Dynamic power control in backbone wireless mesh networks : a decentralized approach

par Thomas Olwal

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées et applications des mathématiques

Sous la direction de Patrick Siarry.

Le président du jury était Kamel Barkaoui.

Le jury était composé de Patrick Siarry, Karim Djouani, Yskandar Hamam, Barend Jacobus Van Wyk.

Les rapporteurs étaient Eitan Altman, Clarke Wimpie.

  • Titre traduit

    Le contrôle de pouvoir dynamique dans la radio de colonne vertébrale fait concorder des réseaux : une approche décentralisée


  • Résumé

    L'évolution importante des réseaux sans fil tend à fournir les supports nécessaires aux applications ubiquitaires émergentes dans les réseaux Mesh sans fil. Les réseaux mesh comprennent des nœuds stationnaires qui remplissent la fonction de routage et appelés routeurs Mesh sans fil (WMR) et qui consitutent le réseau backbone sans fil (WBMN) ainsi que des nœuds clients mesh sans fil (WMCs). Alors que les WMCs sont limités en termes de fonctions et de resources radio, les WMRS fournissent des fonctions de pont et de passerelle afin de connecter les réseaux WMNs aux autres réseaux comme les réseaux cellulaires, les réseaux IEEE 802.11, les réseaux IEEE 802.16, ou tout simplement à Internet. Par conséquent, les réseaux WMRs sont construits à partir sur la base d'équipement radio de communication rapide et/ou multi-radio et multi-canaux. Les routeurs WMRs sont supposes être auto-organisés, auto-configurés et constituant un réseau WNMN robuste ce qui nécessite de soutenir des volumes importants de trafic de données et sur de longues périodes. Cependant, répondre à attentes élevées en termes de services nécessite le développement d'approches décentralisés pour le control dynamique des puissances de transmission (DTPC). La présente thèse se focalise sur le problème DTPC pour les deux cas de réseaux; utilisant un canal de communication et multicanaux. Pour les réseaux exploitant un seul canal, le problème est formulé en termes de problème d'optimisation où l'objectif est de minimiser en même temps des critères convexes associés aux liens et aux réseaux. Afin de résoudre ce problème, des modèles et des algorithmes, appelés MATA (multiple access transmission aware), ont été proposés. Pour les réseaux WBMNs utilisant des systèmes multi-radio et multi-canaux (MRMC), le réseau est modélisé par un ensemble de graphes appelés UCGs (unified channel graphs), chacun consistant les utilisateurs connectés au point d'accès en utilisant le même canal fréquentiel. Pour chaque ensemble UCG, le problème à résoudre un problème quadratique et stochastique soumis aux contraintes des états des liens dynamiques LSI (Link State Information) de tous les UCGs. Le protocole PMMUP, mutli-radio et minimisant la consummation énegétique, est propose au niveau de la couche liaison. Algorithmes d'estimation prédictive base sur ce protocol sont proposes pour résoudre les problèmes d'optimisation associés aux UGCs. Les problèmes énergétiques, les instabilités des queues et les interférences, sont formulés en termes de problèmes de commande optimale couplée, appelés SPWC (singularly-perturbed weakly-coupled). Pour résoudre les problèmes SPWC caractérisant le problème de commande optimal des energies de transmission, l'algorithme HORA (aeneralized higher-order recursive algorithm) qui permet d'obtenir les solutions stables pour les équations de Riccati a été développé. Les performes des modèles et algorithmes proposés dans le cadre de la présente thèse ont été évalués tant sur le plan théorique qu'en simulation. Différentes simulations ont été effectuées sur un large ensemble de topologies réseaux générés aléatoirement. Les résultats de simulation et analytiques Simulation confirment l'efficacité des algorithmes proposés par rapport à la majorité des techniques existantes


  • Résumé

    The remarkable evolution of wireless networks into the next generation to provide ubiquitous and seamless broadband applications has recently triggered the emergence of Wireless Mesh Networks (WMNs). The WMNs comprise stationary Wireless Mesh Routers (WMRs) forming Wireless Backbone Mesh Networks (WBMNs) and mobile Wireless Mesh Clients (WMCs) forming the WMN access. While WMCs are limited in function and radio resources, the WMRs are expected to support heavy duty applications : that is, WMRs have gateway and bridge functions to integrate WMNs with other networks such as the Internet, cellular, IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16, sensor networks, et cetera. Consequently, WMRs are constructed from fast switching radios or multiple radio devices operating on multiple frequency channels. WMRs are expected to be self-organized, self-configured and constitute a reliable and robust WBMN which needs to sustain high traffic volumes and long “online” time. However, meeting such stringent service expectations requires the development of decentralized dynamic transmission power control (DTPC) approaches. This thesis addresses the DTPC problem for both single and multiple channel WBMNs. For single channel networks, the problem is formulated as the minimization of both the link-centric and network-centric convex cost function. In order to solve this issue, multiple access transmission aware (MATA) models and algorithms are proposed. For multi-radio multi-channel (MRMC) WBMNs, the network is modelled as sets of unified channel graphs (UCGs), each consisting of interconnected active network users communicating on the same frequency channel. For each UCG set, the minimization of stochastic quadratic cost functions are developed subject to the dynamic Link State Information (LSI) equations from all UCGs. An energy-efficient multi-radio unification protocol (PMMUP) is then suggested at the Link-Layer (LL). Predictive estimation algorithms based on this protocol are proposed to solve such objective functions. To address transmission energy and packet instabilities, and interference across multiple channels, singularly-perturbed weakly-coupled (SPWC) control problems are formulated. In order to solve the SPWC transmission power control problem, a generalized higher-order recursive algorithm (HORA) that obtains the Riccati Stabilizing Solutions to the control problem is developed. The performance behaviours of the proposed models and algorithms are evaluated both analytically and through computer simulations. Several simulations are performed on a large number of randomly generated topologies. Simulation and analytical results confirm the efficacy of the proposed algorithms compared to the most recently studied techniques


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