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Title
Firefly synchronization in wireless networks / Alexander Tyrrell
AuthorTyrrell, Alexander
CensorBettstetter, Christian ; Mathar, Rudolf
Published2009
DescriptionXVI, 159 S. : graph. Darst.
Institutional NoteKlagenfurt, Alpen-Adria-Univ., Diss., 2009
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceKB2009 27 ; OeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)drahtlose Kommunikation / Netzen / verteilte Systeme / Entstehung / Selbstorganisation / Medium Access Control (MAC) / Slot-Synchronisation / Glühwürmchen Synchronisation
Keywords (EN)wireless communications / meshed networks / distributed systems / emergence / self-organization / medium access control (MAC) / slot synchronization / firefly synchronization
Keywords (GND)Drahtloses vermaschtes Netz / Verteiltes System / Selbst organisierendes System / Synchronisierung / Zugriffskontrolle
URNurn:nbn:at:at-ubk:1-3304 Persistent Identifier (URN)
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Firefly synchronization in wireless networks [1.36 mb]
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Abstract (German)

A striking example of self-organization in nature occurs every evening in some parts of South-East Asia: thousands of fireflies gather on trees at dawn and start emitting flashes regularly; over time, synchronization emerges from a seemingly chaotic situation, which makes it seem as though the whole tree is flashing in perfect synchrony. This fascinating phenomenon is the inspiration for the topic treated in this thesis, which is concerned with slot synchronization in wireless networks.

Synchronization phenomena in nature are mathematically described by the theory of pulse-coupled oscillators (PCOs); each entity naturally oscillates and blinks periodically, and coupling is performed through the discrete emissions of light. Each node adjusts its internal reference when perceiving blinks from its neighbors, and following simple rules, synchronization always emerges after some time. Conditions for convergence under ideal assumptions were derived by Mirollo and Strogatz in their seminal work published in 1990, and provide a framework for the following slot synchronization studies.

The PCO synchronization rules are remarkably simple and robust, which makes their application to wireless networks very appealing. In particular, slot synchronization requires nodes in the network to agree on a common time reference for the start of a slot, in a similar way to fireflies that agree on a common blinking instant. Direct application of the PCO rules is not feasible, and an adaptation, termed Mobile Emergent Firefly Synchronization (MEMFIS), is proposed so that constraints of wireless networks are integrated with the PCO rules. With this modification, the simplicity and robustness of the PCO scheme is retained; nodes are able to synchronize starting from any random misalignment, and achieve an accuracy equal or lower to the direct propagation delay.

Application of the PCO model to cellular systems is investigated. The goal is to maintain base stations synchronized, even when there is no direct communication between them. Synchronization in Cellular Firefly Synchronization (CelFSync) is performed by letting some selected user terminals participate in the network synchronization process, and achieving an out-of-phase synchronization regime. Furthermore propagation delays, which are problematic in large-scale networks, are mitigated by combining the proposed adaptation with the timing advance procedure, so that an acceptable inter-base station accuracy is achieved.

Abstract (English)

Ein beeindruckendes Beispiel fÃr Selbstorganisation in der Natur kann abends in Teilen SÃdostasiens beobachtet werden: tausende auf BÃ$umen sitzender GlÃhwÃrmchen (engl. Fireflies) emittieren in regelmÃ$Ãigen AbstÃ$nden Lichtimpulse. Aus dem anfÃ$nglich chaotischen Blinken einzelner GlÃh-wÃrmchen formiert sich im Laufe der Zeit ein im perfekten Gleichtakt blinkender Baum. Die Methodik dieses faszinierenden Naturschauspiels bildet die Grundlage fÃr das in dieser Dissertation behandelte Thema der Slot-Synchronisation in drahtlosen Netzwerken.

PhÃ$nomene natÃrlicher Synchronisation kÃnnen durch die Theorie der impulsgekoppelten Oszillatoren (PCOs) mathematisch beschrieben werden.

Jeder Knoten eines Netzwerks blinkt in regelmÃ$Ãigen AbstÃ$nden, und benachbarte Knoten sind durch die diskrete Emission von Pulsen (z.B. von Licht) miteinander gekoppelt.

Einfache Regeln bestimmen, wie die interne Zeitreferenz eines jeden Knotens durch die Detektion von Pulsen beeinflusst wird. Mirollo und Strogatz haben in ihrer grundlegenden, im Jahr 1990 verÃffentlichten Arbeit gezeigt, dass ein Netzwerk von PCOs unter bestimmten idealisierten Voraussetzungen immer zu einem Zustand konvergiert, bei dem alle Knoten im Gleichtakt blinken. Die PCO Synchronisation nach Mirollo und Strogatz ist bemerkenswert einfach und robust, was insbesondere fÃr Anwendungen bezÃglich der Slot-Synchronisation von dezentralen \emph Problematik der drahtlosen DatenÃbertragung, ist eine direkte Anwendung der PCO Synchronisation fÃr drahtlose Netzwerke ohne weiteres nicht mÃglich. I zwischen dem Senden und dem Empfang eines Synchronisationswortes auftreten, kÃnnen zu einer signifikanten Verminderung der Genauigkeit und im schlimmsten Falle zu InstabilitÃ$t fÃhren. VerzÃgerungen werden verursacht durch die Laufzeit elektromagnetischer Wellen, aber auch durch die EinfÃhrung eines Synchronisationswortes endlicher LÃ$nge anstelle eines Pulses von infinitesimal kurzer Dauer. In der vorliegenden Arbeit werden Wege aufgezeigt, wie die PCO-Synchronisation den speziellen Anforderungen der drahtlosen DatenÃber-tragung angepasst werden kann, ohne deren Einfachheit und Robustheit zu beeintrÃ$chtigen. Simulationen zeigen, dass eine zuverlÃ$ssige Netzwerksynchronisation fÃr zufÃ$llige Anfangsbedingungen mit einer Genauigkeit erreicht wird, deren obere Schranke durch die Laufzeit einer elektromagnetischen Welle zwischen zwei direkt benachbarten Knoten gegeben ist.

Desweiteren wird die Anwendung der PCO Synchronisation auf zellulare Systeme mit dem Ziel untersucht, die Rahmenstruktur von Basisstationen zu synchronisieren, selbst wenn benachbarte Basisstationen keine direkte Verbindung haben. Die Synchronisation erfolgt durch Einbeziehung einiger ausgewÃ$hlter Nutzer-Terminals. AuÃerdem wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Ungenauigkeiten bezÃglich LaufzeitverzÃgerungen deutlich reduziert, was insbesondere fÃr groÃe Zellen von Bedeutung ist.

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