1. introdução - PUC

Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
25 e 26 de setembro de 2012
Estudo de Modelo de Propagação para Rede de Sensores e Efeito
da Modulação/Taxa na Distância de Cobertura
Augusto Oliani
Prof. Dr. Omar Carvalho Branquinho
Faculdade: Engenharia Elétrica
Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de
Tecnologias
[email protected]
Sistemas de Telecomunicação – Gestão de
Redes e Serviços
Resumo: Uma rede de comunicação sem fio
carece de modelos de propagação para um
adequado projeto da rede o seu funcionamento. Os
modelos até então desenvolvidos são apropriados
para sistemas de comunicação de altas taxas com
suas peculiaridades. Entretanto, para redes de
sensores sem fio, são utilizados modelos clássicos
que não atendem às peculiaridades dos cenários
onde são empregados este tipo de rede. Para cobrir
esta lacuna, discutida na literatura especializada, o
projeto aqui proposto trata do estudo e avaliação
experimental de modelos de propagação de sinal que
sejam apropriados para redes de sensores. Neste
contexto, o projeto considera diversos ambientes,
onde existem vários tipos de obstáculos que
representam
impactos
diferentes
daqueles
produzidos em outras redes sem fio. Adicionalmente,
as métricas de verificação do desempenho para rede
de sensores sem fio são diferentes daquelas
utilizadas para outras redes de dados sem fio.
Visando atender estas peculiaridades, o presente
projeto considera, além da atenuação e perturbações
do sinal na propagação do sinal, as diferentes
modulações empregadas e as taxas de transmissão.
Pretende-se encontrar um modelo de propagação
que atenda as peculiaridades dos ambientes onde
este tipo de rede será utilizada.
Palavras-chave: Rede de sensores, Monitoramento
sem fio.
Área do Conhecimento: Grande Área do
Conhecimento – Sub-Área do Conhecimento –
CNPq.
1. INTRODUÇÃO
O estudo de modelos de propagação é uma área de
fundamental importância para o projeto de redes sem
fio [1] [2]. Estes modelos vêm evoluindo para atender
as necessidades dos novos sistemas rádio que
foram surgindo ao longo do tempo, inicialmente
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Tecnologia
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partindo da Fórmula de Friis para atenuação no
espaço livre até chegar aos modelos complexos para
sistemas celulares.
Entretanto, até o momento, os escassos trabalhos
que tratam do tema só o fazem no âmbito da
simulação, na sua maioria, com pequenos resultados
práticos. Porém, vale destacar que não existe uma
abordagem mais abrangente que leve em
consideração as especificidades para os diferentes
ambientes, onde possam operar as RSSF [3].
Para elaborar um modelo de propagação especifico
para RSSF, torna-se necessário um estudo dos
modelos existentes, e assim propor um modelo mais
adequado a RSSF [4] [5] [6]. Após a elaboração da
proposta de modelo, serão necessários realizar
alguns experimentos em quantidade suficiente que
permitam validação do modelo encontrado, por meio
do refinamento e comprovação da validade do
modelo proposto.
O projeto aqui proposto já conta com uma plataforma
rádio, atualmente instalada no Laboratório de
Pesquisa em Sistemas Rádio (LP-SiRa). Este local
possui toda infraestrutura que permitirá realizar os
testes necessários para validação de um modelo de
propagação.
2. METODOLOGIA
O Projeto se trata de testes feitos com módulos de
rádio sensores, utilizando a plataforma Radiuino [7],
que utiliza o IDE (Integrated Development
Environment) do Arduino [8]. Os testes foram
realizados em ambiente outdoor e indoor,
primeiramente fez-se testes no corredor ao lado do
LP-Sira, com a intenção de saber como se comporta
a atenuação do sinal em ambiente aberto,
posteriormente a esse teste, foi feito um estudo para
o ambiente indoor, o qual se pretendia saber o
comportamento do sinal com relação ao fluxo de
pessoas durante o monitoramento, o teste foi
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analisado em duas etapas, com sensor posicionado
no chão e posicionado a 1,70 metros de altura.
Apesar do estudo de sinais também foi feito um
estudo sobre antenas, o qual desejava-se chegar a
um modelo prático para montagem artesanal.
O teste final do projeto foi feito em ambiente outdoor,
o mesmo foi realizado em um campo totalmente
aberto, disponibilizado pela Unicamp na Feagri
(Faculdade de engenharia agrícola), foram feitas
medidas com dois módulos de base, posicionados
sempre na mesma altura e no mesmo local, e quatro
sensores, que eram alteradas as distâncias e as
alturas para cada medida, com o intuito de chegar a
um ponto que melhor se comunicava sem grandes
alterações do sinal.
O projeto ainda contou com o estudo do modelo LogDistance. Este modelo parte do princípio que a
potência recebida a uma distância d pode ser
calculada considerando um fator de atenuação e
uma potência de referência recebida a uma distância
d0, próxima da estação base.
Nesse caso a distância d0 é tomada como referência.
É considerado o tipo de ambiente de propagação
neste modelo, o mesmo é dado pelo fator  . Assim
tem-se a seguinte equação:

PRX (d 0 )  PRX (d )
d
10 log
d0
3. RESULTADOS
Seguem imagens dos testes realizados em cada
ambiente:
Figura 1 - Teste corredor (ambiente outdoor)
(1)
Para os cálculos, foi utilizado primeiramente a
distância de referência de 1 metro, mas os resultados
não foram satisfatórios para a análise, então passouse para 5 metros essa distância.
Figura 2 - Gráfico de resultados do teste corredor
Através deste gráfico, pode-se entender que a menor
queda, tanto no BAIXO como no ALTO, se tratam de
lugares do corredor onde ocorre menos atenuação
do sinal, tendo assim um melhor aproveitamento do
mesmo, já os pontos de maior queda, de BAIXO e
ALTO, se tratam do lugares do corredor onde ocorre
maior dispersão do sinal no ambiente, ou seja, o
sinal ``se perde`` com mais facilidade, devido
paredes ou aberturas no local que interferem o sinal.
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Figura 3 - Teste ambiente indoor
Figura 6 - Gráfico de resultados para altura de 0 metros
Figura 7 - Gráfico de resultados para altura de 1,5 metros
Figura 4 - Gráfico de resultados do teste indoor
Através deste gráfico, pode-se entender que com o
sensor posicionado no chão, devido o ambiente estar
com o fluxo de pessoas, ocorre bastante mudança
nos níveis de sinal pois ocorre mais interferência no
ambiente, entre o menor ponto e o maior ponto são
10 dBm de diferença, já com o sensor posicionado
no alto este intervalo diminui para 2 dBm, pois apesar
de ele estar localizado no alto, onde a atenuação
diminui, o fluxo de pessoas também interfere pouco
pelo fato do sensor estar mais alto que as pessoas.
Figura 5 - Teste Feagri
Figura 8 - Gráfico de resultados para altura de 2 metros
Com estes resultados pode-se ver que na altura de 2
metros, os resultados obtiveram um melhor
desempenho, exceto que na distância de 280 metros
obteve-se um menor nível de sinal pois no local havia
duas estufas que dispersaram um pouco o sinal mas
mesmo assim obteve-se resultados satisfatórios, o
mesmo pode ser dito para a altura de 1,5 metros,
mas comparado à de 2 metros ela tem um
rendimento menor, já na altura de 0 metros, os
resultados obtidos foram piores comparados aos
outros justamente por estarem submetidos a mais
obstáculos, ou seja, o sinal reflete no chão e com
isso perde-se um pouco de sua eficiência, mas
mesmo assim funciona com qualidade.
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diferentes alturas este ponto não será
considerado.
De acordo com a teoria, o beta em
ambientes outdoor é maior ou igual a 2,
dessa forma obtive-se sucesso na prática
também, pois em todas as medições teve-se
esse número esperado.
4. PROPOSTA DE MODELO
Figura 9 - Gráfico de beta para 0 metros de altura
Com os resultados obtidos foi possível chegar a um
modelo de propagação que leva em consideração a
altura do sensor em relação ao solo, como mostrado
na próxima expressão.
 ( h) 
Figura 10 - Gráfico de beta para 1,5 metros de
altura
PRX (d 0 )  PRX (d )
d
10 log
d0
(2)
O valor de ξ varia de 0,5 a 1, em função da posição
do sensor em relação ao solo. Esta variável ainda
terá que ser caracterizada em função do tipo de
ambiente. O modelo de propagação, portanto, que
calcula a atenuação sofrida pelo sinal será:
 4d 0 
LTOTAL  10 log 
 
  
d
10 (h) log
d0
2
Figura 11 - Gráfico de beta para 2 metros de altura
Após a mudança da distância de referência
para 5 metros, os resultados passaram a ser
satisfatórios para a análise, pode-se
perceber que quando o sensor está a 0
metros, temos um beta com valor maior que
3, o que nos leva a perceber que o ambiente
interferiu bastante, no caso o chão, com
relação às outras medições que estavam
posicionadas à altura de 1,5 metros e 2
metros. Deve-se fazer uma ressalva no
último gráfico que apresenta um ponto
adicional a 280 metros, que não tinha visada.
Portanto, para comparação entre as
(3)
Como já comentado o valor da distância de
referência é de suma importância para obtenção de
resultados coerentes.
Analisando os resultados anteriores e aplicando o
modelo o valor de β para h=0 é cerca de metade do
valor de β para as outras distâncias. Pegando por
exemplo a distância de 50 metros para distância de
referência de 10 metros temos:
 h=0m com β=4,2
 h=1,5m com β=2,2
 h=2m com β=4,2
Como pode ser observado não existe grandes
alterações do beta para h de 1,5m e 2m. Utilizando
como referência o valor de ξ será de 0,53.
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orientador e de todos colegas que deram incentivo ao
projeto.
REFERÊNCIAS
4. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos através de todas as medições,
tanto em ambiente outdoor como indoor , tiveram um
comportamento aceitável e conforme o esperado,
uma vez que a intensidade de sinal é uma
característica de grande interesse para a área de
gerência de redes. Através dos conhecimentos
teóricos estudados no início da programação, a
prática se tornou mais clara e simples ao decorrer
dos testes realizados, e com isso podendo perceber
aspectos empíricos, aos quais na teoria não se pode
perceber, como no simples fato de como o sensor
está posicionado e o local que ele está, tudo isso é
necessário ser levado em conta para um melhor
sinal.
O modelo de propagação proposto é empírico, sendo
uma primeira abordagem do problema, sendo
necessário um aprofundamento nos estudos.
Entretanto, os resultados são interessantes e
animadores ao mostrar esta penalidade na
atenuação do sinal com o sensor próximo ao solo.
AGRADECIMENTOS
A realização deste projeto não seria possível sem o
suporte do Laboratório de Meios de Transmissão –
LP-Sira. Em principal, também agradeço o apoio do
[1] RAPPAPORT, Theodore. Wireless Communications:
Principles and Practice, 2nd Edition. Prentice Hall,
2001, 736 pp.ISBN: 0130422320
[2] YACOUB, Michel Daoud. Fundamentals of Mobile
Radio Engineering. CRC. 1993. ISBN 0-8493-86-27
[3] KARL, Hoger. WILLING, Andréas. Protocols and
Architectures for Wireless Sensor Networks. John
Wiley & Sons, Ltd. 2005. ISBN: 0-470-09510-5
[4] FANIMOKUM, Abiola. FROLIK, Jeff. Effects of
natural propagation environments on wireless sensor
network coverage area.
[5] FERNANDEZ, Gay. SANCHEZ, M. G. Cuinas. I.
ALEJOS, A. B. Propagation Analysis and Deployment
of a Wireless Sensor Network in a Forest. Progress In
Electromagnetics Research, Vol. 106, 121-145,2010.
[6] Simon Willis and Cornelis Jan Kikkert. Radio Propagation Model for Long-Range Wireless Sensor Networks.
Encontrado
em
http://www.jcu.edu.au/eps/idc/groups/public/document
s/conference_paper/jcuprd_043130.pdf
[7] http://www.radiuino.cc
[8] http://www.arduino.cc