Mobile Emergency Communication System Architecture

Published on February 2017 | Categories: Documents | Downloads: 27 | Comments: 0 | Views: 164
of 12
Download PDF   Embed   Report

Comments

Content

International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013                            www.seipub.org/ijace 

Mobile Emergency Communication System  Architecture   
Erik Certain1, David Liu*2 
1 2 1

Raytheon Network Centric Systems, Fort Wayne, IN, USA  Indiana University – Purdue University Fort Waye, Fort Wane, IN, USA  [email protected]; * [email protected]  improve  the  performance  and  capacity  of  LMR  systems,  the  quality  of  public  safety  communication  systems  has  generally  lagged  behind  commercial  systems  such  as  cellular  development.    This  disparity  in  performance  and  the  lack  of  ability  to  interconnect  between  emergency  response  departments  was  not  fully  understood  until  recent  crisis  highlighted  the  severity  of  the  need  to  deploy  coordinated  operations  among  the  various  response  departments  locally  and  non  locally  and  the  ability  to  access  real  time  data.   A  real  world  event,  such  as  the  Hurricane  Katrina  or  recent  Tsunami  in  South  East  Asia  is  a  good  example  of  a  complete  collapse  of  the  existing  communications  infrastructure from a natural disaster.    In  addition  to  non‐interconnected  communications  devices,  rescue  and  recovery  efforts  are  hampered  by  damaged  or  destroyed  infrastructure.    An  ad‐hoc  communications  infrastructure  with  support  of  VOIP  (voice over IP), broadband, and video streaming, must  be  put  in  place  relatively  quickly  and  support  robust  communication  links  in  order  to  adjust  to  changing  mission  critical  multimedia  needs  between  rescue  teams  and  responders  and  their  headquarters  over  extremely  long  distances  using  combinations  of  wireless network technologies.   Establishing  ad‐hoc  communications  networks  in  real  emergency  conditions  was  achieved  by  a  group  led  by  the  Naval  Postgraduate  School  (NPS)  in  ground  based  satellite  communications  using  an  IEEE  802.11  cell  phone  and  802.16  router  in  Thailand  shortly  after  all  communication  infrastructure  was  lost  to  the  Tsunami  [Miller  et  al.,  2006].    The  equipment  was  pieced  together  with  on‐site  available  items  given  by  the  various  companies—an  effective  communications  grid  was  quickly  developed,  providing  critical  connectivity  to  the  world.    This  gave  way  to  the  concept  of  developing  a  standard  for  ‘Fly‐Away’  mobile  communications  network  was  a  critical  asset  for  the  world  associations  such  as  the  Red  Cross,  FEMA,  etc.    

 
Abstract  In  this  paper,  emergency  communications  past  and  present  are  discussed.    The  current  public  safety  issues  of  non‐ interconnected  separately  owned  and  operated  Land  Mobile  Radio  (LMR  or  private  mobile  radio  (PMR))  networks  to  the  presently  designed  systems  for  interconnected  from  agency  to  agency  use  radio  systems  that  are  created  by  unifying  communication  resources  providing  public  safety  agencies  local,  regional,  and  national  services.    These  proposed  interconnected  systems  are  called  mobile  responder  communication  networks  (MRCNs).        Many  groups  have  explored  how  to  accomplish  interconnecting  existing  and  new  infrastructure,  from  small  devices  to  larger,  interconnecting  public  to  private  networks.    A  particular  focus  of  this  paper  will  also  explore  a  newer  technology  called  WiMAX,  a  bridging  technology  that  can  expand  the  useable  spectrum  of  services  currently  available.    The  infrastructure,  including  WiMAX,  can  bridge  services  and  also  enhance  current  ones.    MRCNs  can  use  a  common  IP‐ based  network  service  intelligent  session  control  to  bridge  commercial  networks  as  well  with  LMRs.   Thus,  this  would  allow  for  the  support  of  multimedia  services,  broadband  access  via  high  data  rate  access,  and  mission  critical  group  voice  and  other  services  not  available  with  current  LMR  technologies during emergency responses.  Keywords  Wireless  and  Mobile  Networks;  Land  Mobile  Radio;  Public  Safety;  Emergency Communications 

Introduction For  many  decades,  land  mobile  radio  (LMR)  has  been  the  mainstay  of  public  safety  agencies  communications,  such  as  the  fire  department,  EMS,  law  enforcement,  and  other  emergency  response  departments.    These  radios  are  locally  owned  and  managed  units  dedicated  solely  for  that  purpose  and  non‐integrated with any other communication devices,  let  alone  not  often  integrated  outside  a  small  localized  area.  Although developments such as computer‐aided  dispatch  and  trunking  have  been  introduced  to 

 

 

35

www.seipub.org/ijace                            International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013 

This  new  concept  could  be  created  by  anyone  and  used  to  support  disaster  areas  that  have  lost  or  communications infrastructure did not exist.                       With  increased  awareness  of  the  importance  of  communications  between  first  responders  or  recovery  teams,  the  threat  of  terrorist  activities,  and  natural  disasters  such  as  tsunamis,  earthquakes,  hurricanes;  research  has  been  performed  as  to  how  to  quickly  deploy  the  necessary  infrastructure  needed  to  handle  the  necessary  requirements  for  streamlined  communications  to  the  various  responders.    The  evolving  capabilities  of  IEEE  802.16  are  a  natural  extension  to  mobile  platforms,  as  well  as  being  able  to  provide  basic  communication,  situational  awareness,  and  telemedicine.    Much  research  as  been  done  in  the  form  of  connecting  legacy  and  current  technologies  in  hopes  of  ascertaining  useable  communications  for  voice  and  broadband  services.    Wireless  technologies  (mainly  WiFi,  WiMax,  RFID  badges,  and  GEO  satellite)  are  considered  in  this  paper  in  order  to  meet  the  requirements  of  disaster  rescue  communications  scenarios  [Lu,  et  al.  2006].    To  find  solutions  to  these  problems,  many  projects,  experimentations,  and  groups  have  gathered  to  attempt  demonstrating  possible  architectures.    One  such  group,  MESA,  has  proposed  a  complete  end  to  end,  large  scope  to  small  solution which will be discussed at length.  In addition,  others  propose  mobile  responder  communication  networks for public safety, or utilizing mesh networks.   These  proposed  standards  extend  the  existing  standards  such  as  the  APCO  Project  25  in  the  US  and  TETRA and Tetrapol in Europe.  To successfully create  a  system  commercial  aspects  are  considered,  scalability,  service  availability,  current  features  and  desired  features,  IP  models,  VOIP,  signaling,  broadband  and  bandwidth  issues,  multimedia  applications, and reliability.  Existing  public  safety  communication  systems  are  based  on  several  different  standards  and  these  standards  have  created  technologies  that  are  often  unable  to  talk  with  each  other.    The  problem  of  interoperability  between  different  emergency  and  protection  communication  systems  exist  at  every  level—national  and  international.   Another  one  of  the  reasons  this  issue  exists  is  due  to  budgetary  constraints  and  technical  constraints  of  existing  public  legacy  communication  systems.    In  addition,  public  sectors  have  not  converged  to  purchase  like  equipment  for  their  departments,  rather  each  has  gone  their  own  way  which  has  worked  for  many  years  but  is  now  having  longer  term  impact.    This  paper 

presents  a  survey  of  existing  public  safety  communication  systems  for  rapid  deployable  systems  and  their  infrastructure  and  some  of  the  evolution  up  to  this  time.    Topics  highlighted  will  include  challenges  in  its  development,  and  on‐going  research  and standardization taking place.  Historical Background As  previously  mentioned,  TETRA  and  Tetrapol  in  Europe,  and  APCO  Project  25  were  the  first  deployed  version  of  private  mobile  radio  (PMR)  narrow  band  digital  communication  architecture  for  public  safety  and  security  communications  and  information  exchange.    These  architectures  allowed  for  a  broad  range  of  wireless  communications  specialized  particularly  to  public  safety  including:  wireless  networks  including  digital voice  and  multimedia  data,  establishing  a  common  (integrated)  wireless  network  infrastructure,  and  separate  command  and  control  multi‐agency  cooperative  system,  support  for  both  infrastructure  and  non‐infrastructure  based  communication  usage,  and  allow  for  cryptographic  key  management  [Boukalov,  2005].    The  systems  presently  allow  for  teleservices  such  as  point  to  point  calls,  group  calls,  broadcast  calls,  enciphered  digital  data,  call  interrupt,  talking  party  identification  and  other services.   Europe  TETRA  [TERRA]  is  ETSI  [ETSI]  standard  for  PMR  that  is  used  by  a  large  number  of  public  safety  agencies  across  the  globe.    TETRA  uses  time  division  multiple  access  at  25  KHz  for  limited  interference  systems.    Countries  have  achieved  countrywide  coverage  solely  using  TETRA  networks  and  have  dedicated  national  operator  organization  [ETSI]  to  run  their  operation.   TETRA  networks  can  reach  the  typical  user  up  to  17.5  km away.  Tetrapol  is  the  PMR  name  in  France  for  the  company  Matra.    The  police  in  France  use  this  technology.   There  are  also  Tetrapol  networks  in  Spain,  the  Czech  Republic  and  in  Switzerland.    Together,  the  users  of  these  systems  are  called  the  Tetrapol  Forum  [Tetrapol]  because  they  have  joined  together.   Tetrapol  has  some  similarities in architecture to APCO’s Project 25.                       With  increased  awareness  of  the  importance  of  communications  between  first  responders  or  recovery  teams,  the  threat  of  terrorist  activities,  and  natural  disasters  such  as  tsunamis,  earthquakes,  hurricanes;  research  has  been  performed  as  to  how  to  quickly 

36

 

International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013                            www.seipub.org/ijace 

deploy  the  necessary  infrastructure  needed  to  handle  the  necessary  requirements  for  streamlined  communications  to  the  various  responders.    The  evolving  capabilities  of  IEEE  802.16  are  a  natural  extension  to  mobile  platforms,  as  well  as  being  able  to  provide  basic  communication,  situational  awareness, talking party identification and other services.   United States 

APCO’s  Project  25  is  the  standard  for  most  of  the  US  public safety market which uses digital trunking based  on  frequency  division  multiple  access  in  phase  1  (vs.  TETRA  which  uses  time  division).   Project  25’s  second  phase  uses  time  division  multiplier  access,  and  can  access networks as far as 35 km.  This standard focuses  on  user  authentication,  call  control,  mobility  control,  and  management  features.    Given  the  predominance  of  IP  today,  the  subsystems  are  each  treated  as  an  IP  In  comparison  to  current  public  safety  technologies  endpoint  to  realize  the  IP‐based  protocols  such  as  using  land  mobile  radio  technologies,  commercial  session  initiation  protocol  (SIP)  for  call  signaling  and  technologies  have  rapid  evolution  and  development  real  time  protocol  (RTP)  for  media  transport.    The  cycles  including  many  advances  in  access  and  infrastructure.    Various  network  options  are  available  packet  based  approach  to  land  mobile  radio  is  not  depending  on  the  carrier  frequency,  available  applicable to legacy LMR systems, only newer ones.                         bandwidth (which is ever increasing), and the licensed  Due  to  the  phenomenal  growth  of  the  public  wireless  and  unlicensed  nature  of  the  spectrum.   Specifications  networks,  there  are  several  ongoing  discussions  of  the  for  access  to  these  interfaces  allow  for  interoperability  use  of  the  public  networks  (e.g.  cellular  technologies)  to  be  achieved  across  the  various  networks  which  for  emergency  communications.    For  singular  reasons  utilize  several  different  equipment  manufacturers’  such  as  budgetary  reasons  this  is  enough  for  some  to  hardware  or  across  networks  managed  by  different  make  the  switch.   However,  many  agencies  do  not  see  carriers  (e.g.  Verizon,  Cingular,  etc).    Because  of  the  this  as  a  viable  option  for  the  present  time.   But  some  rapid  development  of  these  services  and  competition  of  the  public  wireless  networks  are  beginning  to  that  drives  each  of  them  to  offer  more  services,  the  incorporate  commercial  wireless  data  technologies.   availability  to  multi‐band,  multi‐mode  devices  allows  But  there  are  major  differences  in  the  market  forces  operation  in a  variety  of licensed and  unlicensed  radio  that  drive  the  commercial  and  public  safety  policies  access  infrastructures  [Dilmaghani  et  al.,  2007].   such  as  bandwidth  and  requirements.    This  has  Furthermore,  there  are few  disruptions of  services  due  shaped  the  two  to  become  intrinsically  different  than  to  the  widespread  availability  of  access.    The  next  in  the  early  stages  of  their  development—the  evolutionary  question  is  how  the  public  sector  could  commercial  sector  is  rapidly  being  developed  in  utilize  the  commercial  sectors  technologies  to  advance  comparison to the public safety sector.   their  own  for  a  more  robust  set  of  services  and  a  unified  communications  infrastructure  without  losing  Commercial Wireless Technologies the infrastructure currently in place and use.   Commercial  wireless  technologies  are  currently  in  their  third  generation  (3G).    Standards  of  the  various  3G cellular technologies   (cdma 2000, GSM/EDGE and  UMTS  and  wireless  local  &  metropolitan  are  network  (IEEE  802.11x  and  802.16x  (WiMAX))  [Miller  et  al.,  2006]  address  several  of  the  issues  facing  public  safety  agencies  and  departments  today.   One  of  the  issues  is  the compatibility of the various services providers and  equipment  manufacturers.    These  manufacturers  are  WIDENS and MESA Introduced The  development  of  current  technologies  was  not  first  introduced  commercially,  but  rather  it  was  started  by  the  military.    DARPA  was  probably  the  first  who  initiated  the  Packet  Radio  Network  (PRN)  program  [Boukalov,  2005].    Unlike  the  current  commercial  infrastructures,  the  initial  PRN  protocols  were  centralized  control  stations  but quickly developed  into 

backed  by  are  large  user  base  that  requires  interoperability,  which  creates  competition  that  drives  innovation  and  cost  reduction  in  the  process.    The  innovations  of  new  technologies  offer  new  services,  which  drives  competition  between  providers  and  manufacturers—further  driving  competition.    One  of  the  newer  innovations  is  the  high  data  rate  access  or  broadband  access  for  email,  instant  messaging,  or  maps, etc.  The reduced costs allow more wireless base  stations  and  cellular  devices  to  be  used  on  the  networks,  therefore,  achieving  better  geographical  coverage  nationwide.    Well  defined  standards  allow  public  safety  personnel  to  use  the  existing  services  regardless  of  the  underpinning  hardware  infrastructure  or  equipment  provider.              a  good  example  of  a  complete  collapse  of  the  existing  communications infrastructure from a natural disaster.   

 

 

37

www.seipub.org/ijace                            International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013 

distributed  systems  with  multi‐hop  forwarding  techniques.    In  the  early  1980’s,  DARPA  first  initiated  the  Survivable  Radio  Networks  program  (SURAN).    That  program  lead  to  enhanced  scalability  with  low  cost,  low  power  features  using  sophisticated  packet  radio  protocols.   In  the  mid  1990’s,  DARPA  initiated  Global  Mobile  Information  program  (Gloom).   Its  aim  was  to  provide  Ethernet‐type  multimedia  (voice,  video,  images,  etc)  connectivity  any  time,  anywhere.    The  future  of  the  radio  services  include  improved  flexibility,  ability  to  transmit  and  receive  on  different  waveforms,  and  the  integration  of  broadband  access  capable  systems  deployed  in  an  ad‐hoc  manner  in  any  place needed.    The  development  of  ad‐hoc  systems  which  include  broadband  in  rapid  deployable  systems  is  the  main  goal  for  public  safety  projects  WIDENS  (European  research  IST  FP5)  and  MESA  [Boukalov,  2005].    The  WIDENS  project  provides  valuable  contributions  to  the  ongoing  MESA  standardization  process  for  a  feature  rich  system.    Included  in  the  design  are  dynamic  topologies,  bandwidth  and  energy  friendly  constraints,  asymmetric  linkage  to  subsystems,  and  conflict  resolution  related  to  quality  of  service  (QoS),  mobility,  and  security.      Tradeoffs  exist  between  centralized  and  distributed  infrastructure  and  different  emergency  scenarios  which  need  to  be  taken  into account.    The  WIDENS  project  is  presently  developing  ad‐hoc  broadband  systems  enabled  to  be  deployed  quickly  in  place  of  damaged  or  non‐existent  equipment  for  public  safety.    One  area  of  research  is  the  use  of  GPS  technologies and the second is Ultra Wideband (UWB)  indoor  radio  localization.    Development  of  the  heterogeneous  network  [Balachandran  et  al.,  2006]  is  a  key  research  topic  for  reconfigurable  wireless  networks.    Reconfigurable  wireless  networks  are  considered  to  be  self‐healing  and  system  adaptive  architectures  which  is  scalable  and  can  relay  information  on  interoperable  mobile  platforms.    This  includes  any  form  of  repeater  that  could  support  broadband  communications  and  public  network  air  interfaces  for  voice,  etc  for  legacy  systems  at  the  same  time.    The  MESA  project  was  introduced  as  a  “system  of  systems”  approaches  as  its  key  objective  to  integrate  all  systems  (current  and  legacy)  of  its  communications  specification  for  future  public  safety  development.   Its  goal  is  the  standardization  of  emergency  information.  

Many  hybrid  communications  systems  are  included  in  the  specification  development  harmonization  of  establishing  future  interoperable  public  safety  communication  systems  among  the  various  standards  presently.    Because  MESA  addresses  all  formats  of  interconnectivity  needed  for  all  users,  the  communication  network  will  need  to  address  all  network configurations for all service user needs.  This  approach  standardizes  components  and  provides  common  architecture  for  a  tailored  solution  for  compatibility,  interconnectivity,  and  interoperability  of  current,  legacy,  and  next‐generation  systems  in  the  public  safety  sector.    The  common  platform  for  all  users  to  connect  to  will  bridge  the  current  division  of  services,  and  place  all  services  under  one  umbrella  for  an  overall  command  and  management  service.    This  architecture  is  flexible  to  the  needs  of  all  agencies  and  users,  including  a  single  reactionary  force  or  temper  ah‐hoc  network,  to  a  system  of  systems  command  scenario that coordinates the individualized missions.    MESA In‐Depth  The  public  safety  communication  system  of  systems  architecture  of  components  and  structure  of  the  connections  and  the  principles  for  interoperability  are  viewed  as  essential  to  the  infrastructure.    MESA  systems  are  broken  down  into  four  types  of  networks:  personal  area  network  (PAN),  incident  area  network  (IAN),  jurisdiction  area  network  (JAN),  and  extended  area  network  (EAN)  [Project  MESA,  2005].    Each  of  these  networks  provides  a  different  set  of  interconnectedness,  with  some  overlaps  in  network  capability.   1)  PAN    The  personal  are  network  is  the  lowest  form  of  networking  over  a  very  limited  physical  space  and  distance.    It  is  made  up  of  devices  dedicated  to  a  specific  task  such  as  sensors,  etc.   The  scope  of  the  network  is  limited  usually  to  another  device,  person,  vehicle,  building,  etc.    Since  a  PAN  is  limited in nature, it can be easily tailored to specific  needs.    However,  PAN  devices  are  localized,  not  able  to  interconnect  with  services  that  are  outside  their  immediate  scope.    When  possible,  the  PAN  can  communicate  on  either  an  IAN  or  JAN  when  needed.        Deployment  of  limited  mobility  is  inferred,  being  that  the  scope  is  limited  in  connectivity.    The  means  of  connectivity  can  involve  a  number  of  different  options,  including 

38

 

International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013                            www.seipub.org/ijace 

satellite  and  wireless  links,  hard‐wired  connections,  and  interfaces  with  other  PAN  devices  and  networks.    PAN  devices  are  usually  associated  in  connecting  to  higher  level  networks  such  as  IANs  and  JANs.    However,  when  in  motion  the  connectivity  to  other  PANs  is  considered  very  limited,  and  IANs  and  JANs  may  offer  the  only  connectivity found.  2)  IAN   The  incident  is  network  (IAN)  is  a  dedicated  network  for  single  events  or  incidents.    It  can  be  pre‐deployed  for  things  such  as  sporting  events,  or  dynamically deployed for an unplanned event such  as a natural disaster.  An IAN could be deployed in  situations  where  the  current  infrastructure  is  non‐ existent  or  has  been  destroyed  quickly,  and  can  include  MESA  and  non‐MESA  architecture.   When  an  IAN  is  deployed  as  a  planned  event,  it  is  a  self‐ configuring,  where  the  network  is  automatically  established with the available devices and network.   It  is  also  considered  self‐healing,  being  that  the  communication  coverage  and  network  access  may  become  unstable  but  self‐corrective  behavior  is  used  to  correct  anomalies.   When  limited  coverage  is  determined,  more  devices  can  be  added  quickly  and  easily  or  repositioned  to  create  an  extended  network.    This  behavior  is  considered  very  dynamic,  being  that  the  IAN  devices  are  preconfigured  to  interact  with  other  IAN  devices,  and  connect  to  the  JAN  devices  readily.    These  devices  are  also  determinable  considered  to  be  ah‐ hoc  in  nature,  no  lengthy  preparation  is  needed  for  deployment,  and  the  ability  to  bridge  to  existing  networks  demonstrates  the  fluid  nature  of  this  network deployment.   The  IAN  devices  capabilities  are  much  broader  than  that  of  the  PAN.    IAN  devices  can  support  broadband  applications,  voice,  and  video  communications.  This  higher  level  of  service  in  comparison  allows  for  more  demanding  applications,  and  the  MESA  IAN  is  intelligent  enough  to  recover  or  reconfigure  resources  when  other  devices  are  brought  online  in  order  to  enhance service and quality of connectivity.    Because  IANs  are  still  considered  for  shorter  range  connectivity  (than  that  of  JAN  or  EANs),  the  network  is  shared  with  a  smaller  number  of  devices.   This  can  allow  for  more  flexibility  for  the  network  to  allow  larger  applications  or  higher  data 

rates  per  user  because  of  limited  user  access.   IANs  also  allow  for  peer‐to‐peer  connectivity,  allowing  two  or  more  devices  to  connect  directly  to  one  another  independent  of  the  established  networks.   One  of  the  considerations  of  deployment  of  these  type  of  networks  is  the  allocation  of  spectrum—to  allow  for  interference  issues  of  cross‐over  infrastructure.    However,  IANs  are  able  to  handle  many  different  types  of  traffic  and  components,  assuming using the same standards and bandwidth.    IANs  are  capable  of  communicating  with  larger  networks  such  as  JANs  or  EANs,  as  well  as  handling  requests  from  lower  level  users  on  PANs,  depending on the planned or deployed architecture.   Because IANs have a larger connectivity scope than  PANs,  mobility  is  easier  to  accommodate  for  IAN  or  PAN  devices,  given  the  proper  authorization  to  access  the  network.    Furthermore,  roaming  capabilities  are  envisioned  for  connections  to  IAN  to  JAN  when  leaving  coverage  areas  of  one  to  another.    When PANs cannot connect to IANs due  to  not  having  the  proper  authorization,  they  may  try  establishing  connections  with  higher  level  networks (EAN/JAN).    3)  JAN  The  jurisdiction  area  network  (JAN)  is  designed  to  provide  an  even  larger  area  of  coverage  than  the  IAN.  JANs can extend coverage to a city, county or  small country possibly.  The deployment of JANs is  not considered to be ad‐hoc, but is well‐designed to  consider  reliability  for  mission  critical  users  and  providing  quality  signal  strength.    JANs  infrastructure  is  constructed  with  towers  that  broadcast  signals,  designed  for  placement  on  hilltops  when  located  in  areas  where  larger  coverage  areas  are  needed.    JANs  can  also  by  synonymous  with  EANs,  being  that  the  deployed  architecture may similar.  JANs typically connect to  a multiple of other JANs, IANs, and PANs.    A  JAN  is  considered  static  compared  to  the  dynamic  nature  of  IANs.    JANs  are  preconfigured  to  allow  for  some  dynamic  reconfiguration.   While  JANs  are  able  to  be  repositioned  to  acquire  another  network,    ad‐hoc  capabilities  are  limited  and  best  left  to  lower  networks  such  as  IANs  and  PANs.   JAN  networks  are  dedicated  to  providing  complete  and  consistent  coverage  over  a  specific  area  of  geography;  therefore,  the  established  JAN  cannot  radically shift resources as demands change.   

 

 

39

www.seipub.org/ijace                            International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013 

The  infrastructure  of  JANs  includes  the  traditional  land  mobile  radio  networks  of  legacy  systems  currently  in  place  of  emergency  responders.    The  fixed  nature  of  the  topology  of  JANs  makes  it  easy  to  determine  consistent  minimum  coverage  that  each  JAN  can  maintain.    Central  offices  are  the  connecting infrastructure of JANs to EANs or other  JANs in remote locations.  4)  EAN    The  extended  area  network  can  represent  the  traditional  infrastructures  found  in  JAN  and  in  land  mobile  radio  systems.    It  also  includes  databases  and  informational  systems,  and  wider  variety  of  services  than  that  of  the  lower  networks.   EANs  are  the  highest  network,  compared  to  JANs,  IANs,  and  PANs.    EANs  can  also  join  any  lower  level  of  network  service  including  the  lowest  network  level  of  PANs,  acting  as  the  bridge  that  allows for either mobility or connectivity.    At  the  EAN  level  of  network,  a  central  office  is  used  for  facilitating  dispatching  information  and  communications  to  each  lower  level  network  such  as  PANs.    It  serves  as  a  central  coordination  point  for  all  other  infrastructure  when  bridging  longer  distances  and  other  networks  is  needed.    EANs  need  other  lower  level  networks  to  carry  out  the  communications  from  the  central  office,  to  ensure  the  migration  of  seamless  communications.   Therefore,  EANs  play  a  central  role  in  the  communication  process,  but  are  not  the  focus.   The  reason for this is mainly due to the infrastructure of  an  EAN  is  mostly  fixed,  non‐dynamic  in  nature,  and  not  easily  deployed  quickly.    Compatibility  issues  can  also  exist  across  different  platforms  during  implementation,  for  security  and  authorization protocols 5)  Network Support MESA Network Devices  The  various  networks  form  the  basis  of  the  system  of  systems,  and  end  to  end  solution  for  emergency  communications.    Each  has  their  own  characteristics,  which  some  of  those  will  be  highlighted for their strengths and weaknesses.    PANs  can  be  used  for  emergency  alerts  and  critical  communications.    Messages  are  delivered  in  a  timely  manner,  probably  using  some  form  of  priority.  Packets are delivered in a fixed amount of  time  and  latency,  and  the  rate  of  sending  is  enforced  to  prevent  network  overloading.    When 

overloading  occurs,  retransmission  of  sent  data  normally  occurs  therefore  lost  data  is  not  an  issue.   Messages  are  normally  automated,  the  messages  intended  to  be  sent  should  make  a  best  effort  to  be  delivered  but  there is  no  guarantee  of  delivery.  An  application  of  this  is  used  for  normal  status  updates and communication of alerts.  IANs  is  described  as  a  class  of  service  that  is  used  for  mission  critical  applications  such  as  real  time  voice,  video,  and  other  data  communications.   This  requires  little  or  no  latency  in  delivery  of  the  data,  little or no jitter, and small amounts at maximum of  lost  packets.    Network  performance  should  be  strong,  and  messages  delivered  to  multiple  recipients  (such  as  push‐to‐talk  (PTT))  should  arrive  at  similar  times.    This  is  an  essential  requirement  for  the  IAN  network.    An  example  of  this  form  of  communication  is  an  ambulance  sending/streaming  real‐time  video  to  a  hospital  for  life  critical  communications.  The  entire  message  needs  to  be  sent  quickly  and  completely.    In  addition,  users  can  join  the  network  easily  and  leave  groups.    It  should  be  noted  that  there  are  other  classes  of  IANs,  but  non  that  support  emergency communications.    JANs  services  offered  are  similar  to  those  of  IANs.   Both  networks  maintain  connectivity  and  session  information for critical messaging.  However, JANs  also  require  auditing  capability  for  network  transactions,  allowing  statistical  information  to  be  ascertained.    In  the  MESA  description  for  JANs,  it  notes  that  there  are  many  requirements  that  are  needed  for  them  to  operate  to  adhere  to  all  the  requirements.    Some  of  the  highlights  include  having the ability to transmit to all the recipients in  the  given  radius,  capable  of  storing  data,  including  a  ‘help’  system,  capturing  user  profiles,  support  of  hands  free  operations,  and  support  plug  and  play  devices  and  components.    These  form  the  standards  to  which  JANs  adhere  to  for  multi‐ vendor compatibility assurance.    EANs  are  not  elaborated  on  any  further,  being  that  they  are  not  considered  significantly  to  be  any  different  than  JANs  other  than  the  hardware  utilized.   Creating Viable Networks for Public Safety MESA  systems  are  broken  down  into  four  types  of  networks: MESA  laid  the  foundation  for  the  basis  of  others  to  implement  hardware  that  can  be  used  for 

40

 

International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013                            www.seipub.org/ijace 

emergency  communications  with  application  to  public  safety.   However,  there  are  no  hardware  standards  for  this,  only  theoretical  standards  exist  as  to  how  it  should  behave.   Implementing  these standards is  not a  clear  path  forward,  and  requires  trial  and  error,  and  a  lot  of  field  testing.   Some  of  the  implemented  software  for  the  hardware  includes  commercial  applications,  creating  complete  mobile  responder  communication  networks, and mesh networks as a few examples.    Mobile Responder Communication Networks Creating  a  network  that  connects  legacy  and  commercial  hardware  is  the  basis  of  this  form  of  network.    The  mobile  responder  communications  network  (MRCN)  has  been  idealized  by  many  groups,  including  the  Homeland  Security  branch  of  government.    Its  goal  is  to  unify  the  public  safety  communications  resources  to  be  shared  with  other  public  safety  agencies  to  provide  a  local,  regional,  and  national  service  [Balachandran  et  al.,  2006].    MRCNs  could be created using pooled resources across various  public  safety  departments  at  all  levels  of  government,  but  not  necessarily  owned  or  operated  by  these  government  agencies.    MRCNs  could  operate  in  existing  land  mobile  radio  networks  and  in  the  commercial spectrum or a new one dedicated to public  safety.  Furthermore, if utilizing existing infrastructure  of  public  and  commercial  hardware  then  this  would  enable  increased  coverage  and  reduced  implementation costs [Project MESA, 2005].    Either  public  safety  or  commercial  wireless  communication  standards  presently  do  not  meet  the  needs  of  the  targeted  applications  of  public  safety.   Some of the current technologies overlap such as point  to  point  voice  and  high  data  rate  access,  but  commercial  wireless  technologies  tend  to  be  far  superior to those of the public safety technologies.  But  some of the technologies of the public safety standards  are  superior  to  those  of  the  commercial  ones.    The  main  differences  are  that  the  public  safety  land  mobile  radio  and  commercial  wireless  communication  technologies  have  differing  requirements  based  on  the  needs  of  the  various  applications.   For  instance,  push‐ to‐talk  radio  requirements  implemented  in  the  public  safety  sector  have  much  more  stringent  requirements  and superior performance in land mobile radio than in  commercial  technologies.    Therefore,  the  preferred  method  of  implementation  rather  than  choosing  one  wireless  technology  over  the  other  is  to  join  the  two  network  architectures  to  incorporate  multiple  access  technologies—gaining  the  benefits  of  both.   Due  to  the 

rapid  development  of  commercial  technologies,  it  is  presumed  that  the  commercial  technologies  will  overtake  the  need  to  retrofit  and  maintain  the  land  mobile  radio  systems,  and  commercial  technologies  replace them entirely.    Significant  challenges  exist  for  legacy  land  mobile  radio  networks  in  order  for  them  to  provide  interoperable  communications  between  users.    The  typical  land  mobile  radio  uses  a  baseband  audio  interface therein lays the problem.  The problem is that  baseband  audio  has  disadvantages  such  as  the  loss  of  tactical  voice  features  like  end‐to‐end  encryption,  priority  and  floor  network  administration.    This  approach  can  result  in  voice  quality  loss  during  multiple  conversations  to  and  from  using  baseband  audio.   To  mitigate  the  problem,  TIA  standards  group  is  defining  an  interface  to  allow  voice  interoperability  between  different  frequency  sub‐systems.    Because  of  the  predominance  of  IP  configurations,  the  industry  standard  relegates  treating  each  subsystem  as  an  IP  endpoint.    Commercial  wireless  networks  provide  many  advantages  over  the  legacy  land  mobile  radio  networks.    One  advantage  is  improved  service  availability,  greater  coverage  nationwide  compared  to  its  counterpart.    High  data  rate  access  is  also  a  predominate  feature,  which  means  that  the  interoperability  standard  could  allow  the  public  safety  groups  to  communicate  whenever  needed,  wherever,  and  with  whomever.    Because  the  commercial  networks  purchase  more  infrastructure  on  an  ongoing  basis,  their  cost  is  reduced  and  the  coverage  can  easily  and  affordability  be  expanded  into  new  areas.   However,  not  all  commercial  benefits  are  enough  for  the public sector to switch over.  One  such  area  where  commercial  technologies  lack  is  the  push‐to‐talk  feature  used  heavily  in  the  public  safety  sector.   Push‐to‐Talk  is  scalable  up  to  hundreds  of  public  safety  users  at  a  given  time,  possibly  in  the  same  cell.    It  has  quick  response‐low  latency  delays,  and  high  levels  of  service  availability.    Commercial  networks  currently  do  not  have  low  latency  response  times, and would need to be enhanced to allow for this.   In  addition,  support  of  broadcast  downlink  channels  and  priority  access  mechanisms  (to  allow  others  to  be  designated  as  a  lower  priority)  will  allow  the  push‐to‐ talk  services  to  be  competitive  to  those  offered  by  the  land mobile radio technologies.   

 

 

41

www.seipub.org/ijace                            International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013 

Commercial Low Latency  Low  latency  push  to  talk  on  commercial  network  are  not  typical,  but  are  dominated  by  access  delays  and  paging  delays.    The  is  the  measurement  of  the  from  the  time  the  user  pushes    the  push‐to‐talk  button  to  request  to  use  the  floor  to  the  time  when  a  chirp  message is received to indicate that the floor is granted  for  use.      Some  of  the  delays  can  be  minimized  by  allowing  technology  specific  enhancements.    These  enhancements  can  include  piggybacking  of  messages  onto  a  channel  specifically  designed  to  handle  channel  resources.   This  uses  a  short  data  burst  of  packets  that  are  added  to  existing  packets.  Also,  reducing  the  message  size  of  each  of  the  requests  can  significantly  free  up  the  used  bandwidth,  and  reduce  transfer  delays  over  the  interface.    Priority  (high)  messages  could  also  grant  favorable  important  message  delays  from  occurring,  by  persisting  those  messages  with  low  priority  for  the  short  durations  needed to  allow  higher  priority  messages  to  transmit.    Push‐to‐chirp  delays  should have no more than 500ms of delay inherently.    Another  objective  in  paging  is  the  life  of  the  battery.   To  enable  the  push‐to‐talk  commercial  networks  to  obtain  low‐latency,  more  power  is  used  to  keep  the  radios  checking  for  messages.  Setting  up  the  radios  to  not  check  as  often  or  frequently  can  extend  the  battery  life  significantly.    Therefore,  by  reducing  the  paging  delays, battery life is also reduced, when radios are set  up  to  listen  for  messages  more  frequently  than  not.   The  preferable  method of  a  reduction  of paging delays  for  the  public  safety  sector   is  to  lower  the  interval  of  radio  awakening  via  a  dedicated  signaling  or  by  hard‐ coded  frequency  awakening  intervals  to  check  for  messages.    Commercial Scalability  The  scalability  of  push‐to‐talk  technologies  in  the  commercial  sector  are  not  able  to  currently  handle  the  requirements  needed  in  the  public  sector.    Scalability  is  the  ability  to  add  the  number  of  users  to  the  same  group  to  participate  in  the  communications,  transmitting  identical  content  to  each  connection.   Typically,  commercial  applications  for  the  talk  groups  are  very  small,  allowing  the  commercial  applications  to  use  multi‐unicast  approach  of  message  delivery  easily.    However,  multi‐unicast  inefficiencies  grow  rapidly  as  the  number  of  users  increases,  not  allowing  commercial  applications  to  meet  public  safety  standards.   In  this  case,  a  single  large  talk  group  could  consume all of the capacity. 

Because  scalability  is  critical  for  safety  communications,  legacy  land  mobile  radio  standards  address  this  requirement   by  allowing  each  talk  group  to  occupy  a  separate  air  interface  channel.    Some  commercial  standards  also  address  this  via  broadcast  and  multicast  services  specified  in  evolving  standards  [Balachandran  et  al.,  2006].    Therefore,  the  issues  surrounding  low‐latency  and  scalability  can  be  resolved  in  commercial  wireless  networks  by  using  enhancements  such  as  broadcast  and  multicast  capabilities.  Service Availability and Quality  Commercial  networks,  due  to  there  ever  increasing  service  availability  and  improved  revenues,  can  grow  their  services  offered  easily.   Increased  coverage  leads  to  increased  revenues.    The  commercial  networks  can  also  further  improve  the  services  available  such  as  data  services  which  are  unavailable  in  the  public  safety  networks  today,  and  also  increase  coverage  and  reduce costs if joined with the commercial networks.    One  of  the  difficulties  in  joining  these  networks  is  the  lack  of  peer  to  peer  communication,  a  feature  that  is  needed  in  regions  where  there  is  a  lack  of  well‐ established  coverage.    This  is  referred  to  as  talk‐ around  or  direct  mode  operation  (DMO)  [Balachandran  et  al.  2006].      An  alternate  approach  to  this issue is using existing IEEE 802.11x based wireless  LAN  technologies  with  mesh  networking  solutions  that  use  multi‐hop  techniques   to  extend  the  coverage  area.   However,  this  is  not  sufficient  to  ensure  service  availability  for  the  public  safety  networks.   When  any  disaster  or  emergency  occurs,  it  is  imperative  that  communications  are  available.    Some  commercial  standards  currently  in  place  provide  preferential  scheduling  mechanisms    for  the  public  safety  sector,  and  also  taking  into  account  the  quality  of  the  service  needs and link quality of the different users.    Commercial IP Control  Probably the most important aspect of the migration of  commercial  and  public  safety  networks  is  the  integration  of  both  services  to  offer  a  seamless  transition.    IP  enabled  services  offered  in  the  commercial  networks  allow  for  the  independent  interoperability  for  IP  enabled  services  to  span  across  different  networks  such  as  DSL,  cable,  wireless  local  area,  satellite,  cellular  networks,  etc.    Because  the  standard  employs  IEFT  protocols  such  as  session  initiation  protocol  (SIP)  to  gain  access  to  the  infrastructure,  it  provides  a  common  signaling 

42

 

International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013                            www.seipub.org/ijace 

framework  user  registration.    It  also  reduces  costs  by  allowing  the  network  to  share  control  access  over  all  SIP based applications.    The  MCRN  is  only  possible  if  it  can  be  interconnected  with  commercial  wireless  networks  to  existing  land  mobile  radio  networks.  Harmonization  of  signaling  are  needed  for  gateways  and  protocols,  sometimes  administering  vocoders  when  needed.    Encryption  is  also  an  area  where  most  public  safety  agencies  do  not  have a need for presently, but is present in some of the  features of commercial applications.  Although  the  transition  to  a  MRCN  poses  several  challenges in providing group voice based push to talk  interoperability, the creation of these networks that are  shared  across  departments  and  agencies  can  greatly  improve  the  effectiveness  of  the  public  safety  agencies  communications.  This approach preserves the existing  land  mobile  radios  and  takes  advantage  of  commercially  developed  ready  to  use  technologies  and  services.    However,  other  ideas  exist  to  create  a  network worthy of consideration.  Wireless Mesh Networks Wireless  local  area  networks  (WLANs)  give  mobile  users  access  to  a  fixed  area,  fixed  network  infrastructure.    This  form  of  network  allows  users  to  roam  freely  from  one  place  to  another    within  the  network  coverage using  broadband  network  coverage.   Phenomenal  success  of  this  form  of  technology  is  due  to  the  decreased  cost  of  deploying  access  of  IEEE  802.11 based communications.    Wireless Mesh Architecture  There  are  three  types  of  wireless  mesh  networks:  infrastructure,  client,  and  hybrid  mesh  networks.   Infrastructure  wireless  networks  are  comprised  of  an  internet  gateway  or  access  and  mesh  routers,  which  provide  the  backbone  for  the  wireless  infrastructure.   Clients  access  this  network  by  means  of  a  single  wireless hop to the nearest mesh router that acts as the  liason  to  the  gateway.   Clients  play  a  passive  role,  and  do  not  contribute  to  message  transmission  of  other  clients such as packet routing or forwarding.  The  second  form  of  mesh  architecture  is  client‐mesh  architecture.    It  consists  of  only  user  devices  and  no  dedicated  hardware  such  as  mesh  routers.   Each  client  performs  message  or  packet  routing  or  forwarding  to  other  clients.    This  form  of  peer  to  peer  routing  and  transmission to other clients can create bottlenecks and  slower  than  desired  throughput.   This  form  of  mesh  is 

also considered a traditional mobile ad‐hoc network.    The  third  form  of  mesh  architecture  is  hybrid  mesh  architecture.    This  form  combines  both  infrastructure  and  client  meshes  architectures.    The  mesh  routers  form  the  backbone  of  the  connectivity,  while  the  mobile  clients  actively  participate  in  network  functionality  such  as  routing  and  packet  forwarding.   Clients  form  the  dynamic  part  of  this  network,  being  the  mesh  routers  are  considered  static  placed  in  areas  to  provide  defined  coverage  areas.    The  combined  architecture  is  flexible  and  enjoys  the  benefits  of  infrastructure  and  client  mesh  networks.    When  disasters  occur,  this  form  of  network  allows  mobile  clients  to  extend  the  current  coverage  provided  by  only the mesh networks.    A  key  ability  of  the  wireless  mesh  networks  is  being  able  to  self‐configure  dynamically.   The nodes,  or  each  endpoint, establish and maintain network connectivity  in  an  ad‐hoc  manner.   Essentially,  these  networks  self‐ heal  when  link  failures  occur.    The  ability  to  self‐heal  combined  with  the  redundancy  of  overlapping  coverage  (when  present)  provides  the  wireless  mesh  networks a high level of robustness and fault tolerance.    Presently, the standards of wireless mesh networks are  based  on  IEEE  802.11,  which  is  being  used  by  most  home  networks  today,  therefore  is  very  prevalent.   In  terms  of  product  development,  this  is  thought  to  be  a  key  ability  of  already  deployed  network  capability.   Unfortunately,  not  all  mesh  network  routers  allow  for  easy integration with other routers.    As  mentioned  before,  MESA  defined  the  standards  to  which  deployable  networks  are  defined  and  used.   Due  to  their  easily  deployable  capability,  mesh  wireless  networks  are  considered  a  promising  technology  for  IAN  networks,  and  allow  for  the  requirement for self configuration.    Requirements of MESA and Mesh Networks  As  far  as  interoperability  is  concerned,  all  of  the  mesh  routers  and  clients  use  IP  at  the  network  layer,  which  makes  the  interoperability  between  wireless  mesh  networks and other networks easy.  IP based networks  are  an  ideal  platform  for  communications.    Voice  and  data  service  support  is  considered  a  primary  function.   In  addition,  other  requirements  are  internet  connectivity,  instant  messaging,  video  conferencing,  and  support  for  web  based  services.    It  should  allow  for  real  time  transmission  of  critical  services  such  as  life support features, etc.   

 

 

43

www.seipub.org/ijace                            International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013 

Unfortunately,  support  for  mobility  is  not  very  effective  at  anything  other  than  slow  speeds.    The  public  safety  users  have  needs  that  warrant  constant  communication  while  traveling  at  reasonable  rates  (other  than  slow),  including  the  speeds  at  which  small  aircraft typically fly.     When  mobile  clients  move  from  one  mesh  router  to  the  next,  the  communications  sessions  need  to  be  transferred  to  the  next  router.  Handoff  of  the  session  can  be  performed  by  services  such  as  dynamic  host  configuration  protocols,  but  no  standard  exists  as  of  today.  Also  there  is  no  standard    as  to  what  speed  is  reasonable  in  order  to  be  able  to  hand  off  the  session,  but  tests  show  that  mobile  clients  traveling  at  up  to  180  km  per  hour  have  successfully  transitioned  from  one  router  to the  next.   The  next  mesh  router  chosen  is  not  always  the  optimal  one,  but  is  usually  the  next  closest router found.    Security  of  mesh  networks  use  IEEE  802.11i,  a  security  standard  that  is  proven  to  provide  privacy  and  integrity.    Security  can  also  be  implemented  at  a  higher level such as transport layer.  The only problem  with  the  current  preexisting  protocols  is  that  they  assume  a  trust  between  existing  partners  exists  between  nodes.    That  assumption  does  not  hold  during  major  disasters  when  many  emergency  agencies are deployed from various agencies.    Robustness  of  wireless  mesh  networks  must  be  able  to  function  in  potentially  adverse  and  hostile  environments.    Recent  disasters  have  illustrated  the  shortcomings  of  the  currently  deployed  technologies  in  this  area.   Fortunately,  robustness  is  a  key  strength  of  wireless  mesh  networks.    This  is  due  to  the  redundancy  of  the  mesh  topology  with  multiple  redundant  paths  for  message  routing  and  forwarding,  creating  a  lack  of  a  single  point  of  failure.    As  previously  mentioned,  self‐healing  networks  is  also  a  key  strength  allowing  challenging  conditions  to  establish paths for communications.    Scalability  of  mesh  networks  is  not  good.    Most  networks  operate  in  unlicensed  frequency  bands  and  therefore  share  with  other  networks,  sometimes  creating  interference.      Spectrum  allocation  could  easily  reduce  this  problem.   In  addition,  adding  more  mesh  clients  can  create  a  bottleneck  in  some  areas  of  the  network,  being  the  method  used  to  forward  packets  is  the  closest  client/router.      If  multiple  hops  are needed, this could also slow the network down.    The  quality  of  service  should  be  able  to  provide 

reliable  voice  communications,  transmit  images,  video  transmission,  and  have  acceptable  quality  which  should  not  exceed  250  ms  for  transmission  time  [Balachadran  etl,  al.,  2006].   Priority  should  also  be  in  place  in  order  to  ensure  timely  delivery  in  times  of  heavy  use.    Unfortunately,  current  standards  for  wireless mesh networks fail to provide strict quality of  service  guarantees,  allowing  for  delays,  throughput  issues,  or  even  jitter.    This  is  especially  prevalent  due  to  issues  surrounding  multi‐hop  transmission  from  one  node  to  the  next  when  required.   This  is  the  same  issue as discussed above when bottlenecks occur when  the  shortest  route  is  taken  for  message  forwarding  which  relies  on  heavy  traffic  through  a  few  select  nodes.    Also  worth  mentioning,  low  link  quality  of  a  few  nodes  may  also  prevent  quality  of  service  and  poor performance.    Limited  scalability  and  capacity,  with  quality  of  service  issues  prevalent,  are  currently  the  shortcomings  of  wireless  mesh  networks.    The  problem  is  extended  when  deployment  of  the  infrastructure becomes a lengthy and involved process  to  move  routers  around  to  achieve  the  desired  connectivity,  due  to  range,  performance,  and  interference  issues.    Consequently,  deploying  the  infrastructure  often  is  reliant  on  gained  experiences  from  previous  installations.    With  these  issues  however,  the  main  fallbacks  of  mesh  networks  are  quality  of  service  and  scalability  [Dilmaghani  et  al.,  2007].    WiMAX and WiFi Creating  ad‐hoc  communications  systems  during  times  of  disaster  has  not  been  strength  of  any  country  trying  to  coordinate  emergency  relief  workers.   Satellite  communications  are  good,  but  have  a  long  propagation  delay  and  can  be  non  reliable  in  harsh  weather  related  times.    The  latest  in  wireless  technologies  able  to  transmit  broadband  access  and  high  speed  transmission  is  WiMAX  [Lu  et  al.,  2006].   WiMAX  is  ideal  for  mid‐range  communications,  up  to  11  km  but  not  comparable  to  satellite  or  land  mobile  radio  towers.   This  is  new  technology;  therefore,  not  a  lot of hardware is available yet.    With  multiple  WiMAX  and  WiFi  nodes  (as  discussed  above  in  wireless  mesh  networks  IEEE  802.11),  mobile  personnel  and  vehicles  can  form  mobile  ad‐hoc  networks  capable  of  operating  across  large  distances  without  using  wired  infrastructures.    When  coupled  with  satellite  links  for  even  longer  range 

44

 

International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013                            www.seipub.org/ijace 

communications,  these  technologies  may  be  the  answer  for  the  needs  of  emergency  communication  safety agencies.    All  technologies  have  their  strengths  and  weaknesses.   Exploiting  these  technologies  to  create  a  suitable  hybrid  of  network  technologies  and  architectures  for  use  in  disaster  situations  is  a  major  performance  initiative  compared  to  offering  a  single  architecture  as  has happened for years.   Presently  telephone  lines  and  cables  offer  a  single  point  of  failure.   WiMAX  does  not  use  wires  or  cables,  and  can  offer  the  same  reliability  (or  better)  as  that  offered  by  the  telephone  or  cable  companies—99.999%  [Townsend,  2006].    WiMAX  uses  redundant  radios  to  cover  a  given  market,  on  a  licensed  frequency.   WiMAX  can  also  handle  a  wide  range  of  services  including  mobile  data,  TV,  and  well  as  emergency  services for public safety agencies.    WiMAX,  also  known  as  standard  IEEE  802.16  is  an  evolving  standard  which  enables  wireless  broadband  access  anywhere  to  virtually  any  device.    WiMAX  delivers  low  cost,  plentiful  bandwidth  to  limited  or  nonexistent  areas.    In  addition,  WiMAX  introduces  several  additional  capabilities  such  as  mobility  and  enhanced security.    One  of  the  potential  applications  of  WiMAX  is  to  provide  the  backbone  for  mobile  WiFi  hotspots  [Niyato  et  al,,  2007].      Because  WiMAX  and  WiFi  networks  have  different  protocol  architectures,  quality  of  service  support  mechanisms,  adaptation  protocols  are  necessary  for  integration.    Universal  mobile  telecommunications  system  is  one  possibility  for  integration  concerns  of  WiMAX  and  WiFi  networks,  thus  also  extending  cellular  connections.    Integrating  these  technologies  such  as  WiFi  and  WiMAX  works  due  to  the  IETF  standards  for  WiFi  adherence  to  for  higher layer protocols.    Quality of service is required for real time video, voice,  and  data.    WiMAX  networks  have  predefined  quality  of  service  frameworks  based  on  the  IEEE  802.16  standard.    The  WiMAX  framework  supports  three  major  service  types:  unsolicited  granted  service,  polling  service,  and  best  effort  service.    The  targeted  service  identifier  is  implemented  using  a  traffic  scheduler  for  priority,  with  service  mapping.    The  protocol  adaptation  and  quality  of  service  issues  address  the  technical  issues  for  the  integration  of  WiMAX and WiFi architectures.    WiMAX  uses  three  different  types  of  physical  layer 

technologies:  OFDM,  SC,  and  OFDMA.    SC  is  mainly  used in the fixed wireless access systems, while OFDM  and  OFDMA are  used in ADSL and  WLAN.   OFDM  is  known  for  its  high  frequency  efficiencies.    WiMAX  solves the problem of the ‘last mile access’, being it can  provide seamless coverage over the networks.    Scalability  of  WiMAX  infrastructures  offers  both  radio  access  technology  and  network  technology.   Furthermore,  WiMAX  offers  fast  data  rates  and  security.    Interference  issues  are  addressed  through  cyclic  prefix  compared  to  the  channel  delay.   WiMAX  also  supports  seamless  handoff  to  enable  users  to  go  from  one  station  to  the  next  at  high  vehicular  speeds  without  interrupting  the  connection.    WiMAX  supports  sleep  mode  to  extend  battery  life  and  power  efficiency.    Some  advanced  features  of  mobile  WiMAX  include  complex  antenna  operations  to  enhance  system  performance.   These  include  beamforming,  space‐time  code,  and  spatial  multiplexing.    It  improves  non‐line  of  sight  coverage  by  utilizing  advanced  antenna  diversity schemes.  Multicast  and  broadcast  services  offer  fast  data  rates  and  extended  coverage,  flexible  allocation  of  radio  signals,  low  power  consumption,  data‐casting  and  audio and video streams, and channel switching.    Since  mobile  WiMAX  is  based  on  scalable  architecture  (OFDMA),  it  can  be  configured  in  numerous  manners  on  different  bandwidths  by  system  parameter  changes.    Applications  for  WiMAX  include  multiplayer  interactive  gaming,  VOIP  and  video  conferencing,  streaming  media,  web  browsing  and  instant  messaging,  and  media  content  downloads.    Latency  and jitter are low to assure quality user experiences.    Tests  have  been  conducted  to  evaluate  the  performance  of  WiMAX  coupled  with  WiFi  and  satellite  systems.   According  to  these  tests,  the  satellite  and  WiFi  connections  posed  the  biggest  weak  link— but  WiMAX  performed  as  expected  to  provide  all  needed  services.    In  some  circumstances,  a  maximum  of  four  users  could  log  onto  the  network  and  maintain  high  quality  calls  (not  broadband  access).  Challenges  to  WiMAX  interoperability  include  problems  such  as  channel  modeling,  radio  spectrum  allocation,  and  optimization.      Health Related Interests One  point  of  interest  in  research  of  emergency 

 

 

45

www.seipub.org/ijace                            International Journal of Automation and Control Engineering Volume 2 Issue 2, May 2013 

communications  that  have  been  deployed  in  recent  years.   Some  news  worthy  events  has  been  discovered  that WiMAX emits radiation due to the high frequency  spectrum  emission.    This  has  been  claimed  to  cause  acute  throat  conditions,  breathing  difficulties,  and  heart  palpitations.    Some  claims  of  burning  skin  have  also been stated.  At least eight residents have suffered  ill effects since the wireless broadband went into effect  [OMEGA NEWS, 2005].  Conclusion This  article  presents  an  overview  and  historical  background  of  emergency  communications.   Included  are  some  of  the  reasons  for  recent  evolution  to  rapidly  deployable  infrastructures.  Topics  covered  include  European  standards  and  developments,  and  the  effort  of  the  MESA project.   Technologies used  to  convey  the  support  of  the  ongoing  MESA  project  include  wireless  mesh  networks,  WiFi,  WiMAX,  commercial  technologies,  and  satellite  infrastructure.    With  the  introduction  of  mobile  WiMAX  with  other  wireless  technologies,  it  will  be  interesting  to  see  how  these  technologies develop in the future. 
REFERENCES

Boukalov,  A;  “Cross  Standard  System  for  Future  Public  Safety  and  Emergency  Communications.  Boukalov,”  Proceedings  of  2004  IEEE  Vehicular  Technology  Conference, Vol. 7, pp 5224‐5229, 2004  Dilmaghani R.B.; Rao R.R., “Future Wireless Communication  Infrastructure  with  Application  to  Emergency 

Scenarios,”  Proceedings  of  2007  IEEE  International  Symposium  on  a  World  of  Wireless  Mobile  and  Multimedia Networks (WoWMoM), pp 1‐7; 2007.  Lu,  W;  Seah  W.K.G.;  Peh  E.W.C;  Ge  Y.,  “Communications  Support  for  Disaster  Recovery  Operations  using  Hybrid  Mobile  Ad‐Hoc  Networks.”  Proceedings  of  32th  IEEE  Conference  on  Local  Computer  Networks,  pp  763‐770,  2007.  Miller,  L;  Haas  Z;  Page(s)  28‐29;  “Public  Safety”,  IEEE  Communication Magzine, 2006, Vol. 44, Issue 1, pp 29 ‐29.  2006  Niyato,  D;  Hosssain,  E.,  “Integration  of  WiMAX  and  WiFi:  Optimal  Pricing  for  Bandwidth  Sharing,”  Niyato,  D;  Hosssain,  E;  IEEE  Communication  Magazine  pp  140‐146,  May,  2007.  OMEGA‐NEWS. http://omega.twoday.net/stories/555926  Project MESA, http://www.projectmesa.org  Townsend,  C.,  “WiMAX  Reliability,” 

 

Balachandran,  K;  Budka,  K;  Chu,  T;  Doumi,  T;  Kang,  J;  “Mobile Responder Communication  Networks  for Public  Safety,”  IEEE  Communication  Magazine,  pp  56‐64,  January, 2006  Balachandran  K;  Budka,  K;  Kang,  J;  “Converged  Wireless  Network  Architecture  for  Homeland  Security,” 

http://www.wimax.com, 2006  www.etsi.org  www.tetramou.com  www.tetrapol.com 

Proceedings  of  2005  IEEE  Military  Communication  Conference, pp 630‐634, Vol. 1, 2006.   

46

 

Sponsor Documents

Or use your account on DocShare.tips

Hide

Forgot your password?

Or register your new account on DocShare.tips

Hide

Lost your password? Please enter your email address. You will receive a link to create a new password.

Back to log-in

Close