Energy efficiency in LEO satellite and terrestrial wired environments

par Mohammed Hussein

Thèse de doctorat en Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture

Sous la direction de Béatrice Paillassa et de Gentian Jakllari.

Le président du jury était Christian Fraboul.

Le jury était composé de Béatrice Paillassa, Gentian Jakllari, Pascal Lorenz, Laurent Lefèvre, Emmanuel Dubois.

Les rapporteurs étaient Pascal Lorenz, Laurent Lefèvre.

  • Titre traduit

    Efficacité de l'énergie dans les réseaux satellitaires LEO et environnements réseaux terrestres filaires


  • Résumé

    Pour répondre à une demande, toujours croissante, des services multimédias avancés et pour supporter la connectivité électronique partout sur la planète, le développement de systèmes multimédias à large bande ubiquitaires gagne un grand intérêt aux niveaux académique et industriel. Les réseaux satellitaires en général et les constellations de satellites Low Earth Orbit (LEO) plus particulièrement jouent un rôle essentiel dans le déploiement de ces systèmes. Les constellations de satellites LEO telles que "Iridium" ou "Iridium-NEXT" sont extrêmement coûteuses à déployer et à maintenir. Par conséquent, le prolongement de la durée de leur vie est d'une importance cruciale. Dans la partie principale de cette thèse, nous proposons différentes techniques pour prolonger la durée de vie des services satellitaire dans les constellations de satellites LEO. Dans de telles constellations, les satellites peuvent passer plus de 30% de leur temps sous l'ombre de la Terre, temps pendant lequel ils sont alimentés par des batteries. Bien que les batteries soient rechargées par l'énergie solaire, la profondeur de décharge qu'elles atteignent pendant l'éclipse affecte considérablement leur durée de vie et, par extension, la durée de vie des satellites eux-mêmes. Pour des batteries du même type que celles qui alimentent les satellites "Iridium" et "Iridium-NEXT", une augmentation de 15% de la profondeur de décharge peut pratiquement réduire leur durée de vie de moitié. En raison de la nature très uniforme et symétrique des constellations de satellites LEO, il peut y avoir de nombreux chemins alternatifs entre deux noeuds d'un réseau de satellites. La décision relative à l'envoi de données sur un de ces chemins a un effet important sur la durée de vie du réseau. Dans ce contexte, nous nous concentrons tout d'abord sur le routage et nous proposons deux nouvelles métriques de routage, "LASER" et "SLIM", qui tentent de trouver un équilibre entre la performance et la profondeur de décharge de la batterie dans les constellations de satellites LEO. Notre approche de base est de tirer parti du mouvement déterministe des satellites pour favoriser le routage du trafic sur les satellites exposés au soleil plutôt que sur les satellites éclipsés, diminuant ainsi la moyenne de la profondeur de décharge de la batterie, le tout sans pénaliser les performances. Avec l'utilisation d'une topologie LEO réelle et des requêtes de trafic, nous montrons que LASER et SLIM peuvent augmenter la durée de vie de la batterie de près de 75 % et 100 %, respectivement. Ensuite, nous nous occupons de la consolidation des ressources, un nouveau paradigme pour la réduction de la consommation d'énergie. Il consiste à avoir un sous-ensemble, soigneusement sélectionné, de liens réseau à mettre en veille, et à utiliser le reste des liens pour transporter la quantité requise du trafic. Cela est possible sans causer des perturbations majeures aux activités du réseau, étant donné que les réseaux de communication sont conçus pour des périodes de pic de trafic, avec de la redondance, et des ressources surestimées. Comme solutions à ces problèmes, nous proposons deux méthodes différentes pour effectuer la consolidation des ressources dans les réseaux LEO. Premièrement, nous proposons une métrique sensible au trafic pour quantifier la qualité d'une topologie frugal, nommée "MLU". Le problème étant NP-difficile soumis à un seuil "MLU" donné, nous présentons deux heuristiques, "BASIC" et "SNAP", qui représentent différents compromis en termes de performances et de simplicité. Deuxièmement, nous proposons une nouvelle métrique légère n'utilisant pas de trafic pour quantifier la qualité d'une topologie frugal, nommée "ADI". Après avoir montré que le problème de minimisation de la consommation d'énergie d'un réseau LEO soumis à un seuil donné d'ADI est NP-difficile, nous proposons une heuristique nommé "AvOId" à résoudre.


  • Résumé

    To meet an ever-growing demand for advanced multimedia services and to support electronic connectivity anywhere on the planet, development of ubiquitous broadband multimedia systems is gaining a huge interest at both academic and industry levels. Satellite networks in general and LEO satellite constellations in particular will play an essential role in the deployment of such systems. Therefore, as LEO satellite constellations like Iridium or IridiumNEXT are extremely expensive to deploy and maintain, extending their service lifetimes is of crucial importance. In the main part of this thesis, we propose different techniques for extending satellite service life in LEO satellite constellations. Satellites in such constellations can spend over 30% of their time under the earth’s umbra, time during which they are powered by batteries. While the batteries are recharged by solar energy, the Depth of Discharge (DoD) they reach during eclipse significantly affects their lifetime – and by extension, the service life of the satellites themselves. For batteries of the type that power Iridium and Iridium-NEXT satellites, a 15% increase to the DoD can practically cut their service lives in half. We first focus on routing and propose two new routing metrics – LASER and SLIM – that try to strike a balance between performance and battery DoD in LEO satellite constellations. Our basic approach is to leverage the deterministic movement of satellites for favoring routing traffic over satellites exposed to the sun as opposed to the eclipsed satellites, thereby decreasing the average battery DoD– all without taking a significant penalty in performance. Then, we deal with resource consolidation – a new paradigm for the reduction of the power consumption. It consists in having a carefully selected subset of network links entering a sleep state, and use the rest to transport the required amount of traffic. This possible without causing major disruptions to network activities. Since communication networks are designed over the peak traffic periods, and with redundancy and over-provisioned in mind. As a remedy to these issues, we propose two different methods to perform resource consolidation in LEO networks. First, we propose trafficaware metric for quantifiying the quality of a frugal topology, the Maximum Link Utilization (MLU). With the problem being NP-hard subject to a given MLU threshold, we introduce two heuristics, BASIC and SNAP, which represent different tradeoffs in terms of performance and simplicity. Second, we propose a new lightweight traffic-agnostic metric for quantifiying the quality of a frugal topology, the Adequacy Index (ADI). After showing that the problem of minimizing the power consumption of a LEO network subject to a given ADI threshold is NP-hard, we propose a heuristc named AvOId to solve it. We evaluate both forms of resource consolidation using realistic LEO topologies and traffic requests. The results show that the simple schemes we develop are almost double the satellite batteries lifetime. Following the green networking in LEO systems, the second part of this thesis focuses on extending the resource consolidation schemes to current wired networks. Indeed, the energy consumption of wired networks has been traditionally overlooked. Several studies exhibit that the traffic load of the routers only has a small influence on their energy consumption. Hence, the power consumption in networks is strongly related to the number of active network elements. In this context, we extend the traffic-agnostic metric, ADI, to the wired networks. We model the problem subject to ADI threshold as NP-hard. Then, we propose two polynomial time heuristics – ABStAIn and CuTBAck. Although ABStAIn and CuTBAck are traffic unaware, we assess their behavior under real traffic loads from 3 networks, demonstrating that their performance are comparable to the more complex traffic-aware solutions proposed in the literature.


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