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 problem 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 which 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 stepwise cost functions which is very hard to optimize. We then introduce a linear relaxation of the problem, which exploits the convexity of the energy cost as a function of the throughput on a radio link. This yields lower bounds on the energy consumption, and eventually a heuristic algorithm based on the fractional optimum is presented. Our models are validated through extensive experiments which are reported and discussed. The results of the simulations testify the potentialities behind this novel approach. In particular, our algorithm takes a good advantage of the convexity of the cost function, inducing a quite small integrity gap in practice. Key-words: Backhaul communication networks, Radio channels, Power efficiency This work has been supported by the European project ist fet Aeolus, CRC CORSO, Région PACA, and SME 3ROAM. ∗ Projet MASCOTTE, INRIA – I3S(CNRS/UNSA), Sophia Antipolis, France. † Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE, Brazil in ria -0 03 44 34 4, v er si on 1 4 D ec 2 00 8 Réseaux radio backhaul: minimisation de la consommation d’énergie par la configuration des liens radios Résumé : Nous étudions la minimisation de la consommation d’énergie des réseaux de communication sans-fil de type backhaul par l’optimisation jointe du routage des données et de la sélection de la configuration des liens. Le réseau backhaul est modélisé par un graphe orienté dont les nœuds représentent les stations radio et les arcs les liens de communication radio. Dans le scénario que nous considérons, une configuration efficace en énergie peut être caractérisée par la taille de la modulation choisie et la puissance de transmission. Chaque lien dispose d’un ensemble de configuration efficaces, chacune associant une capacité à sa consommation en énergie. Le problème d’optimisation à résoudre inclu le choix de la configuration du réseau et le flot minimisant la consommation totale d’énergie, sous la contrainte de satisfaire toutes les demandes de traffic. Nous présentons une formulation mathématique exacte basée sur un multiflot de coût minimum avec une fonction de coût en escalier, rendant le problème très difficile à résoudre. Nous proposons une relaxation linéaire du problème qui exploite la convexité du coût en énergie en fonction de la bande passante du lien radio. Cette relaxation nous fourni des bornes inférieures sur la consommation en énergie. Ceci nous permet égalemet de construire un algorithme heuristique dont les performances sont validées par simulations. Les résultats de simulations attestent du potentiel de notre nouvelle approche. En particulier, notre algorithme heuristic tire profit de la convexité de la fonction de coût pour fournir des solutions à faible écart avec l’optimal. Mots-clés : Réseaux Backhaul, canaux radio, efficacité énergétique in ria -0 03 44 34 4, v er si on 1 4 D ec 2 00 8 Minimizing Energy Consumption by Power Efficient Radio Configuration 3