Tiedonsiirron tulevaisuus on valoisa

Tulevaisuudessa kotien, koulujen ja sairaaloiden valot siirtävät tietoa, uskoo professori Marcos Katz. Uudella tiedonsiirtotekniikalla verkkosignaali liikkuu huippunopeasti ledilamppujen välityksellä. Oulun yliopiston Centre for Wireless Communications -tutkimuskeskuksessa kehitetään valodataksi kutsuttua tekniikkaa ja pohditaan sen tulevaisuuden sovelluksia.

 

 
Marcos Katz (kuvassa vas.) ja väitöskirjantekijä Muhammad Saad Saud havainnollistavat valon ja radioverkon yhteistyötä testilaitteistolla (keskellä). Testissä video siirtyy ledivalaisimesta langattomasti vastaanottimena toimivaan linssiin. Linssi on kytketty näyttöön, joka toistaa lähetetyn videon. Kun valaisimen ja linssin väliin laittaa käden, video jatkuu radioverkon kautta siirrettynä.  
   

Tietoa liikutetaan langattomasti lähinnä radioaalloilla. Niiden taajuuksia on kuitenkin rajallisesti. Etenkin suurkaupungeissa dataa liikkuu niin paljon, että radiotaajuudet ovat jo loppumassa.

”Valon taajuuksia on jopa 10 000 kertaa enemmän. Niitä riittää kasvavan tiedonsiirron tarpeisiin”, kertoo langattoman tiedonsiirron professori Marcos Katz. Valon avulla tieto voi myös liikkua radioaaltoja kymmeniä kertoja nopeammin.

Uudesta tiedonsiirtotekniikasta käytetään nimityksiä Li-Fi (Light Fidelity) ja VLC (Visible Light Communication). Li-Fi ei mullista tiedonsiirtoa silminnähden, vaikka se sen teknisellä puolella tekeekin. ”Tietoliikenne tulee osaksi valaisua. Infrastruktuuri on jo valmiina”, Katz selostaa.

Tekniikka perustuu siihen, että ledilamput saadaan räpsymään jopa miljardeja kertoja sekunnissa. Valon pätkimisellä ledi ikään kuin morsettaa koodia, joka etenee näkyvän valon mukana. Vastaanotin, kuten älypuhelin, tulkitsee koodin ja toistaa sen sisällön vaikkapa videona näytöltään. Ledilamppu on siis samalla sekä valaisin että verkkosignaalia välittävä reititin.

Vastaanottimessa tulee olla valodataa ymmärtävää optiikkaa. Esimerkiksi puhelimessa voi olla useita pieniä linssejä tarkoitusta varten. ”Linssi on kuin optinen antenni, joka osaa tulkita valaisimen lähettämän tiedon”, kuvailee Katz. Silmällä valon pätkimistä ei huomaa.

 

Valon ja radion ei tarvitse kilpailla

Datan siirtäminen valolla on tietoturvallista. Jotta valoaalloilla siirtyvää tietoa voi siepata, valo täytyy nähdä. Radioaallot kulkevat kauas, joten niiden vakoilu ja häirintäkin onnistuu helpommin.

Valodatan kautta siirtyvä tieto ei häiritse muita laitteita. Tästä syystä sitä voi käyttää esimerkiksi lentokoneissa, sairaaloissa ja tehtaissa, joissa on radioaalloille herkkää elektroniikkaa. Myöskään radioaaltojen terveysvaikutuksista ei ole vielä täyttä selvyyttä. Katzin mukaan valodata onkin perinteiseen tiedonsiirtoon verrattuna ”puhdasta teknologiaa”.

 
Tiedonsiirto valolla perustuu siihen, että valo pätkitään koodiksi, jonka vastaanottimen optiikka tulkitsee ja toistaa.  
   

Sekä perinteisellä radiotekniikalla että valon kautta tapahtuvalla tiedonsiirrolla on etunsa. Radiosignaalit ovat edelleen ylivertainen tapa siirtää tietoa etenkin ulkona, sillä siellä radioaallot etenevät pitkiä matkoja mastojen kautta. Kun tullaan rakennusten sisälle, Li-Fi voi olla nopeampi ja turvallisempi vaihtoehto.

Periaatteessa tiedonsiirto valolla voi vähentää energiankulutusta. Energiatehokkuutta on kuitenkin vaikea arvioida, sillä mitä nopeampaan tietoliikenteeseen halutaan päästä, sitä nopeammin ledejä täytyy räpsyttää. Tällöin myös vastaanottimeen tarvitaan monimutkaisempi järjestelmä, joka syö enemmän sähköä.

Lisäksi valaistuksen voimakkuus vaikuttaa tiedonsiirron nopeuteen. Tuleeko valojen siis olla aina sytytettyinä, jotta tiedonsiirto onnistuu? ”Kyllä ja ei. Valaisimen pitää olla päällä, mutta valoja osataan himmentää hyvin paljon. Siirtonopeus laskee, mutta pysyy silti huomattavana”, Katz selittää. Myöskään suora näköyhteys valaisimeen ei ole välttämätön, sillä valoaallot heijastuvat hieman heikentyneinä seinienkin kautta.

Valodatan suurin haaste ei Katzin mukaan liity niinkään tekniikkaan, vaan politiikkaan. ”Radio hallitsee langatonta maailmaa”, hän toteaa. Katzin tutkimusryhmä ei kuitenkaan pyri radion ja valon vastakkainasetteluun, vaan eri tekniikoiden mahdollisimman notkeaan yhteistyöhön. Radion korvaamisen sijaan tavoitteena on systeemi, jossa Li-Fi ja radioaaltojen välityksellä tapahtuva tiedonsiirto täydentävät toisiaan.

Tutkimusryhmä kehittää tulevaan 5G-tekniikkaan sopivaa järjestelmää, jossa valodata on osa radioverkkoa. Näin käytettävä laite voi automaattisesti valita, käyttääkö se tiedonsiirtoa valo- vai radioaalloilla. Esimerkiksi taskussa oleva puhelin voisi toimia radioaaltojen varassa, mutta siirtyä esiin nostettuna valodataan. Molempia tekniikoita yhtäaikaisesti käyttämällä tiedonsiirtonopeus voi moninkertaistua.

 

Valo tarjoaa Oululle mahdollisuuksia

Marcos Katz näkee valossa potentiaalia Oululle. Oulussa on Suomen ainoa aihetta tutkiva yliopisto. Li-Fi ei ole vielä lyönyt itseään täysillä läpi, mutta suuret firmat seuraavat kehitystyötä tarkasti. ”On hyvä olla edelläkävijä. Esimerkiksi Applen on huhuttu tuovan tekniikan laitteisiinsa. Jos näin käy, tilanne voi muuttua täysin yhdessä päivässä”, professori huomauttaa.

 
Kuvan tavallisilla, marketista ostetuilla ledivaloilla voi jo siirtää tietoa langattomasti.  
   

CWC-keskuksen tutkimushankkeessa kehitetään tekniikkaa, mutta myös pohditaan valodatan sovelluksia. Katzin tutkimusryhmä suunnittelee niitä yhteistyössä kasvatustieteellisen ja arkkitehtuurin tiedekuntien kanssa. Hankkeessa keskitytään valodatan mahdollisuuksiin erityisesti tulevaisuuden kouluissa, sairaaloissa ja liikenteessä.

Ledivaloja voidaan ryhmitellä niin, että ne toimivat yhdessä kuin näyttöinä. Katzin visioissa tulevaisuuden kouluissa oppilaiden älylaitteet ovat langattomasti yhteydessä tällaiseen valaistukseen. Näin esimerkiksi luokkahuoneen katossa olevat ledit toimivat vuorovaikutteisesti opetustilanteissa. Ne antavat oppilaille henkilökohtaista palautetta näiden vastausten mukaan.

”Valot voivat tulevaisuudessa ohjata ihmisiä kuin orkesterinjohtajat”, Katz ennustaa. Esimerkiksi sairaaloiden seinissä ja katoissa olevat ledit voisivat tulipalon sattuessa älykkäästi osoittaa, mihin suuntaan on turvallisinta poistua.

Valodatalla saattaa olla rooli myös tulevaisuuden teillä. Esimerkiksi punaisten ledien lähettämää signaalia voi hyödyntää auton jarruvaloissa. Niiden lähettämän valodatan avulla takana tuleva älykäs auto voi hidastaa vauhtiaan jo kauan ennen kuin sen ihmiskuljettaja ennättäisi reagoida mahdolliseen vaaraan.

Katz puhuu innokkaasti myös ”kaikkien esineiden Internetistä”. Sillä tarkoitetaan teknologiaa, jonka avulla kaikki tavaramme voisivat olla älykkäästi yhteydessä toisiinsa. ”Valolla kommunikoiminen olisi siihenkin luonnollinen tapa”, professori esittää. Aika näyttää, miten loistava uuden tekniikan tulevaisuudesta muotoutuu.

 

Teksti: Antti Miettinen
Kuvat: Juha Sarkkinen

Viimeksi päivitetty: 31.5.2016