Medium access control design for all-IP and ad hoc wireless network

Medium Access Control (MAC) protocol in a wireless network controls the access of wireless medium by mobile terminals, in order to achieve its fair and efficient sharing. It plays an important role in resource management and QoS support for applications. All-IP wireless WAN is fully IP protocol-based and it is a strong candidate beyond 3G (Third Generation Wireless Network). Ad hoc wireless network has recently been the topic of extensive research due to its ability to work properly without fixed infrastructure. This dissertation is composed of two main parts. The first part pursues a Prioritized Parallel Transmission MAC (PPTM) design for All-IP Wireless WAN. Two stages are used and each packet is with a priority level in PPTM. In stage 1, a pretransmission probability is calculated according to the continuous observation of the channel load for a certain period of time. In stage 2, a packet is prioritized and transmitted accordingly. It is modeled and analyzed as a nonpreemptive Head-Of-the-Line prioritized queueing system with Poisson arrival traffic pattern. Its performance is analyzed under three other traffic patterns, which are Constant Bit Rate, Exponential On/Off, and Pareto On/Off, by using a NS-2 simulator, and compared with that of Modified Channel Load Sensing Protocol. PPTM supports dynamic spread code allocation mechanism. A mobile terminal can apply for a spreading code according to the current channel condition. To use the idea of dynamic bandwidth allocation in PPTM for adhoc wireless network, a Dynamic-Rate-with-Collision-Avoidance (DRCA) MAC protocol is proposed in the second part of the dissertation. DRCA is based on spread spectrum technology. In DRCA, a terminal sets the spreading factor for a packet according to the activity level of neighboring nodes. If the total number of usable spreading codes with this spreading factor is less than the total number of mobile terminals in the network, to avoid collision, the spreading code id is broadcast such that other terminals can avoid using it when the packet is being transmitted. The performance of DRCA is theoretically analyzed in a slotted, single-hop, multi-user environment. To evaluate DRCA\u27s performance in an environment closed to a real one, a simulator that supports multi-hop, random mobility pattern is created with OPNET. Both theoretical and simulation results show that DRCA outperforms MACA/CT (Multiple Access with Collision Avoidance with Common Transmitter-based) in case if there are more than one communication pair and the ratio of inactive mobile terminals to active ones is high

NASA's mobile satellite development program

A Mobile Satellite System (MSS) will provide data and voice communications over a vast geographical area to a large population of mobile users. A technical overview is given of the extensive research and development studies and development performed under NASA's mobile satellite program (MSAT-X) in support of the introduction of a U.S. MSS. The critical technologies necessary to enable such a system are emphasized: vehicle antennas, modulation and coding, speech coders, networking and propagation characterization. Also proposed is a first, and future generation MSS architecture based upon realized ground segment equipment and advanced space segment studies

System level performance of ATM transmission over a DS-CDMA satellite link.

PhDAbstract not availableEuropean Space Agenc

Proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC 1990)

Presented here are the proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC), held June 17-20, 1990 in Ottawa, Canada. Topics covered include future mobile satellite communications concepts, aeronautical applications, modulation and coding, propagation and experimental systems, mobile terminal equipment, network architecture and control, regulatory and policy considerations, vehicle antennas, and speech compression

Analysis of MAC Strategies for Underwater Acoustic Networks

En esta tesis presentamos los protocolos MAC diseñados para redes acústicas subacuáticas, clasificándolos en amplias categorías, proporcionando técnicas de medición de rendimiento y análisis comparativo para seleccionar el mejor algoritmo MAC para aplicaciones específicas. Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) es un protocolo MAC que se propuso para redes acústicas submarinas como medio para resolver los problemas de terminales ocultos y expuestos. Una versión modificada, Slotted FAMA, tenía como objetivo proporcionar ahorros de energía mediante el uso de ranuras de tiempo, eliminando así la necesidad de paquetes de control excesivamente largos en FAMA. Sin embargo, se ha observado que, debido al alto retraso de propagación en estas redes, el coste de perder un ACK es muy alto y tiene un impacto significativo en el rendimiento. Los mecanismos MultiACK y EarlyACK han sido analizados para el protocolo MACA, para mejorar su eficiencia. El mecanismo MultiACK aumenta la probabilidad de recibir al menos un paquete ACK al responder con un tren de paquetes ACK, mientras que el mecanismo EarlyACK evita la repetición de todo el ciclo de contención y transmisión de datos RTS / CTS enviando un ACK temprano. En esta investigación se presenta un análisis matemático de las dos variantes, los mecanismos MultiACK y EarlyACK, en Slotted FAMA. La investigación incluye las expresiones analíticas modificadas así como los resultados numéricos. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando ns-3. Los resultados han sido probados y validados utilizando Excel y MATLAB. La evaluación del rendimiento de S-FAMA con dos variantes mostró un factor de mejora del 65,05% en la probabilidad de recibir un ACK correctamente utilizando el mecanismo MultiACK y del 60,58% en la prevención de la repetición del ciclo completo, con EarlyACK. El impacto de este factor de mejora en el retardo, el tamaño del paquete de datos y el rendimiento también se analiza. La energía de transmisión desperdiciada y consumida en los mecanismos MultiACK y EarlyACK se analizan y comparan con S-FAMA. El rendimiento se ha evaluado, alcanzando una mejora en ambos casos, en comparación con S-FAMA. Estos mecanismos tendrán una utilidad práctica en caso de pérdida de ACK, al ahorrar energía y tiempo en períodos críticos. Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 28 septiembre 2018.Esta tesis presenta una investigación sobre los protocolos MAC utilizados en la comunicación subacuática para explorar el mundo submarino. Los protocolos MAC ayudan en el acceso al medio compartido y la recopilación de datos de los océanos, para monitorizar el clima y la contaminación, la prevención de catástrofes, la navegación asistida, la vigilancia estratégica y la exploración de los recursos minerales. Esta investigación beneficiará a sectores como las industrias militares, de petróleo y gas, pesquerías, compañías de instrumentación subacuática, organismos de investigación, etc. El protocolo MAC afecta la vida útil de las redes inalámbricas de sensores. La eficiencia energética de las redes acústicas submarinas se ve gravemente afectada por las propiedades típicas de la propagación de las ondas acústicas. Los largos retrasos de propagación y las colisiones de paquetes de datos dificultan la transmisión de los paquetes de datos, que contienen información útil para que los usuarios realicen tareas de supervisión colectivas. El objetivo de este estudio es proponer nuevos mecanismos para protocolos MAC diseñados para funcionar en redes acústicas submarinas, con el propósito de mejorar su rendimiento. Para alcanzar ese objetivo es necesario realizar un análisis comparativo de los protocolos existentes. Lo que además sienta un procedimiento metodológicamente correcto para realizar esa comparación. Como la comunicación subacuática depende de ondas acústicas, en el diseño de los protocolos de MAC submarinos surgen varios desafíos como latencia prolongada, ancho de banda limitado, largas demoras en la propagación, grandes tasas de error de bit, pérdidas momentáneas en las conexiones, severo efecto multicamino y desvanecimientos. Los protocolos MAC terrestres, si se implementan directamente, funcionarán de manera ineficiente

High Performance Signal Processing-Based Collision Resolution for Random Access Schemes

Els darrers anys han experimentat un augment de la demanda de serveis interactius per satèl·lit per al gran consum, cobrint serveis fixes i mòbils, tal i com accés de banda ampla, comunicacions màquina-màquina (M2M), supervisió, control i adquisició de dades (SCADA), transaccions i aplicacions de seguretat crítiques. Aquestes xarxes de comunicacions es caracteritzen per tenir una gran població d’usuaris compartint l’amplada de banda amb unes condicions de tràfic molt dinàmiques. Concretament, en el canal de retorn (de l’usuari a la xarxa) de xarxes d’accés de banda ampla, els usuaris residencials generen grans ràfegues de tràfic amb períodes d’inactivitat freqüents. Una situació similar succeeix en xarxes de comunicacions mòbils per satèl·lit, on una gran població de terminals generen transmissions infreqüents de senyalització, serveis basats en la localització or altres aplicacions de missatgeria. Aquests serveis requereixen el desenvolupament de protocols d’accés múltiple eficients que puguin operar en les condicions descrites anteriorment. Els protocols d´accés aleatori són bons candidats per servir tràfic poc predictiu, amb transmissions infreqüents així com sensibles amb el retard. A més, els protocols d´accés aleatori suporten un gran nombre de terminals compartint el canal de comunicacions i requereixen poca complexitat en el terminals. El protocols d´accés aleatori han estat àmpliament estudiats i desplegats en xarxes terrestres, però les seves prestacions són pobres en el entorn satèl·lital, que està caracteritzat per retards de propagació molt grans. Avui en dia, el seu ús en les xarxes de comunicacions per satèl·lit està principalment limitat a la senyalització d’inici de sessió, transmissió de paquets de control i en alguns casos a la transmissió de petits volums de dades amb unes eficiència d’utilització del canal molt baixa. Aquesta tesi proposa tres noves tècniques d’accés aleatori, bens adaptades per proveir els serveis esmentats anteriorment en un entorn satèl·lital, amb altes prestacions i una complexitat en el terminal d’usuari reduïda. Les noves tècniques d’accés aleatori són Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA), Asynchronous Contention Resolution Diversity Aloha (ACRDA) i Enhanced Spread Spectrum Aloha (E-SSA), adaptades per un tipus d’accés ranurat, asíncron i d’espectre eixamplat respectivament. Les tres tècniques utilitzen una codificació de canal (FEC) robusta, capaç d’operar en front de interferències elevades, que són típiques en l’accés aleatori, i d’un mecanisme de cancel·lació successiva d’interferència que s’implementa en el receptor sobre els paquets descodificats satisfactòriament. Els nous protocols obtenen un throughput normalitzat superior a 1 bit/s/Hz amb una tassa de pèrdua de paquets inferior a 10-3, el qual representa un factor de millora de 1000 respecte a protocols d’accés aleatori tradicionals com l’ALOHA ranurat. Les prestacions de les noves tècniques d’accés aleatori has estat analitzades per mitjà de simulacions, així com amb nou models analítics desenvolupats en aquesta tesi capaços de caracteritzar el tràfic, la distribució estadística de la potència dels paquets, les prestacions de la codificació de canal (FEC) i el procés de cancel·lació d’interferència successiva.Los últimos años han experimentado un crecimiento de la demanda de servicios interactivos por satélite para el gran consumo, cubriendo servicios fijos i móviles, como el acceso de banda ancha, comunicaciones máquina a máquina (M2M), supervisión, control y adquisición de datos (SCADA), transacciones i aplicaciones criticas de seguridad. Estas redes de comunicaciones se caracterizan por tener una gran población de usuarios compartiendo el ancho de banda en unas condiciones de tráfico muy dinámicas. Concretamente, en el canal de retorno (del usuario a la red) de redes de acceso de banda ancha, los usuarios residenciales generan grandes ráfagas de tráfico con periodos frecuentes de inactividad. Una situación similar ocurre en las redes de comunicaciones móviles por satélite, donde una gran población de terminales generan transmisiones infrecuentes de señalización, servicios basados en la localización u otras aplicaciones me mensajería. Estos servicios requieren el desarrollo de protocolos de acceso múltiple eficientes capaces de operar en las condiciones descritas anteriormente. Los protocolos de acceso aleatorio son buenos candidatos para servir el tráfico poco predictivo, con transmisiones infrecuentes así como sensibles al retardo. Además, los protocolos de acceso soportan un gran número de terminales compartiendo el canal de comunicaciones y requieren poca complejidad en los terminales. Los protocolos de acceso aleatorio han estado ampliamente estudiados i desplegados en las redes terrestres, pero sus prestaciones son pobres en el entorno satelital, que se caracteriza por retardos de comunicaciones muy elevados. Hoy en día, su uso en la redes de comunicaciones por satélite está principalmente limitado a la señalización de inicio de sesión, transmisión de pequeños volumenes de datos con eficiencia de utilización del canal muy baja. Esta tesis propone tres nuevas técnicas de acceso aleatorio bien adaptadas para proveer los servicios mencionados anteriormente en un entorno de comunicaciones por satélite, con altas prestaciones y una complejidad en el terminal de usuario reducida. Las nuevas técnicas de acceso aleatorio son Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA), Asynchronous Contention Resolution Diversity Aloha (ACRDA) y Enhanced Spread Spectrum Aloha (E-SSA), adaptadas para un tipo de acceso ranurado, asíncrono y de espectro ensanchado respectivamente. Las tres técnicas utilizan una codificación de canal (FEC) robusta, capaz de operar en condiciones de interferencia elevadas, que son típicas en el acceso aleatorio, y de un mecanismo de cancelación sucesiva de interferencias que se implementa en el receptor sobre los paquetes que han sido decodificados satisfactoriamente. Los nuevos protocolos obtienen un throughput normalizado superior a 1 bit/s/Hz con una tasa de pérdida de paquetes inferior a 10-3, lo cual representa un factor de mejora de 1000 respecto a los protocolos de acceso aleatorio tradicionales como el ALOHA ranurado. Las prestaciones de las nuevas técnicas de acceso aleatorio han sido analizadas con simulaciones así como con nuevos modelos analíticos desarrollados en esta tesis, capaces de caracterizar el tráfico, la distribución estadística de la potencia de los paquetes, las prestaciones de la codificación de canal (FEC) y el proceso de cancelación sucesiva de interferencias.Over the past years there has been a fast growing demand for low-cost interactive satellite terminals supporting both fixed and mobile services, such as consumer broadband access, machine-to-machine communications (M2M), supervisory control and data acquisition (SCADA), transaction and safety of life applications. These networks, are generally characterized by a large population of terminals sharing the available resources under very dynamic traffic conditions. In particular, in the return link (user to network) of commercial satellite broadband access networks, residential users are likely to generate a large amount of low duty cycle bursty traffic with extended inactivity periods. A similar situation occurs in satellite mobile networks whereby a large number of terminals typically generate infrequent packets for signaling transmission as well for position reporting or other messaging applications. These services call for the development of efficient multiple access protocols able to cope with the above operating conditions. Random Access (RA) techniques are by nature, good candidates for the less predictive, low duty cycle as well as time sensitive return link traffic. Besides, RA techniques are capable of supporting large population of terminals sharing the same capacity and require low terminal complexity. RA schemes have been widely studied and deployed in terrestrial networks, but do not perform well in the satellite environment, which is characterized by very long propagation delays. Today, their use in satellite networks is mainly limited to initial network login, the transmission of control packets, and in some cases, for the transmission of very small volumes of data with very low channel utilization. This thesis proposes three novel RA schemes well suited for the provision of the above-mentioned services over a satellite environment with high performance and low terminal complexity. The new RA schemes are Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA), Asynchronous Contention Resolution Diversity Aloha (ACRDA) and Enhanced Spread Spectrum Aloha (E-SSA), suited for slotted, unslotted and spread spectrum-based systems respectively. They all use strong Forward Error Correction (FEC) codes, able to cope with heavy co-channel interference typically present in RA, and successive interference cancellation implemented over the successfully decoded packets. The new schemes achieve a normalized throughput above 1 bit/s/Hz for a packet loss ratio below 10-3, which represents a 1000-fold increase compared to Slotted ALOHA. The performance of the proposed RA schemes has been analyzed by means of detailed simulations as well as novel analytical frameworks that characterize traffic and packets power statistical distributions, the performance of the FEC coding as well as the iterative interference cancellation processing at the receiver

Survey of Inter-satellite Communication for Small Satellite Systems: Physical Layer to Network Layer View

Small satellite systems enable whole new class of missions for navigation, communications, remote sensing and scientific research for both civilian and military purposes. As individual spacecraft are limited by the size, mass and power constraints, mass-produced small satellites in large constellations or clusters could be useful in many science missions such as gravity mapping, tracking of forest fires, finding water resources, etc. Constellation of satellites provide improved spatial and temporal resolution of the target. Small satellite constellations contribute innovative applications by replacing a single asset with several very capable spacecraft which opens the door to new applications. With increasing levels of autonomy, there will be a need for remote communication networks to enable communication between spacecraft. These space based networks will need to configure and maintain dynamic routes, manage intermediate nodes, and reconfigure themselves to achieve mission objectives. Hence, inter-satellite communication is a key aspect when satellites fly in formation. In this paper, we present the various researches being conducted in the small satellite community for implementing inter-satellite communications based on the Open System Interconnection (OSI) model. This paper also reviews the various design parameters applicable to the first three layers of the OSI model, i.e., physical, data link and network layer. Based on the survey, we also present a comprehensive list of design parameters useful for achieving inter-satellite communications for multiple small satellite missions. Specific topics include proposed solutions for some of the challenges faced by small satellite systems, enabling operations using a network of small satellites, and some examples of small satellite missions involving formation flying aspects.Comment: 51 pages, 21 Figures, 11 Tables, accepted in IEEE Communications Surveys and Tutorial