Bölüm 33: Hücresel Ağlar

Evden çıktın. Sokakta yürüyorsun, telefonun hâlâ bağlı ve ortada tanıdığın hiçbir ağ adı yok.

Bağlandığın şey bir hücre: kilometrelerce öteye kadar planlanmış bir örgünün tek bir gözü. Peki o hücre seni nasıl tanıdı?

Hücre neden hücre?

Operatör kapsayacağı coğrafyayı dairesel ya da altıgen alanlara böler. Her alanın ortasına, komşularından bağımsız çalışan bir düğüm koyar. O düğümün adı baz istasyonu, alanın adı hücre.

Baz istasyonu bir cihaz türü değil, bir rol. Kendi alanındaki kablosuz uçlarla kablolu ağ arasında paket taşır. Evdeki 802.11 access point de aynı rolü oynar. Aradaki farkı alanın büyüklüğü yaratıyor. İç mekânda kablosuz menzil 10 ile 30 m arasında kalır, hücre kulesi ise 4 ile 15 km arasında bir alanı kapsayabilir. Operatör bu alanları yan yana dizerek onlarca kilometreyi örter; hız 4G’de onlarca, 5G’de yüzlerce Mbit/s mertebesindedir.

Ders kitapları bu ikisini kablosuz erişimin iki ailesi olarak sayar: bina içinde kalan kablosuz yerel ağlar (WLAN) ve operatörün kurduğu geniş alan hücresel erişim. Türkçede ikincisine çoğu zaman GSM denir. GSM aslında ikinci kuşağın, 2G’nin standardının adı ve Türkiye’de 1994’te açıldı; bugün verini 4G ve 5G taşıyor, ad ise ilk sayısal kuşaktan kalma bir alışkanlık.

Menzil merdiveninde arada iki basamak daha var. Kısa mesafeli dış mekân bağlantısı 50 ile 200 m arasında kalır, orta mesafeli olan 200 m ile 4 km arasında. Hücrenin hangi basamağa kurulacağını kapsanacak alan ve oradaki cihaz yoğunluğu belirler. Şehir merkezinde hücre küçülür, kırda büyür.

Küçük hücrenin asıl sebebi kapsama değil, kapasite

Buraya kadar hücreyi bir kapsama aracı gibi anlattım. Değil. Bir operatör isterse şehrin ortasına tek bir yüksek kule dikip yüz kilometrekareyi tek seferde örtebilirdi. Bunu yapmamasının sebebi başka ve bütün hücresel fikri o sebepten doğdu.

Operatörün elinde sabit bir spektrum dilimi var; diyelim 20 MHz. Tek bir dev kule kurarsan o 20 MHz’i şehirdeki herkes paylaşır. Frekans sonlu, abone sonsuz.

Hücresel fikir tek bir hamleyle bunu tersine çeviriyor: gücü düşür, kapsamayı küçült ve aynı frekansı uzaktaki başka bir hücrede yeniden kullan. Sinyal zaten mesafeyle sönümlendiği için, yeterince uzaktaki iki hücre birbirini duymuyor. Şehirde 100 hücre varsa ve her frekans 14 ayrı yerde tekrar kullanılabiliyorsa, toplam kapasite 14 katına çıkıyor. Spektrum hiç büyümedi; yeniden kullanıldı.

Bedava değil. İki hücre aynı frekansı kullandığında birbirine gürültü olur; buna ortak kanal girişimi deniyor. Bu yüzden aynı frekans komşu hücrede kullanılamıyor, belli bir uzaklık bırakmak gerekiyor.

Bu uzaklığı belirleyen sayının adı küme boyu (N): kaç hücrelik bir grubun, spektrumun tamamını aralarında bölüştüğü. Her hücreye toplam kanalın 1/N’i düşüyor ve aynı desen şehir boyunca tekrarlanıyor.

Altıgen bir ızgarada N rastgele bir sayı da olamıyor. Deseni boşluk bırakmadan tekrarlayabilmek için yalnızca belli değerler işe yarıyor: 3, 4, 7, 9, 12, 13, 19 ve devamı. Hepsi i² + ij + j² biçiminde yazılabilen sayılar; i ve j, bir hücreden aynı frekansı kullanan en yakın hücreye gitmek için iki yönde atılan adım sayısı. Sahada en yaygın seçim yedi: i = 2, j = 1.

Küme büyüdükçe aynı frekansı kullanan iki hücre birbirinden uzaklaşıyor. Uzaklığın yarıçapa oranı √(3N); yedi hücrelik bir kümede bu, hücrenin yarıçapının kabaca dört buçuk katı ediyor. Yürüyerek söylersek: bir hücreden iki hücre ilerleyip 60 derece dönmek ve bir hücre daha gitmek, aynı frekansı kullanan en yakın hücreye varmaya yetiyor.

Şimdi ödünleşim çıplak. N küçüldükçe kapasite artıyor, girişim de artıyor. N = 3 her hücreye spektrumun üçte birini verir ama ortak kanal hücreleri iyice yakınlaşır; N = 12 temiz bir sinyal verir, karşılığında her hücre spektrumun on ikide birine razı olur. Şebeke planlamacısının işi tek bir cümleye iniyor: girişimin kabul edilebilir olduğu en küçük N’i bulmak.

İkinci kapasite hamlesi anteni bölmek. Baz istasyonuna her yöne yayan tek bir anten yerine 120 derecelik üç yönlü panel koyarsın; tek bir kule üç ayrı hücre gibi davranır. Buna sektörleme deniyor. Yönlü bir panel yalnızca önündeki komşuları duyduğu için girişim azalıyor ve bu, daha küçük bir N’e izin veriyor. 4G ve 5G’de her sektör bütün spektrumu kullanan ayrı bir hücre; bir kulede farklı yönlere bakan üç panel gördüysen, o kule gerçekten üç hücrenin kapasitesini taşıyor.

Talep yine de aşarsa üçüncü hamle var: hücreyi bölmek. Gücü düşürüp yarıçapı yarıya indirirsen aynı alana dört kat hücre sığar. Şehir merkezindeki hücrelerin niçin bu kadar küçük olduğunun cevabı bu: kapsama yetmediği için değil, kapasite yetmediği için.

Bir düzeltme. Yukarıdaki klasik plan 2G ve 3G’nin dünyasıdır. 4G ve 5G çoğu zaman N = 1 ile çalışır: bütün hücreler aynı frekansı kullanır. Girişim ortadan kalkmadı; onunla baş etme yöntemi değişti. Komşu baz istasyonları hangi zaman-frekans bloklarını kime vereceklerini birbirleriyle koordine ediyor, hatta bazen aynı cihaza birlikte gönderiyor. Yani planlama, kâğıt üstündeki bir frekans deseninden gerçek zamanlı bir zamanlama kararına taşındı.

Hücrelerin toplamına radyo erişim ağı deniyor, kısaca RAN. Kenar ağdır: cihazı baz istasyonuna bağlar, kapsamı coğrafyayla sınırlıdır ve tek bir servis sağlayıcının denetimindedir. Verdiği hizmet data link layer hizmetidir. Cihaz ile daha büyük ağ arasındaki ilk sıçrama orasıdır.

Hücresel standartları 3GPP adlı uluslararası ortaklık yazıyor; onun adlandırması sabit ve bu bölümde onu kullanacağım. Cihaz User Equipment (UE), 5G’nin radyo kanalı New Radio (NR), baz istasyonu gNodeB (gNB). 4G’de baz istasyonunun adı eNodeB idi.

Telefonun tarafında iş tek bir radyoya da düşmez. iPhone 16’da yaklaşık on bir ayrı radyo var; beşi hücresel, kalanı Wi-Fi, Bluetooth, UWB, uydu, NFC ve GPS için. Hücresel bağlantı ayrıca tam çift yönlü çalışır. Veri gönderirken aynı anda karşı yönden veri alırsın.

Baz istasyonunun arkasında ne var?

Baz istasyonu tek başına bir ağ değil. Arkasında çekirdek ağ durur; bağlantılardan, router’lardan ve sunuculardan oluşur, hem cihazlara hem baz istasyonlarına hizmet verir. Bir operatörün mantıken tek bir çekirdek ağı, ona bağlı binlerce baz istasyonu var.

5G çekirdeğinin en görünür tasarım kararı düzlem ayrımı; adı CUPS (Control and User Plane Separation). Fikir 4G’nin son sürümlerinde başladı, 5G’de temel ilke oldu. Denetim düzlemi kimin bağlandığına ve hangi yolun kurulacağına karar verir. Kullanıcı düzlemi yalnızca paket taşır.

Paketi taşıyan işlevin adı Kullanıcı Düzlemi İşlevi (UPF). Cihazın her veri oturumuna bir UPF atanır ve o UPF cihazla internet arasında röle gibi çalışır. Politika uygulama, yasal dinleme, trafik kullanım ölçümü ve QoS denetimi orada oturur. Kotanı sayan yer orasıdır.

UPF ile baz istasyonu arasındaki interface’in adı N3. Trafik o interface’te tünellenir: cihazın IP datagramı önce kısa bir tünel başlığıyla sarılır, sonra bir UDP paketinin, o da bir başka IP paketinin içine girer. Encapsulation her katmanda bir başlık ekliyordu; tünel aynı işi bir kat fazlasıyla yapıyor. Kullanıcı düzlemi tünelinin adı GTP-U ve UDP’de 2152 numaralı portu kullanır. Tünellerin genel mantığını 48. bölümde açacağız.

Denetim düzlemindeki işlevlerin de adı var. Erişim ve Hareketlilik Yönetimi İşlevi (AMF) bağlantı, erişilebilirlik ve hareketlilik yönetimini, erişim yetkilendirmesini ve konum hizmetlerini üstlenir. Oturum Yönetimi İşlevi (SMF) her cihaz oturumunu yönetir; IP adresini de o tahsis eder. AUSF cihazları doğrular, UDM ise kullanıcı kimliğini ve kimlik doğrulama gizlerini üretip yönetir. Bu bölümlemenin tarifi 3GPP TS 23.501’de duruyor.

Kart seni nasıl tanıtıyor?

Kartın işi ad taşımak değil, sır taşımak. SIM kartı ya da telefona gömülü eSIM seni ve ev ağını dünyadaki bütün hücresel ağlara tanıtır. İçinde yalnızca ev ağının bildiği bir kriptografik anahtar vardır ve anahtar kartın dışına hiç çıkmaz; onunla yapılan hesap da kartın içindeki yongada yürür, telefonun işlemcisi bile anahtarı görmez. Ziyaret ettiğin ağda alacağın hizmet de ev ağındaki ücretli aboneliğine bağlıdır.

5G’de kimliğin havada açık gitmez. TS 33.501’e göre abonenin kalıcı kimliği SUPI’dir ve ev ağının açık anahtarıyla şifrelenip SUCI olarak taşınır. 4G’ye kadar kalıcı kimlik (IMSI) ilk bağlantıda açıkta gidebiliyordu; sahte baz istasyonu kurup çevredeki telefonların kimliğini toplayan IMSI catcher cihazları bu açığı kullanıyordu. Kartın fabrikadan gelen adını gizlemek için 23. bölümde adres rastgeleleştirme çıkmıştı; burada aynı sorun şifrelemeyle çözülüyor.

Yordamın adı 5G-AKA ve iki yönlü çalışır. Kayıt sırasında ziyaret edilen AMF, cihazın ev ağındaki AUSF’unu bulur ve oraya şifreli, doğrulanmış bir TLS tüneli açar. Oradaki UDM, kartın anahtarıyla bir kimlik doğrulama jetonu ve nonce üretip imzalar. Aynı anda cihazın üretmesi beklenen yanıtı önceden hesaplayıp saklar.

Cihaz da boş durmaz. Kartındaki paylaşılan gizle, jetonun gerçekten kendi ev ağından geldiğini doğrular. Doğrulama bittiğinde ev ağındaki AUSF bir anchor key (çapa anahtarı) üretip ziyaret edilen ağa gönderir; cihaz aynı anahtarı kendi başına hesaplar. Ziyaret edilen ağ kartın kendi anahtarını hiç görmez.

Wi-Fi parolası, 32. bölümdeki SAE el sıkışması sırasında ele verilmeden doğrulanıyordu. Hücresel ağda aynı işi kartın içindeki anahtar yapıyor.

Ağa katılmak iki aşamalı. Önce kayıt gelir, yani karşılıklı kimlik doğrulama. Sonra PDU oturumu kurulur: cihaza IP adresi tahsis edilir ve veri düzlemi yolu açılır.

İkisinden de önce bir taşıyıcı gerekir. Cihaz radyo bağlantısını, radyo kaynaklarını yöneten RRC (Radio Resource Control) protokolünün kurulum isteği ve yanıtıyla açar. Kimlik bilgisi henüz o adımda gitmez.

Telefonun hücreye tutunma sırasını baştan sona izleyelim:

Radyo zamanı kime bölüşülüyor?

Baz istasyonunun elindeki kaynak zaman ve frekanstan ibaret. 31. bölümde OFDMA kanalı bir zaman-frekans ızgarasına bölüyordu ve o ızgaranın en küçük dağıtım birimi kaynak bloğuydu. Hücresel ağda o bloğu dağıtan baz istasyonudur.

Ölçeği somut bir kanalda görmek daha kolay. 10 MHz’lik bir kanalda 50 kaynak bloğu vardır ve her blok 180 kHz’lik bir alt kanalı kaplar. Elli blok 9 MHz eder. Kalan 1 MHz iki kenarda koruma bandı olarak boş kalır; denetim kanalları ise bu 9 MHz’in içinde, her dilimin ilk sembollerinde taşınır.

Dağıtım kararı sürekli yenilenir. 4G’de baz istasyonu hangi bloğun hangi cihaza gideceğine 1 ms aralıklarla karar verir. Bu, saniyede 1.000 zamanlama kararı demek.

Blokların genişliği alt taşıyıcı aralığına bağlı. 4G’de o aralık 15 kHz’de sabittir. 5G’de 15, 30, 60 ve 120 kHz arasından seçilir; 30 kHz seçilirse bir blok 360 kHz’lik alt kanalı kaplar. Aralık büyüdükçe sembol kısalıyor ve karar sıklığı artıyor: 30 kHz’de her 0,5 ms’de, 120 kHz’de her 0,125 ms’de bir karar veriliyor. 5G’nin düşük gecikme iddiasının bir ayağı bu. Taşıyıcının kendi genişliğinin kuşakla nasıl büyüdüğünü 34. bölümde açacağım.

Tek taşıyıcı yetmediğinde taşıyıcılar birleştirilir. Taşıyıcı toplama 3GPP Release 10 ile LTE-Advanced’e girdi. En çok beş bileşen taşıyıcı toplanır, her biri en çok 20 MHz, toplamda 100 MHz. Sonraki sürümler bu sınırı büyüttü; Release 13 32 taşıyıcıya kadar izin verdi.

Dağıtımı cihaz da besliyor. Aldığı referans sinyalinin kalitesini ölçer ve baz istasyonuna 4 bitlik bir Kanal Kalite Göstergesi (CQI) değeri bildirir. O değer kullanılacak modülasyonu ve kodlama oranını, yani 31. bölümdeki MCS seçimini besler.

Kararı veren yazılım baz istasyonunun radyo yığınında oturur ve iş bölümü nettir. PDCP IP başlıklarını sıkıştırır ve şifreler. RLC frame’i parçalayıp ARQ ile güvenilir kılar. MAC tamponlar, çoklar ve o 1 ms’lik zamanlama kararını verir. Bugünkü baz istasyonları bu yığını üç parçaya bölüyor: Central Unit, Distributed Unit ve Radio Unit. O-RAN girişimi parçalar arasındaki interface’leri açık standart yaparak farklı üreticilerin parçalarını aynı istasyonda birleştirmeyi hedefliyor.

Standart yığının interface’lerini ve üst düzey işlevlerini sabitler. Kaynak bloğu atamasının ve frame zamanlamasının nasıl yapılacağını ise üreticiye ve operatöre bırakır. İki operatörün aynı bantta farklı hissettirmesinin sebebi orada.

Bağlantı ayakta kalırken ne oluyor?

Radyonun bedeli pilde ölçülür. LTE radyosu verici ya da alıcı konumdayken 1.000 mW ile 3.500 mW arasında çeker. Kapalıyken tüketim 15 mW’ın altına iner, yani açık durumun yüzde birinin civarına: 70 ile 230 kat daha az.

Bu fark uykuyu zorunlu kılar. Cihaz DRX (discontinuous reception) uykusundayken gelen trafik, geçerli DRX döngüsü bitene kadar baz istasyonunda tamponlanır. Uzun uyku enerji kazandırır, gecikme ekler. 2. bölümde kuyruk gecikmesi, paketin sırada beklediği süreydi. DRX o kuyruğu kasten uzatıyor. Pille yıllarca çalışması beklenen sensör düğümleri aynı ödünleşimi çok daha uç bir noktada yaşıyor; radyonun zamanın %99’unda kapalı kaldığı protokoller 76. bölümde.

Ters yönde de bir tuzak var. Son paketten sonra radyo birkaç saniye daha açık bekler, çünkü hemen ardından yeni bir paket gelme ihtimali yüksektir. Arka planda sık sık küçük paket gönderen bir uygulama radyoyu hiç uyutmaz; pili büyük bir indirmeden daha hızlı bitirebilir.

Bir de yürürken olan var. Bağlanma noktan değiştiğinde veri akışı kaynak baz istasyonundan hedefe geçiyor. Bu devrin adını ve kopmadan nasıl yürüdüğünü 35. bölümde açacağım.

Bağlandığın hücrenin künyesini kendi makinende görebilirsin. Linux’ta ModemManager kuruluysa mmcli -L takılı modemleri listeler, mmcli -m 0 ise kayıt durumunu, operatör adını ve sinyal kalitesini basar.

$ mmcli -m 0
  ...
  Status   |          state: connected
           |    power state: on
           |    access tech: lte
           | signal quality: 58% (recent)
  ...
  3GPP     |  operator name: ornek-operator
           |   registration: home

Son satırdaki home, kartın kendi ev ağında olduğunu söyler. Orada roaming yazsaydı anchor key’i üreten ağ ile seni taşıyan ağ farklı olurdu.

Özet

• Hücre bir plandır: dairesel ya da altıgen alanların her birinde bağımsız bir baz istasyonu durur ve o istasyon, kablosuz uçlarla kablolu ağ arasında paket taşıyan bir roldür.
• Çekirdek ağ işi ikiye böler: CUPS ile denetim düzlemi kimin bağlanacağına ve yolun nasıl kurulacağına karar verir, kullanıcı düzlemindeki UPF ise trafiği N3 üzerinden tünelleyip internete çıkarır.
• Kimliği kart taşır: karttaki anahtarın kopyası yalnızca ev ağında bulunur, kalıcı kimlik havada SUCI olarak şifreli gider ve ziyaret edilen ağ o anahtarı hiç görmez.
• Zaman kaynak bloğuyla dağıtılır: 180 kHz’lik bir blok 1 ms aralıklarla bir cihaza verilir; hangi bloğun kime gideceğine ise operatörün yazılımı karar verir.
• Uyku bir ödünleşimdir: radyo kapalıyken tüketim açık durumun yüzde birinin civarına iner, karşılığında gelen trafik baz istasyonunda bekler.

Hücre seni tanıdı, kartını doğruladı ve sana zaman dilimi ayırdı. Peki bütün bu trafik hangi frekansta gidiyor ve o frekansı kim dağıtıyor?