Mitä on älyliikenne?

Älykästä liikennettä voidaan jo nyt pitää osana nykypäivän kansalaisten jokapäiväistä elämää. Tienkäyttäjät ja ajoneuvot tuottavat ajantasaista informaatiota liikennejärjestel-män eri tilanteista liikenteen operoijille mahdollistaen pohjan ennusteille liikennejärjes-telmän muutoksista. Traficomin (2020b) podcastissa liikenne- ja viestintäministeriön Ma-ria Rautavirta kuvaa liikenteen kehityksessä näkyvää liikennejärjestelmäajattelua infra-struktuurina, joka voidaan ajatella fyysiseksi teiden ja muun rakenteen kollektiiviksi ja jonka päälle nyt rakentuu digitaalinen datakerros, joka tuottaa reaaliaikaista tietoa infran tilasta sekä digitaalisia palveluita esimerkiksi liikennejärjestelmän hallinnan avuksi.

Liikenne- ja viestintäministeriön (2009) julkaiseman kansallisen älyliikenteen strategian mukaan älykäs liikennejärjestelmä, eli älyliikenne (ITS – Intelligent Transport Systems) tarkoittaa tieto- ja viestintätekniikan hyväksi käyttämistä liikennejärjestelmässä. Keskei-sinä tavoitteina on liikkumisen kokonaisuuden kannalta edullisimman tavan valinnan ja optimoinnin kautta parantaa liikenteen sujuvuutta ja turvallisuutta tehden liikenteestä sa-malla ympäristöystävällisempää. Tämä perustuu ajoneuvojen ja infrastruktuurin väliseen kommunikaatioon.

Älyliikenteen mahdollistamat palvelut tukevat liikenteen seurantaa, ohjausta ja hallintaa.

Tärkeä osa palveluita on myös informaatiotarjonta liikkujille sekä liikennejärjestelmän operoijille. Palveluketju jakaantuu osiin aina tiedonkeruusta matkan suunnitteluun ja sen aikaisiin informaatiopalveluihin. Sovellusten perustana on ajantasainen tieto paikasta ja ajasta, sekä liikennejärjestelmän tilasta ja mahdollisista häiriöistä. Tätä kautta liikenne-välineille voidaan tarjota eri etuuksia ja jakaa tienkäyttäjille tietoa esimerkiksi eri reitti-vaihtoehdoista ja sääolosuhteista. (Liikenne- ja viestintäministeriö 2009)

Tulevaisuuden reaaliaikainen liikennejärjestelmä tekee ajoneuvoista päätelaitteita, jotka on kytketty ajoneuvon ulkopuoliseen järjestelmään. Tämä mahdollistaa liikenteen oh-jauksesta enemmän ajantasaista ja ennakoivaa (ITS Finland 2020). Euroopan parla-mentti ja neuvosto haluavat edistää älykkään tieliikennejärjestelmän kehitystä ITS-direk-tiivin (2010/40/EU) avulla, jonka tarkoituksena on perustaa puitteet, jotka mahdollistavat tieliikenteen älykkäiden liikennejärjestelmien käyttöönoton sekä käytön tukemisen EU:n alueella, myös EU:n jäsenvaltioiden rajojen yli. (Traficom 2020d)

Ajoneuvojen automaation kehitys on osa älyliikennettä. Tieliikenteen automaatio etenee kohti täysin autonomisia robottiautoja ja automaatiota kehitetään vähitellen lisäämällä kuljettajaa tukevia järjestelmiä. Yleisesti ajoneuvojen automaatiotasoa havainnolliste-taan asteikolla 0-5. Taso 0 tarkoittaa, että ihminen kuljettajana vastaa täysin ajoneuvon kuljettamisesta ja ympäristön havainnoinnista. Tason 5 täysin autonomiset robottiautot, joissa kuljettajaa ei edes tarvita, saattavat olla vielä vuosikymmenien päässä. Alla oleva kuva 1 havainnollistaa ajoneuvojen eri automaatiotasoja. Automaation kehityksessä 5G on oleellisessa osassa sen mahdollistaman pienen tiedonsiirron viiveen ja suuremman kapasiteetin ansiosta, kun halutaan käsitellä ajoneuvojen lähettämää dataa. (Väylävi-rasto 2020)

Kuva 1: Ajoneuvojen automaatiotaso SAE:n (Society of Automotive Engineers) J3016 -määritelmän mukaisesti. (Serban et al. 2020)

Luonnollisesti liikenteen vaaratilanteissa reagointiaika on tärkeä tekijä. Elorannan (2020) mukaan täysin autonominen ajoneuvo, joka kykenee itsenäisesti ohjaamaan itseään ja tekemään vaadittavia ratkaisuja, pärjää myös 4G:n avulla. Täysin autonomisen ajoneu-von toiminnot eivät välttämättä siis edellytä huippunopeaa tiedonsiirtoa ja reaaliaikai-suutta. Eloranta (2020) kuitenkin painottaa 5G:n merkitystä ajoneuvojen etävalvonta- ja etäohjaustapauksissa, jolloin reaaliaikaisuusvaatimukset kasvavat huomattavasti.

2.2 5G:n ominaisuudet ja taajuusalueet

Uuden sukupolven mobiiliteknologia 5G muuttaa langattoman teknologian merkityksen yhteiskunnassa mahdollistamalla nykyistä nopeammat langattomat yhteydet, pienem-män tiedonsiirron viiveen, paremman turvallisuuden ja energiatehokkuuden sekä tuotta-malla lisää uusia palveluita ja yritysten liiketoimintamahdollisuuksia myös liikenteen sa-ralla. Liikennesektori on yksi suurimmista hyötyjistä 5G-aikakaudella. (Liikenne- ja vies-tintäministeriö 2018) Traficom (2020c) listaa 5G:n suuriksi hyödyiksi muun muassa lan-gattoman laajakaistan nopeuden kymmenkertaistumisen, mahdollisuuden kytkeä verk-koon suuren määrän IoT-laitteita (engl. Internet of Things, esineiden liittäminen interne-tiin) ja mahdollisuuden räätälöidä verkkopalveluita eri käyttötarpeiden, kuten luotettavuu-den mukaan. 5G-verkkoon on mahdollista kytkeä neliökilometrin alueella jopa miljoona eri laitetta (Viestintävirasto 2015). Viestintävirasto (2016) on koonnut numeerisesti alla olevaan kuvaan 2 Suomessa 5G:lle asetettuja keskeisiä tavoitteita. Oleellisimpana voi-daan huomata viiveen lyheneminen ja siirtonopeuksien kehitys sekä lisääntyvä verkon päätelaitekapasiteetti.

Kuva 2: 5G-verkolle asetettuja tavoiteominaisuuksia. (Viestintävirasto 2016)

Huomioitavaa on, että 5G:tä jatkuvasti kehitettäessä myös 4G-teknologiaa kehitetään edelleen kohti 5G-palveluita tukevia toimintoja. Nykylaajakaistaverkkojen taajuuksia on mahdollista nykyään käyttää palveluihin, jotka käyttävät kapeampaa taajuuskaistaa, ku-ten esimerkiksi esineiden internetiin (IoT). Vuonna 2017 Suomessa otettiin ensimmäi-senä maana EU:ssa valtakunnalliseen käyttöön 700 MHz:n taajuusalue laajentamaan

nykyistä 4G-verkkoa. Vaikka kyseessä ei ole 5G-kaista, on se tunnistettu kansainväli-sesti laajan peiton 5G-palveluiden käytön mahdollistajaksi. Euroopassa on yleikansainväli-sesti tun-nistettu matalia 3,4-3,8 GHz:n taajuusalueita 5G-pioneeritaajuuskaistoiksi. (Liikenne- ja viestintäministeriö 2018) Suuri osa Euroopassa tapahtuvasta 5G-testauksesta tapahtuu-kin näillä taajuusalueilla (European 5G Observatory 2020). Vuonna 2019 Suomessa al-koi toimia uusia 5G-tukiasemia 3,5 GHz:n taajuudella. 3,5 GHz:n taajuuden oletetaan muodostavan aluksi Euroopan perusverkkokerroksen. (Telia 2019) Korkeampaa testat-tavaa taajuusaluetta edustavat yleisesti 26-28 GHz:n millimetriaallot. Näitä aletaan laa-jemmin hyödyntää todennäköisesti vasta muutamien vuosien päästä ja ne vaativat huo-mattavia investointeja tarvittavan peiton saavuttamiseksi eli verkon tiheyttämiseksi. (Lii-kenne- ja viestintäministeriö 2018)

Tulevaisuudessa 5G:tä tullaan hyödyntämään sekä matalilla että korkeilla taajuusalu-eilla. Näiden taajuusalueiden käytettävyys eroaa erityisesti alueellisen kattavuuden ja kapasiteetin kannalta. Matalampia taajuusalueita hyödyntäen voidaan verkkoja rakentaa kustannustehokkaammin ja samalla saavuttaa maantieteellisesti laajempia peittoja.

Tästä johtuen ensimmäisiä havaittavia 5G-sovelluksia tarjotaan Euroopassa lähtökoh-taisesti matalammilla 3,4-3,8 GHz:n taajuusalueilla. (Liikenne- ja viestintäministeriö 2018)

3. 5G:N SOVELTAMINEN ÄLYLIIKENTEESSÄ

3.1 5G:n hyödyntäminen ajoneuvojen tiedonsiirtoteknologi-assa

Tulevaisuudessa ajoneuvot ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä ja toistensa kanssa.

Keskeinen kehitysteema tieliikenteen tulevaisuudessa on tiedonvälityksen ja kommuni-kaation lisääntyminen. Tämän myötä tarpeet tiedonsiirrolle ja tiedonsiirtoyhteyksien luo-tettavuudelle kasvavat. Tapa, jolla liikennejärjestelmää ohjataan, tulee muuttumaan eri-tyisesti tehokkuuden näkökulmasta. Jatkossa ajoneuvot vastaanottavat tietoa ympäris-töstään ja välittävät keräämäänsä tietoa muiden ajoneuvojen ja palveluiden hyödynnet-täväksi. Ajoneuvojen välillä liikkuva tieto monipuolistuu ja tarve suurta kapasiteettia vaa-tivalle tiedonsiirrolle kasvaa molempiin suuntiin. Tulevaisuudessa tieliikenteen kommu-nikaatio tulee pohjautumaan todennäköisesti sekä lyhyen kantaman että pitkän kanta-man tiedonvaihtoon, joista erityisesti jälkimmäisessä tukeudutaan yleisesti mobiiliverk-koon, eli myös 5G:hen. Tätä kutsutaan hybridiratkaisuksi. (Väylävirasto 2019)

Ajoneuvojen automatisaatiossa ja liikenneturvallisuuden kehityksessä ajoneuvon kom-munikointi muun ympäristön kanssa on tärkeää. Nykyajan lähes autonomiset ajoneuvot käyttävät ympäristön havainnointiin pääosin kameroita, kaikuluotaimia ja tutkia, kuten esimerkiksi LiDAR-järjestelmää (Light Detection and Ranging) (Automotive World 2020).

Cao et al. (2016) toteavat, että näköyhteyden puuttuessa, esimerkiksi huonoissa sääolo-suhteissa tai jyrkissä mutkissa, nämä havainnointilaitteet ovat virhealttiita, eivätkä kovin hyödyllisiä. Yhdistettyjen ajoneuvojen välinen V2X-kommunikointi toisi tähän uuden vaihtoehdon. V2X on lyhenne sanoista Vehicle-to-Everything, tällöin ajoneuvo kykenee kommunikoimaan langattomasti ympäristönsä ja toisten ajoneuvojen kanssa (Everything RF 2019). V2X jakaa ajoneuvon dataa, kuten nopeutta tai sijaintia, ympäristölleen yleensä joko 5G:tä tai WiFiä hyödyntäen, pyrkien välttämään vaaratilanteita ja onnetto-muuksia (Everything RF 2019).

Pitkään vain Wi-Fiä hyödyntävä DSRC (Dedicated Short Range Communication), tun-nettu myös nimellä ITS-G5, oli ainoa saatavilla oleva V2X-palvelu, mutta 2020-lukua lä-hestyttäessä kehitteille saatiin myös matkapuhelinverkkoa hyödyntävä C-V2X (Cellular vehicle-to-everything) (Autotalks 2020). Euroopan komissio on antanut asetuksen DSRC:stä ainoana kommunikointitapana, mutta Euroopan neuvosto äänesti vuonna 2019 tätä vastaan huomioiden myös C-V2X:n mahdollisena kommunikointitapana DSRC:n rinnalla. 5G:n tulevaisuuden roolissa tämä vastakkainasettelu on suuri tekijä

C-V2X:n hyödyntäessä pidemmän kantaman kommunikoinnissa matkapuhelinverkkoa, siis myös 5G:tä, kun taas DSRC tukeutuu vain langattomaan lähiverkkoon. Virallista jatko-tietoa Euroopan suuntauksesta ei vielä ole saatu. (Väylävirasto 2019) DSRC:n etuina ovat lyhyen kantaman viestinnässä toimivuus myös mobiiliverkon katvealueilla, mobiili-verkkoa lyhyen kantaman viestintään hyödynnettäessä verkko saattaisi myös kuormittua liikaa (Väylävirasto 2019). Alla oleva kuva 3 havainnollistaa yksinkertaisesti ajoneuvon kommunikointia V2X:n avulla.

Kuva 3: V2X, ajoneuvon kommunikointi ympäristönsä, eli infrastruktuurin, palveluiden, jalankulkijoiden, muiden ajoneuvojen ja esimerkiksi älykkään kodin kanssa. (Everything RF 2019)

V2X voi operoida lyhyellä kantamalla DSRC:n kautta 5,7-5,9 GHz:n taajuudella hyödyn-täen tienvarsilaitteita Wi-Fi-standardiin, eli IEEE:n standardiin 802.11p langattomille WLAN-lähiverkoille, perustuen. Lähiverkon kantama on suurimmillaan noin kilometrin verran. Palvelu on kehitetty erityisesti nopeasti liikkuville objekteille, jotka voisivat liiken-nöidä esimerkiksi huonon näkyvyyden olosuhteissa tai vilkkaissa taajamissa. (Everyt-hing RF 2019) Jokainen ajoneuvo lähettää tietoa itsestään noin 10 kertaa sekunnissa ympäristölleen ja ympärillä olevat ajoneuvot vastaanottavat tietoa reagoiden siihen tar-peen tullen. Tätä teknologiaa on alettu jo hyödyntämään Euroopassa ja Japanissa, myös USA:ssa, jossa kuitenkin vuonna 2020 päätettiin alkaa hyödyntämään C-V2X-teknolo-giaa (Autotalks 2020).

C-V2X eli Cellular Vehicle to Everything eroaa edellisestä lähtökohtaisesti jopa kaksin-kertaisen kantamansa ansiosta ja käyttämällä matkapuhelinverkkoa, toimien myös 5.9 GHz:n taajuudella. Päämäärät liikenneturvallisuuden parantamisessa ovat kuitenkin mo-lemmilla palveluilla samat. Palvelun on tarkoitus toimia pitkällä kantamalla 4G- ja

5G-verkoissa, kuitenkin ollen hyödynnettävissä parhaiten 5G-verkossa viiveen ollessa pie-nin mahdollinen. (Qualcomm 2017) Kiinassa käynnistettiin jo vuonna 2020 ensimmäinen C-V2X-massatuotanto-ohjelma, jonka odotettiin tuottavan vuoden 2020 aikana lähes 630 000 V2X-tuettua henkilöautoa (Autotalks 2020). Eloranta (2020) kertoo, että C-V2X kykenisi tarjoamaan 5G:n ansiosta lyhyen kantaman viestintämahdollisuuden, kun tarvitaan nopeaa, lyhytlatenssista viestintää. Se toimisi siis sekä lyhyen, että pitkän kan-taman viestinnässä. Alla oleva kuva 4 havainnollistaa C-V2X:n etua liikenteen vaarati-lanteissa DSRC:hen nähden. Pidemmän kantaman ansiosta C-V2X-tuettu ajoneuvo ky-kenee saamaan varoituksen esimerkiksi mutkan takana olevasta onnettomuustilan-teesta aiemmin kuin DSRC-tuettu ajoneuvo. Tällöin reagointiaika on pidempi ja vaadit-tava pysähtymismatka pitenisi. Kuvasta 4 huomataan, että sekä normaaliolosuhteissa että tienpinnan ollessa jäinen voi C-V2X-tuettu ajoneuvo ajaa varoituksen saantihetkellä huomattavasti nopeammin, jotta kykenee edelleen pysähtymään ennen onnettomuus-kohtaa. Kuvan tapauksissa C-V2X-tuetun ajoneuvon nopeus voi olla noin 61-101 km/h olosuhteista riippuen. DSRC:n vastaavat tilannenopeudet olisivat noin 45-74 km/h. Huo-mioitavaa on, että kuvassa 4 nopeudet ovat maileina per tunti.

Kuva 4: V2X-käyttötapaus lähestyvän ajoneuvon varoittamisesta edessä olevan mutkan takaisesta onnettomuustilanteesta, kuva havainnollistaa C-V2X:n ja DSRC:n eroja sekä jäisellä että kuivalla tienpinnalla. (Qualcomm 2019)

Viime vuosina on käyty voimakasta keskustelua Euroopan parlamentin ehdotuksesta suosia Wi-Fin (DSRC), toisin sanoen lyhyen kantaman viestinnän käyttöä 5G:tä hyödyn-tävän C-V2X -teknologian sijasta ajoneuvoteollisuudessa ja liikenteessä. Autonvalmista-jien ja teleoperaattorien keskuudessa tämä aiheutti vastakkainasetteluja. Muun muassa Qualcomm, Ford ja Samsung perustelivat 5G:n hyötyjä C-V2X:n laajemmilla käyttömah-dollisuuksilla ja tulevaisuudennäkymillä. Ehdotus asettaisi Euroopan ja samalla Suomen aseman ristiriitaan Yhdysvaltojen ja Kiinan strategioiden kanssa, jotka ovat halukkaita

tukeutumaan juuri C-V2X:ää hyödyntävään 5G-teknologiaan. (Osto & logistiikka 2018) Eloranta (2020) näkee C-V2X:n lisäävän liikenneturvallisuuden ja autonomisen ajamisen kehitystä ja toteaa, että Yhdysvaltojen päätös marraskuussa 2020 asettaa C-V2X ensi-sijaiseksi optioksi voisi vaikuttaa myös Euroopan kantaan.