Bölüm 28:Radyo Kanalı ve Kapasite

Kanal boşaldı, çerçeveyi gönderdin. O havaya kaç bit sığdığını ise geçen sefer söylemedim.

Sığan bit sayısını üç şey belirliyor: kanalın genişliği, modülasyonun derinliği ve kaç antenle konuştuğun. Peki bu üç ayarı kim çeviriyor?

Bir kanala kaç bit sığıyor?

Bir kanalın taşıyabileceği en yüksek hızın adı Shannon kapasitesi. Girdisi yalnızca iki tane: kanalın bant genişliği ve sinyal-gürültü oranı. İkincisini kısaca SNR diye anacağım.

SNR bir oran ve desibelle yazılıyor: alınan sinyal gücünü gürültü gücüne bölüyorsun, onluk logaritmasını alıp onla çarpıyorsun. 0 dB ikisinin eşit güçte olması demek. Aynı ölçek mutlak güç için de çalışıyor. 1 mW’a bölünmüş hâline dBm deniyor; tipik bir mobil vericinin tepe gücü 250 mW, yani 24 dBm.

İki girdi aynı biçimde davranmıyor ve aradaki fark bütün radyo tasarımını belirliyor. SNR sabitken kapasite bant genişliğiyle doğrusal büyüyor. SNR tarafı ise logaritmik çalışıyor: gücü artırmanın getirisi belli bir noktadan sonra neredeyse kayboluyor. Hız arayan radyo bu yüzden önce banda bakıyor, sonra güce.

Sayıya dökelim. 20 MHz’lik bir kanalda 25 dB SNR ile Shannon kapasitesi 166 Mbit/s çıkıyor. Kanalı 40 MHz’e çıkarıp SNR’yi sabit varsayarsan sonuç 332 Mbit/s oluyor, tam iki kat.

O varsayımın tutmadığı yer tam olarak burası. Gürültü gücü bant genişliğiyle doğru orantılı; kanalı genişletmek sinyalle birlikte gürültüyü de içeri alıyor. Bandı ikiye katlamanın SNR maliyeti 3 dB; desibel ölçeğinde 3 dB tam iki kat demek ve 10 × log10(2) bunu veriyor. 25 dB düşüp 22 dB’ye iniyor ve 40 MHz’deki gerçek sonuç 293 Mbit/s oluyor. İki kat değil, 1,76 kat.

Kanal genişliği basamakları 20, 40, 80, 160 ve 320 MHz. 20 MHz’den 160 MHz’e sekiz kat spektrum var, 320 MHz’e on altı kat. Her basamakta aynı üç desibellik vergi de ödeniyor.

Vergiyi sonuna kadar işlet: 20 MHz’den 160 MHz’e üç ikiye katlama var, toplam 9 dB. SNR 25 dB’den 16 dB’ye düşüyor ve kapasite 856 Mbit/s çıkıyor. Sekiz kat spektrum karşılığında 5,15 kat hız aldın. Basamak çıktıkça getiri eriyor.

Shannon’un verdiği sayı zaten teorik bir üst sınır. Pratikte ulaşılan hız her zaman bunun altında kalıyor.

Bir sembol kaç bit taşıyor?

Genişlik hikâyenin yarısı. Öteki yarısı, o kanalda gönderilen her sembolün kaç bit taşıdığı.

Modülasyon, taşıyıcı bir sinüs dalgasının genliğini, frekansını ya da fazını değiştirerek bit taşımak demek. Temel üç yöntemin adı ASK, FSK ve PSK. Üstlerinde QPSK ve QAM duruyor. QPSK aynı taşıyıcı frekansında dört ayrı faz kullanıyor ve veri hızını BPSK’ya göre ikiye katlıyor. Frekans değişmiyor, sembolün taşıdığı bit sayısı değişiyor.

Aynı fikri iki eksene birden yayan biçimin adı m-QAM ve m tane farklı genlik-faz bileşimi tanımlıyor. Bileşim sayısı her ikiye katlandığında sembol bir bit daha taşıyor; taşınan bit sayısına modülasyon derinliği deniyor.

Bir sembol pratikte 2 ile 8 bit arasında taşıyor. Alıcı tarafta iş bir yuvarlamaya iniyor. Gelen sinyalin genliğini ve fazını ölçüyor, sonra en yakın sembole yuvarlıyor. Bit hatası tam olarak bu yuvarlamanın yanlış komşuya düşmesi. Derinlik arttıkça noktalar birbirine yaklaşıyor ve yanlış komşu daha kolay kazanıyor.

Her basamağın bir SNR faturası var ve fatura hızla büyüyor. 16-QAM’in eşiği yaklaşık 12 desibel, 64-QAM’inki 18, 256-QAM’inki 24. Aradaki düzen sabit: sembol başına iki bit eklemek, kabaca altı desibel daha temiz bir kanal istiyor. Desibel çarpan ölçüsü olduğu için altı desibel dört kat daha güçlü bir sinyal demek. Derinliği bir basamak artırmanın bedeli, hızın kazandığından çok daha dik yükseliyor.

Derinlik bu yüzden sabit seçilmiyor. Uyarlamalı modülasyon, SNR değiştikçe şemayı ve gücü uçuş sırasında değiştiriyor ve kabul edilebilir hata oranındaki en yüksek hızı arıyor. Aynı kanalda, aynı anda, 16-QAM 11,5 Mbit/s verirken 64-QAM 26,9 Mbit/s veriyor. Tek değişen sembol başına bit.

Wi-Fi radyoları için pratik alt sınır 20 dB SNR; hücresel radyolar -10 ile -6 dB kadar aşağıda çalışabiliyor. O sınır 64-QAM’in faturasını karşılıyor, 256-QAM’inkini karşılamıyor. Tavan da kuşakla yükseldi: 802.11n’de 64-QAM olan üst sınır 802.11ac’de 256-QAM’e çıkarıldı. Modülasyonun matematiğini burada kesiyorum; dalga biçimlerini ve türetmeyi 48. bölümde açacağım.

Havayı kiminle paylaşıyorsun?

SNR’yi düşüren şey her zaman mesafe olmuyor. Wi-Fi lisanssız bantta çalışıyor: kurallara, özellikle güç sınırlarına uyan herkese açık. Komşunun ağı da bu yüzden senin havanı paylaşıyor ve bunun için senden izin almıyor.

2,4 GHz’in kaç kanala bölündüğünü ve o bandı hangi cihazlarla paylaştığını saymıştık; çıkış yolu yukarı taşınmak. 802.11ac 5 GHz’de birbiriyle örtüşmeyen 23 kanal buluyor. Seçilebilir kanal sayısı da bantla büyüyor: 5 GHz’de 150’yi, en son eklenen 6 GHz’de 250’yi aşıyor. Bunun bedeli menzilden ödeniyor; hesabını spektrumu açtığımızda yapacağım.

Anahtar her portu ayrı bir collision domain’e çevirip ortamı bölüyordu. Havada böyle bir bölme yok. İkinci bir access point eklemek de yardım etmiyor; yalnızca aynı SSID’yi taşıyan bir küme kuruyor. Aynı üçüncü katman alt ağındaki bu kümenin adı genişletilmiş hizmet kümesi. İçinde access point değiştirirken IP adresin değişmiyor, çünkü 802.11 hareketliliğe bağ katmanından bakıyor. Dolaşımı hızlandıran mekanizmalardan ikisi standartta tanımlı: hızlı yeniden kimlik doğrulama, ve access point’in cihaza yeni access point’ler önerebilmesi. Üstüne bir de üreticiye özel çözümler biniyor.

Kanal nasıl bölüşülüyor?

Kanal tek bir taşıyıcı değil. İçi, alt taşıyıcı denen ince şeritlere bölünmüş durumda.

Klasik frekans bölmeli çoklamada bu şeritler birbirine karışmasın diye aralarına koruma bandı konuyor. Koruma bandı harcanmış spektrum demek: taşıyıcı yok, bit yok, boşluk var. OFDM o boşluğu kaldırıyor. Alt taşıyıcılar dikey seçiliyor; hafifçe üst üste binseler de her alt taşıyıcının merkezinde komşusunun etkisi sıfırlanıyor. Koruma bandına gerek kalmıyor.

Şerit sayısı kanalın genişliğine bağlı. 4G’de 5 MHz’lik bir kanalda 300 alt taşıyıcı var, 20 MHz’de 1.200. Alt taşıyıcı aralığı 15 kHz, bir sembol 66,6 µs sürüyor; iki sayı birbirinin tersi.

Bir kullanıcıya atanabilen en küçük parçanın adı kaynak bloğu: 12 alt taşıyıcı üzerinde 7 sembollük bir dilim. Frekans ekseninde 180 kilohertz, zaman ekseninde yarım milisaniye tutuyor. 20 megahertzlik bir kanal bu bloklardan yüz tane çıkarıyor ve hepsi orta derinlikte dolduğunda taşıyıcının tepe hızı yüz megabit mertebesine geliyor.

Baz istasyonu hangi bloğun hangi cihaza gideceğine 1 ms’lik aralıklarla karar veriyor. Kanal tek bir kullanıcıya sonuna kadar bırakılmıyor. Devre anahtarlama hattı tek konuşmaya ayırıyor, paket anahtarlama ise talebe göre bölüştürüyordu. Buradaki ızgara aynı fikrin frekans eksenli hâli.

Bu bölüştürmenin protokol adı OFDMA ve onu 4G, 5G ile Wi-Fi 6 kullanıyor. OFDM’den farkı eksen sayısı: OFDM yalnızca frekansta bölüyor, OFDMA aynı ızgarayı zamanda da bölüyor. Kanalın boşalmasını bekleyen CSMA/CA, sırayı tek bir gönderene veriyordu. OFDMA aynı anda birden çoğuna veriyor. Wi-Fi tarafında bir ek adım var. Access point gönderimden önce MU-RTS yolluyor; içinde hangi cihazın hangi kaynak birimini dinleyeceği yazılı. Her alıcı da kendisine atanmış alt kanaldan CTS ile cevap veriyor.

Wi-Fi 6 ve 7 access point’ler yine de OFDM konuşmak zorunda, çünkü eski cihazlar OFDMA bilmiyor. Geriye uyumluluğun bedeli bu.

Izgaranın frekans ve zaman eksenlerinde nasıl bölündüğünü görelim:

Kaç antenle konuşuyorsun?

Üçüncü ayar anten sayısı. MIMO, aynı anda birden çok anten üzerinden göndermek demek. Tek kullanıcılı hâlinde yaygın yapılandırma iki gönderici ve iki alıcı antenle 2x2.

Aynı donanım iki ayrı işe koşulabiliyor. Uzamsal çeşitleme aynı bilgiyi farklı yollardan paralel gönderiyor. Hız artmıyor; artan şey güvenilirlik ve menzil, çünkü bütün yolların aynı anda bozulması olası değil.

Radyo sinyali nesnelerden yansıyıp alıcıya farklı zamanlarda varıyor; buna çok yollu yayılım deniyor. Çeşitleme bunu kusur saymıyor, kaynak sayıyor. Anten eklemek iki uç arasındaki yol sayısını artırıyor. İki antenli gönderici ile iki antenli alıcı arasında on iki ayrı yol sayılabiliyor. Alıcı bu kopyaları birleştirince SNR yükseliyor ve buna anten kazancı deniyor.

Uzamsal çoklama ise aynı yolda aynı anda farklı veri akışları gönderiyor. Hızı gerçekten katlayan bu. 64-QAM ile dört akışta sembol başına 24 bit taşınıyor. Tavanı zorla: 802.11ac’nin sekiz akışı 256-QAM ile sembol başına 64 bit taşıyor. Aynı sembolde 2x2 ve 64-QAM 12 bitte kalıyor. Kanal genişliği ikisinde de aynı, fark 5,33 kat.

Kazancın bedeli alıcıda ödeniyor. Karışmış gelen akışları ayırmak için denklem çözmek gerekiyor ve katsayılar zamanla değişen rastlantısal büyüklükler. Ayrıştırma her zaman temiz çıkmıyor.

Çok kullanıcılı MIMO’da access point aynı anda farklı cihazlara gönderiyor. Anten sayısı sabitken kapasite kullanıcılar arasında bölünüyor. İş hüzme biçimlendirmeye dayanıyor ve cihazların coğrafi olarak ayrışmış olmasını gerektiriyor. Aynı masada oturan iki telefonda kazanç kayboluyor. Anten sayıları da kuşakla arttı: 802.11n 4x4’e, 802.11ac 8x8’e kadar destekliyor ve MU-MIMO ilk kez o kuşakta geldi.

Yirmi beş yılda teorik tepe hız 11 Mbit/s’den 30 Gbit/s’e, yaklaşık 2.727 kat arttı. Tablodaki sayılar teorik tavan; gündelik hız hep altında. Denemelerden bildirilen sayılar ise bu tavanın üstüne bile çıkabiliyor: 802.11ax için 5 GHz bandında 10,53 Gbit/s ölçüldüğü bildirildi. Bu sayıya hangi yapılandırmada ulaşıldığı kaynakta yazmıyor; ikisi aynı ölçüde karşılaştırılamaz. Wi-Fi 7’nin standart adı IEEE 802.11be ve 26 Eylül 2024’te onaylandı. Sıradaki kuşak IEEE 802.11bn, hedef yayım Mart 2028.

Hangi ayarların şu an açık olduğunu kendi makinende görebilirsin. Windows’ta netsh wlan show interfaces çıktısı radyo türünü, bandı, kanalı ve o anki alma-gönderme hızını yan yana veriyor.

Radio type            : 802.11ac
Band                  : 5 GHz
Channel               : 44
Receive rate (Mbps)   : 866.7
Transmit rate (Mbps)  : 866.7
Signal                : 84%

Aynı satırların Linux tarafındaki karşılığını iw dev wlan0 link veriyor. iw dev wlan0 station dump bir adım ileri gidiyor. Hızın yanına o hızı üreten üç ayarı da yazıyor.

tx bitrate: 866.7 MBit/s VHT-MCS 9 80MHz short GI VHT-NSS 2

Satırdaki üç alan bu bölümün üç sorusu. 80MHz kanal genişliği, VHT-MCS modülasyon derinliği, VHT-NSS ise akış sayısı. Hızın gün içinde oynadığını görürsen sebebi bu bölümün tamamı. Kanal yerinde duruyor, derinlik değişiyor.

Özet

Peki, ne öğrendik?

• Kapasitenin iki girdisi var: Shannon bant genişliğini ve SNR’yi alır, ve bandı büyütmek doğrusal kazandırırken gücü büyütmek logaritmik kazandırır.
• Genişletmenin vergisi gürültü: gürültü de bantla büyüdüğü için 20 MHz’den 40 MHz’e geçmek hızı iki katına değil 1,76 katına çıkarır.
• Derinliği kanalın kalitesi seçer: her sembol 2 ile 8 bit arasında taşır, ve uyarlamalı modülasyon bu sayıyı uçuş sırasında değiştirir.
• Aynı kanal aynı anda bölüşülür: OFDMA ızgarayı kaynak bloklarına ayırır, MIMO ise aynı bloğun üstünde birden çok akış taşır.

Kanalın kaç bit taşıdığını artık uçtan uca sayabiliyorsun. O bitler havada ilerlerken menzildeki her radyo onları duyuyor. Peki duyan neden okuyamıyor?