多跳通信青蛙合唱啟發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

如果你曾經(jīng)在池塘里露營(yíng)過，你會(huì)知道青蛙在晚上會(huì)發(fā)出叫聲。但是你可能不知道的是他們的合唱是如何運(yùn)作的，是如何標(biāo)準(zhǔn)化的。青蛙通過聲音交流，這是它們騷動(dòng)中的一個(gè)內(nèi)部協(xié)調(diào)系統(tǒng)，讓信息傳遞得更清楚，同時(shí)讓集體合唱和休息的時(shí)間。大阪大學(xué)和筑波大學(xué)的研究人員試圖利用這一兩棲的敏銳數(shù)學(xué)和技術(shù)目標(biāo)。

研究小組研究了雄性樹蛙在不同時(shí)間間隔的叫聲模式。為此，他們把三只青蛙放在籠子里，記錄它們的聲音互動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)青蛙避免了重疊的呱呱叫聲，并在呼喚和沉默之間集體轉(zhuǎn)換。研究人員隨后創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，使青蛙聲學(xué)教學(xué)適應(yīng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些模型類似于網(wǎng)絡(luò)中的模型。研究結(jié)果發(fā)表在皇家學(xué)會(huì)的《開放科學(xué)》雜志上。

“我們發(fā)現(xiàn)相鄰的青蛙在時(shí)間上避免了重疊，這使得聽到清晰的個(gè)體聲音路徑成為可能，”該研究的合著者Daichi Kominami解釋道?！巴瑯樱瑐鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中的相鄰節(jié)點(diǎn)需要交替的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，因此數(shù)據(jù)包不會(huì)發(fā)生沖突?！?

在觀察到的青蛙三重奏中，也有集體沉默和合唱交替的時(shí)期。避免重疊是一致的(確定性的)，而后面的組調(diào)用更多樣化(隨機(jī)的)。這種模式的另一個(gè)用途是如何巧妙地讓青蛙休息，這需要大量的能量。

研究人員隨后開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，該模型結(jié)合了青蛙的主要交互模式，并將其調(diào)整為基于階段的格式，可用于技術(shù)手段。

主要作者伊基相原說：“我們以一種明確的方式模擬了召喚和沉默。”同時(shí)，以隨機(jī)方式模擬它們之間的過渡。這些模型定性地再現(xiàn)了實(shí)際青蛙的呼叫模式，然后幫助設(shè)計(jì)自主分布式通信系統(tǒng)。"

這個(gè)系統(tǒng)必須巧妙地調(diào)節(jié)給予、索取、活動(dòng)和休息。因此，作為研究的第三部分，研究人員使用該模型來管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流。這些網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)樗鼈兎稚⒌膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)測(cè)量和傳達(dá)不同的環(huán)境特征。然后，通過復(fù)雜的協(xié)調(diào)，收集的數(shù)據(jù)被饋送到中央系統(tǒng)。

他們發(fā)現(xiàn)短時(shí)間尺度的交替在避免包沖突方面特別有效。同時(shí)，長(zhǎng)期循環(huán)和集體轉(zhuǎn)型為調(diào)控能源消費(fèi)提供了希望。

“這項(xiàng)研究有雙重好處，”合著者村田正樹(Masurauki Murata)說?！斑@將有助于了解更多青蛙合唱團(tuán)的生物學(xué)知識(shí)，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)效率?！?

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