ÇEKİRDEK ŞEBEKELERDE 4G'DEN 5G'YE YOLCULUK

ÇEKİRDEK ŞEBEKELERDE 4G'DEN 5G'YE YOLCULUK

Kullandığımız telefon ve tabletlerin giderek daha geniş yazılım ve donanım kaynaklarına sahip olması ve daha yüksek veri hızlarına ihtiyaç duyması ile birlikte haberleşme sistemlerine olan ihtiyaç da gün geçtikçe artıyor. Kullanıcıların sürekli artan veri ihtiyacı, gecikme problemleri gibi faktörler mobil haberleşme sistemlerinin de sürekli gelişmesini gerektiriyor.

Mobil haberleşme sistemlerinde, yaklaşık her on yılda bir, daha güçlü bir haberleşme altyapısı (buna çekirdek şebeke de diyebiliriz) sunmak adına, sunulan altyapı üzerinde devrimsel nitelikte birtakım değişimler gerçekleşiyor.

Bulunduğumuz zaman itibarıyla da kullandığımız 4G (LTE) sistemleri yerini yavaş yavaş 5G sistemlere bırakıyor.

5G alanındaki hızlı çalışmalara ve gelişmelere rağmen, daha çok ticari sebepler dolayısıyla, 5G teknolojisi henüz tamamen bağımsız çalışabilecek durumda değil. Operatörlerin 4G teknolojisi için yaptıkları yüklü yatırımlar bu durumun temel sebebi. Dolayısıyla, hizmete alınan birçok 5G sistemi, mevcut 4G çekirdek şebeke altyapısını kullanarak hizmet veriyor.

Her ne kadar mevcut durum böyle olsa da, gelecekte 5G sistemlerinin ağırlıklı olarak 4G bileşenlerini içeren (non-standalone veya NSA) sistemlerden, 4G bileşenlerini içermeyen bağımsız (standalone veya SA) sistemlere geçmesi amaçlanıyor. 4G’den 5G’ye geçiş alternatifleri 3GPP tarafından “Option” (“Seçenek”) isimlendirmesi ile standart tanımlara oturtulmuştur. En kabul gören seçenekler aşağıdaki şekilde belirtilmiştir. Seçenek 1, içinde 5G bileşenleri olmayan bir 4G sistemini ifade ederken, Seçenek 3 hem 4G hem de 5G bileşenlerini içeren NSA mimariyi ifade etmekte, Seçenek 2 ise sadece 5G bileşenlerini içeren nihai mimariyi ifade etmektedir.

5G Çekirdek Altyapısı

4G ile beraber mobil haberleşme şebekelerinde devre anahtarlamalı yapıların devri tamamen kapanmış; haberleşme uçtan uca IP olarak gerçekleşmeye başlamıştı. 4G ile beraber gelen diğer bir devrimsel yenilik ise çekirdek şebekedeki bütün fonksiyonel birimlerin arasındaki haberleşmenin standart ve açık arayüzler ile sağlanması idi. Böylelikle operatörlerin birden çok üretici ile beraber çalışabilmesinin önü açılmış; bir başka deyişle çekirdek şebekedeki tedarikçi kilidi (vendor lock-in) olarak anılan üretici bağımlılığının önü alınmıştı.

5G çekirdek şebeke ile beraber gelen iki büyük yenilikten ilki Servis Tabanlı Mimariye (Service-Based Architecture – SBA) geçiş, ikincisi ise kontrol ve kullanıcı düzlemlerinin birbirinden tamamen ayrılması diyebiliriz. Bu noktada, SBA mimarisini birkaç cümle ile açıklamak faydalı olacaktır. SBA mimarisi, daha önceden tanımlanmış yeteneklere sahip ağ fonksiyonlarının (Network Function – NF), ortak bir arayüz üzerinden bilgi paylaşımını sağlayan bir yazılım mimarisidir. Her bir ağ fonksiyonunun görevi daha önceden tanımlanmıştır ve herhangi bir bilgiye ihtiyacı olduğu zaman, o bilgiden sorumlu ağ fonksiyonundan o bilgiyi talep edebilmektedir. SBA mimarisi, belirli yeni arabirimler sunmadan diğer bileşenlere bağlanmayı mümkün kıldığından, geliştirilecek yeni hizmetler için çok daha esnek bir altyapı sağlar. Mevcutta kullanılan 4G sistemlerinde ise sistemde bulunan her bir düğüm (node), daha önceden tanımlanmış yetenek setlerine ve arayüzlere sahiptir, tüm arayüzler ve mesajlaşmalar katı kurallarla belirlenmiş olup daha kapalı bir altyapı sunar.

SBA mimarisi haberleşme sistemlerine her ne kadar 5G ile beraber sirayet etmiş olsa da kapsamlı yazılım projelerinde çok daha uzun zamandır kullanılmaktaydı. Esasında 5G ile beraber mobil haberleşme sistemlerinin çekirdek şebeke altyapısı da tamamen bir kapsamlı yazılım projesine dönüştü diyebiliriz. Dünya genelinde, köklü ve büyük mobil şebeke operatörlerinin, 5G çekirdek şebekeleri için sistem odası kurmaktan vazgeçip bu hizmeti bulut servisi sağlayan Amazon, Microsoft gibi firmalara havale edecek olması da bunun en büyük kanıtı olsa gerek.

Başka bir deyişle, bulut bilişim ve bilgi teknolojileri hizmeti veren büyük küresel firmaların geçtiğimiz on yıl içinde elektronik ticaret ve sosyal medya alanında gördüğümüz tekelleşmeye varan büyüme sürecine, mobil haberleşme alanını da katmasına ramak kaldı desek pek de abartılı bir ifade kullanmış olmayız. 

Önemli bileşenlerin görevlerinden kısaca bahsetmek gerekirse:

• Erişim ve mobilite yönetimi fonksiyonu (AMF – Access and Mobility Management Function), sistemi kullanacak kullanıcı ekipmanları (UE – User Equipment) için tek giriş noktası görevini görür.

• UE tarafından talep edilen hizmete bağlı olarak AMF, kullanıcı oturumunu yönetmek için ilgili Oturum Yönetimi Fonksiyonunu (SMF – Session Management Function) seçer.

• Kullanıcı Düzlemi Fonksiyonu (UPF – User Plane Function), IP veri trafiğini UE ve harici ağlar arasında taşır.

• Kimlik Doğrulama Sunucusu (AUSF – Authentication Server Function), UE’nin kimliğinin doğrulanması ve 5G çekirdeğinin hizmetlerine erişmesini sağlar.

Kullanıcılara hitap eden kısmına bakacak olursak, 5G sistemi, kendinden önceki nesillere göre büyük yeniliklere sahiptir:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband – Gelişmiş Mobil Genişbant): eMBB teknolojisi hem 5G, hem de 4G sistemlerinde orta düzeyde gecikme iyileştirmeleriyle birlikte daha fazla veri bant genişliği sağlamaya odaklanmıştır.

• mMTC (massive Machine Type Communications – Yoğun Makine Tipi İletişim): mMTC, ağı aşırı yüklemeden milyarlarca cihazın etkili ve istikrarlı bağlantısını hedefler.

• URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication – Ultra Güvenilir Düşük Gecikmeli İletişim): URLLC hizmeti, çok yüksek güvenilirlik ve son derece düşük gecikme süresi gerektiren kullanım senaryolarını desteklemeyi mümkün kılar.

Yukarıda belirtilen özelliklerin sağlanabilmesi için bazı mümkün kılıcı teknolojiler, bazı yeni geliştirmeler ve altyapı değişiklikleri gerekmekte. Bu yazıda ilgili değişikliklerden iki tanesine yer verilmekte.

5G Ağ Dilimlemesi (Network Slicing)

5G ağ dilimlemesi, tek bir ağda bulunan farklı trafik türlerine farklı miktarlarda ve farklı özellikte kaynak sağlamak için mevcut altyapıyı birden çok farklı sanal alt bağlantıya bölerek kaynakların çok daha etkili kullanılmasını amaçlayan bir mekanizma olarak dikkat çekmekte. 3GPP, ağ dilimlemeyi 5G’nin temel özelliklerinden biri olarak görmekte ve üzerinde ciddi şekilde çalışmaktadır.

Ağ dilimlemesi kavramını daha iyi anlayabilmek için belirli kavramlar hakkında bilgi sahibi olmak gerekmekte. Bu kavramlarla ilgili olarak 5G standartlarında geniş açıklamalar ve tanımlamalar mevcut. 3GPP TS 23.501 dokümanı, ağ dilimlemesi ile ilgili kavramlardan olan; Ağ Fonksiyonu (Network Function), Dilim (Slice) ve Dilim Örneği (Slice Instance) kavramlarını aşağıdaki gibi tanımlar:

• Ağ Fonksiyonu (Network Function): 3GPP tarafından kabul edilmiş arayüzlere ve tanımlanan yeteneklere sahip fonksiyonlar (5G çekirdek ağında bulunan SMF, AMF gibi birimleri örnek olarak verebiliriz).

• Ağ Dilimi (Network Slice): Belirli yetenek kümesine sahip mantıksal ağ birimi.

• Dilim Örneği (Slice Instance): Vereceği servis türüne göre üzerinde farklı ağ fonksiyonları ve gerekli kaynaklar bulunan bir mantıksal ağ kümesi. 

Bir ağ dilimi, dinamik olarak oluşturulabilen uçtan uca mantıksal bir ağ olarak görülür. Belirli bir Kullanıcı Ekipmanı (UE), aynı Erişim Ağı üzerinden (örneğin aynı radyo arayüzü üzerinden) birden çok ağ dilimine erişebilir ve hizmet alabilir. Her ağ dilimi, mobil şebeke operatörü tarafından daha öncesinde tanımlanmış olan Hizmet Düzeyi Sözleşmesi (Service-level Agreement – SLA) ile belirli bir amaca hitap eder. Bu amaç kimi zaman düşük gecikme, kimi zaman yüksek bant genişliği kimi zaman da hacimli kullanıcı sayısı olabilmektedir.

5G çekirdek şebeke tarafında, ağ dilimleme için belirli mekanizmalar tanımlanmıştır. Bir ağ diliminin tanımlanması, Tek Ağ Dilim Seçimi Yardım Bilgisi (Slice Selection Assistance Information – S-NSSAI) parametresi kullanılarak yapılır. S-NSSAI parametresi, bir ağ diliminin özel olarak tanımlanabilmesi için kullanılmaktadır. S-NSSAI, Dilim/Hizmet Türü (Service/Slice Type – SST) ve isteğe bağlı bir Dilim Farklılaştırıcı (Slice Differentiator – SD) olarak tanımlanan iki farklı bileşen içerir. SST kavramı, ağ dilimlerini özellikleri ve verdikleri hizmetler açısından sınıflandırırken, SD birimi aynı özellik ve hizmet kümesine sahip ağ dilimlerini sınıflandırmamızı sağlar.

3GPP TS 23.501 dokümanında ağ dilimleri SST değerlerine göre sınıflandırılmıştır. Yan sayfadaki tabloda verilen SST değerleri, en yaygın olarak kullanılan SST değerlerini yansıtmakta olup küresel çalışabilirliğe yardımcı olması amacıyla tanımlanmıştır.

5G ağ dilimlemesinin çekirdek şebekeye yansımasına temel olarak bakacak olursak, UE’ye hizmet eden Erişim ve Mobilite Yönetim Fonksiyonu (Access and Mobility Management Function – AMF) birimi, UE’ye hizmet eden tüm ağ dilim örnekleri içi ortak olmak durumundadır. Oturum Yönetimi İşlevi (Session Management Function - SMF) veya Kullanıcı Düzlemi İşlevi (User Plane Function - UPF) gibi diğer ağ işlevleri, her Ağ Dilimine özel olabilmektedir.

5G altyapısına sahip mobil operatörler, karmaşık ağ dilimleme görevini gerçekleştirmek ve dilimleri yönetmek için orkestrasyon yazılımlarından faydalanmaktadır. Orkestrasyon yazılımlarının temel amaçları, hizmet alınan 5G sistemini izlemek ve yönetmektir. Orkestrasyon yazılımları sayesinde bahsi geçen ağ dilimleri istenen amaçta ve yoğunlukta tanımlanabilmektedir. Ayrıca ilgili yazılımlar sayesinde sistem üzerinde sürekli bir kontrol sağlanmakta olup, olabilecek herhangi bir negatif durumda anında müdahalede edilmesi sağlanmaktadır. Orkestrasyon yazılımları sayesinde 5G sistemleri, oldukça kolay ve efektif bir şekilde kontrol edilebilmektedir. Bahsi geçen orkestrasyon araçları amaca yönelik düzenleme, otomasyon ve optimizasyon imkânları sunmaktadır. Bu tür araçlar, operatörlerin ağ dilimlerini ve SLA metriklerinin durumunu izlemesine de olanak tanımaktadır. Ek olarak, operatörlere herhangi bir alarm veya durum değişikliğini hızlı bir şekilde ele alma yeteneği de sağlamaktadır.

Önümüzdeki yıllarda, bilhassa sanallaştırma teknolojisi ve orkestrasyon araçları sayesinde, 5G mobil operatörleri oldukça dinamik ve etkili bir haberleşme hizmeti sağlayabilecek.

Uç Bilişim (Edge Computing)

Bulut Bilişim (Cloud Computing) kavramı on yıldan fazla bir zamandır teknolojinin ve hatta hayatımızın içinde. Günümüzde akıllı cihazlarımızda kullandığımız uygulamaların tamamı, bulut platformları üzerinden hizmet veriyor. Hatta haberleşme, üretim, satış, lojistik gibi alanlarda faaliyet gösteren birçok firma kendi bulut platformu üzerinden hizmetlerini yürütüyor. Birçoğumuz akıllı cihazlarımız üzerindeki kıymetli kişisel verilerimizi dahi Google, Apple, Turkcell gibi firmaların bulut servislerini kullanarak yedekliyoruz. Farkında olsak da olmasak da günümüzde bulut bilişim kavramı hayatımızın içinde değil tam ortasında diyebiliriz.

5G öncesi için merkezi bulut kavramından bahsederken, 5G ve sonrasında ise uç bulut (edge cloud) kavramından bahsetmeye başlayacağız. Bu kavramı mümkün kılan teknolojik devrimden biraz daha bahsetmekte fayda var.

5G öncesinde telefonlarımızın internete erişimleri, operatörlerin merkezi çekirdek şebeke noktalarından olabiliyordu. Örneğin, telefonumuzdan bir e-posta göndermek istediğimizde bu e-postaya ait veri paketleri; telefon, baz istasyonu, merkezi çekirdek şebeke, internet, mail sunucusu hattını takip ediyordu. Türkiye için düşünecek olursak, operatörlerin merkezi çekirdek şebekeleri Ankara, İstanbul gibi büyükşehirlerde yer almakta. Dolayısıyla operatör şebekesinin internete çıkış sağladığı noktalar da sadece ve mecburen büyükşehirler olabilmekte. 5G sonrasında ise dağıtık çekirdek şebeke yapısı sayesinde baz istasyonu konumunda veya baz istasyonlarının birbiri ile bağlandığı bir düğüm noktasında internete çıkış verilebilecek.

Yukarıdaki örnek ile devam edecek olursak, e-posta sunucumuza erişmek için Ankara veya İstanbul gibi merkezi bir noktaya gelmeden; Erzincan’dan da internete çıkarak e-postamızı yurt içindeki veya yurt dışındaki e-posta sunucumuza aktarabileceğiz. Bunu mümkün kılan, 5G Çekirdek şebekenin UPF bileşeninin sanal platformlar üzerinde ve şebekenin uç noktasında çalıştırılabilmesi olacak. UPF bileşeninin şebekenin uç noktasında çalıştırılabilmesi ile kullanıcı istekleri merkeze gitmeye gerek kalmadan işlenebilecek ve sonuç olarak gecikme konusunda büyük avantajlar sağlanabilecek.

İnternete erişim yolunun kısalması ile beraber, merkezi bulutların da dağıtık hale gelmesinin önü açılmış oluyor. Her ne kadar herhangi bir e-posta gönderiminin yukarıda bahsettiğimiz kısa yoldan internete erişim avantajına pek ihtiyacı olmasa da gecikmeye hassas ve yüksek kapasite gerektiren bazı senaryoları düşündüğümüzde uç bulutları ve dolayısıyla uç bilişimi mümkün kılacak olan bu teknolojik devrim çok daha anlamlı oluyor. Otomasyon ile çalışan fabrikalar ve üretim hatları, otomasyon ile çalışan lojistik merkezleri ve V2X uygulamaları mevcut şartlarda uç bilişim teknolojisinden faydalanabilecek alanların başında geliyor.

Uç bilişim teknolojisinin kullanım alanlarında pratik hayattan örnek vermek için Samsung firmasının Kore’deki akıllı fabrika yapılanmasından bahsedebiliriz. Samsung, Korea Telecom (KT) firması ile iş birliği yaparak Kore’deki merkez yerleşkesine uçtan uca kapalı bir 5G altyapısı konumlandırdı. Konumlandırılan bu altyapı, verilerin fabrika dışına çıkmadan kullanılabilmesini ve çok düşük gecikmelerle anlık verinin işlenebilmesini sağladı. 5G ağının sunduğu çok düşük gecikme ve AI (Artifical Intelligence – Yapay Zekâ) unsurları sayesinde, mevcut durumda yüzde 70 oranında otomasyona sahip olan fabrikanın üretim sürecindeki verimi oldukça artırılmış oldu. Verim artışını somutlaştırmak için birkaç örnek verilebilir:

• Üretilen her ürün, üretim aşamasının başından sonuna kadar sensörler yardımı ile monitör ediliyor, sensörlerin elde ettiği veriler sayesinde üretimde herhangi bir problem olup olmadığı 5G ağı üzerinden çok düşük gecikmelerle takip edilebiliyor.

• Üretim için ideal koşulların kontrolü için fabrika içerisinde konumlandırılmış sensörler sayesinde sıcaklık, nem gibi çevresel faktörler düzenli olarak izleniyor. Normal dışı olarak nitelendirilebilecek herhangi bir durumda hızlıca önlem alınarak istenen çevresel faktörlerin devamlılığı sağlanabiliyor. Fabrikada konuşlandırılmış binlerce sensörün ürettiği veri, 5G altyapısı sayesinde kesintisiz ve gecikmesiz bir şekilde verinin işlendiği noktalara iletilebiliyor. Bunu yazımızın başlarında da belirttiğimiz, mMTC özelliğine bir örnek gösterebiliriz.

• Üretim sürecine ek olarak, fabrika içerisinde ürünler manuel olarak taşınmak yerine, AGV (Automatic Guided Vehicles – Otomatik Güdümlü Araçlar) aracılığı ile taşınıyor. Bu araçlar, hammaddenin belirli lokasyonlara getirilmesinden, ürünlerin taşınmasına kadar geniş bir yelpazede hizmet veriyor. Bu araçların kullanımı ve kontrol edilmesi için gerekli olan düşük gecikmeli altyapı da yine uRLLC özelliğine sahip olan 5G altyapısı ile mümkün hale geliyor.

Bu noktada akıllara şu soru gelebilir. Yukarıda bahsi geçen örnek için gerçekten bir 5G altyapısına gerek var mı? Verilen örnekte 5G altyapısı yerine kapalı bir ağ üzerinden de pek tabii veri taşınması ve işlenmesi yapılabilir. Ancak 5G’yi burada özel kılan birkaç sebep var. Öncelikle uç bulut sayesinde baz istasyonlarına konumlandırdığımız UPF birimleri, veriyi herhangi bir merkeze taşımadan doğrudan internete ilettiği için, elde ettiğimiz yüksek hız & düşük gecikme avantajı bu konuda 5G tarafının elini oldukça güçlendiriyor. Ayrıca 5G altyapısının sunduğu otomasyon ve ağ dilimleme yetenekleri sayesinde, sistemin herhangi bir katmanında veya herhangi bir bileşeninde oluşabilecek işlevsiz hale gelme senaryolarında, sistemin tekrar sağlıklı çalışır hale gelmesi de oldukça kolay ve hızlı oluyor. Bu sebeple hem 5G hem de uç bulut ve uç bilişim teknolojileri yakın gelecekte çok daha yaygınlaşacak ve gündemimizde olacak gibi görünüyor.