Tiina Mikkonen
5G-RATKAISUT OSANA KESTÄVÄÄ KEHITYSTÄ
Kandidaatin työ
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta
Joulukuu 2020
Tiina Mikkonen: 5G-ratkaisut osana kestävää kehitystä Kandidaatin työ
Tampereen yliopisto Tietotekniikka Marraskuu 2020
5G-teknologiaan perustuvat ratkaisut voivat tukea kestävää kehitystä. Kyseisten ratkaisujen avulla voidaan pienentää kasvihuonekaasupäästöjä yhteiskunnan eri osa-alueilla, kuten liikenteessä, maataloudessa sekä teollisuudessa. 5G-teknologiaan perustuvien ratkaisujen käyttöönotossa on kuitenkin omat haasteensa. Työn tarkoituksena on esitellä, mihin 5G- teknologiaan perustuvien ratkaisujen vaikutus päästöjen vähentämisessä perustuu ja miksi 5G- teknologia ei ole vielä laajasti käytössä.
Työssä esitellään 5G-teknologian perusteet sekä käyttökohteet, minkä jälkeen lukija johdatellaan 5G-teknologian ympäristövaikutuksiin. Kyseiseen teknologiaan perustuvien ratkaisujen taustaa kuvataan verkkotasolla, minkä jälkeen lukijalle esitellään ratkaisujen konkreettisia vaikutuksia esimerkkien avulla. Työssä esitellään erilaisia ratkaisuja liikenteessä, maataloudessa sekä teollisuudessa. Jokaisesta osa-alueesta esitellään erilaisia ratkaisuja ja pilotteja eri puolilta maailmaa. Liikenteen hallinnasta esitellään myös ratkaisun teknisempää puolta. Työssä havaitaan, että 5G-teknologiaan perustuvilla ratkaisuilla voidaan saada merkittävä lasku kasvihuonekaasupäästöissä yhteiskunnan eri osa-alueilla.
Työn tarkoituksena on tehdä kattava kirjallisuuskatsaus 5G-teknologiaan perustuvien ratkaisujen potentiaalista. Tarkoituksena on myös osoittaa ratkaisujen monipuolisuus sekä haasteet, joita ratkaisujen käyttöönotossa esiintyy. Tehdyn katsauksen perusteella on selvää, että 5G-teknologian käyttöönotto ja käyttäminen työssä esitellyillä tavoilla on tärkeää kestävän kehityksen kannalta. 5G-teknologiaan perustuvien ratkaisujen avulla voidaan pienentää kasvihuonekaasujen määrää esimerkiksi liikenteessä, maataloudessa sekä teollisuudessa.
Monet ratkaisuista perustuvat ennakointiin ja reaaliaikaisesti kerätyn datan hyödyntämiseen.
5G-teknologian käyttöönotossa on kuitenkin haasteita. Osa haasteista liittyy itse teknologiaan, sillä verkkoarkkitehtuuri on monimutkainen ja vaatii uudenlaisia ratkaisuja.
Kestävän kehityksen kannalta on tärkeää huomioida, ettei uudet ratkaisut kuluttaisi merkittävästi enempää energiaa kuin aiemmat, mikä asettaa oman haasteensa 5G-teknologian
käyttöönotolle. 5G:n käyttöönottoa hidastaa myös poliittinen päätöksenteko sekä julkiset toimijat. 5G:n osalta tarvitaan vielä sääntelyä sekä eettistä keskustelua, minkä jälkeen
esimerkiksi itseohjautuvat autot voidaan vasta ottaa käyttöön laajemmin. Lisäksi tarvitaan suuria investointeja muun muassa kaupungeilta ja yrityksiltä, jotta 5G saadaan käyttöön.
Avainsanat: 5G-teknologia, tietoliikenne, kestävä kehitys, kasvihuonekaasu
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
Tätä työtä ei olisi ilman ohjaajani Jukka Talvitien tukea. Haluan kiittää Jukkaa kaikesta tuesta työnteon aikana sekä rohkaisemisesta aiheen kanssa. Haluan myös kiittää sis- koani, joka esitteli minulle Mendeleyn käytön ja sain suurta apua lähteiden hallintaan häneltä.
Tämä työ on itselleni merkityksellinen, sillä haluan lisätä tekniikan alan osaajien roolia ilmastokriisin ratkaisemisessa. On erityisen tärkeää, että ymmärrämme itse valtamme ja vastuumme.
Tampereella, 18.12.2020
Tiina Mikkonen
1. JOHDANTO ... 1
2.5G-TEKNOLOGIA ... 3
2.1 5G:n ominaisuudet ... 3
2.2 5G:n käyttökohteet ... 6
2.3 5G:n suorituskykyvaatimukset ... 7
3.5G:N YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET ... 9
3.1 Energiankulutuksen optimointi ... 10
3.2 Vaikutukset liikenteeseen ... 13
3.2.1 Liikenteenohjaus ja älykäs liikenne ... 13
3.2.2 Dronet ... 14
3.2.3 Liikenteen hallinta ... 14
3.3 Vaikutukset maatalouteen ... 16
3.4 Vaikutukset teollisuuteen ... 18
4. 5G:N KÄYTTÖÖNOTON HAASTEET ... 20
4.1 Verkkoarkkitehtuuri ... 20
4.2 Poliittinen sääntely ja julkisten toimijoiden rooli ... 20
5. YHTEENVETO ... 22
LÄHTEET ... 24
4G mobiilidatayhteyksien 4. sukupolvi 5G mobiilidatayhteyksien 5. sukupolvi
EMMA energian hallinta- ja monitorointisovellus (energy management and monitoring application)
IoT esineiden internet (internet of things)
MEC mobiilireunalaskenta (mobile edge computing)
NFV verkkotoimintojen virtualisointi (network function virtualization) RCCS etäpilvipalvelin (remote core cloud server)
SDN ohjelmallisesti määritetty verkko (software-defined networking)
1. JOHDANTO
Ilmastokriisi on osittain aiheutunut yhteiskuntien kehittymisestä ja elintason nousemi- sesta. Teknologisella kehityksellä on osansa ilmastokriisissä, sillä se on mahdollistanut yhteiskuntien kehittymisen. Tällä hetkellä kansainvälisesti mittavat tahot koittavat etsiä ratkaisuja ilmastokriisiin ja monet ratkaisuista nojaavat teknologiaan.
Teknologiasta on tullut entistä arkipäiväisempää ja yleisempää. Samalla, kun ilmastokrii- siin etsitään ratkaisuja, teknologiaa käytetään entistä enemmän ja tietoliikennemäärien odotetaan kasvavan monikymmenkertaiseksi. Lähes 45 prosentilla maailman väestöstä on älypuhelin käytössään ja mobiiliyhteyksiä on yli 10 miljardia maailmanlaajuisesti [1].
Vuonna 2030 tietotekniikan ennustetaan edustavan viidesosaa globaalista energianku- lutuksesta ja verkkojen energiankulutus voi kasvaa jopa 170 prosenttia vuoteen 2026 mennessä [2].
Julkisessa keskustelussa onkin esitetty huolta tietoliikennemäärän kasvusta, sillä tieto- liikenteellä on iso vaikutus hiilidioksidipäästöihin. Lisäksi tietoliikenteen hiilijalanjäljen laskeminen voi olla monimutkaista ja kyseessä onkin mittava kokonaisuus. Keskuste- lussa ei kuitenkaan tuoda esiin, miten teknologiset ratkaisut, kuten 5G-teknologia, voivat edistää kestävää kehitystä ja siten ilmastokriisin ratkaisua. 5G-teknologian yksi haas- teista on, etteivät sen aiheuttamat päästöt voi olla enempää kuin sen avulla laskettavat.
5G-teknologiaan perustuvat ratkaisut vaikuttavat kuitenkin lupaavilta kestävän kehityk- sen kannalta.
Tässä työssä esitellään 5G-teknologiaan perustuvia ratkaisuja ja niiden roolia kestä- vässä kehityksessä. Työssä käsitellään 5G-teknologian ominaisuuksia ja verkkoarkki- tehtuuria. Työ käsittelee 5G-teknologiaan perustuvia ratkaisuja ennen kaikkea siltä kan- nalta, miten niiden avulla voidaan laskea kasvihuonekaasupäästöjä. Työssä tarkastel- laan myös 5G-teknologian käyttöönoton vaikutusta kasvihuonekaasupäästöihin.
Luvussa 2 käsitellään 5G-teknologiaa. Luvussa kerrotaan, mitä 5G-teknologialla tarkoi- tetaan ja tuodaan esiin sen keskeisiä ominaisuuksia. Luvussa kerrotaan 5G:n käyttökoh- teista sekä 5G:n ja 4G:n eroista. Luvussa 3 käsitellään 5G-teknologian ympäristövaiku- tuksia ja kerrotaan, miten energiankulutusta voidaan optimoida teknologisesti. Lisäksi ympäristövaikutuksia kuvataan esimerkkien ja käyttökohteiden, kuten liikenteen ja teolli- suuden avulla. Luvussa 4 kerrotaan eri näkökulmista, miksei 5G-teknologiaa ole vielä
otettu laajasti käyttöön ja mitkä asiat siihen vaikuttavat. Lopuksi työn keskeisimmät ha- vainnot tuodaan esiin yhteenvedossa.
2. 5G-TEKNOLOGIA
5G-teknologialla tarkoitetaan mobiilidatayhteyksien viidennettä verkkosukupolvea, jolla on kolme keskeistä ominaisuutta: korkeat tiedonsiirtonopeudet, suuri luotettavuus ja massiivisen laitemäärän yhteydet. Erityistä 5G:n ja aiempien verkkosukupolvien välillä on kyseisten ominaisuuksien kehittyminen: esimerkiksi tiedonsiirtonopeudet kasvavat jopa satakertaisiksi verrattuna 4G-teknologiaan.
2.1 5G:n ominaisuudet
5G koostuu useista erilaisista verkoista, jotka ovat eri taajuusalueilla ja joilla on erilaiset reunaehdot ja ominaisuudet [3 s.11]. 5G koostuu siis käytännössä eri operaattorien kes- kenään jakamista langattomista verkoista [3 s. 10]. 5G:lle ominaista on se, että verkon toimintoja ohjataan ohjelmallisesti verkkolaitteiden sijaan. Verkkotoimintojen virtualisointi (NFV, network function virtualization) ja ohjaaminen ohjelmistojen (SDN, software-defi- ned networking) avulla mahdollistaa verkon viipaloinnin (network slicing) ja aiemmin mai- nitun verkkojen jakamisen [3 s.30]–[5]. Viipaloinnilla tarkoitetaan sitä, että useat 5G- verkot yhdistetään yhteen verkkoinfrastruktuuriin. Tällöin samalla alustalla toimii erilaisia verkkoviipaleita, jotka voivat olla toisistaan riippumattomia, kuten kuvassa 1 esitetään.
Viipaloinnin etuna on se, että verkon toiminnot ja kapasiteetti voidaan mukauttaa jousta- vasti palveluiden, toimintojen ja käyttäjämäärien mukaan. Verkon viipalointi mahdollistaa 5G:n suorituskyvyn, kun verkon osioihin voidaan luoda dynaamisesti erilaisia tehtäviä [6]–[8].
Kuva 1. 5G:ssa verkko jaetaan viipaleiksi, joilla on omat käyttökohteensa. Muo- kattu lähteestä [9].
Laskentapalvelut,
tietovarastot Tukiasemat Verkkolaitteet Wi-Fi
Laajakaistapalvelut (eMBB)
IoT-palvelut (mMTC)
Matalan viiveen palvelut (URLLC)
Euroopassa 5G:n tärkeimmät taajuusalueet ovat 700 MHz, 3400–3800 MHz ja 26 GHz [9]. Eri taajuusalueille on omat käyttökohteensa, kuten kuvasta 2 ilmenee. On kuitenkin huomattava, että kaikkia taajuuksia voidaan käyttää monipuolisesti ja kuva on esimerkki käyttökohteista. 700 megahertsiä voidaan käyttää suurilla alueilla. 3,4–3,8 gigahertsiä voidaan käyttää esimerkiksi ajoneuvojen välisessä kommunikaatiossa ja droneissa, kun taas 26 gigahertsiä voidaan hyödyntää suurissa tapahtumissa.
Kuva 2. Eri taajuusalueille on erilaiset käyttökohteet 5G:ssa. Muokattu lähteestä [10].
5G-teknologialla on monia vaatimuksia, jotka voidaan jaotella seuraavasti: suuri tiedon- siirtonopeus, vähäinen latenssi sekä massiivisen laitemäärän yhteydet [3 s. 2,3]. Vaati- mukset on esitetty kuvassa 3. 5G-teknologian avulla tavoitellaan myös energian säästä- mistä sekä kustannusten pienentämistä [11], [12].
Dataliikenteen määrä kasvaa, mikä aiheuttaa omat vaatimuksensa 5G:n kapasiteetille eli tukiaseman palvelemien päätelaitteiden määrälle. Kapasiteettivaatimuksiin vaikuttaa myös palveluiden moninaisuus: mobiiliverkon kautta käytetään esimerkiksi reaaliaikaista etäohjausta sekä striimataan videoita. On myös huomattava, että tietoliikenne ei jakaudu tasaisesti vaan muodostuu niin sanottuja kuumia pisteitä, joissa tietoliikenne- ja käyttä- jämäärä ovat huomattavan suuria. [12] Esimerkkejä kuumista pisteitä ovat ostoskeskuk- set sekä liikenneasemat. Vaadittavaan kapasiteettiin vaikuttaa myös erilaisten laitteiden tyypit, sijainnit, käyttöaika sekä käytettävät sovellukset [13].
Käyttäjän saama siirtonopeus vaikuttaa merkittävästi koettuun laatuun. Sen vuoksi 5G- teknologiassa pyritään suurempaan tiedonsiirtonopeuteen ja parempaan suorituskykyyn kuin edellisissä generaatioissa. 5G:ssa parannetaan siis saavutettavaa tiedonsiirtono- peutta ja käyttäjän suorituskykyä [12], [14]. Jatkuva suorituskyky on tärkeintä erilaisten vaativien palveluiden, kuten autonomisten ajoneuvojen kannalta.
5G-teknologian ja sen mahdollistamien palveluiden kannalta vähäinen latenssi on ää- rimmäisen tärkeää. Latenssin ja verkon luotettavuuden merkitys korostuu etenkin reaa- liaikaisissa ja kriittisissä toiminnoissa, kuten leikkausrobottien ohjaamisessa sekä ajo- neuvojen yhteydessä ympäristöön [15].
Kuva 3. 5G-teknologian tärkeimmät ominaisuudet ovat pienempi viive, suurempi tie- donsiirtonopeus ja massiivisen laitemäärän yhteydet.
5G-teknologian avulla on mahdollista yhdistää massiivinen määrä laitteita toisiinsa ja hallita dataliikennettä. Yhdistettävien laitteiden määrä saattaa vaihdella valtavasti ajan mukaan, mikä asettaa omat haasteensa käytettäville yhteyksille. Esimerkiksi Tokion Chiyodassa väestötiheys on 80 000 ihmistä / km2 ja yöllä 4 000 ihmistä / km2 [16]. Aktii- visuustekijällä kuvataan sitä, kuinka moni väestöstä käyttää mobiililaitettaan aktiivisesti.
Kyseisellä alueella se on 25 prosenttia, mikä tarkoittaa sitä, että päivällä ja yöllä verkolle asetetut vaatimukset eroavat huomattavasti aktiivisten laitteiden määrän vaihdellessa.
Massiivisen laitteiden määrän aiheuttamien vaatimusten lisäksi laitteiden akun pitää kes- tää pitkään ja laitteiden luotettavuuden on oltava korkea [16]. Nämä vaatimukset koros- tuvat etenkin IoT-laitteissa (Internet Of Things).
Nykypäivänä ympäristökysymykset ja kestävä kehitys ovat tärkeä osa yhteiskunnan, myös teknologian, kehitystä. 5G-teknologian yksi haasteista onkin kestävyys: uuden tek- nologian aiheuttama energiankulutus ei voi olla juurikaan enempää kuin aiempien tek- nologioiden. Käytännössä tämä tarkoittaa, että dataliikenteen kasvaessa moninker- taiseksi energiankulutus ei voi kasvaa suoraan verrannollisesti. Pieni energiankulutus
Massiivisen laitemäärän
pidentää akkujen kestoa, mikä osaltaan voi vähentää 5G-teknologian kestävyysongel- maa. On tärkeää huomata, että 5G-teknologian ratkaisuja tullaan käyttämään kriittisissä paikoissa, joten verkkoyhteyden tulee toimia myös kriisitilanteissa.
2.2 5G:n käyttökohteet
5G-teknologian ominaisuuksien vuoksi sen käyttökohteet ovat todella moninaisia: sen avulla voidaan parantaa niin yhteiskunnan ja teollisuuden toimintoja kuin yksittäisten ih- misten arjen palveluita. Monet käyttökohteista ovat jo valmiita käyttöön, kuten videoiden striimaus, mutta moni palveluista vaatii vielä kehittämistä sekä säännöstelyä, kuten itse- ohjautuvat ajoneuvot.
5G:n avulla voidaan yhdistää suuri määrä laitteita toisiinsa, mutta myös mahdollistaa laitteiden kommunikointi kriittisissä tilanteissa, kuten itseohjautuvissa autoissa tai etänä tapahtuvassa terveydenhuollossa [8]. 5G:n mahdollistamista palveluista puhutaan usein älyratkaisuna: älyliikenne, älykkäät kaupungit ja älykkäät viihdepalvelut. Liikenteessä 5G:lla mahdollistetaan esimerkiksi tehokkaampi liikenteenohjaus sekä itseohjautuvat au- tot. 5G:n avulla voidaan lisätä liikenneturvallisuutta ja pienentää liikenteen päästöjä.
Älykkäissä kaupungeissa 5G mahdollistaa ennen kaikkea reaaliaikaisen tiedon jakami- sen ja käyttämisen: asukkaat saavat tietoa sääolosuhteista sekä ilman laadusta. Esimer- kiksi Helsingin Mall of Triplassa käytetään sensoreita keräämään dataa muun muassa polkupyörien määristä ja liikesuunnista sekä ihmisvirroista [17]. Kaupungeissa 5G:n avulla voidaan tehostaa myös logistiikan hallintaa sekä turvallisuuden valvontaa [11].
Yksi 5G:n tärkeistä käyttökohteista ympäristön kannalta on sen käyttö hajautetussa energiantuotannossa. Nopean tiedonsiirron avulla voidaan tasata kuormaa ja jakaa energiaa reaaliaikaisesti tarpeen mukaan [18], [19]. 5G:n avulla voidaan myös säädellä energiankulutusta rakennuksissa ja saada suuria säästöjä, mikä säästää myös ympäris- töä. Taulukossa 1 esitellään yhteiskunnan osa-alueita ja niiden kasvihuonekaasupääs- töjen osuus kokonaismäärästä [20].
Taulukko 1. Kasvihuonekaasupäästöjen lähteitä Suomessa [20].
Lisäksi 5G mahdollistaa ennakoinnin, mikä on kriittinen ominaisuus virhetilanteiden osalta. Esimerkiksi teollisuuden tuotantokatkokset voidaan välttää ja rakennusten kuntoa voidaan seurata ennakoivasti [5]. Tässä työssä esitellään tarkemmin 5G-teknologian käyttötapaukset liikenteessä, teollisuudessa sekä maataloudessa.
2.3 5G:n suorituskykyvaatimukset
Tässä luvussa käsitellään 5G:n keskeisiä ominaisuuksia, jotka on koottu taulukkoon 2 [7]. 5G:n olennainen suorituskykyvaatimus on tiedonsiirtonopeus, joka on verrannollinen kaistanleveyteen. 5G-teknologiassa käytetään suurempia kaistanleveyksiä kuin 4G:ssa, mihin merkittävä nopeuden kasvu perustuu [14]. Nopeus siis muuttuu merkittävästi siir- ryttäessä 4G:sta 5G:aan. 4G:lla nopeuden suuruusluokka yhdellä kantoaaltosignaalilla on kymmeniä megabittejä sekunnissa, kun taas 5G:ssa suuruusluokka on satoja mega- bittejä sekunnissa.
5G:ssa tukiasema voi palvella samanaikaisesti tuhansia laitteita, kun 4G:ssa määrät ovat satoja. Merkitys korostuu etenkin silloin, kun alueella on niin sanottu kuuma piste eli ak- tiivisten laitteiden tiheys on suuri tietyllä alueella [12]. 5G:n etuna on se, että osa tieto- turvasta voidaan hoitaa verkon avulla, sillä verkko voi auttaa todentamaan kommunikoi- van osapuolen [21]. Lisäksi sensorit keräävät ison määrän tietoa, joka prosessoidaan nopeasti ja voidaan jatkohyödyntää älykkäissä sovelluksissa [7].
5G:lla on monia etuja 4G:aan verrattuna. Yksi huomioitava asia on se, että merkittävä osa 5G:n kaistanleveydestä sijaitsee korkeilla taajuuksilla, jolloin kantama on heikompi kuin 4G:n. Tämä vaikuttaa siihen, että tukiasemia pitää rakentaa lisää, kun 5G-teknolo- gia otetaan käyttöön [11]. Heikompi kantama tulee myös huomioida ympäristössä, sillä esimerkiksi tiheät asutukset ja puusto vaikuttaa yhteyteen [11].
Osa-alue Kasvihuonekaasupäästöt (%)
Liikenne 21
Maatalous 12
Teollisuus ja rakentaminen 12
Taulukko 2. 5G:n ja 4Gn ero selittyy verkon ominaisuuksilla [3 s.4], [7].
5G:lle ominaista on se, että erityyppiset tiedot voivat liikkua keskenään erilaisissa lan- gattomissa verkoissa. Sujuva dataliikenne vaatii uudenlaista verkkoarkkitehtuuria, jossa huomioidaan erilaiset siirtotekniikat ja erilaisten tekniikoiden konfiguraatiot. [11]. Verkko- arkkitehtuuri muodostaa omanlaisensa haasteen 5G-teknologian käyttöönotolle ja sitä käsitellään lisää luvussa 4.
5G:ssa käytettävät antennit ovat älykkäitä: ne keskittävän radiotaajuista elektromagneet- tista säteilyä haluttuun sijaintiin parantaen antennin tehokkuutta. 5G:lle on tyypillistä myös solujen pienikoko, mikä parantaa kapasiteettia ja verkon kattavuutta [10], [14], [19].
Pienet solut kuluttavat vähemmän tehoa tiedon lähettämiseen, mikä parantaa mobiililait- teiden toimintaa [22]. Lisäksi solut tukevat suurempaa kapasiteettia, sillä käytettävä kais- tanleveys on laajempi.
Ominaisuus 5G Huomiot
Laitteiden määrä Esineiden Internet (IoT), jopa
100-kertainen. 5G:n avulla suurempi määrä laitteita voidaan yhdistää toisiinsa.
Tietoliikenteen
määrä 1000-kertainen 5G:n avulla voidaan käsitellä suurem-
paa määrää dataa useammista lait- teista 4G:aan verrattuna.
Siirtonopeus 10 Gbit / s Jopa 10-kertainen 4G:aan verrattuna
Latenssi 1 ms 4G:ssa 25–35 ms.
Energiankulutus 0,2 wattia 1 megatavun siirtä- miseen
Energiatehokkuus jopa 10-kertainen 4G:aan verrattuna
Taajuusalueet 700 MHz, 3,4–3,8 GHz, 26 GHz
5G:ssa käytetään korkeampia taa- juusalueita kuin 4G:ssa.
Kaistanleveys 100 MHz, jopa 800 MHz 4G LTE käyttää enintään 20 MHz
3. 5G:N YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET
5G:n ympäristövaikutuksista on puhuttu paljon ja kokonaisuudessaan vaikutusten arvi- ointi voi olla vaikeaa. Keskustelu keskittyy yleensä kasvavan tiedonsiirron aiheuttamiin ympäristövaikutuksiin ja samalla sivuutetaan monet 5G:n mahdollistamista ympäristön kannalta positiivisista asioista. Vuonna 2030 tietotekniikan ennustetaan edustavan vii- desosaa globaalista sähkönkulutuksesta ja verkkojen energiankulutus voi kasvaa jopa 170 prosenttia vuoteen 2026 mennessä [2]. On laskettu, että 5G:n käyttöönotolla voi- daan vähentää hiilidioksidipäästöjä 1,5 gigatonnilla eli 15 prosentilla vuoteen 2030 men- nessä [23], [24]. Lisäksi on arvioitu, että tieto- ja viestintätekniikan ratkaisuilla voidaan vähentää hiilidioksidipäästöjä lähes 10-kertaisesti verrattuna niiden aiheuttamiin pääs- töihin [25]. Tässä osiossa kerrotaan, miten 5G:n avulla voidaan vähentää ympäristökuor- maa.
Yksi 5G:n keskeisimmistä mahdollisuuksista on ennakointi. 5G mahdollistaa reaaliaikai- sen datan käsittelyn, mikä yhdistettynä kehittyneeseen data-analyysiin tarjoaa mahdolli- suuden kehittää ennakoivia palveluita. Kun mittaavia sensoreita liitetään esimerkiksi ve- denpuhdistusjärjestelmään, voidaan välttää ihmisten terveyttä vaarantavia onnetto- muuksia. Reaaliaikainen ja ennakoiva datan käsittely mahdollistaa myös tehokkaan val- vonnan ja nopean reagoinnin esimerkiksi huoltotoimenpiteissä tai onnettomuuden torju- misessa. Esimerkiksi USA:ssa jopa 30 prosenttia vedestä hukkuu vedenjakelussa [5].
Kun vedenjakelua voidaan seurata tarkemmin, tällainen hävikki vältetään ja ympäristö- kuorma vähenee.
5G:n avulla voidaan mitata ja säädellä energiankulutusta tarpeen mukaan. Rakennukset aiheuttavat yli 40 prosenttia maailman energiankulutuksesta [26]. 5G:n avulla voidaan säädellä rakennusten lämpötilaa, valaistusta sekä rakennusten ylläpitoa [13]. Ratkaise- vaa on ennen kaikkea kokonaisenergiankulutuksen laskeminen, mikä onnistuu säätele- mällä rakennuksen toimintoja käytön mukaan. Esimerkiksi valoja voidaan himmentää, lämpötilaa laskea ja ilmastointia säätää, kun huonetta ei käytetä [5]. New Yorkin Empire State Buildingissa on säästetty 38 prosenttia energiankulutuksessa älykkään monitoroin- nin avulla [5]. Rakennuksessa mitataan muun muassa ilmanvaihtoa ja huoneiden käyt- töastetta.
5G:n ympäristövaikutuksiin vaikuttaa osaltaan nykyinen lainsäädäntö ja poliittiset pää- tökset. Poliittisessa päätöksenteossa voidaan nopeuttaa alan standardien yhdenmukais- tamista ja toisaalta tukea 5G:n yleistymiseen vaikuttavia hankkeita sekä innovaatioita.
Kaupungit ja yritykset voivat vaikuttaa omien strategioidensa ja hankintojensa kautta.
5G mahdollistaa älykkään kaupunkikehityksen, josta esimerkkinä on Espoon Kerassa toimiva hanke LuxTurrim5G [27], [28]. Alueella on 5G-tukiasemia, joihin on integroitu sensoreita, kameroita ja infonäyttöjä. Asemien muodostaman verkoston avulla voidaan kerätä tietoa energiankulutuksesta ja liikenteestä. Lisäksi niiden avulla etäohjataan itse- ohjautuvia ajoneuvoja.
3.1 Energiankulutuksen optimointi
5G-teknologian energiansäästö perustuu pitkälti radiosignaalien hallinnan tehostami- seen ja siihen, että vain tarpeellista tietoa liikutetaan [7], [29]. Energiankulutuksen opti- mointi voidaan jakaa verkko- ja laitetasolle. Verkon viipaloinnin ja dynaamisen hallinnan avulla erilaisia prosesseja voidaan tehostaa, jolloin energiaa kulutetaan vähemmän.
Energiansäästö vaatii myös sensoreilla kerättävää reaaliaikaista dataa, jota prosessoi- daan välittömästi. Tällöin voidaan esimerkiksi sammuttaa valot rakennuksesta tai viilen- tää huoneen lämpötilaa.
5G:ssa energiankulutusta voidaan vähentää tukiasemissa sekä mobiililaitteissa, kun sig- naalinkäsittely on digitaalista ja keskitettyä [12]. Mobiililaitteiden energiankulutusta voi- daan pienentää 5G:n avulla, kun energiaa vaativat toiminnot siirretään lähellä oleviin verkkopalvelimiin. Lisäksi laitteelta laitteelle -viestintä (device to device, D2D) parantaa verkon suorituskykyä ja säästää energiaa [19]. Yksi energiaa kuluttava tekijä on käyttä- jän laitteen yhdistäminen palvelimelle. Tämän korvaamiseksi on ehdotettu, että käytet- tävä verkot yhdistettäisiin suoraan pilvipalvelimiin, mikä pienentäisi energiankulutusta [29].
Energiankulutusta voidaan optimoida sillä, että tukiasemia ohjataan tehokkaammin: ne voidaan asettaa lepotilaan, kun tietoliikenteen määrä vähenee [4]. Lähtökohtaisesti tie- toliikenteen määrää seurataan ja reaaliaikaisen datan perusteella algoritmi päättää, mitkä tukiasemat asetetaan lepotilaan [18], [29]. Tukiasemat voivat tasapainottaa kuor- mitusta keskenään siten, että tietyn tukiaseman peittoalue kattaa myös sen alueen, jolla tukiasema on lepotilassa [19]. On tärkeää huomioida, että energiansäästöön vaikuttaa merkittävästi lepotilaan asetettavien tukiasemien määrä [18]. Kun tukiasemien määrä kasvaa 5G:ssa, se myös säästää energiaa kuvan 3 mukaisesti. Tukiasemien energian-
säästö perustuu verkon ohjelmointiin (SDN), jolla tukiasemien toimintaa ohjataan. Tuki- asemat ovat yhteydessä toisiinsa, jolloin verkon kuormitusta jaetaan dynaamisesti niiden välille. Lisäksi tukiasemien valmiustilaa hallitaan: esimerkiksi yöllä tiedonsiirtomäärät las- kevat ja osa tukiasemista asetetaan lepotilaan [11].
Kuva 3. Yhteistyötä tekevien tukiasemien määrän kasvaessa säästetyn energian määrä kasvaa [11].
Yksi tapa optimoida 5G:n energiankulutusta on sovellukset, joilla voidaan hallita ja mo- nitoroida energiankulutusta (energy management and monitoring application, EMMA).
EMMA:n tarkoituksena on optimoida tukiasemien virtatilaa ja energiankulutuksen tasoja, jolloin heterogeenisessä 5G-verkossa voidaan tasapainottaa kuormitusta ja käyttää so- pivaa taajuutta. EMMA:n avulla voidaan arvioida verkon energiankulutusta ja kerätä tie- toa verkosta, kuten tiedonsiirron reitityksestä, verkon kattavuudesta ja sen kuormitusta- sosta [4]. Lisäksi on esitetty, että langattomat verkot voisivat kerätä energiaa uusiutuvista energianlähteistä [19], [29]. Tukiasemat voivat siirtää kerättyä energiaa keskenään, jol- loin kuormitustilanteet voidaan hallita entistä paremmin. Kuvassa 4 esitetään, kuinka energiaa voidaan kerätä ja miten 5G-teknologian energiatehokkuutta voidaan kehittää.
[22]
Kuva 4. 5G voi hyödyntää uusiutuvaa energiaa, jota hyödynnetään muun muassa tukiasemien energiankulutuksessa [22].
5G-teknologian energiankulutusta tarkasteltaessa on tärkeä huomioida myös verkko- operaattorien rooli. Yhteensä 381 verkko-operaattoria 123 maassa on ilmoittanut inves- toivansa 5G-teknologiaan, joten niiden rooli energiankulutuksen optimoinnissa on mer- kittävä [30]. Operaattori voi optimoida energiankulutusta merkittävästi tukiasemien uusi- misella, kuten kuvassa 5 esitetään [31].
Kuva 5. Tukiasemien uusimisella voidaan optimoida energiankulutusta [31].
Kuvassa sininen pylväs kuvaa tilannetta, jossa tukiasemia ei uusita. Keskimmäinen vi- noviivainen pylväs kuvaa 2017 vuoden mukaisen uudistuksen vaikutusta ja pystyviivai- nen pylväs taas jatkuvan uudistuksen vaikutusta. Punainen viiva osoittaa päivittäisen tietoliikennemäärän kasvun.
3.2 Vaikutukset liikenteeseen
Liikenne muodostaa noin 20 prosenttia Suomen ja lähes 30 prosenttia Euroopan hiilidi- oksidipäästöistä [20], [32]. 5G:n avulla voidaan tehostaa liikenteen ohjausta, ohjata lii- kennevirtoja, parantaa turvallisuutta ja ilmanlaatua sekä lisätä älykkäitä liikkumispalve- luita, mikä vaikuttaa kokonaisuudessaan liikenteen päästöihin. Kokonaisvaltaisella lii- kenteenohjauksella on suuri vaikutus ilmansaasteiden määrään ja sitä kautta ihmisten sekä ympäristön hyvinvointiin [5].
3.2.1 Liikenteenohjaus ja älykäs liikenne
Jopa 45 prosenttia suurten kaupunkien liikenneruuhkista esiintyy risteyksissä [5]. 5G:n avulla autot voivat viestiä toistensa ja liikenteenohjausjärjestelmän kanssa, jolloin liiken- teen ohjaus vastaa tarkemmin todellisiin liikennevirtoihin. Autojen kautta myös kuskit saavat tietoa nopeista ja soveltuvista reiteistä. Liikenteen sujuvoittaminen perustuu dy- naamiseen liikenteenohjaukseen, jossa seurataan liikennevirtoja reaaliaikaisesti ja lii- kennevalojen toiminta perustuu ajoneuvojen määrään [33]. Tällöin voidaan välttää ruuh- kat ja laskea liikenteen päästöjä.
Itseohjautuvien autojen mainitaan lisäävän etenkin liikenteen turvallisuutta, mikä osal- taan laskee päästöjä vähentäen ruuhkia [22], [34]. 5G-teknologian avulla voidaan lisätä liikenteen turvallisuutta myös kevyen liikenteen käyttäjien eli pyöräilijöiden ja jalankulki- joiden osalta, sillä 5G:n avulla voidaan välittää tietoa matkapuhelimiin esimerkiksi liikku- vien osapuolten sijainnista ja nopeudesta. Itseohjautuvien ajoneuvojen avulla voidaan välittää myös tietoa esimerkiksi keliolosuhteista ja hätäjarrutuksesta [34], [35]. Niiden avulla voidaan myös vähentää päästöjä sekä säästää energiaa. Itseohjautuvien autojen avulla voidaan vähentää päästöjä yli 20 prosenttia perustuen auton ominaisuuksien, ku- ten jarrujen ja vakionopeudensäätimen, tehokkaampaan ja sujuvampaan käyttöön [5].
Itseohjautuvilla ajoneuvoilla on suuri merkitys myös logistiikassa ja henkilökuljetuksessa.
Logistiikassa polttoaineen kulutusta voidaan vähentää jopa 15 prosenttia [35], [36]. Kun ajoneuvojen kommunikointi on tehokasta ja luotettavaa, ajoneuvot voivat ajaa letkassa, jolloin ilmanvastus pienenee vähentäen polttoaineen kulutusta [35]. Nokia ja Telia ovat
kehittäneet yhdessä ratkaisun, jolla ajoneuvon kuski saa reaaliaikaisesti tietoa ajotyylis- tään ja optimaalisesta ajoreitistä, minkä avulla liikenteen päästöjä voidaan pienentää [36].
Älykkäät liikkumispalvelut vähentävät yksityisautoilun määrää [35]. Reaaliaikaisella seu- rannalla voidaan vaikuttaa myös joukkoliikenteen käyttäjien määrän kasvamiseen. Kun käyttäjät voivat minimoida odotusajan, tyytyväisyys joukkoliikenteeseen kasvaa [35]. Li- säksi 5G:n avulla voidaan lisätä yksityishenkilöiden tarjoamia yhteiskäyttöpalveluita ja tarjota näitä palveluita reaaliaikaisesti. Selvityksen mukaan kimppakyytisovellusten avulla voidaan vähentää ajettujen kilometrien ja ajavien autojen määrää [37]. Älykkäiden pysäköintipalveluiden avulla pysäköintipaikan löytäminen tehostuu, mikä vähentää ajo- aikaa ja päästöjä [5].
3.2.2 Dronet
Dronella tarkoitetaan miehittämätöntä laitetta maalla, merellä tai ilmassa [35]. Droneja hyödynnetään kestävän kehityksen edistämisessä ja monia pilotteja on tehty niin Suo- messa kuin kansainvälisesti. Forum Viriumin pilotissa kehitetään droneen perustuvia pal- veluratkaisuja, joilla on tarkoitus korvata polttomoottorilla toimivia kuljetus- ja liikkumis- palveluita [38]. Pilotissa on keskitytty esimerkiksi harvaanasuttujen alueiden jakelupal- veluihin ja ympäristövalvontaan, kuten ilmanlaadun ja öljyvuotojen valvontaan. Suomen ympäristökeskus, Nokia, Telia, Vaisala ja Nordkapp ovat puolestaan pilotoineet sinilevän kasvun seuraamista dronejen avulla, jossa dronella kuvattua dataa siirretään reaaliaikai- sesti 5G-verkossa [36]. Pilottiratkaisu on sovellettavissa myös maatalouden ja metsäta- louden tarkoituksiin. Pitkällä tähtäimellä ratkaisun uskotaan olevan myös käytettävissä ilmanlaadunvalvontaan kaupungeissa.
Dronejen uskotaan korvaavaan tavarankuljetuksesta johtuvan tieliikenteen etenkin kau- punkialueilla. Niiden avulla voidaan myös hoitaa huoltotoimenpiteitä ilman matkusta- mista ja tehostaa toimenpiteitä esimerkiksi maataloudessa. Dronejen avulla saadaan laajemmin reaaliaikaista tietoa, jolloin voidaan vähentää maan pinnan kulumista ja eri- laisten koneiden käyttöä, millä on suora yhteys päästöjen määrään. Lisäksi tiedon avulla saadaan tietoa esimerkiksi metsäpaloista, jotka voidaan sammuttaa tehokkaammin ja näin vähennetään ilmakehään päässeen hiilidioksidin määrää. [35] Droneja käytetään myös maataloudessa, mistä kerrotaan lisää luvussa 3.3.
3.2.3 Liikenteen hallinta
Tässä osiossa kerrotaan, mihin liikenteen hallinta 5G-teknologian avulla perustuu tekno- logisesti. Oletuksena on, että tämän esimerkin mukaisessa liikennetilanteessa käytettä-
vällä verkolla on useampi tukiasema käytössään, jolloin sijaintipalvelut tarkentuvat. Lii- kenteen hallinta perustuu SDN-pohjaiseen ratkaisuun, jossa hyödynnetään MEC-pilvi- palvelinta (mobile edge computing) ja ennustavia algoritmeja suorittavaa etäpilvipalve- linta (remote core cloud server, RCSS). Verkkoarkkitehtuuria on kuvattu tarkemmin ku- vassa 6.
Kuva 6. Liikenteen hallinnassa verkkoarkkitehtuurin osilla on omat tehtävänsä [33].
Ajoneuvojen etäisyyttä arvioidaan signaalin etenemisviiveen ja voimakkuuden avulla.
Verkkoarkkitehtuurin avulla voidaan tarjota suurempi kaistanleveys ja matalampi viive, mikä on edellytys liikenteen hallinnassa turvallisuusnäkökulmasta. Liikenteen hallintaa tuetaan MEC-pilvipalvelimella, josta saadaan reaaliaikainen vastausnopeus ja jonka avulla ajoneuvot paikallistetaan. Pilvipalvelimen avulla ajoneuvojen kuljettajat saavat RCCS:n tuottaman tiedon. Lisäksi pilvipalvelimen tehtävänä on ohjata liikennevaloja re- aaliajassa. RCCS:n tehtävä on hyödyntää suurta datan määrää ja ennustaa liikennevir- taa lyhyellä aikavälillä. Kuvatun arkkitehtuurin avulla voidaan vähentää liikenneruuhkia ja parantaa liikenteenhallintaa kaupungeissa, mikä osaltaan vaikuttaa liikenteen hiilidi-
oksidipäästöjen määrään. Kuvatun kaltaisella verkkoarkkitehtuurilla mahdollistetaan mo- nipuolinen liikenteenhallinta, jossa voidaan huomioida myös onnettomuudet ja muut mo- nimutkaiset tilanteet. [33]
3.3 Vaikutukset maatalouteen
Yhdysvalloissa maatalouden osuus vedenkulutuksesta on noin 80 prosenttia [39]. Tau- lukon 1 mukaan maatalouden osuus Suomen kasvihuonekaasupäästöistä on 12 pro- senttia. YK:n mukaan kolmasosa kulutukseen tarkoitetuista elintarvikkeista on hävikkiä, mikä osaltaan lisää maatalouden haitallisia ympäristövaikutuksia [39]. Riisinviljelyyn käy- tetään 40 prosenttia koko maailman kasteluvedestä, mikä vastaa 1,5 prosenttia kasvi- huonepäästöistä [25]. Maataloudessa tärkeimmät 5G:n mahdollistamat ominaisuudet ovat valvonta ja reaaliaikainen mittaus. Ne mahdollistavat tarkemman ja tehokkaamman maanviljelyn, jolloin viljelyn aikainen kulutus ja sadon hävikki pienenee. 5G-teknologiaa hyödynnetään eri puolilla maailmaa eri tarkoituksiin ja tulokset ovat merkittäviä.
Malesiassa hyödynnetään 5G-verkossa toimivia sensoreita maan kosteuden mittaami- seen. Tällöin voidaan optimoida käytettävän veden määrää: vettä ei käytetä liikaa ja toi- saalta maa ei pääse kuivumaan [5]. Samalla myös sadon tuottavuus paranee, kun kas- vatuksen aikainen hoito on laadukkaampaa. Yhdysvaltojen lllinoisissa seurataan istutus- nopeutta ja ravinteiden määrää 5G:n avulla [5]. Kerättävän tiedon avulla päätöksenteko nopeutuu ja toisaalta kausittaista vaihtelua voidaan seurata tarkemmin. Lisäksi viljelyssä voidaan hyödyntää droneja, joiden avulla voidaan kuvata suuriakin alueita tarkasti [40].
Kuvien perusteella voidaan muodostaa satokarttoja ja valvoa satoa [5]. Dronejen hyöty ennen kaikkea on se, että maataloudessa voidaan tehdä päätöksiä reaaliaikaisesti: myr- kytetäänkö tuholaiskasveja tai kastellaanko viljelmiä [41].
GreenPatrol-Robot projektissa kehitettiin itseohjautuva robotti kasvihuoneiden tuholais- torjuntaan. AFarCloud-projektissa puolestaan käytettiin robotteja maatalouden tuotta- vuuden kasvuun. Projektissa hyödynnettiin viljelyrobotteja, joiden avulla parannettiin sa- don tuottavuutta ja elintarvikkeiden laatua [42]. 5G-teknologiaa voidaan myös hyödyntää jo kerätyn sadon valvontaan ja hävikin vähentämiseen. Sensoreiden avulla voidaan val- voa ruuan kuljetusketjua ja välttää ruuan saastuminen kuljetuksessa [43].
Hollannissa kehitettiin 5G-teknologiaan pohjautuva ratkaisu, jonka avulla ratkaistiin so- kerijuurikkaiden viljelyyn liittyvä ongelma. Ratkaisu pohjautuu itseohjautuvaan robottiin, joka kuvaa viljelmiä.
Kuva 7. Hollannissa kehitetty Robotti-robotti tehostaa maanviljelyä [6].
Robotti lähettää kuvat palvelimelle, jolla oleva koneoppiva algoritmi käy suuren kuva- määrän läpi. Kuvista tunnistetaan sokerijuurikkaat ja haittakasvit, minkä jälkeen robotti myrkyttää haittakasvit. Koko prosessi kestää vain 250 millisekuntia: robotin avulla kol- mannes hehtaarista käydään läpi tunnissa. Kehitetyn ratkaisun tarkkuus on jopa 95 pro- senttia. Se myös osaltaan tehostaa viljelmien hoitoa ihmisten tekemään työhön verrat- tuna. Robotin avulla voidaan vähentää tuholaistorjunta-aineiden käyttöä, mikä on kes- keistä maatalouden kehitykselle. [6]
Kuva 8. Robotti-robotti tunnistaa haittakasvit sokerijuurikkaiden seasta [6].
Hollannin esimerkkiä aiotaan jatkokehittää sopivaksi myös muille viljeltäville tuotteille.
Kehityksessä huomioidaan myös sadon laskeminen, kuivuuden mittaaminen, sairauk- sien havaitseminen, kasvun seuraaminen sekä sadon ennustaminen.
Maatalouteen liittyvät esimerkit kuvaavat, kuinka hajanaisesti 5G-teknologiaan perustu- via ratkaisuja kehitetään ja kuinka iso merkitys kehitetyillä ratkaisulla on maatalouden kehityksen kannalta. Ympäristövaikutuksia voidaan pienentää monella tavalla: keskeistä on satoon ja viljelyyn liittyvän tiedon mittaaminen, seuranta ja ennakointi.
3.4 Vaikutukset teollisuuteen
Suomessa teollisuuden ja rakentamisen kasvihuonekaasupäästöt ovat 12 prosenttia Suomen kokonaispäästöistä taulukon 1 mukaan. 5G:n keskeisimmät mahdollisuudet te- ollisuuden kannalta ovat reaaliaikainen mittaus, ennakointi sekä automaatio. Reaaliai- kaisen mittauksen avulla tuotantoa voidaan seurata tarkemmin ja tuotantoa voidaan sää- tää etänä. Kun tuotantolinjan osat kommunikoivat keskenään ja niitä ohjataan reaaliai- kaisesti, voidaan säästää merkittävästi vettä ja energiaa [35].
5G:n avulla voidaan ennakoida huoltoja ja välttää tuotantokatkoksia. Kun tuotantolinjas- toon yhdistetään sensoreita, linjaston kunnosta saadaan reaaliaikaista dataa. Tämän pe- rusteella voidaan tehdä oikea-aikainen päätös huoltotoimenpiteestä ja linjaston heikon
kunnon aiheuttamat tuotantokatkokset voidaan välttää. Lisäksi 5G:n avulla voidaan op- timoida tuotannon tarkkuutta ja säästää käytettäviä materiaaleja, mikä osaltaan pienen- tää tuotannon ympäristökuormitusta [44].
5G:ssa on kuitenkin huomattava, että verkon kuuluvuus on haasteellista tehdasympäris- tössä erilaisten esteiden, kuten suurten tuotantolaitteiden vuoksi. Laitteet vaikuttavat ver- kon kuuluvuuteen esimerkiksi estäen tai heijastaen radioaaltoja. Teollisuuden näkökul- masta onkin kannattavaa luoda yksityinen verkko, jolloin 5G-verkko on luotettava. Esi- merkiksi Chalmers ja Ericsson ovat mahdollistaneet 5G-teknologian hyödyntämisen teh- dasympäristössä rakentamalla yksityisen verkon [45].
Nokia on testannut 5G:n hyödyntämisessä teollisuudessa. Tehtaaseen luotiin yksityinen langaton verkko, minkä lisäksi tietoja hallittiin pilvipohjaisesti ja digitaalisesti. Uusien tuot- teiden tuotantoprosessit virtualisoitiin ja tehtaassa automatisoitiin materiaalien kuljetus.
Jo tässä esimerkissä tulokset olivat merkittäviä: tuottavuus kasvoi 30 prosenttia, jolloin tuote saapuu markkinoille nopeammin ja lisäksi taloudellinen säästö on merkittävä. Eri- tyistä Nokian pilotissa on se, että jo olemassa olevaan tehtaaseen voidaan tuoda vas- taava 5G-verkko. [46].
4. 5G:N KÄYTTÖÖNOTON HAASTEET
4.1 Verkkoarkkitehtuuri
5G-teknologiassa hyödynnetään mmWave-spektriä, jota ei ole aiemmin hyödynnetty sig- naalin heikkouden vuoksi. Kyseisen spektrin hyödyntämisessä tarvitaan suuria antenni- ryhmiä vahvistamaan signaalia [14]. Jotta käytettävä spektri ei lisää energiankulutusta, aiemmin käytettyä verkkoarkkitehtuuria ei voida hyödyntää vaan tarvitaan uudenlaisia ratkaisuja, mikä osaltaan hidastaa 5G:n hyödyntämistä. On esitetty esimerkiksi hybri- diarkkitehtuuria, kytkinpohjaista arkkitehtuuria sekä matalan tarkkuuden analogisten di- gitaalimuuntimien hyödyntämistä, jotta laitteistokustannukset eivät kasva liian suuriksi [14]. Haasteen asettaakin käyttöönoton kustannukset ja tukiasemien määrän kasvami- nen [19]. Lisäksi 5G:n käyttöönottoa hidastaa monimutkainen arkkitehtuuri, jossa lu- vussa 2 esiteltyjen 5G:n ominaisuuksien hallinta on kompleksista [29]. Nykyiset siirtotek- niikat ovat riittämättömiä energiankulutuksen tasapainottamiseen pienen siirtotehokkuu- den vuoksi, minkä vuoksi uusista tekniikoista tarvitaan vielä tutkimusta [19].
5G koostuu heterogeenisistä verkoista, kuten luvussa 2 kuvattiin. Verkkojen tukiasemien toiminnallisuudet ja ominaisuudet eroavat, minkä vuoksi standardeja kehitetään [14]. 5G- teknologian edellytys, on että sensorit ja monitoroivat laitteet pystyvät kommunikoimaan keskenään. Tämän vuoksi on tärkeää mahdollistaa yhteentoimivuus standardien avulla.
4.2 Poliittinen sääntely ja julkisten toimijoiden rooli
Yksi 5G:n käyttöönottoa hidastavista tekijöitä on taajuusalueisiin liittyvä sääntely. Sään- telyyn vaikuttavat EU, yksittäiset valtiot sekä esimerkiksi ITU [14]. EU:n tarkoituksena on, että eri taajuusalueet ovat yhdenmukaisesti saavutettavissa kaikkialla EU:ssa. Tä- män lisäksi EU voi tehdä poliittista ohjausta, joka sitouttaa jäsenvaltioita [47]. Yksittäiset valtiot ovat kuitenkin vastuussa siitä, kuinka laajasti ja mihin tarkoitukseen tiettyjä taa- juusalueita voi käyttää, minkä vuoksi niillä on merkittävä rooli 5G:n edistämisessä [48].
EU:n sääntely on keskittynyt pääasiallisesti rajaamaan yksittäisten toimijoiden asemaa [21].
Jotta 5G voidaan ottaa käyttöön laajemmin, tarvitaan myös eettistä keskustelua ja poliit- tista ohjausta. Esimerkiksi liikenteeseen tarvitaan uusia standardeja ja lakeja pitää päi- vittää, jotta itseohjautuvien autojen käyttöönotto mahdollistuu [49]. 5G:n käyttöönotossa pitää huomioida henkilötietojen suojaaminen erityisen tarkasti, sillä 5G:ssa dataa jaetaan paljon.
Jotta 5G:n käyttö ja sen tuomat hyödyt mahdollistuvat, on tärkeää, että isot ja merkittävät toimijat, kuten teollisuus ja julkishallinto, ottavat 5G:n käyttöön [50]. Tämä tarkoittaa mer- kittäviä investointeja toimijoilta. Kaupungeilla on jo nyt paljon haasteita talouden sopeut- tamisessa, minkä vuoksi investointien tekeminen voi olla este 5G-teknologian käyttöön- otolle [51]. On kuitenkin mahdollista tehdä yhteistyötä yksityisten toimijoiden kanssa, joilla on oman toimintansa kautta intressi parantaa kaupungin tarjoamia palveluita. Li- säksi tarvitaan globaalia yhteistyötä, jotta 5G:n käyttöönottoon liittyviä kustannuksia voi- daan pienentää ja monimutkaisuutta vähentää.
5. YHTEENVETO
5G-teknologiaan perustuvilla ratkaisuilla voidaan tukea kestävää kehitystä pienentä- mällä ympäristökuormitusta yhteiskunnan eri osa-alueilla. Samalla voidaan parantaa niin yhteiskunnan ja teollisuuden toimintoja kuin yksittäisen ihmisen arkea. Ilmastokriisin rat- kaisemisen ja kestävän kehityksen kannalta on tärkeää, että 5G:n käyttöönottoa ediste- tään muun muassa liikenteessä, teollisuudessa sekä maataloudessa. On selvää, etteivät 5G:n aiheuttamat päästöt voi olla enempää kuin sen avulla laskettavat. Jotta uudesta teknologiasta saadaan merkittävää hyötyä ilmastokriisin ratkaisemisessa, tulee varmis- taa, että aiheutettavien ja säästettävien päästöjen ero on mittava.
5G-teknologia itsessään säästää energiaa verrattuna aiempiin verkkosukupolviin. Ener- giankulutuksen optimointi perustuu pitkälti 5G:n keskeisiin ominaisuuksiin: suuremman tiedonsiirtonopeuden avulla sama määrä tietoa voidaan lähettää tehokkaammin kuin aiemmissa verkkosukupolvissa. Lisäksi 5G:n verkkoarkkitehtuuri ja verkon viipalointi mahdollistaa signaalien hallinnan tehostamisen ja vain tarpeellisen tiedon liikuttamisen.
Verkon ominaisuuksia ja käyttökohteita voidaan muokata dynaamisesti, mikä mahdollis- taa verkon monipuolisemman ja tehokkaamman käytön.
5G:n avulla on mahdollista laskea kasvihuonekaasupäästöjen määrää etenkin sellaisilla yhteiskunnan osa-alueilla, joissa päästöjen määrä on merkittävä. Pääosin säästöjä saa- daan 5G:n mahdollistamalla ennakoinnilla, tehokkaammalla tiedonsiirrolla sekä reaaliai- kaisen datan hyödyntämisessä päätöksenteossa. Työssä esiteltiin tarkemmin 5G-ratkai- sujen vaikutukset liikenteessä, maataloudessa sekä teollisuudessa.
Liikenteessä säästöjä saadaan aikaiseksi dynaamisella liikenteenohjauksella, jossa au- tot ja muut liikenteen käyttäjät viestivät toistensa kanssa. Samalla liikenteenohjausjär- jestelmä voi reagoida muuttuviin liikennetilanteisiin, jolloin voidaan välttää liikenneruuh- kat ja tehostaa autoilua. Lisäksi yksityisautoilun määrää on mahdollista laskea älykkäi- den kulkemispalveluiden avulla.
Maataloudessa kasvihuonekaasupäästöjä lasketaan tehostamalla viljelyprosesseja: ve- denkulutusta voidaan vähentää ja hävikin määrää pienentää. Eri puolilla maailmaa on käynnissä erilaisia pilotteja, kuten Hollannin Robotti-robotti, jota käsiteltiin laajemmin lu- vussa 3.3. Keskeistä maataloudessa on satoon ja viljelyyn liittyvän tiedon mittaaminen, seuranta ja ennakointi. Teollisuudessa merkittävät tulokset perustuvat reaaliaikaiseen mittaukseen, automaatioon sekä ennakointiin. Tuotantoa voidaan seurata aiempaa te-
hokkaammin tuotantolinjojen osien kommunikoidessa keskenään. Samalla saadaan re- aaliaikaista dataa, jonka avulla säästetään resursseja ja energiaa. Lisäksi huoltoja en- nakoidaan ja tuotantokatkokset voidaan välttää. 5G mahdollistaa myös aiempaa tarkem- man tuotannon ja materiaalien säästämisen, millä on vaikutus teollisuuden ympäristö- kuormitukseen. Toteutetuissa piloteissa on parannettu tuotannon tehokkuutta merkittä- västi.
5G:n käyttöönotossa on vielä merkittäviä haasteita, jotka perustuvat monimutkaiseen verkkoarkkitehtuuriin sekä poliittiseen sääntelyyn. Energiatehokkaan 5G-teknologian hyödyntäminen vaatii uudenlaista verkkoarkkitehtuuria, mikä on ollut tutkimuksen keski- össä. Lisäksi laitteistokustannukset tulee pitää tarpeeksi pienenä, jotta investoinnit verk- koarkkitehtuuriin eivät ole liian suuria ja osaltaan este 5G:n käyttöönotolle.
Poliittinen sääntely sisältää taajuusalueet sekä poliittisen ohjauksen tuottamat mahdolli- suudet. EU:lla on oma roolinsa poliittisessa ohjaamisessa, mutta lopulta yksittäiset valtiot vastaavat taajuusalueiden käytön laajuudesta ja käyttökohteista. Lisäksi tarvitaan eet- tistä keskustelua 5G:n mahdollistamista ratkaisuista, kuten itseohjautuvista autoista, jotta ratkaisut voidaan ottaa käyttöön ja ympäristökuormitusta vähentää. Julkisten ja yk- sityisten toimijoiden tekemät investoinnit voivat osaltaan edistää 5G:n käyttöönottoa.
Kaiken kaikkiaan 5G-teknologia tarjoaa paljon mahdollisuuksia ympäristökuormituksen pienentämiseksi yhteiskunnan eri osa-alueilla, mutta teknologia ei ole vielä täysin valmis käyttöönotettavaksi vaan vaatii vielä edistämistä eri toimijoiden osalta.
LÄHTEET
[1] A. Turner, “How many smartphones are in the world?,” 2020.
https://www.bankmycell.com/blog/how-many-phones-are-in-the-world (accessed Oct. 12, 2020).
[2] O. Pickup, “Can 5G really be sustainable?,” 2020.
https://www.traficom.fi/fi/viestinta/viestintaverkot/5g-innovaatiokisa (accessed Aug. 26, 2020).
[3] J. Rodriguez, Fundamentals of 5G Mobile Networks, 1st ed. New York: WILEY, 2015.
[4] O. I. Abdullaziz et al., “Energy monitoring and management in 5G integrated fronthaul and backhaul,” Jul. 2017, doi: 10.1109/EuCNC.2017.7980760.
[5] D. M. West, “Achieving sustainability in a 5G world,” 2016.
[6] GSMA, “Smart Farming: Weed Elimination with 5G Autonomous Robots,” 2020.
[Online]. Available: https://www.gsma.com/iot/resources/smart-farming-weed- elimination-with-5g-autonomous-robots/.
[7] T. Svensson, “5G enables communicating gadgets and sustainability,” Aug. 31, 2020. https://www.chalmers.se/en/departments/e2/news/Pages/5G-enables- communicating-gadgets-and-sustainability.aspx (accessed Sep. 12, 2020).
[8] B. Beheshti, “What 5G means for smart cities,” Oct. 23, 2019.
https://www.smartcitiesworld.net/opinions/opinions/what-5g-means-for-smart- cities (accessed Sep. 12, 2020).
[9] Traficom, “Selvitys 5G:n kyberturvallisuudesta,” 2019, [Online]. Available:
https://www.kyberturvallisuuskeskus.fi/sites/default/files/media/file/Selvitys 5Gn kyberturvallisuudesta yhteenveto.pdf.
[10] P. Gemma, “5G for Smart Sustainable Cities,” 2018.
[11] T. Han, X. Ge, L. Wang, K. S. Kwak, Y. Han, and X. Liu, “5G converged cell-less communications in smart cities,” IEEE Commun. Mag., vol. 55, no. 3, pp. 44–50, Mar. 2017, doi: 10.1109/MCOM.2017.1600256CM.
[12] Q. Wu, G. Y. Li, W. Chen, D. W. K. Ng, and R. Schober, “An Overview of Sustainable Green 5G Networks,” IEEE Wireless Communications, vol. 24, no. 4.
pp. 72–80, Sep. 30, 2017, doi: 10.1109/MWC.2017.1600343.
[13] M. C. Suciu and Adrian Petre, “The Role of 5G Technology in Sustainable Development of Smart Cities,” 2019, doi: 10.35219/eai1584040930.
[14] C. Fang, “Coverage Analysis and Cooperative Hybrid Pre-coding for 5G Cellular Networks.”
[15] Nokia, “How 5G is bringing an energy efficiency revolution,” 2020.
https://onestore.nokia.com/asset/207360?_ga=2.65084398.1737678287.160535 5384-1198281044.1605355384 (accessed Jun. 18, 2020).
[16] R. Vannithamby and S. Talwar, Towards 5G : applications, requirements &
candidate technologies. West Sussex: Chichester, 2017.
[17] YIT, “Mall of Triplassa kehitetään älykästä kaupunkia 5G:n ja esineiden internetin avulla,” 2020. https://www.yit.fi/ytimessa/mall-of-tripla-5g (accessed Jun. 12, 2020).
[18] M. H. Alsharif, A. H. Kelechi, J. Kim, and J. H. Kim, “Energy efficiency and coverage trade-off in 5G for eco-friendly and sustainable cellular networks,”
Symmetry (Basel)., vol. 11, no. 3, Mar. 2019, doi: 10.3390/sym11030408.
[19] N. Piovesan, A. Fernandez Gambin, M. Miozzo, M. Rossi, and P. Dini, “Energy sustainable paradigms and methods for future mobile networks: A survey,”
Computer Communications, vol. 119. Elsevier B.V., pp. 101–117, Apr. 01, 2018, doi: 10.1016/j.comcom.2018.01.005.
[20] Liikennefakta, “Liikenteen kasvihuonekaasupäästöt ja energiankulutus,” 2020.
https://www.liikennefakta.fi/ymparisto/paastot_ja_energiankulutus (accessed Aug. 24, 2020).
[21] T. Svensson and E. Bohlin, “5G – the start of our smart society,” Jun. 16, 2020.
https://www.chalmers.se/en/areas-of-advance/ict/news/Pages/5G-–-the-start-of- our-smart-society.aspx (accessed Aug. 24, 2020).
[22] S. Zhang, N. Zhang, S. Zhou, J. Gong, Z. Niu, and X. S. Shen, “Energy- Sustainable Traffic Steering for 5G Mobile Networks,” IEEE Commun. Mag., vol.
55, no. 11, pp. 54–60, Nov. 2017, doi: 10.1109/MCOM.2017.1700022.
[23] J. Malmodin and P. Bergmark, “Exploring the effect of ICT solutions on GHG emissions in 2030,” 2015, doi: 10.2991/ict4s-env-15.2015.5.
[24] S. Beloe, “5G and Sustainability,” Jan. 28, 2019. https://www.whebgroup.com/5g- and-sustainability/ (accessed Jun. 11, 2020).
[25] J. Bhushan, “How can 5G & IoT enable exponential climate action?,” Aug. 29, 2019. https://www.ericsson.com/en/blog/2019/4/brighter-futures-5g-climate- action.
[26] IEA, “Buildings: A source of enormous untapped efficiency potential,” 2020.
https://www.iea.org/topics/buildings (accessed Aug. 26, 2020).
[27] T. Tukiainen, “5G Sustainable Smart Cities,” 2020.
[28] Traficom, “5G-innovaatiokisa,” Mar. 31, 2020.
https://www.traficom.fi/fi/viestinta/viestintaverkot/5g-innovaatiokisa (accessed Jul. 13, 2020).
[29] S. K. Routray and K. P. Sharmila, “Green initiatives in 5G,” in Proceeding of IEEE - 2nd International Conference on Advances in Electrical, Electronics, Information, Communication and Bio-Informatics, IEEE - AEEICB 2016, Aug. 2016, pp. 617–
621, doi: 10.1109/AEEICB.2016.7538363.
[30] GSMA, “5G Global Launches & Statistics,” 2020.
https://www.gsma.com/futurenetworks/ip_services/understanding-5g/5g- innovation/ (accessed Oct. 11, 2020).
[31] D. Rapone, D. Sabella, and M. Fodrini, “Energy efficiency solutions for the mobile network evolution towards 5G: An operator perspective,” May 2015, doi:
10.1109/SustainIT.2015.7101367.
[32] EU, “Autojen hiilidioksidipäästöt: tietoa ja tilastoja,” 2019.
https://www.europarl.europa.eu/news/fi/headlines/society/20190313STO31218/a utojen-hiilidioksidipaastot-tietoa-ja-tilastoja (accessed Sep. 06, 2020).
[33] J. Liu et al., “High-Efficiency Urban Traffic Management in Context-Aware Computing and 5G Communication,” IEEE Commun. Mag., vol. 55, no. 1, pp. 34–
40, Jan. 2017, doi: 10.1109/MCOM.2017.1600371CM.
[34] P. Eloranta, “5G Enabled Road Safety Services,” 2020. [Online]. Available:
www.celticplus.eu.
[35] Liikenne- ja viestintäministeriö, “ICT-alan ilmasto ja ympäristöstrategiaa valmistelevan työryhmän väliraportti,” 2020. [Online]. Available:
https://julkaisut.valtioneuvosto.fi/handle/10024/162307.
[36] T. Sarajisto, “Esimerkkejä kuinka 5G auttaa rakentamaan kestävämpää tulevaisuutta,” 2020.
[37] B. Barbora and G. Archer, “Does sharing cars really reduce car use?,” 2017.
https://www.transportenvironment.org/sites/te/files/publications/Does-sharing- cars-really-reduce-car-use-June 2017.pdf (accessed Sep. 11, 2020).
[38] H. Heinonen, “5G ja vähähiilisyyttä tukevat dronepalveluratkaisut,” 2020.
[39] Forbes, “How The 5G Era Could Help Build A More Sustainable Future,” Oct. 21, 2019. https://www.forbes.com/sites/tmobile/2019/10/21/how-the-5g-era-could- help-build-a-more-sustainable-future/?sh=2ecd4513664f (accessed Sep. 12, 2020).
[40] D. Bushaus, “Do drones dream of electric sheep?,” Sep. 2016.
https://inform.tmforum.org/internet-of-everything/2016/09/drones-dream-electric- sheep/ (accessed Oct. 17, 2020).
[41] V. Estes, “5G made waves at CES but has long road to relevance on-farm,” Jan.
27, 2020. https://agfundernews.com/5g-made-waves-at-ces-but-has-long-road- to-relevance-on-farm.html (accessed Oct. 11, 2020).
[42] M. Bacco, P. Barsocchi, E. Ferro, A. Gotta, and M. Ruggeri, “The Digitisation of Agriculture: a Survey of Research Activities on Smart Farming,” Array, vol. 3–4, p. 100009, Sep. 2019, doi: 10.1016/j.array.2019.100009.
[43] A. Mehta, “5G smart farming could propel ‘third green revolution,’” Sep. 17, 2018.
https://disruptive.asia/5g-smart-farming-green-revolution/ (accessed Oct. 17, 2020).
[44] J. Falk and O. Gaffney, “Exponential Roadmap,” Sep. 2019.
https://exponentialroadmap.org/wp-
content/uploads/2019/09/ExponentialRoadmap_1.5_20190919_Single- Pages.pdf (accessed Sep. 24, 2020).
[45] U. Engström, “5G Enabled Manufacturing,” Oct. 05, 2018.
https://www.ericsson.com/en/blog/2018/10/5g-enabled-manufacturing (accessed
Jun. 11, 2020).
[46] Nokia, Nokia Oulu Manufacturing Facility Use Case. 2019.
[47] M. Massaro, “Who is in charge of the radio waves in Europe?,” Feb. 20, 2017.
https://www.chalmers.se/en/departments/tme/news/Pages/Maria-massaro- researches-radio-spectrum-regulation.aspx (accessed Aug. 24, 2020).
[48] Traficom, “Taajuussuunnittelusta etua uusille innovaatioille,” Jun. 26, 2019.
https://www.traficom.fi/fi/viestinta/viestintaverkot/taajuussuunnittelusta-etua- uusille-innovaatioille (accessed Aug. 24, 2020).
[49] M. Fallgren, B. Cellarius, M. Dillinger, A. E. Fernandez, Z. Li, and S. Allio,
“5GCAR: Executive Summary,” Dec. 10, 2019. https://5gcar.eu/wp- content/uploads/2019/12/5GCAR-Executive-Summary-White-Paper.pdf
(accessed Aug. 22, 2020).
[50] L. Fuhr, “5G and the sustainability riddle,” Nov. 12, 2019.
https://www.politico.eu/sponsored-content/5g-and-the-sustainability-riddle/
(accessed Oct. 11, 2020).
[51] B. Gholampooraruadzi, Hämmäinen Heikki, Vijay Sunny, and Savisalo Anssi, Scenario Planning for 5G Light Poles in Smart Cities. IEEE, 2017.
