6G-verkot ottavat mallia biologiasta

Blogit
Aarne Mämmelä

Tulevaisuuden älykkäät 6G-verkot ottavat mallia biologisista organismeista, jotka ovat tunnetusti tehokkaita. Verkot tulevat perustumaan läheisyysperiaatteeseen ja ovat heikosti kytkeytyneitä. Pahimmassa tapauksessa verkko voi toimia kaoottisesti, ellei oikeita systeeminsuunnittelun periaatteita noudateta.

Tietoliikenneverkkojen kehittymiseen on vaikuttanut eksponentiaalinen Mooren laki, jonka mukaan piipohjaiselle piirille mahtuvien transistorien lukumäärä kaksinkertaistuu joka toinen vuosi. Laki on ollut eri muodoissaan voimassa jo noin 60 vuotta, mutta nyt luonnonrajat ovat tulleet vastaan. Kiinnostuin Mooren lain pysähtymisestä 2010-luvun alussa, kun tilanne oli elektroniikka-alan asiantuntijoille jo hyvin tiedossa. Minulle on usein sanottu, ettei Mooren laki voi pysähtyä ja jotkut väittävät sen jatkuvan ainakin vuoteen 2100 asti.

Vuonna 2016 ajatus Mooren lain pysähtymisestä oli selviö, sillä kansainvälinen elektroniikkateollisuuden ITRS-yhteisö (International Technology Roadmap for Semiconductors) ennusti, että Mooren laki pysähtyy viiden vuoden kuluessa eikä uutta ITRS-raporttia ole tehty. Nature-lehdessä julkaistiin asiasta tuona vuonna artikkeli. Tein Mooren lain loppumisesta helppolukuisen julkaisun vuonna 2017.

Päähuomio on siirtynyt suurempien kokonaisuuksien hallintaan - siis systeemiajatteluun.

Mooren lain pysähtyminen vaikuttaa meihin kaikkiin, koska energiatehokkuus ei enää parane entiseen tapaan ja on odotettavissa kehityksen merkittävä hidastuminen ensin nopeimmalla fyysisellä kerroksella ja vähitellen myös muilla hitaammin toimivilla kerroksilla, kun kompleksisuutta ei voi rajattomasti kasvattaa.

Uudet verkot noudattavat ns. pienen maailman periaatteita erilaisine oikopolkuineen kuten meidän aivommekin. Verkot tulevat olemaan heikosti kytkeytyneitä, mikä merkitsee, että alatasolla toiminta on lähes autonomista ja keskitetty kontrolli on heikkoa ja hidasta.

Heikosti kytkeytyneellä rakenteella eli arkkitehtuurilla on pitkä, haparoiva historia antiikista lähtien ja sillä on useita nimityksiä: sosiaalitieteissä se tunnetaan nimityksellä läheisyys- eli toissijaisuusperiaate ja tekniikassa heikko tai löyhä kytkeytyminen. Biologiset järjestelmät perustuvat tähän ketterään rakenteeseen, koska muuten niillä ei olisi ollut riittävästi aikaa kehittyä, ts. muut rakenteet ovat karsiutuneet evoluutiossa. Tietoliikenteessä heikosti kytkeytynyt rakenne on käsitteenä vielä aika tavalla tuntematon, mutta sitä käytetään muualla tekniikassa ainakin säätöteoriassa, rakenteisessa ohjelmistosuunnittelussa ja internetin palveluissa. Heikosti kytkeytynyt rakenne on mainittu tuoreessa IEEE:n Systems Optimization -työryhmän visiossa.

Hyvin suunniteltu rakenne mahdollistaa verkon luotettavuuden ja ketteryyden

Verkkokerroksella takaisinkytkentäsilmukka on yhä aika tavalla uusi asia. Silmukka sisältää verkon sensoroinnin, päätöksenteon ja ohjaimen, joka säätää verkon osia.

Minulle on sanottu, että takaisinkytkentä on fyysisen eikä verkkokerroksen asia. Eurooppalaisen ETSI-standardointiorganisaation uusien työryhmien verkkorakenteet osoittavat, että takaisinkytkentä on tulossa älykkäisiin tietoliikenneverkkoihin. Perinteisesti takaisinkytkentää käytetään mm. tietovuon ohjaukseen ja ylikuormituksen hallintaan etenkin kuljetuskerroksella. Linkki- ja fyysisellä kerroksella takaisinkytkentä on aika tavallinen. Esimerkkejä ovat sanomien uudelleenlähetys, lähettimen tehonsäätö, adaptiiviset kanavakorjaimet ja synkronointi. Verkkokerroksella takaisinkytkentä on vähemmän käytetty.

Heikosti kytkeytyneessä pienen maailman verkossa kaikki osaset ovat periaatteessa hyvin tunnettuja, mutta kokonaisuus ei niinkään. Verkolla on useita positiivisia ominaisuuksia, esimerkiksi stabiilisuus, skaalautuvuus, tehokkuus, luotettavuus, ketteryys ja palautumiskyky. Perusongelma on siinä, että kun älykäs verkko vaatii takaisinkytkennän käyttöä, se voi tulla epästabiiliksi ellei rakennetta suunnitella oikein. Epästabiilisuus voi johtua suuresta silmukkaviiveestä tai silmukoiden vahvasta kytkeytymisestä toisiinsa. Klassinen esimerkki jälkimmäisestä on lähettimen tehonsäätö, jossa voi syntyä ns. cocktail-kutsuilmiö, jossa kaikki huutavat toisilleen eikä kukaan kuule mitään. Silmukoita ei siis saa rakentaa hallitsemattomasti, koska seurauksena olisi kaaos. Tämä on systeeminsuunnitteluongelma. Perusratkaisuina ovat hierarkia ja silmukoiden välisen kytkeytymisen minimointi. Hierarkiassa ylhäällä olevat kerrokset toimivat suurten viiveiden johdosta hitaasti ja heikosti, kun taas alhaalla olevat kerrokset toimivat lähellä käyttäjää nopeasti ja vahvasti. Näin verkko toimii kuten biologinen organismi.

Tutkimme EU:n DEDICAT 6G -projektissa 2030-luvun alussa käyttöön tulevia kuudennen sukupolven langattomia verkkoja, jotka edellä olevan mukaan ovat hyvin todennäköisesti heikosti kytkeytyneitä. Projektin keskeisinä ajatuksina ovat dynaaminen peittoalueen laajentaminen ja hajautettu älykkyys käyttäjäkeskeisissä sovelluksissa. Tavoitteena on saavuttaa suurempi resurssitehokkuus, pienempi viive, vasteaika ja energiankulutus. Myös käyttö- ja pääomakustannukset pitää saada pienemmiksi sekä tietoturva, yksityisyys ja luotettavuus paremmiksi. 

Jaa
Aarne Mämmelä

Aarne Mämmelä

Research Professor