HANDOVER EN TELECOMUNICACIONES

Siempre que escuchamos hablar acerca de las redes y comunicaciones mviles, se habla de un sistema muy importante para su buen funcionamiento, el Handover (o handoff). Pero realmente, sabemos de qu se habla cuando escuchamos este trmino? Se denomina Handover al sistema utilizado en comunicaciones mviles para transferir el servicio de una estacin base (antena) a otra cuando la calidad del enlace es insuficiente. Este mecanismo garantiza que un mvil cuando se traslada de un lugar a otro no pierda la conexin con alguna de las estaciones base y, por tanto, no pierda cobertura. Para entender un poco mejor este sistema, hay que conocer como se estructura una red de comunicaciones mviles. Los sistemas mviles estn compuestos por celdas hexagonales que cubren la totalidad del rea de cobertura, y en cada una de estas celdas, se coloca una estacin base (BS) y un nmero de canales asociados a una determinada frecuencia. Un conjunto de celdas a su vez, conforman un cluster.

La utilizacin del Handover no se limita nicamente al movimiento de un mvil de un lugar a otro que requiera cambiar de estacin base, puede darse tambin el caso de que en una determinada celda se est produciendo un colapso de la cobertura, debido a que hay demasiadas conexiones por ejemplo, y sea necesario transferir parte del trfico a otra celda. Evidentemente todo esto es transparente para el usuario. Aunque hay distintas formas en las que se produce el Handover, la ms importante y ms utilizada es la denominada Hard-Handover, que es la que se utiliza en las redes GSM. Esta tcnica realiza el cambio de estacin base dejando durante un tiempo imperceptible sin servicio al mvil, de manera que la conexin con la estacin base inicial se interrumpe para conectar con otra estacin base.

Es evidente que todo este mecanismo es mucho ms complejo que todo esto, hay que utilizar protocolos, estudiar el handover desde el punto de vista de la red y algunas otras limitaciones, pero a nivel usuario es lo ms importante que hay que conocer.

Hard-Handover

Sistema Mvil de Celdas

La arquitectura en la cual se estructuran los sistemas celulares, permiten hacerlo compatible con un tamao de receptor mvil actual, algo muy valorado por los usuarios. Pensemos por un momento lo que implicara tener una nica celda: a medida que el mvil se alejara de la estacin base, debera transmitir tal potencia para llevar a cabo la comunicacin, que lo hara incompatible con un tamao pequeo y peso ligero. Adems, surge otro problema: el nmero de frecuencias en cada celda es limitado. Por ello, se propone reutilizar las frecuencias. Dicho mecanismo permite a usuarios de diferentes clusters utilizar la misma frecuencia para llevar a cabo la comunicacin. Para que la interferencia procedente de la reutilizacin, tambin llamada interferencia cocanal, no sea percibida por el usuario, se debe asegurar que la separacin entre celdas con la misma frecuencia sea suficiente como para minimizar este efecto. Por ltimo, para medir la calidad del enlace, pueden utilizarse distintos parmetros como son el RSSI (Radio Signal Strength Indicator), BER (Bit Error Rate), relacin C/I (Portadora/Interferente), entre otros.

Grfico representativo de cuando de realiza el transpaso de seal en handover.

El proceso Handover puede llevarse a cabo por diferentes motivos: 1.- Cuando el telfono se est moviendo de una rea cubierta por una celda y entra en otra rea de cobertura de otra celda, la llamada es transferida a la segunda celda con la finalidad de evitar la terminacin de la llamada cuando el telfono sale de la zona de la primera celda. 2.- Cuando la capacidad para la conexin de nuevas llamadas de una determinada celda se esta utilizando y una existente o nueva llamada de un telfono entra, que se encuentra en una zona superpuesta a otra celda, se transfiere a esta celda con el fin de liberar cierta capacidad en la primera celda para otros usuarios, que slo pueden ser conectados a esta celda. 3.- En redes que no sean CDMA (acceso mltiple por divisin de cdigo), cuando el canal utilizado por el telfono pasa a ser interferido por otro telfono utilizando el mismo canal en una celda diferente, la llamada se transfiere a un canal diferente en la misma celda o en un canal diferente en otra celda, a fin de evitar la interferencia. 4.- En redes que no sean CDMA, cuando los cambios de comportamiento del usuario, por ejemplo, un viaje rpido del usuario, conectado a una celda grande, si se detiene, la llamada puede ser transferida a una macro celda ms pequea o incluso a una micro celda a fin de liberar capacidad en la celda por otros usuarios que se muevan tambin rpidamente y reducir las posibles interferencias a otras clulas o usuarios (esto funciona tambin en sentido inverso, cuando un usuario se detecta que se desplaza ms rpido que un determinado umbral, la llamada puede ser transferida a una celda ms grande, a fin de minimizar la frecuencia de la handoffs debido a este movimiento). 5.- En redes CDMA un soft-handoff puede ser inducido a fin de reducir la interferencia a una celda vecina ms pequea debido al efecto near-far incluso cuando el telfono tiene una excelente conexin con su actual celda.

MECANISMO DE HANDOVER BASADO EN RSSIEste mecanismo se utiliza cuando la potencia y la calidad de la seal recibida, se encuentran por debajo de un determinado umbral. Puede ser ejecutado mediante algoritmos controlados por el mvil, por la red o por ambos. La eleccin del umbral ptimo es complicada, ya que debe evitarse en todo momento un retardo excesivo en el inicio del traspaso, as como traspasos intermedios (indeseados) que provocan una elevada carga de sealizacin innecesaria en la red. Para llevar a cabo la eleccin del umbral ptimo, el Handover basado en RSSI debe realizar un promediado de los ecos que se producen en el entorno mvil, evitando as los efectos indeseados de cambio de estacin base innecesarios (efecto ping-pong). El efecto ms destacable que introduce el promediado de los ecos es un retardo adicional en la realizacin del Handover. La eleccin del tamao de la ventana de promediado condicionar, por tanto, dicho retardo as como la probabilidad de que se produzca un Handover indeseado. En la eleccin del tamao de la ventana existir un compromiso entre ambos parmetros, de modo que, si el tamao de la ventana es muy elevado, la probabilidad de que se lleve a cabo un Handover intermedio ser pequea siendo el retardo en iniciarlo mayor, y viceversa. Utilizados para la medicin de apertura y cierre de vlvulas.

TIPOS DE HANDOVEREl handover se puede producir de diferentes maneras, por ello en trminos generales se clasifica en dos categoras, desde el punto de vista del usuario y de red. A continuacin se hace una breve de los distintos tipos que encontramos en cada una de estas categoras.

DESDE EL PUNTO DE VISTA DE USUARIOA pesar de la denominacin de esta distincin, el proceso de traspaso se realiza de forma transparente al usuario, de modo que las transiciones entre una clula y otra sean suficientemente pequeas como para pasar desapercibidas por los usuarios.

Esquema del procedimiento de Hard handover. 1. HARD-HANDOVER Antes del proceso de traspaso, el mvil est conectado a su estacin base origen. Durante el proceso de Handover, se desconecta de sta y durante un tiempo (del orden de milisegundos) no est conectado a ninguna otra BS. Mediante este procedimiento, se usa por lo tanto, un solo canal. De ste modo la conexin con la BS original se corta antes de realizar la nueva conexin a la nueva BS. Es el mtodo ms utilizado (por ejemplo en GSM) a pesar de ser menos fiable que el siguiente caso que se explica, soft-handover. Fundamentalmente, se usa hard handover en FDMA y TDMA cuando se usan diferentes rangos de frecuencias en canales adyacentes para minimizar las interferencias de canal. De esta forma MS se mueve de la una BS a otra BS, ya

que es imposible la comunicacin con ambas BS (desde diferentes frecuencias). En la figura se ilustra la comunicacin hard handover entre MS y las BSs.

Esquema del procedimiento de Hard handover.2.

SOFT-HANDOVER

En este caso, durante el proceso de traspaso el mvil estar conectado mediante un canal a la BS origen y mediante otro canal a la BS destino. Durante dicho proceso, la transmisin se realiza en paralelo por los dos canales, es decir, no se produce interrupcin del enlace. Con dicho sistema se asegura una conexin con la estacin base de la nueva celda antes de cortar con la conexin antigua. ste es el sistema que proporciona mucha fiabilidad, a pesar de tener, por el contrario, una difcil implementacin (slo en CDMA ONE ). Los estndares CDMA y WCDMA utilizan soft handover.

3. SIN HANDOVER

En el caso de que no se realice handover, no se realiza traspaso entre BSs. Simplemente el MS establece una nueva llamada al salir del rea de cobertura de la BS. Ello presenta una gran ventaja, la de poseer un procedimiento mucho

ms simple, lo que conlleva, por otro lado necesita una gran velocidad de establecimiento de llamada.Utilizado en raras ocasiones (PMR).

DESDE EL PUNTO DE VISTA DE REDDesde del punto de vista de red encontramos diferentes clasificaciones si suponemos que estamos en hard handover o bien el soft handover. Para el primer caso de hard handover tenemos:

1. INTRA-CELL HANDOVER

En un sistema normal, con varias redes. Slo se realiza intra-cell handover cuando la calidad de conexin de un canal fsico (que ha sido medido por la misma BS) est por encima del nivel deseado. De tal manera que intra-cell handover puede realizar un cambio de slot en la misma frecuencia (TDMA), un cambio de frecuencia(FDMA) o un cambio de frecuencia y tiempo simultaneo. Sin embargo, no existe actualmente ningn criterio para realizar intra-cell handover cuando los lmites de la conexin de salida estn por debajo del nivel deseado por la BS, especialmente cuando las conexiones colindantes estn tambin por debajo del nivel deseado (por ejemplo cuando un inter-cell handover no proporciona ninguna salida que mejore la calidad).

2. INTER-CELL HANDOVER

Este es el tipo de handover ms simple. Ser necesario cuando la seal de la conexin de un canal fsico sea baja. Para evaluar la calidad de la conexin, el mvil constantemente transmite los valores de las medidas RXLev (nivel recibido medido por el telfono) y las RXQual(el radio del error de bit determinado) a la BS. Si la BS quiere entregar el telfono a otro canal, lo que

necesita es informar al telfono sobre el nmero del nuevo canal y su nueva configuracin. El telfono cambia directamente al nuevo canal y puede mantener ambas configuraciones para la sincronizacin de la BS. El proceso de Intra cell handover es posible realizarlo entre diferentes bandas de GSM.

En cambio para soft handover:

1. SOFTER HANDOVER

En este caso, la BS recibe dos seales separadas a travs del canal de propagacin. Debido a las reflexiones sobre edificios o barreras naturales, la seal enviada desde las MS llega a dos sectores distintos de la BS. Las seales recibidas durante el proceso de softer handover se tratan de una manera semejante a las seales muli-path.

Esquema de Softer handover.

2. SOFT HANDOVER

ste caso es muy similar al caso anterior de softer handover pero en ste caso las celdas pertenecen a ms de un nodo. Para ello se realiza una combinacin mediante RNC. Es posible realizar simultneamente soft y softer handover.

Esquema de Soft handover. Ambas clasificaciones no son excluyentes, es decir, un Handover puede ser, por ejemplo, Intra-Cell desde el punto de vista de red y Soft desde el punto de vista de usuario.

PROTOCOLOS DE HANDOVERExisten cuatro protocolos de handover (o handoff) basicos; Network-Controlled Handoff (NCHO), Mobile-Assisted Handoff (MAHO), Soft Handoff (SHO), and Mobile-Controlled Handoff (MBHO). La tendncia de NCHO a MCHO es descentralizar el proceso de decisin del handover, logrando as tiempos de

retardo menores pero tambin perdemos informacin disponible para realizar la decisin. En resumen, encontramos estos mecanismos:

1. NETWORK-CONTROLLED HANDOFFNCHO es un protocolo centralizado donde la decisin de traspaso la toma la red a partir de medidas sobre la seal de un dispositivo mvil, recibida en las diferentes estaciones base. Si la seal recibida en la celda actual es peor que la recibida en una celda vecina la red toma la decisin de traspaso. En los mecanismos habituales, el retardo oscila entre 100 y 200 ms que producen una sensacin de interrupcin notable en la comunicacin. Sin embargo el retardo de ste mecanismo oscila entre los 5 y 10 segundos. Este tipo de handover no es adequado para enlaces con condiciones variables y una gran carga de usuarios. NCHO se uso en las primeros sistemas analogicos como AMPS.

2. MOBILE-ASSISTED HANDOFFMAHO es un mecanismo que distribuye el proceso de decision de traspaso. El terminal mvil hace medidas y el Mobile Switching Centre (MSC) toma la decisin de traspaso. Comparado con NCHO ste mecanismo tiene un control ms distribuido, de este modo reduce el retardo total que normalmente se encuentra aproximadamente en 1 segundo.

3. SOFT HANDOFF

SHO se suele usar con MAHO. En el transcurso del handoff se establece una nueva conexin intermedia entre el terminal mvil y la nueva estacin base, manteniendo la conexin con la anterior, hasta que la seal recibida en la nueva BS sea estable. Entonces se libera la anterior. Este mecanismo hace que se mantenga la continuidad a costa de ocupar recursos del sistema (ya que durante un tiempo una misma llamada ocupa dos conexiones).

4. MOBILE-CONTROLLED HANDOFFFrente a NCHO, es el terminal mvil el que tiene todo el control sobre el proceso de decisin en MCHO. El terminal mvil mide constantemente la calidad de seal de las BS que le envuelven. El terminal decidir el traspaso, si se supera un umbral dado. MCHO es el grado mximo de descentralizacin del control de decisin cosa que comporta unas cotas muy bajas de retardo (entorno a los 100 ms).