Bağlantı Boşluğunu Kapatmak: 5G Yer-Dışı Ağların Teknik Evrimi

Evrensel kablosuz kapsama alanındaki uzun süreli zorluk, mühendislerin uydu takımyıldızlarını doğrudan 5G ekosistemine entegre etmek için çalışmasıyla bir çözüme yaklaşıyor. Telekomünikasyon sektörü, yer tabanlı kulelerin ötesine geçerek birleşik bir Karasal Olmayan Ağa (NTN) dönüşerek, gezegenin en uzak bölgelerinde bile "ölü bölgeleri" ortadan kaldırmayı hedefliyor. Padova Üniversitesi ve Toyota Motor North America'dan bir araştırmacı ekibi tarafından kaleme alınan "5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design" (5G NR Karasal Olmayan Ağlar: Tam Yığın Protokol Tasarımı İçin Açık Zorluklar) başlıklı kapsamlı çalışma, bu vizyonu gerçeğe dönüştürmek için gereken kritik mimari değişimlerin ana hatlarını çiziyor. 5. nesil (5G) ağlar evrilmeye devam ederken araştırma, Karasal Ağların (TN) ve NTN'lerin entegrasyonunun küresel bağlantıdaki bir sonraki büyük sınırı temsil ettiğini ve hücresel kuleler ile yörüngedeki uydular arasında kesintisiz bir geçiş vaat ettiğini vurguluyor.

Karasal Olmayan Ağların (NTN) Yükselişi

Karasal Olmayan Ağlar kavramı; Alçak Dünya Yörüngesi (LEO) uyduları, stratosferdeki balonlar veya zeplinler gibi Yüksek İrtifa Platformları (HAP'lar) ve İnsansız Hava Araçları (İHA'lar) dahil olmak üzere Dünya yüzeyinin üzerinde konumlanmış çeşitli platformları kapsar. Geleneksel uydu interneti onlarca yıldır var olsa da, büyük ölçüde tescilli ve izole bir teknolojiydi. 3rd Generation Partnership Project (3GPP) liderliğindeki mevcut evrim, bu platformları 5G New Radio (NR) çerçevesi içinde standartlaştırmayı amaçlıyor. Bu entegrasyon üç temel amaca hizmet etmek üzere tasarlanmıştır: kablosuz kapsama alanını yetersiz hizmet alan kırsal ve uzak bölgelere genişletmek, doğal afetler sırasında acil durum iletişimleri için dayanıklı yedekleme sağlamak ve karasal altyapının sınırlarına dayandığı yoğun nüfuslu kentsel ortamlardaki trafiği hafifletmek.

Padova Üniversitesi'nden Francesco Rossato, Mattia Figaro ve Alessandro Traspadini liderliğindeki araştırma ekibine göre, LEO uyduları bu ağlar için özellikle ilgi çekicidir. 500 ile 2.000 kilometre arasındaki irtifalarda çalışan LEO takımyıldızları, 35.786 kilometre gibi çok daha yüksekte bulunan geleneksel Yer Sabit (GEO) uydularından önemli ölçüde daha düşük gecikme süresi sunar. Bu yakınlık, geniş bant hızında internet sunulmasına olanak tanır ve otonom araç navigasyonundan çevresel izleme ve akıllı şebeke yönetimine kadar geniş bir modern uygulama yelpazesini destekler. Çalışma, LEO uydularının geniş alan bağlantısı sağlamasına rağmen, hızlı yörünge hareketlerinin karasal 5G'nin başlangıçta ele almak üzere tasarlanmadığı benzersiz bir teknik karmaşıklık seti getirdiğini vurguluyor.

Tam Yığın Protokol Tasarımındaki Teknik Engeller

Yer tabanlı kulelerden uzay tabanlı baz istasyonlarına geçiş, Fiziksel (PHY) katmandan Taşıma katmanına kadar "tam yığın" protokol tasarımının temelden yeniden düşünülmesini gerektiriyor. Araştırmacılar tarafından belirlenen en önemli engellerden biri yol kaybıdır. Atmosfer boyunca seyahat eden sinyaller; yağmur, bulutlar ve iyonosferik sintilasyonun neden olduğu şiddetli zayıflamaya maruz kalır. Dahası, uydular yerdeki kullanıcılara göre muazzam hızlarda hareket ettikleri için, cihaz ile ağ arasındaki senkronizasyonu bozabilecek frekans değişiklikleri olan önemli Doppler kaymaları yaratırlar. Bu kaymalar hassas bir şekilde telafi edilmezse bağlantı istikrarsızlaşır veya tamamen kesilir.

Orta Erişim Kontrolü (MAC) katmanındaki temel zorluk mesafedir. Işık hızında bile, bir uyduya yayılma gecikmesi, yakındaki bir hücre kulesine olan gecikmeden çok daha fazladır. Bu gecikme; kanal tahmini, kaynak tahsisi ve planlama gibi kritik prosedürleri karmaşıklaştırır. Örneğin, geleneksel 5G ağları, veri hatalarını işlemek için Hibrit Otomatik Tekrar İstekleri (HARQ) adı verilen bir işlem kullanır. Karasal bir ortamda, yeniden iletim için "bekleme süresi" milisaniyelerdir; bir uydu ağında ise bu gecikme tüm veri akışını durdurabilir. Araştırmacılar, kaynakların nasıl yönetildiği ve uydular arası devirlerin (handover) nasıl gerçekleştirildiği konusunda önemli değişiklikler yapılmazsa, ağın devasa darboğazlardan ve azalan veri verimliliğinden muzdarip olacağını savunuyor.

3GPP Standardizasyonu ve 5G NR-NTN

Birleşik bir ağa giden yol, 3GPP standardizasyon süreciyle resmileşiyor. Araştırmacılar, doğrudan uydudan telefona iletişimin ilk spesifikasyonlarını sunan Sürüm 17'den (Release 17), Sürüm 20 gibi gelecekteki sürümlere doğru olan yolculuğu detaylandırıyor. Mevcut standartlardaki temel bir varsayım, uydunun yerdeki bir ağ geçidi ile kullanıcının cihazı arasındaki sinyalleri basitçe güçlendirip ileten bir "yansıtıcı" (bentpipe) röle görevi gördüğü "şeffaf" yük modelidir. Bununla birlikte, teknoloji olgunlaştıkça, uydunun kendisinin yerleşik işleme gerçekleştirdiği ve etkili bir şekilde yörüngede bir baz istasyonu (gNB) görevi gördüğü "rejeneratif" yüklere doğru bir eğilim söz konusudur.

Padova Üniversitesi'nden Michele Zorzi ve Marco Giordani ile Toyota Motor North America'dan Takayuki Shimizu gibi uzmanların yer aldığı araştırma ekibi, teorilerini doğrulamak için ns-3 ayrık olay simülatörünü kullanarak kapsamlı uçtan uca simülasyonlar gerçekleştirdi. Kavramsal düzeyde kalan mevcut literatürün çoğunun aksine bu çalışma, belirli ayarların ağ performansını nasıl etkilediğine dair sayısal kanıtlar sağladı. Simülasyonları, Zaman Bölmeli Çoğullamada (TDD) Koruma Aralıklarının (GP) kritik önemini gösterdi ve büyük uydu hücrelerindeki diferansiyel gecikmelerin, kullanıcı deneyimini bozan zamanlama uyumsuzluklarına nasıl yol açabileceğini kanıtladı. Bu ampirik yaklaşım, 5G NR-NTN ekosistemi için standartları iyileştirmeye çalışan 3GPP için hayati önem taşıyor.

Detaylı Bulgular: Yeniden İletimler ve Taşıma Gecikmesi

Araştırmacıların ns-3 simülasyon ortamındaki bulguları, veri yeniden iletimlerini yöneten mekanizmalar olan HARQ süreçlerinin sayısının uydu ağları için önemli ölçüde artırılması gerektiğini ortaya koydu. Standart karasal 5G'de birkaç süreç yeterliyken, NTN bağlamında uzun gidiş-dönüş süresi (RTT), veri bağlantısını aktif tutmak için çok daha fazla sürecin paralel olarak çalışması gerektiği anlamına gelir. Bu ayarlama yapılmazsa, verici zamanının çoğunu yeni veri göndermek yerine onay bekleyerek geçirir. Ek olarak çalışma, MAC katmanının uzun gecikmelere ayak uyduramamasının, üst seviye İletim Kontrol Protokolü'nün (TCP) iletim hızını büyük ölçüde düşürmesine ve bağlantı hızını daha da felç etmesine neden olan bir "duraklama" etkisini vurguladı.

Ekip ayrıca büyük hücre boyutlarının etkisini de inceledi. Tek bir uydu huzmesi yüzlerce kilometrekareyi kapsayabilir, bu da huzmenin merkezindeki kullanıcıların kenardakilerden farklı yayılma süreleri yaşamasına neden olan "diferansiyel gecikmeye" yol açar. Simülasyon sonuçları, farklı kullanıcılardan gelen sinyallerin uyduya ulaştıklarında çakışmamasını sağlamak için ağın gelişmiş zamanlama ilerletme (timing advance) mekanizmaları uygulaması gerektiğini gösterdi. Bu bulgular, yörünge dinamiklerine ve karasal olmayan iletişimdeki muazzam mesafelere dinamik olarak uyum sağlayabilen "uydu duyarlı" bir protokol yığınının gerekliliğini vurguluyor.

Ticari Etkiler: Starlink ve Standartlaştırılmış 5G'ye Geçiş

NTN'ler için ticari ortam, şu anda halihazırda "doğrudan hücreye" teknolojisini dağıtmaya başlayan SpaceX’in Starlink'i gibi büyük uydu sağlayıcılarının hakimiyetindedir. Ancak mevcut birçok uydu hizmeti tescilli donanım ve yazılımlara dayanmaktadır. Rossato ve arkadaşlarının araştırması, sektörde büyük bir değişikliğe işaret ediyor: bu kapalı, tescilli sistemlerden standartlaştırılmış 5G donanımına geçiş. Bu geçiş, standart tüketici akıllı telefonlarının özel antenlere veya çiplere ihtiyaç duymadan uydulara bağlanmasına olanak tanıyacak; bu da uydu bağlantısını sıradanlaştıracak ve standart hücresel planlara entegre edecek bir gelişmedir.

Bunun sonuçları sadece 5G için değil, yaklaşan 6G dönemi için de derindir. Sektör, şimdi standartlaştırılmış bir NTN temeli oluşturarak, karasal kulelerin, dronların ve uyduların koordineli bir ağ içinde çalıştığı gerçek bir 3D ağ mimarisine zemin hazırlıyor. Bu araştırmada yer alan Toyota gibi büyük otomotiv oyuncuları, bunu özellikle bağlı araç güvenliği için ilgi çekici buluyor. Teorik olarak, uzak bir dağ geçidinden geçen bir araç, kaybolan bir karasal sinyalden uydu sinyaline o kadar sorunsuz geçmelidir ki, yüksek çözünürlüklü bir navigasyon haritası veya bir acil durum çağrısı kesintiye uğramadan devam etmelidir.

Sırada Ne Var: Küresel Bağlantının Geleceği

Geleceğe bakıldığında, araştırma ekibi telekomünikasyonun önümüzdeki on yılını belirleyecek birkaç "açık soruya" işaret ediyor. Gelecekteki standartlaştırma faaliyetleri, özellikle verilerin bir yer istasyonuna gönderilmeden önce uzayda bir uydudan diğerine aktarıldığı Uydular Arası Bağlantılar (ISL) için daha karmaşık yönlendirme senaryolarını ele almalıdır. Dahası, Yapay Zeka (AI) ve Makine Öğrenmesinin (ML) protokol yığınına entegrasyonu, bir kullanıcının ne zaman bir uyduyla görüş hattını kaybedeceğini tahmin eden ve bağlantıyı proaktif olarak takımyıldızdaki bir sonrakine geçiren öngörülü devir yönetimine olanak tanıyabilir.

Yaygın benimseme takvimi hızlanıyor. 3GPP Sürüm 17 ve 18'de ortaya konan temel çalışmalar ve Padova Üniversitesi ile Toyota arasındaki akademik-endüstri ortaklığı tarafından sağlanan titiz simülasyon verileriyle, "Sinyal Yok"tan "Her Zaman Bağlı"ya geçiş artık bir olasılık değil, bir zaman meselesidir. Makalenin (şu anda yayınlanmak üzere IEEE'ye sunulmuştur) önerdiği gibi, 5G NR-NTN'nin evrimi sadece hücresel teknolojideki kademeli bir güncelleme değil, internetin sınırlarının radikal bir genişlemesidir ve gökyüzünü küresel dijital altyapının bir sonraki büyük katmanına dönüştürmektedir.

• Ana Yazarlar: Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (Padova Üniversitesi); Takayuki Shimizu (Toyota Motor North America).
• Kurumsal Destek: Padova Üniversitesi, İtalya; Toyota Motor North America Inc., ABD; Avrupa Birliği Ulusal Kurtarma ve Dayanıklılık Planı (NRRP).
• Temel Metodoloji: ns-3 ayrık olay simülatörü kullanılarak uçtan uca sistem düzeyinde simülasyonlar.
• Yayın Durumu: Yayınlanmak üzere IEEE'ye sunuldu (arXiv:2601.14883v1).