Handoff

Handoff — это технология беспроводной связи, обеспечивающая непрерывное обслуживание мобильного абонента при его перемещении между зонами действия (сотами) разных базовых станций или точек доступа. Основная задача handoff — передать активный сеанс связи (голосовой вызов, передачу данных) от одной базовой станции к другой без заметного прерывания или ухудшения качества соединения. Процесс является ключевым для работы сотовых сетей, систем Wi-Fi и других радиосетей, где требуется мобильность пользователя.

История развития

Концепция handoff возникла одновременно с появлением первых систем сотовой связи в 1970-х годах. В аналоговых сетях первого поколения (1G), таких как AMPS (Advanced Mobile Phone System), handoff был жёстким и управлялся исключительно сетью: при снижении уровня сигнала ниже порогового значения мобильная станция принудительно переключалась на новую базовую станцию. Процесс занимал до нескольких секунд, что часто приводило к разрывам соединения.

С переходом к цифровым стандартам второго поколения (2G, например GSM) в 1990-х годах handoff стал более эффективным. В GSM была введена процедура «мягкого» handoff, при которой мобильное устройство могло одновременно поддерживать связь с двумя базовыми станциями в течение короткого времени, прежде чем полностью переключиться на новую. Это снизило вероятность разрыва вызова.

В сетях третьего поколения (3G, UMTS) и четвёртого поколения (4G, LTE) технология handoff была усовершенствована для поддержки высокоскоростной передачи данных. В LTE используется принцип «бесшовного» handoff, где переключение происходит за миллисекунды, а потери пакетов данных минимизируются за счёт буферизации. В стандарте 5G NR (New Radio) handoff стал ещё более гибким, с поддержкой множества сценариев, включая передачу между разными частотными диапазонами и между сетями разных операторов.

Классификация handoff

Handoff классифицируется по нескольким критериям, включая способ управления, тип соединения и количество одновременно задействованных каналов.

По способу управления

• Сетевой handoff (Network-Controlled Handoff, NCHO) — решение о переключении принимает базовая станция или контроллер сети. Мобильное устройство только выполняет команды. Этот тип характерен для аналоговых систем и ранних цифровых стандартов.
• Мобильный handoff (Mobile-Controlled Handoff, MCHO) — мобильное устройство самостоятельно измеряет уровень сигнала от соседних базовых станций и инициирует переключение. Используется в некоторых системах Wi-Fi и в современных сотовых сетях в сочетании с сетевым управлением.
• Смешанный handoff (Mobile-Assisted Handoff, MAHO) — мобильное устройство собирает данные о качестве сигнала и передаёт их сети, а решение о переключении принимает сеть. Этот подход применяется в большинстве современных стандартов (GSM, LTE, 5G).

По типу соединения

• Жёсткий handoff (Hard Handoff) — мобильное устройство сначала разрывает связь со старой базовой станцией, а затем устанавливает соединение с новой. В этот момент происходит кратковременный разрыв связи (до нескольких десятков миллисекунд). Используется в сетях GSM и LTE.
• Мягкий handoff (Soft Handoff) — мобильное устройство одновременно поддерживает связь с двумя или более базовыми станциями в течение некоторого времени. Разрыв связи отсутствует. Применяется в сетях CDMA (например, 3G UMTS) и некоторых системах 5G.
• Более мягкий handoff (Softer Handoff) — подвид мягкого handoff, при котором мобильное устройство переключается между секторами одной и той же базовой станции. Процесс происходит без разрыва и с минимальными задержками.

По количеству каналов

• Одноканальный handoff — используется один канал связи на протяжении всего процесса.
• Многоканальный handoff — задействуются несколько каналов (например, для одновременной передачи голоса и данных).

Устройство и процесс handoff

Процесс handoff включает несколько этапов, реализуемых как на стороне мобильного устройства, так и на стороне сети.

Этапы handoff

1. Измерение (Measurement) — мобильное устройство и базовая станция постоянно измеряют уровень сигнала, отношение сигнал/шум (SNR) и другие параметры. В современных сетях измерения проводятся с интервалом в несколько миллисекунд.
2. Принятие решения (Decision) — на основе измерений сеть или мобильное устройство определяет, что текущая базовая станция больше не может обеспечить требуемое качество связи, и выбирает подходящую целевую станцию. Критериями могут быть: уровень сигнала, загрузка соты, скорость движения абонента.
3. Выполнение (Execution) — установление нового соединения с целевой базовой станцией и освобождение старого канала. В жёстком handoff это происходит последовательно, в мягком — параллельно.
4. Завершение (Completion) — подтверждение успешного переключения, обновление данных о местоположении абонента в сети.

Технические параметры

• Задержка handoff (Handoff Latency) — время от начала процесса до полного переключения. В LTE составляет 10–50 мс, в 5G — менее 10 мс.
• Вероятность сбоя (Handoff Failure Probability) — доля неудачных попыток переключения, обычно менее 1% в хорошо спроектированных сетях.
• Пинг-понг эффект (Ping-Pong Effect) — ситуация, когда мобильное устройство многократно переключается между двумя базовыми станциями из-за флуктуаций сигнала. Для предотвращения используются гистерезисные алгоритмы (задержка перед повторным переключением).

Применение

Handoff используется во всех системах, где требуется поддержание связи при перемещении абонента.

Сотовые сети

В сотовых сетях 2G–5G handoff является обязательным элементом. Он обеспечивает непрерывность голосовых вызовов и сессий передачи данных при движении пешехода (до 5 км/ч), автомобиля (до 120 км/ч) и высокоскоростного поезда (до 500 км/ч). В сетях 5G handoff также поддерживает передачу между разными частотными диапазонами (например, из миллиметрового диапазона в суб-6 ГГц) и между сетями разных операторов (роуминг).

Wi-Fi

В сетях Wi-Fi handoff используется для переключения между точками доступа (Access Points) в рамках одной сети (например, в офисах, торговых центрах). Стандарт IEEE 802.11r (Fast BSS Transition) позволяет сократить время переключения до 20–50 мс, что критично для голосовых вызовов по Wi-Fi (VoWiFi).

Спутниковая связь

В системах спутниковой связи на низкой околоземной орбите (LEO), таких как Starlink (компания SpaceX), handoff происходит между спутниками при их движении по орбите. Абонентское устройство автоматически переключается на спутник, который находится в зоне прямой видимости, с задержками менее 100 мс.

Беспроводные сенсорные сети

В сетях IoT (Internet of Things) handoff используется для мобильных датчиков, например, в системах мониторинга транспорта или сельского хозяйства. Из-за ограниченной энергии устройств handoff в таких сетях часто оптимизируется для минимизации энергопотребления.

Примеры

• GSM-сети в России (например, ПАО «МТС», ПАО «МегаФон») — при перемещении абонента между сотами handoff происходит автоматически, незаметно для пользователя. Время переключения составляет около 100–200 мс.
• Wi-Fi в аэропортах — при проходе пассажира через зону действия нескольких точек доступа handoff обеспечивает непрерывное подключение к интернету без повторной аутентификации.
• Сеть 5G в Москве — в тестовых зонах handoff между базовыми станциями 5G и 4G (LTE) происходит за 10–15 мс, что позволяет поддерживать видеозвонки в высоком разрешении при движении на автомобиле.

Критика

Основные недостатки handoff связаны с задержками и возможными сбоями. В сетях с высокой плотностью абонентов (например, в стадионах или метро) частота handoff может возрастать, что увеличивает нагрузку на сетевые контроллеры и может приводить к кратковременным разрывам связи. Пинг-понг эффект также остаётся проблемой, особенно в условиях городской застройки с множеством отражений сигнала.

В некоторых сценариях, например, при использовании handoff в сетях Wi-Fi с устаревшим оборудованием, задержки могут достигать 1–2 секунд, что делает непригодным для голосовой связи. В спутниковых системах handoff между спутниками может вызывать потери пакетов данных, что критично для приложений реального времени.

Источники

• Степанов С. Н. Основы построения систем сотовой связи. — М.: Горячая линия – Телеком, 2019.
• 3GPP TS 23.009: Handover procedures (Release 17).
• IEEE 802.11r-2008: Fast BSS Transition.
• Rappaport T. S. Wireless Communications: Principles and Practice. — 2nd ed. — Prentice Hall, 2002.