Case Study: WiBro MAC
2007.10
미래기술연구소
목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics (For your reference)
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
1
WiBro System
분류
사용주파수 대역
특성
2.3~2.4GHz (100MHz대역폭)
서비스종류
실시간 (예:동영상)
비실시간 (예:파일전송)
최선형 (예:웹 브라우징)
기반 프로토콜
IP
사용자 전송속도
최대 3Mbps이상
기지국 전송속도
30Mbps/FA (10MHz)(기본형)
50Mbps/FA (10MHz)(고속형)
이동속도
<= 60 Km/h
셀 크기
~1 Km
2
Definitions (1/3)
 Base Station (BS)
 SS의 연결, 관리 및 제어 기능을 제공하는 일반화된 장치의 집합
 Serving BS (16e scope)
 SS가 최근에 등록을 수행한 BS
 Target BS (16e scope)
 SS가 핸드오버 마지막 과정에서 등록을 하려고 하는 BS
 Subscriber Station (SS)
 가입자 장치(UE)와 BS사이의 연결성을 제공하는 일반적인 장치
 MSS (Mobile Subscriber Station): SS with Mobility (16e scope)
 PSS (Portable Subscriber Station): MSS in WiBro (TTA)
3
Definitions (2/3)
 Connection
 하나의 Service flow의 트래픽을 전송
 BS와 SS의 MAC peer들 사이의 unidirectional mapping
 Connection Identifier (CID)
 BS와 SS의 MAC계층 내의 connection을 식별하는 MAC계층 주소
 Unidirectional Connection ID
 Connection의 종류
 Basic Connection
 Initial SS ranging동안에 설정 (RNG-RSP)
 지연에 민감한 MAC mgmt. 메시지들을 전송
 Management Connection
 지연에 민감하지 않은 MAC mgmt.메시지들을 전달
 Primary mgmt. connection; Secondary mgmt. connection
 Transport Connection
 사용자의 데이터를 전송하기 위하여 사용되는 연결
4
Definitions (3/3)
 MAP
 DL/UL에서 주파수 및 시간상 자원을 정의하는 MAC계층의 메시지
 자원 위치와 Offset으로 자원 살당 (Subchannel 및 Symbol)
 Downlink MAP (DL-MAP); Uplink MAP (UL-MAP)
 Channel Descriptor
 DL/UL에서 PHY/MAC 특성을 기술하는 MAC message
 Downlink Channel Descriptor (DCD), Uplink Channel Descriptor (UCD)
 Interval Usage Code (IUC)
 Burst profile을 식별하는 부호
 Downlink Interval Usage Code (DIUC); Uplink Interval Usage Code (UIUC)
- 프로파일 (profile)은 변조방식; 순방향 오류정정 방식; 프리앰블 길이; 보
호기간 등을 포함
5
Reference Model
 Convergence Sublayer (CS)
 DL(BS), UL(SS): Classifying SDUs to CID
 Payload header suppression
 MAC CPS
 Bandwidth allocation
 Connection establishment
 Connection maintenance
 Quality of Service
 Scheduling of data over the PHY
 Privacy Sublayer
 Providing authentication
 Secure key exchange
 Encryption
6
Functional Model
7
목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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Packet Header Suppression (PHS)
9
Packet Header Suppression (PHS)
 ATM CS
10
Header Compression
11
Suppression & Compression
12
Packet Classification
13
Packet Classification
14
MAC Connection and CID
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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Payload with GMH
 Fragmentation and Packing
 Subheaders: Fragmentation subheader /Packing Subheader
 MAC SDU and MAC management message -> MAC PDU
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PDU Handling (1/2)
 Concatenation
 Burst를 구성하는 PDU를 연접하여 전송하는 것 (GMH를 사용)
 MAC PDU Concatenation Example
 Fragmentation
 SDU를 분할하여 PDU들에 나누어 전송하는 것 (Fragmentation Subheader를 사
용)
 MAC PDU Concatenation Example
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PDU Handling (2/2)
 Packing
 다수 개의 SDU 또는 SDU fragment들이 PDU를 구성하는 것
 MAC PDU Packing Example – Packing with fragmentation
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ARQ Mechanism
 ARQ (Automatic Repeat reQuest)
 MAC Layer의 optional 기능
 Connection 설정시 ARQ 사용여부 결정
 Per-connection basis로서 수행
 Cumulative/Selective ACK를 가지는 Selective Repeat ARQ bitmap방식으로
서 Bitmap Block의 크기를 가변적으로 운용 가능함
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PAC PDUs
 With Generic MAC Header (GMH) and CRC
 Subheader (SH) and extended subheader (ESH): HT=0
 Only with MAC Header
 No CRC But the field of “header check sum” protects it
 Small size
 Header type (HT) =1
 Bandwidth request header
 Several headers (8 ones in 16e/D6)
21
MAC PDUs with GMH (HT=0)
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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Ranging and BW Request
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Initial & HO Ranging
25
Periodic Ranging
26
UP Link BW Request
27
CDMA Code-Based
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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Normal MAP
 DL-MAP & UL-MAP
 Management Messages (GMH and CRC0
 DL-MAP IEs and UL-MAP IEs
 Burst Profile 방식 (DIUC and UIUC)
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Data Identification In MAP
 Allocation Unit
 Per-Burst: 동일한 변조/코딩을 사용하는 데이터의 집합
 다른 사용자들의 CID를 모음
 Per-User: 사용자 단위 데이터 (CID)
 Burst Profile방식
 데이터의 크기와 상관없이 변조 및 채널 코딩 결정
 채널 상태(SNR)변조 및 채널코딩 결정
 DL: DIUC & UL:UIUC
 Ex) DIUC 0 = [QPSK (CTC) 1/2]
 Nep & Nsch 방식
 Nep: 입력 데이터 양, Nsch: 할당된 sub-channel 양
 데이터 크기에 따라 변조 및 채널코딩 결정
 채널 상태 (SNR)+Nep  변조 및 채널 코딩 결정
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Compressed MAP
 Compressed DL-MAP & Compressed UL-MAP
 No GMH and one CRC
 DL-MAP IEs and UL-MAP IEs
 Burst Profile 방식 (DIUC and UIUC)
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HARQ MAP
 HARQ MAP Message
 Different modulation and channel coding with MAP
 HARQ for downlink and uplink
 Compact DL-MAP IEs and compact UL-MAP IEs
 Nep & Nsch 방식
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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Access Procedures
 셀 방송정보 (UCD/DCD)
 초기 무선 접속 (Initial RNG)
 AT 기본 협상
 장치 및 사용자 인증
 셀 등록
 IP 연결
 서비스 흐름 추가/변경/종료
 등록 해제
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AP Initialization
 셀 초기화 관리
 셀 설정
 SI 설정 (UCD/DCD)
 방송 정보 설정
 상태 관리
 셀 해제 관리
 정상: 셀 해제
 오류: 셀 재시작
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SS Initialization Overview
37
MAC Synchronization
38
DCD Parameter Update
39
Network Entry – Initial Ranging
40
Network Entry – SBC negotiation
41
Network Entry - Registration
42
Network Entry – Provisioned Connection
43
Network Entry – IP Connectivity
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Basic Access
 셀 방송정보
 UCD/DCD
 UL-MAP/DL-MAP
 초기 무선접속
 CDMA Ranging
 Initial Ranging
 AP 기본 기능협상
 장치 및 사용자 인증
 EAP지원
 셀 등록
 IP 연결
 Mobile IP
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Traffic Access and DeRegistration
 서비스 흐름 추가
 무선 트래픽 추가
 MAC: DSA-XXX
 ANAP: DSAxxx
 서비스 흐름 변경
 무선 트래픽 변경
 MAC: DSC-XXX
 ANAP: DSCxxx
 서비스 흐름삭제
 무선 트래픽 삭제
 MAC: DSD-XXX
 ANAP: DSDxxx
 AT접속 해제
 DREG-CMD
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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QoS Objective Model
 Service Flow and Service Class
 Connection ID
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Service Types
 Unsolicited Grand Service (UGS)
 T1/E1 및 voice over IP without suppression 등과 같은 고정된 크기의 데이터
패킷들을 생성하는 real-time service flow들을 지원함
 Real-Time Variable Rate (RT-VR)
 MPEG video 등과 같은 주기적인 가변크기의 데이터 패킷들을 생성하는
service flow들을 지원함
 Extended Real-Time Variable Rate (ERT-VR)
 UGS + RT-VR
 Non-Real-Time Variable Rate (NRT-VR)
 High bandwidth FTP등과 같은 가변 크기의 Data Grant Burst Type들을
regular basis로서 필요로 하는 service flow들을 지원
 Best Effort (BE)
 WWW등과 같은 Best Effort Traffic에 대하여 효과적인 서비스를 제공하기
위한 것
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Uplink자원 요청 및 할당 정책
 UGS (Unsolicited Grand Service)
 Connection 설정시 고정 대역을 할당 받는다. SI (Slip Indicator) bit가 설정
된 경우를 제외하고는 Maximum Sustained Traffic Rate Parameter보다 많은
대역폭을 할당받을 수 없음
 rtPS (real-time Polling Service)
 Connection설정시 polling 주기를 할당 받아 BS로부터 poll을 받으면, 매
PDU 전송마다 bandwidth request 또는 piggybacking으로 자원 요청
 ertPS (extended real-time Polling Service)
 UGS + rtPS
 nrtPS (non-real-time Polling Service
 BS의 상황에 따라 정규적으로 (periodic or non-periodic) poll될 때
bandwidth request를 하거나, connection based로 요청할 수 있음
 BE (Best Effort)
 Connection based 또는 piggybacking으로 자원을 요청할 수 있음
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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Sleep Mode Operation (1/2)
 IEEE 802.16e Sleep-Mode
 Awake Mode: SS는 정상적인 방법으로 PDU들을 수신/전송
 Sleep Mode: SS는 PDU들을 수신하거나 전송하지 않음
 Definitions of Two intervals during Sleep Mode
 Sleep-interval:


Sleep mode로 동작하는 구간
Sleep period 동안에 minimum부터 maximum limits까지 지수적으로 증가
 Listening-interval


Awake mode로 상태변경을 BS가 알려주는 지속 시간
DL transmission과 동기를 맞추고 DL데이터를 복조 할 수 있음
 Sleep Mode의 동작
 Sleep mode로 들어가기 이전에 SS는 BS에게 통지 및 승인이 필요
 Sleep mode동안 BS는 incoming PDU들을 저장


Listening-interval에 DL 데이터 유무를 통지
통지 후 Awake mode로 복귀
 SS는 sleep mode를 종료하고, 언제라도 awake mode로 복귀 가능
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Sleep Mode Operation (1/2)
 Sleep Interval Update Algorithm
 SS는 SLP-RSP message를 수신한 이후에 sleep mode로 진입
 SS는 sleep mode로 진입할 때, sleep-interval에 대하여 min-window를 사용
 이후 sleep-interval의 지속시간을 두 배로 하여 다시 sleep-mode로 재진입
 이 절차는 sleep-interval이 max-window를 넘지 않을 때까지 계속되고, 이
후 max-window크기인 sleep-interval이 반복됨
 Traffic Indication Signaling
 SS는 동기가 맞지 않는 경우 Awake mode로 복귀
 PHY의 frame number가 expected frame number와 다른 경우
 BS는 traffic 유무를 listening interval동안에 통지 (TRF-IND)
 SS가 자신의 CID에 대하여 Positive Traffic Indication을 발견하지 못하면,
sleep-mode로 복귀
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Sleep Mode Example
 Example: Sleep Mode Operation – HPi & 802.16e Harmonization
54
Sleep Mode: Additional Functions
 Sleep Mode Operation (additional functions)
 SLPID Update
 Periodic Ranging During Sleep Mode
 SLPID Grouping Indication
 Guaranteed Mode of Minimum Sleep Duration
 Power Saving Classes, etc
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Power Saving Class (1/2)
 Power Saving Classes
 Power saving class 1:


Recommended for connections of BE and NRT-VR type
Relevant parameters
- Initial-sleep window
- Final-sleep window base
- Listening window
- Final-sleep window exponent
- Start frame number for initial sleep window
- Traffic triggered wakening flat

Sleep window update algorithm
Sleep_window = min (2*(Previous_sleep_window),
Final_sleep_window_base*2^(Final_sleep_window_exponent))
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Power Saving Class (2/2)
 Power Saving Classes
 Power Saving Class 2:
 Recommended for connections of UGS, RT-VR type
 Relevant parameters
- Initial-sleep window
- Listening window
- Start frame number for initial sleep window
 Power Saving Class 3:
 Recommended for multicast connections as well as for management operations, for
example, Periodic Ranging, DSx operations, NBr-ADV
 Relevant parameters
- Final-sleep window base
- Final-sleep window exponent
- Start frame number for sleep window
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Sleep Mode Operation
 Example: Sleep Mode operations with two Power Saving Classes
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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PSS-initiated Idle Mode Transition
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Idle Mode
 Idle Mode
 Concept
 MSS가 DL broadcast messaging을 받으면서 다수 BS는 이동
 MSS가 handover나 normal operation에 요구사항을 따르지 않음
 Discrete interval에만 호출여부를 점검하여 power save를 할 수 있는 상태
 Conditions
 모든 connection 및 management connection ID들은 해제/반납됨
 ID address도 반납됨
 MBS service flow 및 SA는 유지
 Idle Mode Entering procedure
 BS-initiated unsolicited DREG-Cmd Message (code=0x05)
 MSS-initiated DREG-REG, then the BS shall Tx DREG-Cmd (code=0x05)
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Paging Listening & Unavailable
 MSS Broadcast paging Message time synchronization
 Preferred BS의 평가 및 선택:DCD 및 DL-MAP수신
 MSS Paging Unavailable Interval
 MSS Paging Listening Interval
 MSS paging Unavailable interval
 수행 가능한 동작
 Power down
 Scan neighbor BSs
 Re-select Preferred-BS
 Ranging trial
 기타 다른 action들을 수행
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Paging Procedure
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Paging Cycle
 BS Paging Interval
 BS Paging interval은 다음을 만족하는 frame에서 시작하는 5 frame구간임
 N_frame modulo PAGING_CYCLE == PAGING_OFFSET
 BS는 backbone message를 통하여 실제 PAGING_CYCLEs를 통보 받음
 BS Broadcast Paging message
 단말기에게 다음 사항을 알려줌
- BS또는 어떤 network entity를 통하여 pending서비스 요청
- Location update를 수행하도록 poll
 Broadcast CID를 사용하여, BS Paging Interval동안 전송
 MSS를 식별하기 위하여 MSS MAC Address Hash를 포함
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Paging & Location Update
 Paging and Location Update
 Paging and Location Update
 Paging Group ID, Paging Cycle, Paging Offset값에 의해 Paging interval동안에
paging가능 (Paging controller/serving BS에 의하여)
 RNG-REG/RSP 메시징을 통하여 Location Update가능
 Location Update Types
 Zone-based (Paging Group ID change detection) Location Update
 Timer-based Location Update
 Power down-based Location Update
 MAC hash Skip Threshold-based Location Update
 Location Update Process
 Secure Location Update
- RNG-REG msg내에 Ranging Purpose Indication “Location Update Request”
& paging controller ID TLV & HMAC Tuple을 포함하여 전송
 Un-secure Location Update
- RNG-REG msg without HMAC Tuple
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Fast Re-entry Procedure from Idle Mode
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목차
 PART I : Basic Topics
 Introduction to MAC
 Convergence sublayer
 MAC PDU
 Ranging
 MAP
 PART II: Advanced Topics
 Basic Access Procedure
 QoS
 Sleep mode
 Idle & Paging
 Handover
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WiBro System Architecture
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Handover Types
 Handover Types
 Inter-Sector Handover
 Inter-BS(RAS) Handover
 Inter-ACR Handover
 HO Type based on Initiator
 MS-initiated HO
 BS-initiated HO
 L2 Connection Types
 Hard HO
 Fast BS Switching (FBSS)
 Soft HO: Macro Diversity HO (MDHO)
 Specification of L3 Handover
 Out of Scope of IEEE 802.16
 Link extension (tunneling) or MIP
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Neighbor BS Information
 Trade-off of MOB_NBR-ADV Interval
 Acquisition Time
 Broadcast Data Overhead
70
SCAN and HO initiation
71
HO Ranging
72
Neighbor BS Scanning
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Scan and Periodicity
 Scanning
 Scanning without Association
 Scanning with Association
 Determined by “Scanning Type”
 Multiple Scanning Intervals
 “Trigger” in DCD
 Type/Function/Action descriptor
 Controls scanning request, scanning report and HO initiation
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SCAN and ASSOCIATION
 Scanning
 Message based scanning procedure and iterative scanning interval
 No downlink data during scanning interval
 Association
 Optional initial parameter negotiation when scanning
 Purpose of association
 To select the proper target BS for HO
 To expedite a potential future HO to a target BS
 By acquiring and recording ranging parameters and service availability information
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ASSOCIATON LEVELS
 Three Association levels
 Association level 0: contention-based ranging
 Association level 1: non-contention-based ranging
 Association level 2: non-contention-based ranging, no wait for RNG-RSP
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HO Decision Parameters
 HHO: Hysteresis margin & Time-to-Trigger margin in DCD msg.
 SHO: H_Add_Threshold & H_Delete_Threshold in DCD msg.
 Trigger in DCD message
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Handover Decision
78
HO procedure in serving BS
79
HO Procedures
80
Example: Inter-AP HO procedure
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FBSS & SHO
 FBSS (Fast BS Switching)
 An MS receives/transmits data from/to only one BS, an anchor BS
 SHO (Soft HO)
 An MS receives/transmits data from/to all BSs in the current Active Set.
82
Conditions for FBSS/SHO
 FBSS
 BSs are synchronized based on a common time source
 Frames from any BSs in Active Set arrive at the MS within the prefix interval
 BSs have synchronized frames
 BSs operate at the same frequency channel
 BSs are required to share or transfer MAC context
 SHO
 All conditions required to enable FBSS
 BSs shall use the same set of CIDs for the connections that are established with
the MS
 The same MAC/PHY PDUs shall be multicast by the Bses to the MS
 Monitoring method of DL control information and DL broadcast messages
 DL-MAP & UL-MAP of the anchor BS
 DL-MAPs & UL-MAPs of all the active BSs
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ACTIVE SET UPDATE (ADD)
 Control of Active Set
MSS
BS1
BS2
 H_ADD_Threshold (DCD)
 H_Delete_Threshold (DCD)
84
ACTIVE SET UPDATE (DROP)
85
ANCHOR BS UPDATE
86
ANCHOR BS UPDATE: FAST-FEEDBACK CH
 Anchor BS report
 8 codewords numbered from 32 to 39
 Each codeword maps to one of TEMP BS ID
 Fast-feedback CH allocation from a new Anchor BS
 Pre-allocated by MOB_BSHO-RSP or MOB_BSHO-REQ
 Anchor_Switch_IE during anchor switching operation
 UL-MAP of the new anchor BS after the switching period
 Cancellation of Anchor BS Update be MS
 MS can not cancel anchor BS update during anchor switching operation
 MS stay with the previous Anchor BS and transmit the CQI on the same CQICH allocated by the
previous anchor BS
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Thank you for your kind attention!
88