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Consensus is a useful concept in situations where a group of autonomous agents seek an agreement over a variable of common interest for the whole system. Agents communicate and, based on the information they collect from others, they take individual decisions according to the specific consensus protocol they implement. A consensus protocol that needs less resources for achieving a given result is more efficient. Efficiency in consensus has become a hot topic in research during the last years, mainly due to the rising number of applications that require battery-powered agents. This thesis proposes to increase the efficiency of consensus by exploiting the interference property of the wireless channel. This phenomenon has always been combatted. In fact, signals simultaneously transmitted by multiple agents in the same frequency are attenuated by unknown coefficients and summed up at the receiver. The standard approach is to discard such corrupted received signal, although it carries some useful information. In this thesis, we show that this corrupted signal can be actually used for achieving consensus. Under the assumption of a real-valued fading channel, we propose average consensus and max-consensus protocols that exploit interference. They both exhibit better performance than standard methods in terms of required wireless resources. We show that such protocols can be used for two practical problems, i.e., formation control of nonholonomic robots and distributively solving linear algebraic equations. This confirms the practical benefits of exploiting interference and motivates future experimental implementation.
Konsens spielt eine bedeutende Rolle in Szenarien in welchen mehrere autonome Agenten versuchen eine Einigung über eine für das ganze System wichtige Variable zu erzielen. Die zwei wesentlichen Phasen des Konsens sind Kommunikation und Berechnung, und zwar, aktualisiert jeder Agent seinen Standpunkt (durch ein sogenanntes ”Konsensprotokoll”), auf Basis der von anderen Agenten erhaltenen Informationen. Ein Konsensprotokoll ist effizienter je weniger Ressourcen es braucht um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Effizienz des Konsensprotokolls hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erlangt, hauptsächlich wegen des Wachstums der Akku-basierten Anwendungen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird eine Methode präsentiert um die Effizienz des Konsensprotokolls durch die Ausnutzung der Funkinterferenz zu steigern. Interferenz in Funk-Netzwerken ist ein traditionell bekämpftes Phänomen. Die in der gleichen Zeit und Frequenz verbreiteten Signale werden erstens durch unbekannte Faktoren gedämpft und dann am Empfänger summiert. Traditionell bewertet man dieses geräuschvolle Signal als unbrauchbar, obwohl es einige Information trägt. Es wird demonstriert wie ein solches Signal benutzt werden kann um Konsens zu erreichen. Unter der Annahme eines reellwertigem fading Funknetz, wird ein Average-Konsens und ein Max-Konsens Protokol präsentiert, welches die Funkinterferenz ausnutzen. Die beiden Methoden zeigen bessere Leistung, im Hinblick auf nötige Ressourcen des Funknetz, im Vergleich zu Standardmethoden. In dieser Arbeit werden auch zwei mögliche praktische Implementationen von diesen Methoden gezeigt, und zwar Formationsregelung für die nicht-nonholonome Roboter und die verteilte Lösung von linearen algebraischen Gleichungen. Diese Ergebnisse bestätigen die Vorteile dieser Methode und motivieren künftige experimentelle Implementierung.
