Bölüm 30: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 ve onlarca Mbit/s mertebesinde hız verir.

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. Sahada en yaygın seçim yedi.

Küme büyüdükçe aynı frekansı kullanan iki hücre birbirinden uzaklaşıyor. Yedi hücrelik bir kümede o uzaklık, hücrenin yarıçapının kabaca dört buçuk katı oluyor — yani bir frekansı yeniden kullanabilmek için dört beş hücre ötesine gitmek gerekiyor.

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; her panel kendi frekans grubunu kullanır ve tek bir kule üç ayrı hücre gibi davranır. Buna sektörleme deniyor. Bir kulede üç panelin farklı yönlere baktığını gördüysen, o üç panel kapasiteyi üçe katlayan tasarımın kendisi.

Talep yine de aşarsa üçüncü hamle var: hücreyi ikiye 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 bağ katmanı hizmetidir. Cihaz ile daha büyük ağ arasındaki ilk sıçrama orasıdır.

3GPP’nin adlandırması sabit ve bu bölümde onu kullanacağım. Cihaz User Equipment (UE), radyo kanalı New Radio (NR), baz istasyonu gNodeB (gNB).

Telefonun tarafında iş tek bir radyoya da düşmez. Bir telefonda yaklaşık on bir ayrı radyo bulunur; beşi hücreseldir, kalanı Wi-Fi, Bluetooth, UWB, uydu, NFC ve GPS içindir. 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, yönlendiricilerden ve sunuculardan oluşur, hem cihazlara hem baz istasyonlarına hizmet verir. Sayı ilişkisi de tek yönlü işliyor: çekirdek ağ tek, RAN ise çok sayıda.

5G çekirdeğinin en görünür tasarım kararı düzlem ayrımı; adı CUPS. Denetim düzlemi kimin bağlandığına ve hangi yolun kurulacağına karar verir. Kullanıcı düzlemi yalnızca paket taşır.

Paketi taşıyan işlevin adı Kullanıcı Düzlemi İşlevi (UPF). Her cihaza 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 arayüzün adı N3. Trafik o arayüzde tünellenir: IP datagramı bir UDP paketinin içine girer, o paket de bir başka IP paketinin içine. Kapsülleme her katmanda bir başlık ekliyordu; tünel aynı işi bir kat fazlasıyla yapıyor. Kullanıcı düzlemi tünelinin adı GTP-U.

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 sanal SIM seni ve ev ağını dünyadaki bütün hücresel ağlara tanıtır. İçinde yalnızca ev ağının bildiği bir kriptografik anahtar vardır. Ziyaret ettiğin ağda alacağın hizmet de ev ağındaki ücretli aboneliğine bağlıdır.

Kimliğin havada açık gitmez. TS 33.501’e göre abonenin kalıcı kimliği SUPI’dir ve ev ağının açık anahtarıyla şifrelenip SUCI olarak taşınır. Kartın fabrikadan gelen adını gizlemek için 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, 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 bir RRC connection setup 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. 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 koruma bandına ve denetim taşımasına gider.

Dağıtım kararı sürekli yenilenir. 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. Taşıyıcının kendi genişliğinin kuşakla nasıl büyüdüğünü bir sonraki durakta 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.

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 beklenen verimi belirler.

Kararı veren yazılım baz istasyonunun radyo yığınında oturur ve iş bölümü nettir. PDCP IP başlıklarını sıkıştırır ve şifreler. RLC çerçeveyi parçalayıp ARQ ile güvenilir kılar. MAC tamponlar, çoklar ve o 1 ms’lik zamanlama kararını verir. O-RAN yaklaşımı bu yığını üç parçaya böler: Central Unit, Distributed Unit ve Radio Unit.

Standart yığının arayüzlerini ve üst düzey işlevlerini sabitler. Kaynak bloğu atamasının ve çerçeve zamanlamasının nasıl yapılacağını ise 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 1000 mW ile 3500 mW arasında çeker. Kapalıyken tüketim 15 mW’ın altına iner, yani açık durumun %1 ile %2 arasına.

Bu fark uykuyu zorunlu kılar. Cihaz DRX uykusundayken gelen trafik, geçerli DRX döngüsü bitene kadar baz istasyonunda tamponlanır. Uzun uyku enerji kazandırır, gecikme ekler. Kuyruk gecikmesi, paketin sırada beklediği süreydi. DRX o kuyruğu kasten uzatıyor.

Bir de yürürken olan var. Bağlanma noktan değiştiğinde veri akışı kaynak baz istasyonundan hedefe geçiyor. Bu devrin adını ve kopmadan nasıl yürüdüğünü iki durak sonra 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
           | 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

Peki, ne öğrendik?

• 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 biri ile ikisi arasına 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?