On Downlink Capacity of Cellular Data Networks with WLAN / WPAN Relays

We consider the downlink of a cellular network supporting da ta traffic. In addition to the direct traffic from the base-station, each user i quipped with the same type of 802.11-like WLAN or WPAN interface that is used to relay pa ckets to further users and hence to improve the performance of the overall network. We a re interested in analyzing what are the design guidelines for such networks and how much capacity improvements can the additional relay layer bring, in comparison to cellular networks. We consider a realistic dynamic setting where users randomly initiate downloads an d leave the system upon transfer completion. A first objective is to provide a scheduling/ relay strategy that maximizes the network capacity, which is the traffic in bit/s/cell that the n twork can support. We find that, regardless of the spatial traffic distribution, when the cel l approaches saturation (the number of active users is very large), the capacity-achieving stra tegy divides the cell into two areas: one closer to the base-station where the relay layer is alway s s turated and some nodes receive traffic through both direct and relay links, and the f urther one where the relay is never saturated and the direct traffic does not exist. We furt her show that it is approximately optimal to use fixed link lengths, and we derive this length. W e give a simple algorithm to calculate the cell capacity. The obtained capacity is shown t be independent of the cell size (unlike in traditional cellular networks), and it is 20%-60 % higher than already proposed relay architectures when the number of users is large. Final ly, we provide guidelines for future protocol design. Key-words: wireless, cellular, relay, modeling, capacity ∗ INRIA ENS, 45 rue d’Ulm, 75005 Paris. Bozidar.Radunovic@e ns.fr † ‡France Telecom R&D, 38-40 rue du Général Leclerc, 92794 Is sy-les-Moulineaux, France. Alexandre.Proutiere@ens.fr in ria -0 01 18 74 6, v er si on 2 6 D ec 2 00 6 Capacité des ŕeseaux cellulaires de donń ees avec relais de types WLAN ou WPAN Résuḿe : Nous considérons la voix descendante d’un réseau cellula ire supportant du trafic de données, et dans lequel chaque utilisateur a la possibil ité, en plus de celle de recevoir du trafic directement de la station de base, de relayer du trafic e n utilisant une interface radio de type WLAN ou WPAN. Cette fonctionnalité additionnelle per met d’augmenter la capacité du réseau et d’en améliorer la performance. Cette étude v ise à donner des règles de conception de tels systèmes, mais aussi de quantifier le gain en ter me de capacité que la couche de relais permet d’atteindre. Nous considérons un scenario d e trafic réaliste ou les utilisateurs génèrent aléatoirement des transferts de données, et q uittent le système lorsque le transfert requis s’achéve. Un premier objectif est d’identifier des a lgorithmes de d’ordonnancement et de relais qui permettent de maximiser la capacité du rés eau, définie par le volume de trafic en bit/s/cellule que le réseau peut supporter. Il s’avè re que, quelle que soit la répartition géographique du trafic dans la cellule, ces algorithmes opt imaux possèdent à forte charge (lorsque le nombre d’utilisateurs actifs devient très gra nd) la propriété suivante : ils divisent la cellule en deux parties, la première proche de la station de base ou la couche de relais est toujours saturée et ou les utilisateurs reçoivent du t rafic à la fois de la station de base et de certains utilisateurs relais, la seconde plus éloign ée ou les utilisateurs ne reçoivent de trafic que par l’intermédiaire de relais. Nous montrons de p lus qu’il est approximativement optimal d’utiliser des liens de relais de taille fixe, et nous caractérisons cette taille. Nous construisons également un algorithme simple permettant d e calculer la capacité de la cellule. La capacité est contrairement au cas des réseaux cellulai res usuels indépendante de la taille de la cellule, et dépasse de 20 à 60% celle obtenue par des st ratégies d’ordonnancement et de relais existantes. Nous donnons finalement quelques règ les de conception des réseaux cellulaires avec relais. Mots-clés : wireless, cellular, relay, modeling, capacity in ria -0 01 18 74 6, v er si on 2 6 D ec 2 00 6 On Downlink Capacity of Cellular Data Networks with WLAN/WP AN Relays 3