Project: Self-Organizing Synchronization with St...

Master data
Self-Organizing Synchronization with Stochastic Coupling
Description:

Distributed algorithms based on the theory of pulse-coupled oscillators have been developed to offer selforganizing and scalable solutions for temporal synchronization in wireless networks. It is an interesting phenomenon that unreliable channels or intentionally incomplete communication between nodes can have beneficial effects in terms of synchronization guarantees and precision. Such "stochastic coupling" opens up an unprecedented degree of freedom in the design of network synchronization algorithms. The objective of the proposed project is to gain a deeper conceptual understanding of this novel approach, integrate it into algorithm design, and prepare the ground for its use in practice. After assessing potential gains of stochasticity in coupling, we develop different classes of decentralized adaptive algorithms for mobile networks in which each node continuously adjusts its individual coupling probability based only on its local view. The synchronization precision and time are analyzed experimentally over radio channels using programmable radios. Results are expected to yield novel scientific insights for synchronization theory and have the potential to change the way we design decentralized synchronization in large networks of resource-limited embedded devices, such as sensor and robot networks in smart factories.
Keywords: pulse-coupled oscillators; synchronization theory; decentralized synchronization; stochastic coupling;
Selbstorganisierende Synchronisation mit stochastischer Kopplung
Description:

Ein faszinierendes Beispiel für Selbstorganisation in der Natur sind Schwärme gleichzeitig blinkender Glühwürmchen. Die Synchronität entsteht dabei als emergentes Phänomen: sie ist das Ergebnis einfacher Regeln und lokaler Interaktionen zwischen den Glühwürmchen. 

Seit Jahren schon ist man daran interessiert, vorhandene mathematische Modelle für Glühwürmchensynchronisation auf drahtlose Kommunikationsnetze zu übertragen, in denen Zeitsynchronisierung für diverse Funktionen benötigt wird. Eine direkte Übertragung ist jedoch aufgrund der Unterschiede zwischen biologischer und technischer Kommunikation nicht möglich. Daher wurden viele Modifikationen und Ergänzungen vorgenommen, bis man schließlich Algorithmen entwickelt hatte, die in drahtlosen Netzen funktionieren.  

Im Rahmen dieser Forschung fand man heraus, dass sich unzuverlässige oder bewusst gestörte Kommunikation zwischen den Entitäten positiv auf die Synchronisationsgenauigkeit und die Wahrscheinlichkeit, dass sich Synchronität überhaupt einstellt, auswirken kann. Dieses Prinzip der stochastischen Kopplung erlaubt neue, bisher weitgehend unerforschte Ansätze im Entwurf von selbstorganisierenden Synchronisationsalgorithmen, welche wir im vorliegenden Projekt untersuchen werden. 

Unser Ziel ist es, ein tiefgreifendes konzeptuelles Verständnis zu erlangen und dieses für Synchronisationsaufgaben in realen Netzen einzusetzen. Das Projekt wird sowohl Beiträge zur Theorie der Synchronisierung als auch zur konkreten algorithmischen Umsetzung leisten. Zunächst wollen wir herausfinden, welcher Performanzgewinn sich mit dem Einsatz stochastischer Kopplungen erzielen lässt. Danach entwickeln und testen wir verschiedene verteilte adaptive Algorithmen, in denen jede Entität ihre Kopplungswahrscheinlichkeit mit anderen Entitäten kontinuierlich optimiert. Auf einer programmierbaren Hardwareplattform werden diese Algorithmen getestet und schließlich die in der Praxis erreichbaren Synchronisationsgenauigkeiten gemessen. Ein mögliches Anwendungsgebiet der Projektergebnisse sind Synchronisationsaufgaben in großen Sensor- und Roboternetzen in intelligenten Fabriken. 
Keywords: Synchronisation, pulsgekoppelte Oszillatoren, Synchronisationstheorie, verteilte Systeme
Short title: FWF: SYNC
Period: 01.08.2018 - 31.12.2023
Contact e-mail: christian.bettstetter@aau.at
Homepage: -

Assignment
Organisational unit
Fakultät für Technische Wissenschaften
  Institut für Vernetzte und Eingebettete Systeme
Universitätsstraße 65-67
9020 Klagenfurt am Wörthersee
Austria
  -993640
   kornelia.lienbacher@aau.at
https://nes.aau.at/
To organisation

Categorisation
Project type Research funding (on request / by call for proposals)
Funding type §26
Research type
  • Fundamental research
Subject areas
  • 101019 - Stochastics
  • 202038 - Telecommunications
  • 101027 - Dynamical systems
  • 202031 - Network engineering
  • 202030 - Communication engineering
  • 202017 - Embedded systems
  • 202041 - Computer engineering
  • 102021 - Pervasive computing
Research Cluster
  • Self-organizing systems
Gender aspects 0%
Project focus
  • Science to Science (Quality indicator: I)
Classification raster of the assigned organisational units:
working groups
  • Mobile Systems Group

Funding
Funding program
Einzelprojekt
Organisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)

Organisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)

Cooperations
Organisation Address
Massachusetts Institute of Technology, Sensable City Lab
77 Massachusetts Avenue
02139 Cambridge, MA
United States of America
77 Massachusetts Avenue
US - 02139  Cambridge, MA