A Flexible and Dynamic Method for Efficient Group Communication in Mobile Military Networks

Abstract

Group communication will be one of several important services that should be available in the networks for the tactical edge also in the near future. Group communication is used in situations when information is meant for several receivers forming a group within a predefined network area. We expect that the need for efficient support for group communication will increase with the introduction of more sensors, autonomous systems and more information sharing in future common operations. Within the project Tactical C4IS for the land domain (P8043), different concepts for a future mobile communications infrastructure are studied. It will most likely be necessary with a new and/or upgraded network architecture that includes efficient group communication when the chosen concept is realized. In this report, we propose a possible future network architecture and study how some important group communication services (e.g., push-to-talk voice and situation awareness) can be efficiently supported. The network architecture makes use of high-capacity radios with the purpose of increasing data capacity at the mobile tactical edge. In order to maintain distance over radio networks where high-capacity radios are used, it will be necessary to forward the traffic via relays (multihop). Intermediate nodes must therefore forward group information in order to reach the respective receivers. The purpose of the study is to propose a solution to support group communication that is robust and at the same time requires as little as possible of the network resources to provide the services. The Simplified Multicast Forwarding protocol (SMF) enables robust data distribution and is a candidate for distributing the exemplified services in future military high-capacity radio networks. The disadvantage of this protocol is that it distributes the information to the entire radio network even in situations where the receivers are located in a smaller area of the network. In this report, we therefore describe several methods to limit the forwarding of group traffic when the SMF protocol is used, taking into account topology change caused by for instance mobility. We further propose to combine one of these methods with another type of protocol, Explicit Multiunicast (Xcast). This proposal can provide robust support for group communication in challenging terrain with the goal of reduced network resource consumption compared with the use of standard SMF. One advantage is the ability to do traffic management of group traffic and thereby reduce the load on the network. Furthermore, the method can be improved to also support group communication across several radio networks in heterogeneous mobile networks. We expect such heterogeneous mobile networks to become more prevalent in the future. This report proposes a design of how to tailor the dissemination of group information in a robust manner when SMF is used. It is necessary to evaluate the method with simulation and/or network emulation to study the proposal in more detail. The report is mainly written for network designers addressing group communication in mobile radio networks.

Gruppekommunikasjon vil være en av flere viktige tjenester i fremtidens taktiske ledelsessystemer. Med gruppekommunikasjon mener vi informasjon som er ment for en begrenset mottakergruppe innenfor et forhåndsdefinert nettverksområde. Vi forventer at behovet for gruppekommunikasjon vil øke i fremtiden grunnet innføring av flere sensorer, autonome systemer og mer utstrakt deling av data for bedre felles situasjonsforståelse. Prosjektet Taktisk ledelsessystem for landdomenet (P8043) har studert forskjellige konsepter for en mobil kommunikasjonsinfrastruktur hvor brukerfunksjonalitet understøttes av en fremtidsrettet tjenesteinfrastruktur. Det vil sannsynligvis være nødvendig med en ny og/eller oppdatert nettverksarkitektur med god støtte for gruppekommunikasjon for å realisere konseptet som blir valgt. I denne rapporten har vi laget et design for hvordan noen viktige taktiske gruppekommunikasjonstjenester (for eksempel push-to-talk tale og situasjonsforståelse) kan støttes i en mulig fremtidig nettverksarkitektur. Nettverksarkitekturen gjør bruk av høykapasitetsradioer med den hensikt å øke datakapasiteten i mobile taktiske kommunikasjonsnettverk. For å opprettholde forbindelse over avstand i radionettverk hvor høykapasitetsradioer er brukt, vil det være behov for å sende trafikken via relé (multihop). Informasjon som er ment for en gruppe av mottakere, må derfor videresendes av mellomliggende noder for å nå frem til alle. Målet med studien er å finne effektive løsninger for å sende denne typen informasjon på en robust måte som samtidig bruker minst mulig datakapasitet. Protokollen Simplified Multicast Forwarding (SMF) muliggjør robust distribusjon av data og er trolig en kandidat i fremtidige høykapasitets radionettverk. En ulempe med denne protokollen er at den i utgangspunktet sprer informasjon ut til hele radionettverket, også i situasjoner der mottakerne befinner seg innenfor et begrenset område. Rapporten beskriver derfor flere metoder for å avgrense spredningen av gruppekommunikasjon når SMF er brukt, samtidig som vi tar høyde for endringer i nettverket i form av for eksempel node mobilitet. Vi forslår videre å kombinere en av disse metodene med en annen type protokoll, Explicit Multi-unicast (Xcast). Forslaget gir mange muligheter. Det kan gi robust støtte for gruppekommunikasjon i utfordrende terreng, samtidig som den er forventet å redusere ressursbruken sammenlignet med standard SMF. Gevinsten er trafikkstyring av gruppekommunikasjon og dermed redusert ressursbruk. Forslaget kan også enkelt videreutvikles til å støtte gruppekommunikasjon over flere radionettverk i et heterogent nettverk. Vi forventer at heterogene nettverk vil bli mer utbredt i fremtiden. Rapporten gir et skrivebordsdesign for hvordan avgrense spredning av gruppeinformasjon ved bruk av SMF. Det vil være nødvendig å evaluere løsningen i simulator og/eller emulert testbed. Rapporten er hovedsakelig skrevet for nettverksdesignere som er interessert i gruppekommunikasjon i mobile radionettverk.