operaattoreille, mutta ne palvelevat eri tarkoitusta. Traficomin mukaan 700 MHz -alueella toteutetaan maantieteellisesti laajin peitto, kun taas 3,5 GHz on se alue, jolla kaupunkien nopeat yhteydet rakennetaan.

Käytännössä lähes kaikki suomalaisen kuluttajan kokema 5G on joko 700 MHz:n tai 3,5 GHz:n aluetta. Millimetriaallot ovat erikoistyökalu, jolla katetaan pieniä alueita valtavalla kapasiteetilla, eikä niitä kannata odottaa kotiin.

Rakennusmateriaalit selittävät loput. Puu ja kipsilevy päästävät radioaallot läpi kohtuullisesti, tiili ja betoni vaimentavat selvästi, ja teräsbetoni sekä metallipinnoitteinen energialasi vaimentavat erittäin voimakkaasti. Uusi energiatehokas ikkuna voi vaimentaa signaalia enemmän kuin seinä. Siksi sama liittymä voi antaa parvekkeella moninkertaisen nopeuden makuuhuoneeseen verrattuna, ja siksi 5G-kotilaajakaistan päätelaite kannattaa sijoittaa ikkunan lähelle.

Miksi 5G ei aina näy nopeampana

Näytön 5G-tunnus kertoo, että laite on kiinnittynyt 5G-solukkoon. Se ei kerro taajuusaluetta, kaistanleveyttä eikä sitä, mitä kautta data oikeasti kulkee.

Ensimmäinen syy on taajuusalue: 700 MHz:n 5G voi olla hitaampi kuin hyvin toimiva 4G samassa paikassa, koska kaistaa on vähemmän. Toinen syy on jaettu kapasiteetti: solun kapasiteetti jaetaan kaikkien samaan aikaan lähettävien käyttäjien kesken, joten sama paikka antaa eri tuloksen keskipäivällä ja iltayhdeksältä.

Kolmas syy on verkon rakenne. Monet 5G-verkot on rakennettu aluksi niin sanotusti 4G:n päälle, jolloin ohjaustoiminnot kulkevat 4G-ydinverkon kautta ja vain datakaista käyttää 5G-radiota. Tällaisessa toteutuksessa nopeus voi kasvaa, mutta viive ei juuri parane. Viiveen selvä parannus edellyttää itsenäistä 5G-ydinverkkoa.

Neljäs syy on se, että pullonkaula on jossain muualla. Jos kotona käytetään 5G-modeemia, mutta laitteet ovat kiinni hitaassa wifi-verkossa, mobiiliverkon nopeus ei näy mihinkään. Sama pätee palveluun, joka rajoittaa omaa lähetysnopeuttaan.

Mitä 5G-tukiasema tekee toisin kuin 4G

Suurin ero ei ole lähetysteho vaan tapa, jolla signaali suunnataan. 4G-tukiasema lähettää sektorin laajuiseen suuntaan melko tasaisesti. 5G-tukiasemassa käytetään massiivista MIMO-antennia, jossa on kymmeniä tai satoja pieniä antennielementtejä.

Kun samaa signaalia lähetetään useasta elementistä hieman eri ajoituksella, aallot vahvistavat toisiaan yhteen suuntaan ja kumoavat toisiaan muualla. Tätä kutsutaan keilanmuodostukseksi. Tukiasema muodostaa kapean keilan kohti kutakin laitetta ja seuraa laitteen liikettä.

Tästä seuraa kolme asiaa. Energiaa ei tuhlata suuntiin, joissa ei ole käyttäjiä. Sama taajuus voidaan käyttää uudelleen eri keiloissa, mikä kasvattaa solun kokonaiskapasiteettia. Ja koska keila osoittaa käyttäjää kohti, tukiaseman keskimääräinen säteily muualle jää pienemmäksi kuin jatkuvasti täydellä teholla laajalle alueelle lähettävässä järjestelmässä.

5G-radio on myös joustavampi: kaistanleveyttä ja aikavälien pituutta voidaan säätää käyttötarkoituksen mukaan. Anturiverkko voi käyttää kapeaa kaistaa ja pitkiä aikavälejä, teollinen ohjaus lyhyitä.

Verkkoviipalointi ja teollinen käyttö

Verkkoviipalointi (network slicing) tarkoittaa, että samasta fyysisestä verkosta muodostetaan loogisesti erillisiä verkkoja, joilla on omat suorituskykytakuunsa. Yksi viipale voi taata pienen viiveen tehtaan robottiohjaukselle, toinen suuren kaistan videokuvalle ja kolmas edullisen mutta hitaan yhteyden mittarilaitteille.

Käytännön merkitys on siinä, että kriittinen sovellus ei kärsi siitä, että samalla alueella katsotaan videota. 4G:ssä vastaavaa erottelua tehdään karkeammin liikenteen priorisoinnilla.

Teollisuudessa 5G:tä käytetään myös paikallisverkkoina, joissa yritys tai satama saa oman taajuusluvan rajatulle alueelle. Silloin verkko on yrityksen hallinnassa samalla tavalla kuin oma langaton lähiverkko, mutta kantamalla ja luotettavuudella, joita wifi ei tarjoa. Data voi silti kulkea samoihin pilvipalveluihin kuin ennenkin. Laitteille jaetaan silti tavalliset IP-osoitteet, ja verkko näyttää sovelluksille samalta kuin mikä tahansa verkko.

Päätössääntö: 5G-kotilaajakaista vai kiinteä yhteys

5G-kotilaajakaista tarkoittaa modeemia, joka ottaa yhteyden mobiiliverkkoon ja jakaa sen kotiin wifillä. Se on todellinen vaihtoehto kiinteälle yhteydelle, mutta ei kaikille. Tämä päätössääntö kokoaa ratkaisevat tekijät.

Valitse 5G-kotilaajakaista, jos kaikki alla olevat pätevät:

1. Osoitteeseesi ei ole saatavilla kuitua tai kaapelilaajakaistaa, tai sen rakentaminen maksaisi tuhansia euroja.
2. Kuuluvuus asunnossasi on hyvä. Testaa puhelimella siinä huoneessa, johon modeemi tulisi, mieluiten arki-iltana.
3. Käyttönne on tavallista suoratoistoa, selailua ja etäkokouksia, ei jatkuvaa suurten tiedostojen lähettämistä.
4. Asut määräaikaisesti tai haluat yhteyden käyttöön saman päivän aikana ilman asennustöitä.

Valitse kiinteä yhteys, jos jokin näistä pätee:

1. Lähetät säännöllisesti suuria tiedostoja tai varmuuskopioit pilveen. Mobiiliyhteyden lähetysnopeus on tyypillisesti selvästi latausnopeutta pienempi.
2. Kilpailullinen verkkopelaaminen tai vakaus on tärkeää. Mobiiliyhteyden viive vaihtelee kuormituksen mukaan enemmän.
3. Kotitaloudessa on useita samanaikaisia raskaita käyttäjiä. Kannattaa laskea tarve ensin, ohjeet löytyvät artikkelista kuinka nopeaa nettiä tarvitset.
4. Liittymässä on datakatto tai reilun käytön raja, joka hidastaa yhteyttä tietyn kuukausimäärän jälkeen. Lue sopimusehdot.
5. Asunnossasi on paksut betoniseinät ja metallipinnoitteiset ikkunat eikä modeemia saa ikkunan lähelle.

Käytännön testi ennen päätöstä: hanki mobiililiittymä ensin kuukaudeksi ilman määräaikaisuutta ja mittaa nopeus samasta paikasta aamulla, iltapäivällä ja kello 21 aikaan. Jos ilta-arvo riittää, päivä riittää varmasti.

Akunkulutus ja se, miksi 4G ei ole katoamassa

5G kuluttaa puhelimen akkua tyypillisesti enemmän kuin 4G. Syitä on kolme: laajempi kaista tarkoittaa enemmän prosessointia, korkeammilla taajuuksilla tarvitaan enemmän lähetystehoa etäisyyden kompensoimiseksi, ja 4G:n päälle rakennetuissa verkoissa laite pitää molempia radioita yhtä aikaa käytössä.

Jos akku loppuu kesken eikä nopeutta tarvita, 5G:n voi kytkeä puhelimen asetuksista pois päältä. Ero näkyy selvimmin heikon kuuluvuuden alueella, jossa laite lähettää suuremmalla teholla.

4G ei ole poistumassa lähivuosina. Se muodostaa peruspeiton laajoilla alueilla, se kantaa suurta osaa puheliikenteestä, ja monet laitteet kuten mittarit ja hälytysjärjestelmät on rakennettu sen varaan. Sukupolvet elävät päällekkäin pitkään, kuten 3G:n hidas alasajo osoitti. Verkkotermistöä on koottu myös digisanastoon.

Säteily ja terveys viranomaislähteiden mukaan

Tämä osio perustuu Säteilyturvakeskuksen (STUK) ja Maailman terveysjärjestön (WHO) linjauksiin, ei mielipiteisiin.

Matkapuhelinverkot käyttävät radiotaajuista säteilyä, joka on ionisoimatonta. Se ei riko kemiallisia sidoksia eikä irrota elektroneja atomeista, toisin kuin röntgen- tai gammasäteily. STUK toteaa, että radiotaajuisten kenttien ainoa tieteellisesti todennettu vaikutus ihmiseen on kudosten lämpeneminen. WHO:n mukaan kudosten lämpeneminen on radiotaajuisten kenttien ja kehon välisen vuorovaikutuksen päämekanismi.

Altistuksen raja-arvot perustuvat kansainvälisen ionisoimattoman säteilyn suojelutoimikunnan ICNIRP:n suosituksiin, jotka päivitettiin radiotaajuuksien osalta vuonna 2020. Raja-arvot on asetettu selvästi sen tason alapuolelle, jolla lämpenemisvaikutus alkaa, eli niissä on turvavara.

STUK:n mukaan 5G-tukiasemien lähetystehot ovat samaa suuruusluokkaa kuin aiemmissa matkapuhelintekniikoissa, 5G-verkon käyttöönotto ei ole merkittävästi lisännyt väestön altistusta, ja altistus on paikoissa joihin väestöllä on pääsy selvästi raja-arvoja pienempi. Operaattorilla on velvollisuus selvittää altistus ennen tukiaseman käyttöönottoa, ja STUK valvoo tätä.

Kaksi tarkennusta, jotka kuuluvat asiaan. Ensinnäkin WHO toteaa, että tähänastisessa tutkimuksessa yhtäkään haittavaikutusta ei ole syy-yhteydellä liitetty langattomiin tekniikoihin, mutta nimenomaan 5G:n taajuuksia koskevia tutkimuksia on toistaiseksi vähän, ja WHO tekee radiotaajuuksien terveysriskien arviointia. Toiseksi millimetriaalloilla energia imeytyy pinnallisemmin, käytännössä ihoon ja silmän pintaan, koska korkea taajuus ei tunkeudu syvälle kudokseen. Tämä on ero syvemmälle tunkeutuviin matalampiin taajuuksiin, ei osoitus suuremmasta haitasta.

Suhteellisuus auttaa hahmottamaan: puhelin lähellä päätä aiheuttaa käyttäjälle selvästi suuremman altistuksen kuin kauempana oleva tukiasema, koska teho pienenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Tiheämpi tukiasemaverkko voi jopa laskea puhelimen lähetystehoa, koska laite ei joudu huutamaan kauas.