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

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.