Wireless Backhaul Networks: Minimizing Energy Consumption by Power-Efficient Radio Links Configuration

In this work, we investigate on minimizing the energy consumption of a wireless backhaul communication network through a joint optimization of data routing and radio configuration. The backhaul network is modeled by a digraph in which the nodes represent radio base stations and the arcs denote radio links. According to the scenario under consideration, a power-efficient configuration can be characterized by a modulation constellation size and a transmission power level. Every link holds a set of power-efficient configurations, each of them associating a capacity with its energy cost. The optimization problem involves deciding the network's configuration and flows that minimize the total energy expenditure, while handling all the traffic requirements simultaneously. An exact mathematical formulation of the problem is presented. It relies on a minimum cost multicommodity flow with step increasing cost functions, which is very hard to optimize. We then propose a piecewise linear convex function, obtained by linear interpolation of power-efficient configuration points, that provides a good approximation of the energy consumption on the links, and present a relaxation of the previous formulation that exploits the convexity of the energy cost functions. This yields lower bounds on the energy consumption, and finally a heuristic algorithm based on the fractional optimum is employed to produce feasible solutions. Our models are validated through extensive experiments that are reported and discussed. The results verify the potentialities behind this novel approach. In particular, our algorithm induces a satisfactory integrality gap in practice

Joint Optimization of Routing and Radio Configuration in Fixed Wireless Networks

International audienceNous étudions la minimisation de la consommation d'énergie des réseaux sans-fil fixes à transmission par liens microondes, par l'optimisation jointe du routage des flux de données et la sélection de la configuration des liens. Nous présentons une formulation mathématique exacte basée sur un multiflot entier de coût minimum avec des fonctions de coût en escalier, rendant le problème très difficile à résoudre. Nous proposons ensuite une fonction linéaire par morceaux convexe, obtenue par interpolation linéaire des points de configuration efficaces en énergie, qui fournit une bonne approximation de la consommation d'énergie sur les liens, et présentons une relaxation qui exploite la convexité des fonctions de coût. Ceci rapporte des limites inférieures sur la consommation d'énergie, et finalement un algorithme heuristique basé sur l'optimum fractionnaire est utilisé pour produire des solutions réalisables. Les résultats attestent du potentiel de notre nouvelle approche

Wireless Backhaul Networks: Minimizing Energy Consumption by Power-Efficient Radio Links Configuration

In this work, we investigate on minimizing the energy consumption of a wireless backhaul communication network through a joint optimization of data routing and radio configuration. The backhaul network is modeled by a digraph in which the nodes represent radio base stations and the arcs denote radio links. According to the scenario under consideration, a power-efficient configuration can be characterized by a modulation constellation size and a transmission power level. Every link holds a set of power-efficient configurations, each of them associating a capacity with its energy cost. The optimization problem involves deciding the network's configuration and flows that minimize the total energy expenditure, while handling all the traffic requirements simultaneously. An exact mathematical formulation of the problem is presented. It relies on a minimum cost multicommodity flow with step increasing cost functions, which is very hard to optimize. We then propose a piecewise linear convex function, obtained by linear interpolation of power-efficient configuration points, that provides a good approximation of the energy consumption on the links, and present a relaxation of the previous formulation that exploits the convexity of the energy cost functions. This yields lower bounds on the energy consumption, and finally a heuristic algorithm based on the fractional optimum is employed to produce feasible solutions. Our models are validated through extensive experiments that are reported and discussed. The results verify the potentialities behind this novel approach. In particular, our algorithm induces a satisfactory integrality gap in practice

Optimisation de la consommation énergétique dans les réseaux sans fil fixes

International audienceNous étudions le problème d'optimisation énergétique dans les réseaux sans fil fixes dans le cas d'une faible demande de trafic par rapport à la capacité du réseau. Nous proposons un programme linéaire pour résoudre le problème, puis nous présentons une heuristique permettant de trouver rapidement une bonne solution

Tradeoffs in routing reconfiguration problems

International audienceNous étudions le problème du reroutage d'un ensemble de connexion dans un réseau. Il consiste à passer d'un routage initial (ensemble de chemins reliant des paires de noeuds) à un autre, en traitant séquentiellement chaque connexion. Il est parfois indispensable d'en interrompre temporairement certaines au cours du processus de reconfiguration, ce qui nous amène à étudier les compromis possibles entre deux mesures d'efficacité : le nombre total de connexions interrompues et le nombre maximum de connexions interrompues simultanément. Nous prouvons qu'établir de tels compromis mène à des problèmes NP-complets et difficiles à approcher (APX-difficiles voir non APX). Nous montrons ensuite que de bons compromis sont impossibles en général. Enfin, nous exhibons une classe d'instances de reroutage pour laquelle il est possible de minimiser le nombre de requêtes interrompues simultanément sans "trop" augmenter le nombre total de connexions interrompues. Ces résultats sont obtenus en modélisant ce problème par un jeu à l'aide d'agents mobiles

Dimensioning microwave wireless networks

International audienceWe aim at dimensioning fixed broadband microwave wireless networks under unreliable channel conditions. As the transport capacity of microwave links is prone to variations due to, e.g., weather conditions, such a dimensioning requires special attention. It can be formulated as the determination of the minimum cost bandwidth assignment of the links in the network for which traffic requirements can be met with high probability, while taking into account that transport link capacities vary depending on channel conditions. The proposed optimization model represents a major step forward since we consider dynamic routing. Experimental results show that the resulting solutions can save up to 45% of the bandwidth cost compared to the case where a bandwidth over-provisioning policy is uniformly applied to all links in the network planning. Comparisons with previous work also show that we can solve much larger instances in significantly shorter computing times, with a comparable level of reliability

Tradeoffs in routing reconfiguration problems

International audienceNous étudions le problème du reroutage d'un ensemble de connexion dans un réseau. Il consiste à passer d'un routage initial (ensemble de chemins reliant des paires de noeuds) à un autre, en traitant séquentiellement chaque connexion. Il est parfois indispensable d'en interrompre temporairement certaines au cours du processus de reconfiguration, ce qui nous amène à étudier les compromis possibles entre deux mesures d'efficacité : le nombre total de connexions interrompues et le nombre maximum de connexions interrompues simultanément. Nous prouvons qu'établir de tels compromis mène à des problèmes NP-complets et difficiles à approcher (APX-difficiles voir non APX). Nous montrons ensuite que de bons compromis sont impossibles en général. Enfin, nous exhibons une classe d'instances de reroutage pour laquelle il est possible de minimiser le nombre de requêtes interrompues simultanément sans "trop" augmenter le nombre total de connexions interrompues. Ces résultats sont obtenus en modélisant ce problème par un jeu à l'aide d'agents mobiles

Power-Efficient Radio Configuration in Fixed Broadband Wireless Networks

International audienceIn this work, we investigate on determining feasible radio configurations in fixed broadband wireless networks, focusing on power efficiency. Under this scenario, a power-efficient configuration can be characterized by a modulation constellation size and a transmission power level. Every link holds a set of power-efficient configurations, each of them associating a capacity with its energy cost. We introduce a joint optimization of data routing and radio configuration that minimizes the total energy consumption while handling all the traffic requirements simultaneously. An exact mathematical formulation of the problem is presented. It relies on a minimum cost multicommodity flow with step increasing cost functions, which is very hard to optimize. We then propose a piecewise linear convex function, obtained by linear interpolation of power-efficient points, that provides a good approximation of the energy consumption on the links, and present a relaxation of the previous formulation that exploits the convexity of the cost functions. This yields lower bounds on the total energy expenditure, and finally heuristic algorithms based on the fractional optimum are employed to produce feasible configuration solutions. Our models are validated through extensive experiments that are reported and discussed. The results testify the potentialities behind this novel approach