Хэндовер

В американском английском используется термин «handoff», который распространён, в частности, в американских организациях, таких как 3GPP2, и в технологиях американского происхождения, например в CDMA2000. В британском английском более употребителен термин «handover»; его используют международные и европейские организации, включая ITU-T, IETF, ETSI и 3GPP, а также в стандартах европейского происхождения, например в GSM и UMTS. Термин «handover» преобладает в научных публикациях и литературе, тогда как «handoff» несколько чаще встречается в стандартах IEEE и ANSI.

В телекоммуникациях существует несколько причин для проведения хэндовера:^[1]

• когда абонент перемещается из зоны покрытия одной соты в зону другой, чтобы не допустить разрыва вызова по выходу телефона из зоны действия предыдущей соты;
• когда в текущей соте исчерпана ёмкость для новых вызовов, и активный или новый вызов абонента, находящегося в области пересечения зон действия сот, переводится в другую соту с целью освобождения ресурсов для пользователей, которые могут обслуживаться только этой сотой;
• в неCDMA-сетях, когда канал, используемый телефоном, подвергается интерференции из-за применения того же канала в другой соте: вызов переводится на другой канал или в другую соту во избежание помех;
• опять же в не-CDMA-сетях при изменении модели поведения пользователя, например, если быстро движущийся абонент замедляется или останавливается, вызов может быть переведён в меньшую макро- или микросоту для экономии ресурсов основной соты и снижения помех другим сотам; при ускорении пользователя возможно обратное переключение;
• в CDMA-сетях хэндовер может инициироваться для снижения помех соседней малой соте из-за «near–far effect», даже если связь с исходной сотой остаётся отличной.

Основная форма хэндовера — перевод активного вызова сотового телефона из текущей соты в новую соту^[1]. В наземных сетях источник и цель хэндовера могут находиться как на разных базовых станциях, так и на одной. Если источник и цель — разные соты, такой хэндовер называется межсотовым (inter-cell). Его цель — сохранить вызов при перемещении абонента между зонами действия сотов.

Особый случай — когда источник и цель совпадают, но меняется используемый канал; такой хэндовер называется внутрисотовым (intra-cell). Его задача — перевод вызова на более чистый или менее подверженный затуханию канал.

С учётом классификации на межсотовые и внутрисотовые, хэндоверы делятся также на жёсткие и мягкие:^[1]

Жёсткий хэндовер

Канал в исходной соте освобождается только после этого устанавливается связь с целевой сотой. Связь с источником прерывается до или одновременно с установкой связи с целью, что делает жёсткий хэндовер практически мгновенным, обычно незаметным для пользователя, и требует минимальных ресурсов сети. При переходе между базовыми станциями возможен эффект «ping-pong».

Мягкий хэндовер

Канал в исходной соте сохраняется некоторое время параллельно с каналом в целевой соте «make-before-break». В этот период оба канала действуют одновременно; при этом может поддерживаться связь сразу с несколькими сотами. Во время мягкого хэндовера может использоваться либо сигнал лучшего канала, либо комбинация всех сигналов для улучшения качества связи. Если объединение выполняется и в нисходящем, и во восходящем канале, такой хэндовер называют «более мягким» (softer). Более мягкие хэндоверы возможны, когда обе соты физически подключены к одной базовой станции.

Также хэндоверы различают по используемой технике:

1. Хэндовер, управляемый сетью
2. Хэндовер, поддерживаемый телефоном
3. Хэндовер, управляемый телефоном

Преимущество жёсткого хэндовера — в каждый момент вызову принадлежит лишь один канал. Он очень кратковременный и, как правило, незаметен пользователю; в старых аналоговых системах мог сопровождаться легким щелчком или коротким звуком, в цифровых — не ощущается. Ещё одно достоинство — отсутствие необходимости в аппаратной поддержке одновременной работы с двумя и более каналами, а значит, упрощение и удешевление терминала. Главный недостаток состоит в возможности прерывания или временного разрыва вызова при неудачном хэндовере; во многих системах предусмотрено восстановление связи с исходной сотой, но это не всегда возможно и грозит кратковременным разрывом.

Преимущество мягкого хэндовера — разрыв с исходной сотой происходит только после установления устойчивой связи с целевой, что снижает вероятность прерывания вызова. Главное достоинство — одновременная поддержка каналов сразу нескольких сот: вероятность возникновения помех или затухания на всех каналах одновременно минимальна, поэтому надёжность вызова выше, чем при жёстком хэндовере. Особенно ценно это преимущество в зонах с неустойчивым покрытием. Основной недостаток — увеличение сложности аппаратуры телефона и использование большего количества каналов сети, что уменьшает её общую ёмкость. Определяя параметры и области применения мягких хэндоверов, сетевые инженеры балансируют между ростом надёжности и уменьшением ёмкости сети.

В теории мягкие хэндоверы возможны в любых аналоговых и цифровых технологиях, но для аналоговых систем их реализация слишком затратна, поэтому коммерческие реализации (например, AMPS, TACS, NMT) их не поддерживали. В цифровых системах на базе FDMA также требуются дорогие радиочастотные модули (по одному на канал), а системы на основе TDMA или TDMA/FDMA позволяют реализовать мягкий хэндовер относительно дешёво, однако ни одна 2G-система (GSM, D-AMPS/IS-136 и др.) не поддерживала мягких хэндоверов. В то же время все CDMA-технологии (2G и 3G) изначально поддерживают мягкие хэндоверы, что обусловлено относительно низкой стоимостью аппаратных решений для CDMA и необходимостью предотвращения помех из-за эффекта «ближнего и дальнего абонента».

В коммерческих FDMA- и TDMA/FDMA-сетях (например, GSM, AMPS, IS-136) смена канала при жёстком хэндовере реализуется заменой используемой пары частот передачи/приёма.

Практически для каждого сегмента сети формируется список потенциальных целевых сегментов — «соседей», между которыми возможен хэндовер. Для составления этого списка применяются специализированные программные средства и алгоритмы, использующие данные полевых измерений или моделирования радиораспространения.

Во время вызова параметры сигнала в исходном канале непрерывно оцениваются для определения момента хэндовера; могут отслеживаться как нисходящий, так и восходящий каналы. Инициировать хэндовер может телефон, базовая станция (BTS) исходной или соседней соты. Телефон и BTS отслеживают параметры сигнала друг друга, а выбор оптимальной цели производится из числа соседей; в CDMA-системах возможен выбор и из других, не входящих в список. Это снижает вероятность помех от эффекта «ближнего и дальнего абонента».

В аналоговых системах критериями жёсткого хэндовера обычно выступают уровень мощности принимаемого сигнала и отношение сигнал/шум. В не-CDMA цифровых системах 2G критериями выступают оценка мощности сигнала, BER, BLER, качество речи, расстояние до BTS (по задержке радиосигнала) и др. В CDMA-системах основным критерием служит отношение Ec/Io и/или RSCP, измеряемое на пилот-канале.

В CDMA-сетях при мягком или более мягком хэндовере телефон одновременно работает с несколькими сотами, используя rake receiver, состоящий из нескольких модулей («пальцев»), каждый из которых анализирует сигнал своей соты. Обычно в телефоне три и более таких модуля для обслуживания вызова и один для поиска новых сигналов. Совокупность сот, чьи сигналы используются во время хэндовера, называется активным набором. Если найден достаточный по качеству сигнал от новой соты, она добавляется в активный набор; соты из списка соседей проверяются чаще остальных, но добавление сот вне этого списка также возможно, что отличает CDMA от GSM, IS-136 и др.

Бывают случаи, когда хэндовер оказывается неуспешным. Это стало предметом множественных исследований. Проблема была обнаружена ещё в конце 1980-х годов. Поскольку частоты не могут использоваться в смежных сотах, при переходе абонента из одной соты в другую необходима выдача новой частоты для вызова. Если во вновь занятой соте все каналы заняты, происходит вынужденное завершение вызова. Ещё один фактор — интерференция, когда соседние соты подавляют друг друга, что приводит к снижению чувствительности приёмника.

Существуют также межтехнологические хэндоверы, при которых вызов переводится между разными технологиями доступа, например при переключении между GSM и UMTS или между CDMA IS-95 и CDMA2000.

Стандарт UMA/GAN позволяет реализовать хэндовер между GSM/UMTS и Wi-Fi, в обе стороны.

Различные системы по-разному управляют приоритетами заявок на хэндовер. В некоторых из них хэндоверы обслуживаются так же, как новые вызовы; при этом вероятность отклонения хэндовера равна вероятности отказа в новом вызове. Однако внезапное завершение уже активного вызова воспринимается абонентом острее, чем отказ в новом соединении. Чтобы избежать прерывания текущих вызовов, заявкам на хэндовер часто присваивается более высокий приоритет — так называемая приоритезация хэндоверов.

Существуют два основных подхода:

Резервирование каналов (Guard Channel Concept)

часть каналов в соте резервируется исключительно для обслуживания хэндоверов активных вызовов.

Очередь хэндоверов

отложенный перевод возможен благодаря временной задержке между снижением уровня сигнала ниже порога хэндовера и фактическим разрывом вызова. Длительность задержки определяется трафиком в зоне.

Межсистемный хэндовер (Inter System Handoff)

• Если во время активного вызова абонент переходит из одной сотовой системы в другую, управляемую другим MTSO (центром коммутации мобильной связи), применяется межсистемный хэндовер с целью избежать разрыва вызова.
• В процедуру вовлекается MTSO; если уровень сигнала падает, и в пределах исходной системы не удаётся найти подходящую соту для передачи вызова, осуществляется межсистемный хэндовер.
• Перед реализацией межсистемного хэндовера требуется обеспечить совместимость MTSO; при этом локальный вызов может стать междугородним.

Внутрисистемный хэндовер (Intra System Handoff)

• Если во время вызова телефон перемещается в зону соседней соты, обслуживаемой тем же MTSO, для предотвращения досрочного разрыва вызова применяется внутрисистемный хэндовер.
• В процедуру вовлекается MTSO, который при ослаблении сигнала находит другую соту и переводит вызов на неё.
• Локальные вызовы при этом всегда остаются локальными, так как обслуживание выполняет тот же MTSO.