Что такое хэндовер в сотовой связи простыми словами

Вы едете через весь город и разговариваете по телефону, и за полчаса пути вы миновали десятки вышек сотовой связи, но разговор ни разу не прервался. Задавались вопросом, почему так происходит? Ведь всё это время телефон незаметно переключался с одной вышки на другую, а вы этого даже не почувствовали. Такое переключение называют английским словом Han­dover (хэндовер), и именно оно отвечает за то, чтобы связь не рвалась, пока вы в движении.

Слово «хэндовер» встречается и в другом значении, например когда сотрудник передаёт дела коллеге. Здесь речь только про сотовую связь.

Разберём, что такое хэндовер, зачем он нужен и как телефон вместе с сетью решают, когда пора переключаться. Дойдём и до тонкостей, о которых пишут редко: почему в 4G и 5G «жёсткое» переключение оказывается незаметным и что нового принёс сюда стандарт 5G.

Что такое хэндовер и как переводится это слово

Хэндовер (от английского hand over, «передавать из рук в руки») — это процесс, при котором телефон во время звонка или передачи данных переключается с одной базовой станции на другую, не теряя соединения. Базовой станцией называют ту самую вышку с антеннами, которая обслуживает абонентов на своём участке. Английские han­dover и hand­off означают одно и то же, поэтому в статьях можно встретить оба написания.

Проще всего представить хэндовер как эстафету. Пока вы двигаетесь, вышки передают вас друг другу, будто бегуны эстафетную палочку: одна отпускает соединение ровно в тот момент, когда его подхватывает другая. Абонент при этом остаётся на связи непрерывно.

Эта способность и отличает сотовую сеть от обычной рации, у которой есть жёсткая граница действия — стоит выйти за пределы её сигнала, и связь пропадает. А вот сотовая сеть покрывает территорию множеством небольших зон, сот, и передаёт абонента между ними прямо на ходу, отсюда и название «сотовая».

Представьте поезд, который идёт со скоростью 150 км/ч. За час телефон пассажира может переключиться между десятками вышек, но человек всё это время смотрит видео или разговаривает так, будто ничего не происходит. Причём хэндовер нужен не только для звонков: он точно так же удерживает и передачу данных, поэтому ролик в дороге не обрывается на полуслове, когда телефон меняет вышку.

Зачем нужен хэндовер и почему он срабатывает

Главная причина знакома всем: абонент перемещается. Сигнал обслуживающей вышки слабеет по мере удаления, а сигнал той, к которой вы приближаетесь, наоборот растёт. Если вовремя не переключиться, соединение оборвётся. Такой обрыв на границе покрытия хэндовер и не допускает.

Но движение — не единственная причина. Переключение бывает нужно, даже когда вы стоите на месте, в следующих случаях.

• Перегрузка вышки. Каждая сота обслуживает ограниченное число абонентов. Если она заполнена, а рядом есть менее загруженная, часть подключений могут перевести на неё, чтобы разгрузить первую. Это называют хэндовером по нагрузке.
• Помехи и качество сигнала. Даже при формально сильном сигнале связь может ухудшаться из-за помех на той же частоте. Тогда сеть переводит абонента на другой канал или на другую вышку, где помех меньше.
• Смена частоты или поколения. Иногда выгоднее перевести телефон на другую частоту той же вышки или вообще на сеть другого поколения, например с 5G на 4G там, где покрытие новой сети заканчивается.

Как телефон и сеть решают, когда переключаться

За переключением стоит постоянная работа, которую вы не видите. Во время соединения телефон непрерывно измеряет уровень сигнала своей вышки и вышек по соседству, а результаты отправляет в сеть. На основе этих отчётов сеть решает, нужно ли переключение и на какую соту. Схему, где измеряет телефон, а решает сеть, применяют начиная со второго поколения связи (2G).

Важно не переключаться слишком рано и слишком часто. Если бы телефон перескакивал на соседнюю вышку при малейшем перевесе сигнала, он бы метался между двумя вышками туда-обратно на каждом шаге. У этого явления есть название, эффект пинг-понга, и оно вредит связи не меньше, чем позднее переключение. Чтобы его избежать, в сети закладывают небольшой запас: соседняя вышка должна стать не просто чуть лучше, а заметно лучше обслуживающей, и оставаться такой некоторое время подряд. Только тогда запускается переключение. В сетях 4G это ожидание обычно составляет доли секунды, стандартное значение — около 320 мс.

Кстати, полезно отвыкнуть от изображения работы сотовой связи как аккуратных шестиугольников-пчелиных сот на карте. Чётких границ у сот нет: зоны вышек перекрываются, а их форма зависит от застройки, рельефа и отражений сигнала. Поэтому момент переключения определяется не линией, которую вы пересекли, а тем, чей сигнал сейчас сильнее.

Жёсткий и мягкий хэндовер

По тому, как происходит переключение, хэндовер делят на два основных типа.

Жёсткий хэндовер (hard han­dover) работает по принципу «разрыв перед соединением» (break-before-make): связь с текущей вышкой сначала обрывается, и лишь затем устанавливается с новой. Между этими моментами есть крошечная пауза. Так работает переключение в сетях 2G (GSM), а в старых сетях во время разговора при этом иногда можно было услышать короткий щелчок. Забегая вперёд, по этому же принципу устроен хэндовер и в 4G с 5G, только вот там паузу свели к незаметной.

Мягкий хэндовер (soft han­dover) действует наоборот, по принципу «соединение перед разрывом» (make-before-break): телефон сначала устанавливает связь с новой вышкой и какое-то время держит соединение сразу с двумя, а старое отпускает только после того, как новое закрепилось. Разрыва при этом не возникает вовсе. Такой способ применялся в сетях третьего поколения (3G), где соседние вышки работали на одной частоте, что и позволяло телефону общаться с несколькими вышками сразу. Есть и разновидность, которую называют «более мягким» хэндовером (soft­er): это когда переключение происходит между секторами антенн одной и той же вышки.

На этом месте легко впасть в заблуждение. Ведь, казалось бы, мягкий хэндовер лучше, поскольку он без разрыва, и значит, в современных сетях должен использоваться именно он. На самом деле нет. И не просто так 4G (LTE) и 5G вернулись к жёсткому хэндоверу. Мягкий требует, чтобы телефон одновременно держал связь с несколькими вышками на одной частоте, а это расходует ресурсы сети и подходит только для устройства сетей вроде 3G. В 4G и 5G инженеры пошли другим путём и сделали жёсткое переключение настолько быстрым, что пауза сократилась до незаметной. Поэтому «жёсткий» здесь не значит «ощутимый»: современный жёсткий хэндовер для абонента такой же плавный, как мягкий.

Есть и промежуточный случай. На раннем этапе развития 5G телефон нередко работает через сеть 4G и 5G одновременно, опираясь сразу на обе: одна отвечает за устойчивое покрытие, вторая добавляет скорость. Переключения в таком режиме происходят чуть сложнее, но для абонента всё это по-прежнему остаётся незаметным.

Другие виды хэндовера

Кроме деления на жёсткий и мягкий, хэндоверы различают по тому, куда именно переключается телефон.

Если телефон переходит на соседнюю вышку с той же частотой, переключение проходит проще всего: телефон измеряет сигнал соседних вышек, не прерывая приём данных. Это самый частый случай, он происходит во время обычной прогулки или поездки.

Сложнее, когда нужно перейти на вышку с другой частотой. Чтобы измерить эту другую частоту, телефону приходится ненадолго переводить на неё приёмник, и для этого сеть выделяет короткие измерительные паузы, во время которых передача данных на мгновение замирает. Такой межчастотный хэндовер нужен, например, чтобы увести абонента на низкую частоту, которая лучше проходит внутрь зданий.

Отдельный вид — переключение между сетями разных поколений — 5G на 4G или с 4G на 3G. Оно нужно там, где покрытие более новой сети заканчивается, а более старая ещё работает, например, при движении по трассе из города. Благодаря такому хэндоверу вы можете и не заметить, что телефон в дороге не раз сменил тип сети.

К переключениям относят и переход между мобильной сетью и Wi-Fi. Это та самая технология звонков по Wi-Fi (её обозначают VoW­iFi или Wi-Fi Call­ing): когда дома сигнал оператора слабый, телефон ведёт звонок через домашний Wi-Fi, а при выходе на улицу разговор может продолжиться уже в сотовой сети. Чтобы такой переход был возможен, оператор использует специальный шлюз, который связывает стороннюю сеть Wi-Fi со своей. Правда, бесшовным этот переход будет только там, где оператор его поддерживает: иначе разговор при выходе из дома может оборваться.

Как хэндовер менялся от 1G до 5G

Хэндовер появился вместе с первыми сотовыми сетями и с каждым поколением совершенствовался.

• 1G (первые сотовые сети конца 1970‑х – начала 1980‑х). Переключением полностью управляла сеть, а качество связи было скромным. Но сам принцип передачи абонента между вышками появился именно тогда и сразу отличил сотовую связь от всего, что было раньше.
• 2G (GSM). Телефон начал сам измерять сигнал и помогать сети своим отчётом. Переключение жёсткое и было еще с ощутимой задержкой, поэтому абоненты слышали щелчок в разговоре.
• 3G (UMTS). Появился мягкий хэндовер: телефон держит связь с несколькими вышками сразу, и переключение проходит без разрыва.
• 4G (LTE). Возврат к жёсткому хэндоверу, но уже незаметному за счёт быстрого переключения.
• 5G (NR). Сот стало намного больше, а многие из них маленькие и покрывают небольшой участок. Абонент пересекает их быстрее, поэтому переключений стало гораздо больше, а вместе с ними вырос и риск того самого пинг-понга. Ответом стали новые, более продуманные механизмы переключения, таких как условный хэндовер.

Условный хэндовер: как переключение стало умнее

Условный хэндовер (по-английски con­di­tion­al han­dover), стандартизовали в 2020 году, в спецификациях 3GPP (это отраслевые стандарты сотовой связи), начиная с версии Release 16. Он устраняет давнюю слабость обычной схемы. Раньше сеть отдавала команду на переключение в последний момент, когда сигнал уже заметно просел, и если в эту секунду связь была нестабильной, команда могла не дойти, а соединение оборвалось бы.

Условный хэндовер работает на опережение. Сеть заранее готовит для телефона список подходящих вышек и условия, при которых на них стоит перейти. Дальше телефон следит за сигналом и, как только заданные условия выполняются, сам исполняет эту заранее полученную команду, не дожидаясь отдельного сигнала от сети. Это надёжнее в трудных условиях: например, на большой скорости в поезде, или когда сигнал то и дело перекрывают здания. Особенно это важно для высоких частот 5G, которые дают большую скорость, но легко экранируются препятствиями.

Развитие идёт и дальше. Инженеры учат сеть предсказывать, куда двинется абонент и какой сигнал его ждёт, в том числе с помощью алгоритмов машинного обучения. Но суть остаётся прежней, той же, что и у первых сотовых сетей: передать абонента от одной вышки к другой так, чтобы он этого не заметил.

Почему иногда кажется, что телефон выбрал не ту вышку

Бывает, что рядом стоит вышка, а телефон упорно держится за более далёкую, и кажется, будто он ошибается. На самом деле это не сбой. Окончательное решение о переключении принимает сеть, и она учитывает не только уровень сигнала, но и загрузку соты, качество радиоканала, помехи и ещё ряд условий. Ближайшая вышка может быть перегружена или работать на неудобной частоте, и тогда более далёкая, но свободная оказывается лучшим вариантом. К тому же на сигнал влияют стены и здания, поэтому вышка, которая ближе на карте, не всегда ближе с точки зрения радиосвязи.

Что при хэндовере чувствует абонент

В большинстве случаев ничего, и это признак хорошо настроенной сети. Иногда при межчастотном переходе или смене поколения возможна крошечная задержка, а при неудачном переключении — редкий обрыв звонка, но происходит это нечасто.

Стоит понимать, что почти всё в хэндовере происходит на стороне оператора: измерения обрабатывает сеть, она же решает, когда и куда переключить абонента, и настраивает пороги переключения. Повлиять на это со своей стороны обычный пользователь практически не может. Если в определённом месте связь регулярно рвётся на ходу, дело чаще всего в покрытии или настройке сети именно на этом участке, а не в телефоне.

В качестве итога

Хэндовер — незаметная, но основополагающая часть сотовой связи. Именно он превращает набор отдельных вышек в единую сеть, по которой можно свободно перемещаться, не теряя соединения. Телефон постоянно измеряет сигнал и вместе с сетью решает, когда передать абонента следующей вышке, а формы этого переключения менялись от поколения к поколению: от жёсткого в 2G к мягкому в 3G и снова к жёсткому, но уже незаметному, в 4G и 5G. Для абонента же лучший хэндовер тот, которого он не замечает.