Bölüm 31:Spektrum ve Kuşaklar

Telefonun bir hücreye bağlandı ve trafiğin akmaya başladı. Hangi frekansta aktığını söylemedim.

Frekans sınırlı bir kaynak. Bir bandı kullanmak, o bandın sahibinden izin almak demek. Peki sahibi kim?

Frekansı kim dağıtıyor?

Radyo spektrumu ulusal bir varlık sayılıyor ve sahibi ülkenin kendisi oluyor. Bandın hangi hizmete açılacağına ulusal hükûmet karar veriyor. Aynı frekans iki ülkede iki ayrı işe tahsis edilmiş olabiliyor.

Bu yüzden bir üst kat var. ITU Telsiz Tüzüğü dünyayı üç bölgeye ayırıyor ve tahsis tabloları bölgeden bölgeye değişiyor. Türkiye Bölge 1’de, Amerika kıtası Bölge 2’de. Bir bandın hücresel hizmete açılması işte bu ölçekte bir karar. WRC-27’nin 1.2 numaralı gündem maddesi 6,425 ile 7,125 GHz arasını ve 10 ile 10,5 GHz arasını tartışıyor.

Ülke içinde dağıtımı düzenleyici kurum yapıyor; Türkiye’de bu işi BTK yürütüyor. IMT hizmetleri için yapılan yetkilendirme ihalesi 26 Ağustos 2015’te sonuçlandı ve hizmet 1 Nisan 2016’da başladı. Baz istasyonu seni tanıyıp çekirdek ağa bağlıyordu; o bağlantının hangi frekansta kurulduğuna karar veren zincir buraya kadar uzanıyor.

Kullanım hakkının verilme biçimi üçe ayrılıyor ve üçü ayrı bir bedelle geliyor.

Lisanslı bantta tek sahip var ve o sahip tipik olarak bir hücresel operatör. Başka kimse orada yayın yapmadığı için operatör girişimi kendi ağının içinde tutuyor. 3,5 GHz civarındaki paylaşımlı bant ise özel 5G kurulumlarına örnek: bir fabrika lisans satın almadan kendi hücresel ağını burada kurabiliyor.

Lisanssız bant herkese açık ama kuralsız değil. Kuralların ilki verici gücüne konan sınır. Bedelini de ödüyorsun: 2,4 GHz’te mikrodalga fırınla bebek telsizinin işareti seninkine karışıyor ve bunu engelleyen kimse yok.

Lisanssız bantta çözüm, girişimi önlemek yerine ondan kaçmak oluyor. Bluetooth bunu açıkça yapıyor. 2,4 ile 2,5 GHz arasını 1 MHz’lik 79 kanala bölüyor. Her zaman diliminden sonra başka bir kanala atlıyor. Girişim yapan cihaz tek bir kanalı tutuyorsa, atlama dizisinde o kanala ara sıra denk geliyorsun. Bozulan çerçeve bir sonraki dilimde başka bir frekanstan gidiyor.

Bandın içi nasıl bölünüyor?

Spektrum üç basamaklı bir hiyerarşi. Bant içinde birden çok kanal var, her kanalın içinde de birden çok alt kanal.

Kanal dediğimiz şey, taşıyıcı frekansın çevresinde ortalanmış belirli bir bant genişliği. Bant genişliği burada birebir bandın genişliği demek: sinyalin kapladığı frekans aralığının Hz cinsinden eni. Aynı terimi gecikme bileşenlerini ayırırken saniyede taşınan bit sayısı diye ölçmüştük. Aynı kelime, iki ayrı büyüklük.

Bandı kanallara bölmek fiziğin değil düzenlemenin işi. 2,4 GHz bandı ülkeye göre 11 ile 14 arası kanala bölünüyor; sayının ülkeden ülkeye değişmesi bunu kanıtlıyor.

Kanalı büyütmek doğrudan komşusundan yer almak demek. 2,4 GHz’in üç örtüşmeyen kanalını ve 5 GHz’in 23 kanalını saymıştık. Yanlarına genişliklerini yazınca fark ortaya çıkıyor: üç kanal 60 MHz eder, yirmi üç kanal 460 MHz. Aynı 20 MHz’lik kalıpla 5 GHz bandı 7,7 kat daha fazla yer veriyor.

İlan edilen genişliğin tamamı da veriye gitmiyor. Komşu kanallar birbirine karışmasın diye aralarına koruyucu bant bırakılıyor. O boşluk hiçbir veri taşımadan bandın bir kısmını yiyor.

Sayıya dökelim. 10 MHz’lik bir hücresel kanal 50 kaynak bloğuna bölünüyordu. Her blok frekansta 180 kHz yer tutuyor. Elli blok 9 MHz eder. İlan edilen genişliğin %90’ı veriye gidiyor; kenarda kalan 1 MHz koruyucu bandın bedeli.

İlk iki basamağı kendi makinende görebilirsin. Linux’ta tek komut menzildeki her ağı frekansıyla birlikte listeliyor:

nmcli -f SSID,CHAN,FREQ,SIGNAL device wifi list

FREQ sütunu taşıyıcı frekansı megahertz cinsinden veriyor, CHAN ise aynı taşıyıcının bant içindeki kanal numarasını. Üçüncü basamak o çıktıda görünmüyor; alt kanalları yalnızca radyonun kendisi biliyor.

Hücresel tarafta aynı işi modem yöneticisi görüyor ve tek satır yetiyor:

mmcli -m 0

Çıktı modemin bağlandığı operatörü, kullandığı erişim teknolojisini ve o an üstünde durduğu bandı yazıyor. Kanalı Wi-Fi’da sen seçiyorsun. Hücresel bantta o seçimi şebeke yapıyor.

İki yön aynı spektrumu nasıl paylaşıyor?

Kanalları saydık ama bir soruyu atladım: aynı anda hem gönderip hem alman gerekiyor. Bu iki yön spektrumu nasıl bölüşüyor?

İki cevap var ve ikisi de bu kitapta tanıdık bir ayrımın tekrarı — frekansta mı bölersin, zamanda mı?

Frekans bölmeli çift yönlülük (FDD) iki ayrı bant kullanıyor: biri upstream, biri downstream (aşağı yön). İkisi arasında bir de çift yönlülük boşluğu bırakılıyor, çünkü kendi vericinin kendi alıcını sağır etmemesi gerekiyor. Kazancı gerçek eşzamanlılık; bedeli spektrumun çift olarak tahsis edilmesi ve bölüşümün sabit kalması.

Zaman bölmeli çift yönlülük (TDD) tek bir bant kullanıyor ve yönler sırayla konuşuyor. İki kazancı var. Birincisi eşleştirilmemiş spektrum yetiyor — ki yüksek bantlarda bulunan neredeyse hep budur. İkincisi ve daha önemlisi, bölüşüm ayarlanabilir: trafik indirme ağırlıklıysa zaman dilimlerinin dörtte üçünü downstream’e verirsin.

Bu ikinci nokta kablo şebekesinin derdinin tam çözümü. Orada upstream ile downstream arasındaki bölüşüm spektrumun içine donanımla gömülü ve değiştirmek için her yükseltece kamyon çıkması gerekiyor. TDD’de aynı bölüşüm bir yazılım ayarı.

Bedava değil. TDD’de komşu baz istasyonlarının saatleri birbirine kilitli olmak zorunda: biri yayın yaparken öteki aynı frekansta dinliyorsa, komşusunun sinyali kendi alıcısını boğar. Bu yüzden TDD şebekeleri GPS ya da benzeri bir zaman kaynağıyla senkronize çalışır ve komşu operatörler bölüşüm desenini bile birbirine uydurmak zorunda kalır. FDD böyle bir koordinasyon istemiyordu.

Kuşakların tercihi de buradan okunuyor: alt bantlarda eski FDD tahsisleri sürüyor, 5G’nin orta ve yüksek bantları ise ezici çoğunlukla TDD. Eşleştirilmiş spektrumun kıt ve pahalı olmasının sebebi de bu.

Yukarı çıkmanın bedeli ne?

Radyo sinyali yayıldıkça güç kaybediyor. Sebebi bir engel değil; sinyal gittikçe daha geniş bir alana yayılıyor. Yol kaybı frekans ile mesafenin çarpımına bağlı büyüyor. Kaybın formülünü 48. bölüme bırakmıştım; burada yalnızca sonucunu kullanıyorum.

Sonuç şu. 3,5 GHz yerine 26 GHz kullanmak aynı mesafede yaklaşık 55 kat daha fazla yol kaybı demek. Aynı kaybı korumak istersen menzil 7,43 kat kısalıyor, yani %13,5’e iniyor: 1 km yerine 135 m. Kapsanan alan yarıçapın karesiyle orantılı olduğu için aynı coğrafi alanı örtmek yaklaşık 55 kat daha fazla hücre istiyor. Fatura doğrudan direk sayısına yazılıyor.

Elindeki cihaz bu hesabı kurtarmıyor. Bir mobil cihazın tipik azami verici gücü 250 mW, yani 24 dBm. Bant yükseldikçe bu sayı büyümüyor. Kaybı aynı ölçekte yazalım: 55 kat 17,4 dB’ye karşılık geliyor. Gücün sabitken bu farkı anten kazancından ya da kısalan mesafeden bulmak zorundasın.

Sektör bantları üç sınıfta konuşuyor. Bu üçlü ayrım kesin bir standart değil, sektörün konuşma dili.

Düşük bantta uzağa gitmenin bedeli doğrudan hızdan ödeniyor. Orta bant ikisini dengeliyor ve 1,8 GHz ile 3,3-3,8 GHz arası bu aralığın en çok kullanılan yeri. Yüksek bandın adı milimetre dalga; 26, 40, 50 ile 66 GHz bu aralıkta yaygın olan bantlar. Adın kendisi bir ölçüden geliyor ve hesabı basit. Dalga boyu, ışık hızının frekansa bölümü. Işık saniyede 300.000 km gidiyor; 26 GHz’te dalga boyu 11,5 mm çıkıyor, 71 GHz’te 4,2 mm’ye iniyor. Aynı bölme 3,5 GHz’te 86 mm veriyor. Milimetre dalga görüş hattı istiyor, yani ağaç ve bina arkasına geçemiyor. Wi-Fi da bunu denedi: 60 GHz’te çalışan 802.11ad 7 Gbit/s’e ulaşıyor ve odadan çıkamadığı için yaygınlaşamadı.

Aynı bedeli evinde de ödüyorsun. 2,4 GHz’te yayın yapan bir access point kapalı alanda onlarca metre, açık alanda bunun birkaç katı kadar kapsıyor. 5 GHz’te yapılan yayın duvar gibi engellerce daha fazla emiliyor ve aynı cihazın kapalı alandaki kapsaması düşük kalıyor.

Cetvelin neresinde duruyoruz?

Sektörün konuşma dilinin karşısında bir de belge dili var. 3GPP TS 38.104 frekans aralıklarını isimlendiriyor: FR1 410 MHz ile 7,125 GHz arasını, FR2 ise 24,25 GHz ile 71 GHz arasını kapsıyor. Sınırlar belirtimde 5.1-1 numaralı çizelgede duruyor ve hepsi megahertz cinsinden yazılı: 410 MHz’ten 7.125 MHz’e, 24.250 MHz’ten 71.000 MHz’e. İki aralığın arasında bir boşluk kalıyor ve o boşluğun adı sonradan kondu. 7,125-24,25 GHz dilimi FR3, yani üst orta bant. 6G tartışmalarında “altın bant” diye anılan yer burası.

O sıfat bir hesabın kısaltması. Yol kaybı karşılaştırmasını 10 GHz için tekrarlayalım: 3,5 GHz’e göre 8,2 kat kayıp çıkıyor, 26 GHz’teki 55 katın yerine. Aynı kaybı korursan menzil 1 km yerine 350 m oluyor. 26 GHz’te 135 m’ye inmişti. FR3 kapasiteyi mmWave’in fiyatına almıyor.

Genişlikleri yan yana koyunca fark ortaya çıkıyor: FR1’in tamamı 6,715 GHz tutuyor. FR3 tek başına 17,125 GHz, yani FR1’in 2,55 katı. FR2 ise 46,75 GHz eder ve FR1’in yaklaşık 7 katına çıkıyor. Bugünkü hücresel şebekelerin üstünde durduğu aralık, cetvelin en dar ucu.

Kuşakların cetvel üstünde nereye düştüğünü yan yana görelim:

Kuşak atlamak radyo tarafında ne değiştiriyor? En somut karşılığı taşıyıcı genişliğinde görüyorsun. Tek bir taşıyıcının azami genişliği 4G’de 20 MHz, 5G’de 100 MHz: radyoya verilen frekans dilimi 5 kat genişledi. İkincisi alt taşıyıcı aralığı. 4G’de bu aralık tek bir değere, 15 kHz’e sabitlenmişti; 5G onu 15, 30, 60 ve 120 kHz arasında seçilebilir yaptı, çünkü yüksek bantta dar alt taşıyıcı işe yaramıyor.

Özet

Peki, ne öğrendik?

• Spektrumun sahibi devlettir: bir bandı kullanmak ulusal bir izne bağlıdır, ve o izin lisanslı, paylaşımlı ya da lisanssız biçimde verilir.
• Lisanssızın bedeli girişimdir: bant bedavadır ama davranış kurallıdır, ve aynı frekansta konuşan cihazları kimse birbirinden ayırmaz.
• Yukarı çıkmak menzil yakar: 3,5 GHz yerine 26 GHz seçmek yol kaybını 55 kat artırır ve aynı alanı örtmek 55 kat hücre ister.
• Kuşak bir frekans dilimidir: 4G’nin 20 MHz’lik taşıyıcısı 5G’de 100 MHz’e çıktı ve alt taşıyıcı aralığı sabit olmaktan çıktı.

Frekansın nereden geldiğini ve neyin karşılığında geldiğini artık biliyorsun. Bandı seçtin, hücreye bağlandın, sonra yürümeye başladın. Peki attığın her adımda bağlandığın hücre değişirken bağlantın neden kopmuyor?