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7. Handoff

Handoff é o processo de transferir uma estação móvel (MS) de uma estação rádio-base (ERB) para outra ou de um canal para outro. A mudança de canal devido ao handoff pode ser através de um slot de tempo, de uma banda de freqüência, de uma palavra código, ou de uma combinação deles, dependendo da técnica de múltiplo acesso utilizada [Tripathi]. 

A implementação de handoff é radicalmente diferente entre os padrões de narrowband (banda estreita) e os padrões de CDMA. 

Figura 7.1. Processo de Handoff

Handoffs AMPS freqüentemente falham e causam chamadas derrubadas. Isto contribui para uma percepção de baixa qualidade de serviço. Além disso, cada handoff é precedido e é seguido por longos intervalos com baixa qualidade de link, resultando em um ruído aborrecedor e distorção. Através de comparação, CDMA é projetado especificamente não só para reduzir fracassos de handoff, mas também prover um serviço contínuo, mantendo boa qualidade de voz antes, durante e depois do handoff. 

7.1. Taxa de Handoff

O número de células transitadas durante uma chamada pode ser grosseiramente estimado com as seguintes hipóteses: 

·         As células são circulares com raio uniforme R;

·         A trajetória de uma MS é um linha reta;

·         A MS entre em cada célula numa localização aleatória em sua periferia, com uma direção aleatória entre ±90 graus da radial. 

Assumindo isso, o caminho médio percorrido numa célula é de aproximadamente pR/2. O número de células transitadas durante uma chamada com duração T e uma velocidade v pode então ser estimado por 0,65vT/R. Alguns exemplos para chamadas com duração de 3 minutos são apresentados na tabela 7.1.

Tabela 7.1. Estimativa do número de Handoffs para chamadas de 3 minutos de duração

Percebe-se que o número de handoffs pode variar o suficiente para comprometer a performance do sistema. Os raios das células em um sistema CDMA podem ser consideravelmente maiores do que em um sistema AMPS para qualquer distribuição de carga particular. Isto reduz a taxa de handoff simplesmente com base na geometria, independente das muitos outras vantagens de desempenho associadas ao CDMA.  

7.2. Passos em um Processo de Handoff

Independente da tecnologia utilizada, os passos seguintes são parte do handoff de qualquer célula. 

1.       Começando em um ponto em que somente uma célula suporta a chamada em questão.

2.       Determinam-se as condições do link aéreo (over-the-air link) entre a MS e a célula em que o serviço está se deteriorando e de uma nova célula candidata, com link potencialmente melhor.

3.       Informa-se à célula candidata sobre o handoff iminente, incluindo parâmetros necessários para identificar a MS e executar o handoff.

4.       Sinaliza-se ao móvel para iniciar a execução do handoff.

5.       A nova célula inicia o serviço para a MS.

6.       A MS inicia a utilizar a nova célula.

7.       Entrando no estágio intermediário de handoff (prolongado no CDMA)

8.       A MS descontinua o serviço na célula antiga.

9.       A célula antiga suspende o serviço para aquela estação móvel.

10.   Terminando em um ponto em que somente uma célula suporta a chamada em questão. 

As mudanças em redes reais são muito mais complexas, mas esses são os principais eventos. Alguns passos requerem atividades diferentes no AMPS e no CDMA. Por exemplo, os handoffs CDMA não requerem sintonização de freqüência normalmente, ao invés disso, eles requerem mudança do canal de código no Canal Direto. Entretanto, nenhuma sintonização de freqüência ou canal de código é requerida no Canal Reverso em qualquer momento. 

7.3. Handoff no CDMA

A forma como o processo de handoff é executado no CDMA tem características particulares. 

1.       O processo é suave, ou seja, a comunicação não é interrompida durante o processo.

2.       A desconexão da célula anterior não é feita abruptamente, mas há um estágio prolongado, durante o qual há comunicação entre duas ou mais ERBs. A diversidade por comunicação em vários caminhos aumenta a performance durante o handoff. O ganho de diversidade compensa parcialmente a perda de propagação na fronteira da célula.

3.       A medida de sinal que dispara o processo de handoff é realizada pelas estações móveis, ao invés das ERBs.

4.       Não há uma fronteira de handoff no CDMA, mas uma região de handoff. A decisão que um processo de handoff deve ser iniciado significa somente que outra ERB é adicionada ao conjunto de estações rádio-base em serviço para esta MS. O processo pode ser completado tanto pela movimentação do móvel inteiramente para o nova célula quanto pelo retorno à célula antiga, sem que haja prejuízo do serviço ou queda de chamada, uma vez que os canais estavam assegurados em ambas as células. 

Essas características também ajudam na redução de falhas relacionadas a erros na sinalização entre as ERBs. 

Boa performance no CDMA não é somente uma qualidade, mas uma necessidade. Uma MS que está sendo servida por uma ERB em que há maior perda de propagação está transmitindo mais potência do que o necessário, se estivesse na ERB correta. Este fato aumenta o nível geral de interferência, aumentando o valor do fator de reuso de freqüência efetivo (F) e reduzindo a capacidade média no link reverso. 

O soft handoff requer que múltiplas estações transmitam o mesmo tráfego para a estação móvel em questão. Os múltiplos canais diretos ativos aumentam a interferência total na MS, assim como no caso do link reverso há um aumento de F e conseqüente redução da capacidade do link direto. 

7.3.1. Soft Handoff

O soft handoff é um estado de chamada no qual dois ou mais estações base suportam uma estação móvel. Essas estações podem ser setores de células diferentes, ou eles podem ser múltiplos setores de uma mesma célula, ou qualquer combinação destes. De fato, o handoff entre setores é muito comum por causa dos vastos padrões de ganho de antena e as variações de propagação urbana em múltiplos caminhos.  

7.3.2. Canal Direto

Cada célula participante em um soft handoff transmite a mesma seqüência de tráfego para o móvel, bit a bit, em qualquer canal de código disponível. Cada ERB escolhe um canal de código baseada simplesmente em sua disponibilidade. A MS deve implementar, no seu receptor Rake, múltiplas entradas que sejam capazes de sintonizar a qualquer um dos 63 canais de código disponíveis. As saídas dessas entradas Rake devem ser combinadas para uma boa performance E_b/N₀. A presença de um piloto no canal direto de CDMA permite uma otimização da combinação coerente das saídas Rake. 

7.3.3. Canal Reverso

O espalhamento no canal de tráfego reverso é único. Não há nada relativo à codificação ou à modulação que dependa de qualquer forma das ERBs que estão servindo o móvel. O móvel, assim, não necessitar fazer nada especial sobre o handoff, a não ser a própria interpretação formal dos bits de controle de potência.  

A combinação dos sinais do link reverso com a ERB não é especificada na interface aérea ou nos padrões de desempenho. Porém, considerações práticas encorajam o uso de diversidade de seleção. Quer dizer, cada ERB demodula, separa e decodifica o tráfego independentemente. Quando os quadros de tráfego dos participantes do handoff chegam à interface da rede, medidas de qualidade de quadro podem ser comparadas, e o melhor quadro escolhido para transmissão à rede. Isto é chamado diversidade de seleção, usar a melhor das N cópias disponíveis de cada quadro de tráfego. 

7.3.4. Softer Handoff

Se os participantes em um soft handoff  são setores de uma mesma célula, a estação permite que a combinação seja feita por um modem CDMA que veja os múltiplos setores. Tal combinação pode ser feita símbolo a símbolo, ao invés da seleção de quadros inteiros.

Da mesma forma, um modem comum, que sirva a todos os setores de um handoff, é capaz de enviar bits de controle de potência idênticos em todos os setores. Isto é permitido para interfaces aéreas. A mensagem de direção de handoff que inicia o processo contém um campo que mostra quais estações estão transmitindo os mesmos bits de controle, tal que o móvel possa fazer uma combinação pré-decisória destes bits. 

Para a MS, um softer handoff é idêntico ao soft handoff, exceto pelo tratamento dos bits de controle de potência. 

7.3.5. O gatilho de um Soft Handoff

O CDMA utiliza o Handoff Assistido pelo Móvel (Mobile Assisted Handoff  - MAHO). Na prática, isto significa que a estação móvel procura continuamente por um código-piloto, utilizando um correlator PN especialmente projetado com esse objetivo. A universalidade do código-piloto (Short Code) facilita a busca. Todas as ERBs utilizam o mesmo código. A MS pode procurar no tempo sem ter que mudar a seqüência PN. 

Se o móvel já tem uma noção do tempo do sistema CDMA, como ele faz se já estiver envolvido em uma chamada, então ele pode fornecer o tempo relativo de uma novo código piloto detectado. O que distingue as estações base uma da outra é a fase de seus códigos-pilotos. O período de cada piloto é 26,667 ms. Eles são separados por no mínimo 64 chips, que representam aproximadamente 52 ms. A temporização do móvel será normalmente suficiente para que um offset piloto informado identifique sem ambigüidade a ERB que ele detectou. 

As MS informam os códigos-pilotos com base na taxa piloto/interferência (PIR). A PIR, chamada E_c/I₀, é comparada a um nível absoluto para determinar quando ela deve ser informada como uma candidata ao handoff. Este nível é um parâmetro que as MS obtêm em mensagens de overhead transmitidas pelas ERBs. Quando um piloto ultrapassa o primeiro nível, então sua presença é comunicada para a rede através de uma mensagem. A rede irá adicionar aquela ERB ao conjunto ativo, ou seja, ao conjunto de estações participantes no soft handoff para a MS em questão. 

O segundo nível é relativo, não mais absoluto. Ele é comparado com a diferença entre o maior PIR no conjunto ativo e os PIRs de todos os outros membros. Quando qualquer deles cair abaixo deste nível, então uma mensagem de exclusão é transmitida, e a ERB em questão é excluída do conjunto ativo. O móvel será informado através de uma mensagem de sinalização. 

O efeito de dois níveis, um absoluto e outro relativo, é assegurar que qualquer estação, que possa contribuir de forma significativa para a relação sinal/ruído (SNR) total após a combinação por diversidade, esteja no conjunto ativo com alta probabilidade. Da mesma forma, uma ERB só será excluída quando se deteriorar muito abaixo da melhor ERB. 

Muitos handoffs reduzem a capacidade do sistema por causa do excessivo número de canais de tráfego direto necessários para suportá-los. Isso também gera um impacto no número de elementos de canal (modems CDMA) necessários nas ERBs. 

A interface aérea do CDMA, para permitir um balanceamento dos recursos da rede, inclui a possibilidade de reinicializar os quadros de tráfego com a hora do sistema. Estes reinicializações de temporizador são acompanhados por um hard handoff.