Wireless Mesh Networks: Energy - Capacity Tradeoff and Physical Layer Parameters

International audienceThis paper is focused on broadband wireless mesh networks based on OFDMA resource management, considering a realistic SINR model of the physical layer with a fine tuned power control at each node. A linear programing model using column generation leads to compute power efficient schedules with high network capacity. Correlation between capacity and energy consumption is analyzed as well as the impact of physical layer parameters - SINR threshold and path-loss exponent. We highlight that there is no significant tradeoff between capacity and energy when the power consumption of idle nodes is impor- tant. We also show that both energy consumption and network capacity are very sensitive to the SINR threshold variation

Energy and Throughput Optimization of Wireless Mesh Network with Continuous Power Control

Providing high data rate with minimum energy consumption is a crucial challenge for next generation wireless networks. This paper focuses on wireless mesh networks using a MAC layer based on S-TDMA (Spatial Time Division Multiple Access). We investigate on the optimization issues combining throughput and energy consumption. Our contributions are two-fold. First, we formulate and solve using column generation a new MILP to compute the energy-throughput tradeoff curve under a physical interference model when the nodes can perform continuous power control and can use a discrete set of data rates. Second, we highlight some network engineering insights. In particular, we show that power control and multi-rate functionalities allow to reach optimal throughput with lower energy consumption using a mix of single hop and multi-hop routes

Optimisation de la capacité et de la consommation énergétique dans les réseaux maillés sans fil

Les réseaux maillés sans fil sont une solution efficace, de plus en plus mise en œuvre en tant qu infrastructure, pour interconnecter les stations d accès des réseaux radio. Ces réseaux doivent absorber une croissance très forte du trafic généré par les terminaux de nouvelle génération. Cependant, l augmentation du prix de l énergie, ainsi que les préoccupations écologiques et sanitaires, poussent à s intéresser à la minimisation de la consommation énergétique de ces réseaux. Ces travaux de thèse s inscrivent dans les problématiques d optimisation de la capacité et de la minimisation de la consommation énergétique globale des réseaux radio maillés. Nous définissons la capacité d un réseau comme la quantité de trafic que le réseau peut supporter par unité de temps. Ces travaux s articulent autour de quatre axes. Tout d abord, nous abordons le problème d amélioration de la capacité des réseaux radio maillés de type WIFI où l accès au médium radio se base sur le protocole d accès CSMA/CA. Nous mettons en lumière, les facteurs déterminants qui impactent la capacité du réseau, et l existence d un goulot d étranglement qui limite cette capacité du réseau. Ensuite, nous proposons une architecture de communication basée sur l utilisation conjointe de CSMA/CA et de TDMA afin de résoudre ce problème de goulot d étranglement. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons aux réseaux maillés sans fil basés sur un partage des ressources temps-fréquence. Afin de calculer des bornes théoriques sur les performances du réseau, nous développons des modèles d optimisation basés sur la programmation linéaire et la technique de génération de colonnes. Ces modèles d optimisation intègrent un modèle d interférence SINR avec contrôle de puissance continue et variation de taux de transmission. Ils permettent, en particulier, de calculer une configuration optimale du réseau qui maximise la capacité ou minimise la consommation d énergie. Ensuite, dans le troisième axe de recherche, nous étudions en détail le compromis entre la capacité du réseau et la consommation énergétique. Nous mettons en évidence plusieurs résultats d ingénierie nécessaires pour un fonctionnement optimal d un réseau maillé sans fil. Enfin, nous nous focalisons sur les réseaux cellulaires hétérogènes. Nous proposons des outils d optimisation calculant une configuration optimale des stations de base qui maximise la capacité du réseau avec une consommation efficace d énergie. Ensuite, afin d économiser l énergie, nous proposons une heuristique calculant un ordonnancement des stations et leur mise en mode d endormissement partiel selon deux stratégies différentes, nommées LAFS et MAFS.Wireless mesh networks (WMN) are a promising solution to support high data rate and increase the capacity provided to users, e.g. for meeting the requirements of mobile multimedia applications. However, the rapid growth of traffic load generated by the terminals is accompanied by an unsustainable increase of energy consumption, which becomes a hot societal and economical challenges. This thesis relates to the problem of the optimization of network capacity and energy consumption of wireless mesh networks. The network capacity is defined as the maximum achievable total traffic in the network per unit time. This thesis is divided into four main parts. First, we address the problem of improvement of the capacity of 802.11 wireless mesh networks. We highlight some insensible properties and deterministic factors of the capacity, while it is directly related to a bottleneck problem. Then, we propose a joint TDMA/CSMA scheduling strategy for solving the bottleneck issue in the network. Second, we focus on broadband wireless mesh networks based on time-frequency resource management. In order to get theoretical bounds on the network performances, we formulate optimization models based on linear programming and column generation algorithm. These models lead to compute an optimal offline configuration which maximizes the network capacity with low energy consumption. A realistic SINR model of the physical layer allows the nodes to perform continuous power control and use a discrete set of data rates. Third, we use the optimization models to provide practical engineering insights on WMN. We briefly study the tradeoff between network capacity and energy consumption using a realistic physical layer and SINR interference model. Finally, we focus on capacity and energy optimization for heterogeneous cellular networks. We develop, first, optimization tools to calculate an optimal configuration of the network that maximizes the network capacity with low energy consumption. We second propose a heuristic algorithm that calculates a scheduling and partial sleeping of base stations in two different strategies, called LAFS and MAFS.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Energy Efficient Scheduling with Power Control for Wireless Networks

Scheduling of transmissions is one of the most fundamental problems in the context of wireless networks. In this article, we consider the problem of computing power efficient schedules with high throughput. We answer the open question concerning the complexity of scheduling with power control in the SINRG model of interference. Based on a novel scheme for dynamic computation of optimum transmission powers in feasible schedules, we introduce a new and efficient heuristic for finding good schedules along the tradeoff between throughput and energy efficiency in the physical SINR model. Since our algorithms do not rely on simplistic assumptions about path loss, they are suited for realistic scenarios with attenuation and shadowing effects. We compare our approach to a broad selection of state-of-the-art approaches in indoor and outdoor scenarios. In all situations, our approach outperforms the existing approaches with respect to schedule length and power consumption, i. e., yields paretosuperior schedules including schedules that significantly improve the throughput