Cooperative data exchange for wireless networks : Delay-aware and energy-efficient approaches

par Mariem Zayene

Thèse de doctorat en Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes robotique

  • Titre traduit

    Echange coopératif de données pour les réseaux sans fil : Approches respectueuses des délais et efficaces sur le plan énergétique


  • Résumé

    Avec le nombre croissant d’appareils intelligents à faible puissance, au cours ces dernières années, la question de l’efficacité énergétique a joué un rôle de plus en plus indispensable dans la conception des systèmes de communication. Cette thèse vise à concevoir des schémas de transmission distribués à faible consommation d’énergie pour les réseaux sans fil, utilisant la théorie des jeux et le codage réseau instantanément décodable (IDNC), qui est une sous-classe prometteuse du codage réseau. En outre, nous étudions le modèle de l'échange coopératif de donnée (CDE) dans lequel tous les périphériques coopèrent en échangeant des paquets codés dans le réseau, jusqu’à ce qu’ils récupèrent tous l’ensemble des informations requises. En effet, la mise en œuvre du CDE basé sur l’IDNC soulève plusieurs défis intéressants, notamment la prolongation de la durée de vie du réseau et la réduction du nombre de transmissions afin de répondre aux besoins des applications temps réel. Par conséquent, contrairement à la plupart des travaux existants concernant l’IDNC, nous nous concentrons non seulement sur le délai, mais également sur l’énergie consommée. En premier lieu, nous étudions le problème de minimisation de l’énergie consommée et du délai au sein d’un petit réseau IDNC coopératif, entièrement connecté et à faible puissance. Nous modélisons le problème en utilisant la théorie des jeux coopératifs de formation de coalitions. Nous proposons un algorithme distribué (appelé “merge and split“) permettant aux nœuds sans fil de s’auto-organiser, de manière distribuée, en coalitions disjointes et indépendantes. L’algorithme proposé garantit une consommation d’énergie réduite et minimise le délai de complétion dans le réseau clustérisé résultant. Par ailleurs, nous ne considérons pas seulement l'énergie de transmission, mais aussi la consommation de l'énergie de calcul des nœuds. De plus, nous nous concentrons sur la question de la mobilité et nous analysons comment, à travers la solution proposée, les nœuds peuvent s’adapter à la topologie dynamique du réseau. Par la suite, nous étudions le même problème au sein d’un réseau large et partiellement connecté. En effet, nous examinons le modèle de CDE multi-sauts. Dans un tel modèle, nous considérons que les nœuds peuvent choisir la puissance d’émission et change ainsi de rayon de transmission et le nombre de voisin avec lesquels il peut entrer en coalition. Pour ce faire, nous modélisons le problème avec un jeu à deux étages; un jeu non-coopératif de contrôle de puissance et un jeu coopératif de formation de coalitions. La solution optimale du premier jeu permet aux joueurs de coopérer à travers des rayons de transmission limités en utilisant la théorie des jeux coopérative. En outre, nous proposons un algorithme distribué “merge and split“ afin de former des coalitions dans lesquelles les joueurs maximisent leurs utilités en termes de délai et de consommation d’énergie. La solution proposée permet la création d’une partition stable avec une interférence réduite et une complexité raisonnable. Nous démontrons que la coopération entre les nœuds au sein du réseau résultant, permet de réduire considérablement la consommation d’énergie par rapport au modèle coopératif optimal qui maintient le rayon de transmission maximal.


  • Résumé

    With significantly growing number of smart low-power devices during recent years, the issue of energy efficiency has taken an increasingly essential role in the communication systems’ design. This thesis aims at designing distributed and energy efficient transmission schemes for wireless networks using game theory and instantly decodable network coding (IDNC) which is a promising network coding subclass. We study the cooperative data exchange (CDE) scenario in which all devices cooperate with each other by exchanging network coded packets until all of them receive all the required information. In fact, enabling the IDNC-based CDE setting brings several challenges such us how to extend the network lifetime and how to reduce the number of transmissions in order to satisfy urgent delay requirements. Therefore, unlike most of existing works concerning IDNC, we focus not only on the decoding delay, but also the consumed energy. First, we investigate the IDNC-based CDE problem within small fully connected networks across energy-constrained devices and model the problem using the cooperative game theory in partition form. We propose a distributed merge-and-split algorithm to allow the wireless nodes to self-organize into independent disjoint coalitions in a distributed manner. The proposed algorithm guarantees reduced energy consumption and minimizes the delay in the resulting clustered network structure. We do not only consider the transmission energy, but also the computational energy consumption. Furthermore, we focus on the mobility issue and we analyse how, in the proposed framework, nodes can adapt to the dynamic topology of the network. Thereafter, we study the IDNC-based CDE problem within large-scale partially connected networks. We considerate that each player uses no longer his maximum transmission power, rather, he controls his transmission range dynamically. In fact, we investigate multi-hop CDE using the IDNC at decentralized wireless nodes. In such model, we focus on how these wireless nodes can cooperate in limited transmission ranges without increasing the IDNC delay nor their energy consumption. For that purpose, we model the problem using a two-stage game theoretical framework. We first model the power control problem using non-cooperative game theory where users jointly choose their desired transmission power selfishly in order to reduce their energy consumption and their IDNC delay. The optimal solution of this game allows the players at the next stage to cooperate with each other through limited transmission ranges using cooperative game theory in partition form. Thereafter, a distributed multihop merge-and-split algorithm is defined to form coalitions where players maximize their utilities in terms of decoding delays and energy consumption. The solution of the proposed framework determines a stable feasible partition for the wireless nodes with reduced interference and reasonable complexity. We demonstrate that the co-operation between nodes in the multihop cooperative scheme achieves a significant minimization of the energy consumption with respect to the most stable cooperative scheme in maximum transmission range without hurting the IDNC delay.


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