View
44
Download
7
Category
Preview:
Citation preview
Экспериментальное исследование
динамики ансамбля осцилляторов
Курамото в активных беспроводных
сетях
А.С. Дмитриев, Р.Ю. Емельянов, М.Е. Герасимов, В.А. Лазарев
Институт радиотехники и радиоэлектроники им. В.А.Котельникова РАН,
Московский физико-технический институт
2015
План
Активные беспроводные сети
Модель Курамото
Обмен данными в активных беспроводных
сетях
Аппаратная платформа
Эксперименты
Заключение
Активные беспроводные сети
Активные беспроводные сети — беспроводные сети, узлы которых
помимо приёмопередатчика включают в себя актуаторы и устройства
обработки информации (микроконтроллеры).
ПроцессорПриёмопередатчик
Сенсор
Электропитание
Схема узла активной беспроводной сети
Актуатор
Актуаторный блок
– узел АБС
– двунаправленный радиоканал
Круг
Цепочка
Полносвязный ансамбль
Звезда
Активные беспроводные сети
Отображение на АБС:
• Каждой динамической системе соответствует узел АБС
• Связи реализуются при помощи радиоканалов
• Динамические системы моделируются на актуаторах либо
используются аналоговые динамические системы в связке с
ЦАП и АЦП
• Визуальная индикация внутреннего состояния
Ансамбли связанных динамических
систем
Модель Курамото обладает широким
спектром динамических явлений:
Cинхронизация ансамбля фазовых
осцилляторов
Динамический хаос
Химеры
, где
θi – фаза, ωi – собственная частота i-го осциллятора
K – сила связи, N – число осцилляторов
Модель Курамото
ID узла
(4Б)
Внутреннее состояние
(8Б)Контрольная
сумма (4Б)
Структура пакета для обмена
внутренними состояниями
динамических систем
Узел 1
Узел 2
x1= f(x0)
y1= f(x1, y0) y2= f(x2, y1)
x2= f(x1, y1) x3= f(x2, y2)
T – характерный период работы
• Приём пакетов из радиоэфира (100мс)
• Интегрирование динамической системы
(<10мкс)
• Отправка пакета в радиоэфир (50мкс)
• Визуализация внутреннего состояния
T
Алгоритм обмена данными
СШП прямохаотический
приёмопередатчик ППС-43
Актуатор с микроконтроллером
STM32 и RGB светодиодом
0 2π
Отображение фазовой переменной θ на цветовой тон
θ
Аппаратная платформа
Режим независимых осцилляций
0
2π
Фаза θ
Осцилляторы эволюционируют
независимо, с собственной
частотой ωi
Отсутствие связи между
узлами ансамбля
Показатель Ляпунова
в зависимости от силы связи
K = 0
K = 0
Динамический хаос
0
2π
Фаза θ
Показатель Ляпунова
положителен, осцилляторы
эволюционируют хаотически.
Полносвязный ансамбль
K = 1.3Показатель Ляпунова
в зависимости от силы связи
K = 1.3
Синхронизация
0
2
π
Фаза
θ
Сила связи превышает
пороговую, осцилляторы
эволюционируют с
одинаковой частотой Ω
Полносвязный ансамбль
K = 3Показатель Ляпунова
в зависимости от силы связи
K = 3
Десинхронизация внешним
воздействием
Воздействие шумоподобного
сигнала в том же диапазоне
частот разрушает связи в
ансамбле
• Исследована возможность использования активных беспроводных
сетей как среды для экспериментального использования динамики
многоэлементных систем с непрерывным временем.
• Разработан актуатор, обладающий возможностью интегрировать
уравнение системы и отображать её состояние в виде изменения цвета
светодиода.
• Разработана программа, обеспечивающая работу актуатора в составе
беспроводного сенсорного узла.
• Разработано программное обеспечение для активной сети,
обеспечивающее её функционирование как многоэлементной системы
фазовых осцилляторов с непрерывным временем.
Заключение (1)
• В качестве конкретной многоэлементной системы выбрана модель
Курамото. На примере этой системы с 6 элементами экспериментально
показано, что динамика активной сети сможет полностью
соответствовать динамике исходной математической модели.
• Осуществлены эксперименты по воздействию внешнего к активной сети
сверхширокополосного радиосигнала, в результате которого
происходило разрушение связей между элементами и качественное
изменение поведения многоэлементной системы в целом.
• Проведенное теоретическое и экспериментальное исследования
подтверждает предположение о том, что АБС могут эффективно
использоваться для экспериментальной эмуляции многоэлементных
динамических систем.
Заключение (2)
Recommended