Medium access for narrowband wireless ad-hoc networks - requirements and initial approaches

Abstract

The initial requirements for a tactical military mobile ad-hoc network are discussed and implications on the design of the link layer for a narrowband system have been investigated. The main focus is on medium access control (MAC) protocols suitable for time division multiple access (TDMA) based mobile VHF and UHF combat networks carrying both data and voice traffic. The work is carried out as part of a NATO SC6 attempt to define a CNR network enabling standardised communications between nations employed in joint operations. In this initial time slotted design the narrowband system is assumed to occupy 25 kHz of spectrum, thus efficient transfer of information and reasonably low overhead ensuring scalability is required to support networks of various sizes. Support for quality of service classes, prioritisation and pre-emption is required. The access to the shared radio channel is managed by the link layer MAC protocol. Terrain obstacles, interference, jamming and potentially long distances may lead to multiple hops, and the distributed resource allocation should handle both hidden and exposed nodes in a time dynamic network topology. The MAC protocols should, in cooperation with the network layer, offer uni- and multicast as well as for example regular transmission of position updates of nearby friendly forces. A literature review has been performed and interesting MAC concepts identified. Furthermore, network timing approaches are studied to some extent. Network splitting and merging as well as radio based combat identification (RBCI) are examples of topics briefly discussed. Dynamic time division multiple access (D-TDMA) and soft reservation schemes such as collision avoidance time allocation (CATA) are identified as potential solutions fulfilling most of the above mentioned requirements. The main challenge for both approaches is to limit overhead due to signalling of control messages while at the same time fulfilling the requirements. We have developed an initial link layer design for two candidate approaches. Initial performance assessments are presented and the characteristics of the two alternatives are compared. For a slowly varying network topology and relatively long traffic flows, as experienced for combat networks operating at VHF frequencies, D-TDMA seems to be the most promising approach with respect to the available traffic capacity. With increasing node mobility, higher operating frequency or a more bursty traffic pattern, the soft reservation approaches may become viable alternatives. In such cases reservation signalling would for example occupy more of the available radio resource when utilising D-TDMA. Examples of possible signalling approaches are given for both uni- and multicasted traffic over one or more hops. For both approaches instability of the contention mechanism(s) during heavy load requires a form of connection admission control to ensure successful outcome of the process for start-up of new traffic flows.

I forbindelse med standardiseringsarbeid innen NATO SC6 for et fremtidig militært mobilt adhoc nett har vi sett på kravene som kan stilles til de ulike protokollagene. Vi har tatt utgangspunkt i et forslag til fysisk lag (modulasjon og koding) utviklet av Communications Research Centre Canada (CRC). Videre har vi utført en forstudie med fokus på hvordan linklaget kan realiseres for et moderne VHF/UHF radionett med både tale og datatjenester innenfor en begrenset båndbredde på 25 kHz. Hovedutfordringen har vært å identifisere og videreutvikle medium aksess kontroll (MAC) metoder som egner seg for militære nett som benytter tidsdelt multippel aksess. MAC protokollen styrer adgangen til en felles radiokanal delt av flere av nodene i nettet. Med lav båndbredde øker kravet til effektiv overføring av informasjon. I tillegg bør den valgte løsningen være skalerbar med hensyn på antall noder (radioer) i nettet, da bruken kan variere fra for eksempel å dekke deler av en brigades kommandonett til mindre interoperabilitetspunkter mellom ulike nasjoner under felles operasjoner. Støtte for forskjellige klasser av tjenestekvalitet, militær prioritet og mulighet for at høyprioritets trafikk kan koble ned lavprioritetssamband og ta over kapasiteten til eget bruk (preemption) er noen av kravene som stilles. Terrenghindringer, interferens, jamming og lange avstander kan kreve flere hopp mellom sender og mottaker(e), og distribuert ressurstildeling som håndterer skjulte og eksponerte noder i et nett med tidsvarierende topologi er nødvendig. I samarbeid med andre protokollag skal MAC protokollen kunne tilby både uni- og multicast tjenester med varierende krav for pålitelig levering. Både sanntidstjenester som for eksempel tale og ikke-sanntidstjenester som for eksempel e-post skal håndteres. Vi har utført en litteraturstudie for å finne egnede MAC protokoller som støtter de definerte kravene. Videre har vi studert tidssynkronisering i nettet og diskutert hvordan nye noder kan koble seg til nettet, samt hvordan deling og sammenslåing av nett kan tenkes utført. Dynamisk tidsdelt multippel aksess (TDMA) og ”myk” reservasjon peker seg ut som to aktuelle kandidater for videre undersøkelser. Hovedutfordringen for begge metodene er å begrense mengden kontrollinformasjon for å sikre god overføringseffektivitet samtidig som tidsvariasjonen i nettet håndteres. Utvikling av designeksempler for mulige implementeringer ga mulighet for å sammenligne ytelsen og egenskapene til de to MAC konseptene. Dynamisk TDMA synes velegnet for mobile ad-hoc nett der topologien varierer relativt sakte og trafikkflytene har relativt lang varighet. Dette er typiske egenskaper for VHF kommandonett som opererer innen 30 – 88 MHz. Med økt nodemobilitet, økt frekvens eller høyere andel av skur trafikk vil protokoller som benytter myk reservasjon bli en aktuell erstatning for dynamisk TDMA. Dette vil typisk kunne inntreffe for ad-hoc nett som benytter militære UHF frekvenser i for eksempel området 225 – 400 MHz der topologidynamikken varierer raskere enn ved lavere frekvenser. Videre har vi beskrevet eksempler på mulige signaleringsmetoder for både uni- og multicast for de to protokolltypene både for ett-hopps- og multihopp kommunikasjon. Videre er god håndtering av trafikkøer påkrevd når lasten i nettet er høy, slik at nye forbindelser ikke kobles opp dersom det ikke er kapasitet i nettet.