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Title
Self-organizing network synchronization : convergence and robustness in pulse-coupled oscillator systems / Johannes Klinglmayr
Additional Titles
Self-organizing network synchronization : convergence and robustness in pulse-coupled oscillator systems
AuthorKlinglmayr, Johannes
CensorBettstetter, Christian ; Timme, Marc
Published2013
DescriptionXVIII, 121 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteKlagenfurt, Alpen-Adria-Univ., Diss., 2013
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Selbstorganisation / Synchronisation / drahtlose Netwerke / Pulskopplung / Garantie / Kommunikation / verteilte Systeme / dezentrale Systeme
Keywords (EN)Self-organization / synchronization / wireless network / pulse-coupling / guarantee / communication / distributed systems
URNurn:nbn:at:at-ubk:1-29017 Persistent Identifier (URN)
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Self-organizing network synchronization [5.22 mb]
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Abstract (German)

Eine zeitliche Anordnung verteilter Elemente ist fÃr viele Anwendungen von Vorteil. So lÃ$sst sich zum Beispiel mit der Verwendung synchronisierter Uhren ein bewegtes Objekt durch verteilte Beobachtungen verfolgen oder eine Kommunikationsvorschrift in drahtlosen Netzwerken koordinieren. Trotz vieler AnwendungsmÃglichkeiten steht die zuverlÃ$ssige Synchronisation von verteilten Systemen noch vor Herausforderungen: Bei der Kommunikation zwischen einzelnen Elementen entstehen oft unterschiedliche VerzÃgerungen, das Kommunikationsnetz besteht oft aus nur wenigen Verbindungen und die Uhren in den verteilten Elementen haben oft nicht die selbe Geschwindigkeit.

Nur lokale Kommunikation zuzulassen und diese auf ein Minimum zu reduzieren ist ein vielversprechender Ansatz um verteilte Systeme zu synchronisieren. Das gelingt beispielsweise durch die Verwendung von pulsÃ$hnlichen Nachrichten, die keinerlei Information beinhalten.

Selbstorganisation ist eine MÃglichkeit, um mithilfe lokaler Interaktion globale Synchronisation zu erzeugen. Dabei kÃnnen individuelle Elemente unter BerÃcksichtigung der gleichen Interaktionsregeln selbstÃ$ndig handeln. Wie genau das Design fÃr solche lokalen Interaktionsregeln auszusehen hat, um globale Synchronisation zu garantieren, ist noch nicht gÃ$nzlich verstanden. Unter Einbeziehung obiger Herausforderungen konnte eine generelle Aussage zur garantierten globalen Synchronisation durch lokale pulsÃ$hnliche Interaktionen bis dato nicht getroffen werden.

Diese Arbeit zeigt lokale Interaktionsregeln auf und garantiert, mittels mathematische BeweisfÃhrung, globale Synchronisation pulsgekoppelter Oszillatornetzwerke. Im Speziellen werden zwei Kopplungsmethoden vorgestellt, die fÃr unterschiedliche Rahmenbedingungen globale Synchronisation garantieren. Sie gelten fÃr Systeme mit unterschiedlicher individueller VerzÃgerung, unterschiedlicher Geschwindigkeit der Oszillatoren, beliebigen Netzwerken und stochastischer PulsÃbertragung. DarÃber hinaus wird gezeigt, dass die so erreichte Synchronisation robust hinsichtlich zufÃ$lliger und falscher Pulsdetektion und resilient hinsichtlich fÃ$lschlicher Randbedingungsannahmen und ungenauer Oszillatoreigenschaften ist. Diese Arbeit demonstriert die Umsetzung der vorgestellten selbstorganisierenden Synchronisationsmethoden in Kommunikationsnetzwerken. FÃr Kommunikationsmethoden mit Sendeintervallen zeigen die Implementationen die Konzepttauglichkeit der garantierten Synchronisationsmethoden. Sie beinhalten AusfÃhrungen auf StandardgerÃ$ten und auf programmierbarer Hardware. Eine interaktive Demonstration veranschaulicht die Nutzung selbstorganisierender Synchronisation mittels Audiosignalen.

Durch diese Arbeit konnten neue Einsichten, das Design und die Dynamik lokaler Interaktionen betreffend, erlangt werden, die helfen, Selbstorganisation auch in einem breiteren Anwendungsfeld zu verstehen.

Abstract (English)

Agreeing on a common timing (synchronization) is beneficial for distributed entities in a large number of applications. For instance, it enables synchronized distributed measurements to track moving objects or the scheduling of communication in wireless communication systems. Yet, how to provide synchronization for distributed systems in a reliable way remains an open challenge: Communication between individual entities is often subject to different individual delays, the network might be sparse, and clocks might not be homogeneous. A promising approach to synchronize a network of distributed entities is by only using local interactions and to communicate as little as possible, for instance by exchanging pulse-like messages, which do not contain information. It is well known that self-organizing processes may induce global synchronization via local interactions, e.g. if all entities act individually by the same rules. How to design these local rules to guarantee global synchronization, however, remains not well understood.

So far, a general statement that guarantees global synchronization from local pulse-interactions could not be achieved if facing the challenges mentioned above.

In this thesis we derive local interaction rules and mathematically guarantee global synchronization using pulse-coupled oscillator networks. Specifically, we provide two coupling schemes that address different system settings and prove network-wide convergence to synchrony. These proofs hold for systems which face individual random signal delays, inhomogeneous clock rates, arbitrary topologies, and stochastic pulse emission. We also show the robustness of the synchronization process in case of faulty or random pulse detection, incorrect assumptions about the environment and inaccurate oscillators. We apply the self-organizing synchronization to wireless communication systems. We demonstrate that the local interaction rules derived, enable self-organizing synchronization in wireless communication systems. In our proof-of-concept applications, we address distributed devices which use communication protocols with time slots. These slots are then used for data communication. The devices exchange pulse-like radio or audio signals and are designed to synchronize their time slots.

This insight on local interaction rules helps to better understand self-organizing processes in a more general setting, including engineering and social sciences.

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