Мягкий хэндовер

Мягкий хэндовер (англ. soft handover, также мягкая передача обслуживания) — это технология в системах сотовой связи, при которой мобильное устройство (абонентский терминал) одновременно поддерживает соединение с двумя или более базовыми станциями (или секторами одной станции) в процессе перехода из зоны обслуживания одной станции в зону другой. В отличие от жёсткого хэндовера (англ. hard handover), при котором связь сначала разрывается со старой станцией и только затем устанавливается с новой, мягкий хэндовер обеспечивает непрерывность сеанса связи без разрыва соединения. Технология применяется преимущественно в сетях с кодовым разделением каналов (CDMA, WCDMA), где все станции работают на одной частоте, и является одной из ключевых особенностей стандартов 3G (UMTS) и некоторых более ранних систем (IS-95).

История

Концепция мягкого хэндовера была разработана в конце 1980-х — начале 1990-х годов в рамках создания стандарта сотовой связи IS-95 (cdmaOne), первого коммерческого стандарта на основе технологии CDMA. Основной задачей было повышение надёжности передачи обслуживания в условиях помех и многолучевого распространения сигнала, характерных для мобильной связи. Первые коммерческие сети IS-95, запущенные в 1995 году в США и Южной Корее, уже использовали мягкий хэндовер.

Впоследствии технология была унаследована и усовершенствована в стандарте UMTS (WCDMA), который стал основой сетей 3G в большинстве стран мира, включая Россию. В LTE (4G) и NR (5G) от мягкого хэндовера в классическом понимании отказались из-за перехода на OFDMA и частотное планирование, однако в некоторых сценариях (например, в сетях с поддержкой CoMP — Coordinated Multi-Point) применяются аналогичные принципы одновременной работы с несколькими станциями.

Принцип работы

Основы CDMA

В сетях CDMA все базовые станции работают на одной и той же несущей частоте, но используют разные кодовые последовательности (скремблирующие коды) для разделения каналов. Мобильное устройство может одновременно принимать сигналы от нескольких станций, декодируя их с помощью соответствующих кодов. Это создаёт физическую предпосылку для мягкого хэндовера.

Процесс передачи обслуживания

1. Инициирование: мобильное устройство постоянно измеряет уровень сигнала (RSSI) и отношение сигнал/шум (Ec/Io) от соседних базовых станций. Эти данные передаются в сеть (контроллеру радиосети, RNC).
2. Активация: когда уровень сигнала от соседней станции превышает определённый порог (обычно на 3–6 дБ выше, чем от текущей), сеть даёт команду мобильному устройству добавить эту станцию в «активный набор» (Active Set) — список станций, с которыми поддерживается одновременное соединение.
3. Одновременная связь: устройство начинает передавать и принимать данные через все станции активного набора. В восходящем канале (от телефона к сети) сигналы от нескольких станций объединяются в контроллере (RNC) с помощью макродивёрсити (разнесённого приёма). В нисходящем канале (от сети к телефону) устройство объединяет сигналы от нескольких станций, используя рейк-приёмник.
4. Удаление: когда уровень сигнала от одной из станций падает ниже порога (или становится значительно слабее других), сеть исключает её из активного набора, и соединение с ней разрывается. Этот процесс может повторяться многократно во время движения абонента.

Активный набор

Размер активного набора (количество одновременно обслуживающих станций) ограничен возможностями устройства и сети. Обычно он составляет от 2 до 6 станций, чаще всего 3. Управление активным набором — одна из основных функций контроллера радиосети (RNC в UMTS, BSC в IS-95).

Классификация

Различают несколько разновидностей мягкого хэндовера:

• Мягкий хэндовер (Soft Handover): устройство одновременно связано с двумя или более базовыми станциями, работающими на одной частоте. Характерен для CDMA-сетей.
• Более мягкий хэндовер (Softer Handover): частный случай, при котором устройство одновременно связано с двумя или более секторами (антеннами) одной и той же базовой станции. Обработка сигналов в этом случае происходит внутри станции, без участия контроллера.
• Мягкий хэндовер с разнесением (Soft Handover with Diversity): синоним основного термина, подчёркивающий использование макродивёрсити.
• Жёсткий хэндовер (Hard Handover): противоположный тип, при котором связь разрывается до установления новой. Используется в GSM, LTE, NR и при переходе между разными частотами или технологиями (межсистемный хэндовер).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Отсутствие разрыва связи: голосовой вызов или сеанс передачи данных не прерывается в момент перехода между станциями. Это особенно важно для голосовой связи и приложений реального времени (видеозвонки, онлайн-игры).
• Повышение качества связи: макродивёрсити снижает влияние замираний (fading) и помех, так как сигнал принимается с нескольких направлений. Вероятность потери пакетов уменьшается.
• Снижение уровня помех: в CDMA-сетях мягкий хэндовер уменьшает мощность передачи как мобильного устройства, так и базовых станций, что снижает взаимные помехи в системе.
• Увеличение ёмкости сети: за счёт снижения помех и более равномерного распределения нагрузки между станциями общая пропускная способность сети может возрастать на 10–30% по сравнению с жёстким хэндовером.

Недостатки

• Загрузка радиоресурсов: для поддержания одновременного соединения с несколькими станциями требуется выделение дополнительных канальных ресурсов (кодовых каналов в CDMA). Это снижает эффективность использования спектра.
• Нагрузка на сеть передачи данных: объединение сигналов в контроллере (RNC) требует дополнительной полосы пропускания в транспортной сети (backhaul) и увеличивает задержки обработки.
• Сложность управления: алгоритмы мягкого хэндовера требуют точной настройки порогов, размеров активного набора и таймеров, чтобы избежать «пинг-понга» (частого переключения между станциями) и избыточного потребления ресурсов.
• Ограничение по скорости: в сетях с высокой скоростью передачи данных (например, HSDPA в UMTS) мягкий хэндовер может быть менее эффективен, так как требует передачи одинаковых данных по нескольким каналам.

Применение

В стандартах сотовой связи

• IS-95 (cdmaOne): первый коммерческий стандарт, в котором мягкий хэндовер был обязательным элементом.
• UMTS (WCDMA): широко применяется в сетях 3G. В режиме передачи данных (HSDPA/HSUPA) мягкий хэндовер используется только для голосовых вызовов и каналов управления; для данных применяется жёсткий хэндовер или мягкий хэндовер с ограничениями.
• CDMA2000: развитие IS-95, также использует мягкий хэндовер.
• LTE (4G): классический мягкий хэндовер не применяется из-за OFDMA и частотного планирования (разные частоты для соседних станций). Вместо него используется жёсткий хэндовер с минимальным разрывом (до 50 мс). Однако в LTE-Advanced введена технология CoMP (Coordinated Multi-Point), которая позволяет мобильному устройству одновременно принимать данные от нескольких станций, что функционально близко к мягкому хэндоверу.
• NR (5G): в базовой конфигурации — жёсткий хэндовер. В перспективных сценариях (например, с использованием многосвязности, multi-connectivity) возможна одновременная работа с несколькими станциями, но это не является обязательной функцией.

В других системах

• Спутниковая связь: в системах с низкоорбитальными спутниками (Iridium, Globalstar) применяется мягкий хэндовер для обеспечения непрерывности связи при переходе от одного спутника к другому.
• Wi-Fi: в некоторых реализациях Wi-Fi-сетей (например, с поддержкой 802.11k, 802.11r) используются механизмы, напоминающие мягкий хэндовер, но они не являются стандартными.

Влияние на качество обслуживания

Мягкий хэндовер существенно улучшает пользовательский опыт в зонах с нестабильным покрытием (например, на границах сот, в городах с плотной застройкой, в тоннелях). Вероятность обрыва вызова при движении на высокой скорости (автомагистрали, поезда) снижается в 2–3 раза по сравнению с системами, использующими только жёсткий хэндовер. Однако в условиях высокой загрузки сети (например, в час пик) мягкий хэндовер может приводить к перегрузке контроллеров и увеличению задержек.

Интересные факты

• Термин «мягкий хэндовер» (soft handover) часто путают с «мягким переключением» (soft handoff), но в русскоязычной технической литературе оба варианта используются как синонимы.
• В сетях UMTS максимальный размер активного набора обычно равен 3, но в некоторых конфигурациях может достигать 6. Увеличение размера свыше 3 даёт незначительный выигрыш в качестве, но резко увеличивает нагрузку на сеть.
• В стандарте IS-95 мягкий хэндовер был одной из причин, по которой этот стандарт обеспечивал лучшее качество голосовой связи по сравнению с GSM в условиях плотной городской застройки.
• В России сети UMTS (3G) активно использовали мягкий хэндовер до начала массового перехода на LTE (4G) в 2010-х годах. Сейчас технология применяется в основном в голосовых вызовах (CSFB — Circuit Switched Fallback) и в сетях, работающих в диапазонах 900 МГц и 2100 МГц.

Источники

• 3GPP TS 25.331: Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification (UMTS).
• 3GPP TS 25.101: User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception (FDD).
• TIA/EIA-95-B: Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Wideband Spread Spectrum Cellular Systems.
• Holma, H., Toskala, A. (2004). WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications. John Wiley & Sons.
• Lee, W. C. Y. (2006). Mobile Cellular Telecommunications: Analog and Digital Systems. McGraw-Hill.
• Сети сотовой связи стандарта UMTS (WCDMA) / Под ред. В. И. Борисова. — М.: Горячая линия — Телеком, 2008.