Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178Anais 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 CoberturaAugusto Oliani

Faculdade: Engenharia ElétricaCentro de Ciências Exatas, Ambientais e de

Tecnologiasaugusto.o@puccamp.edu.br

Prof. Dr. Omar Carvalho BranquinhoSistemas de Telecomunicação – Gestão de

Redes e Serviços Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de

Tecnologiabranquinho@puc-campinas.edu.br

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. INTRODUÇÃOO 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 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. METODOLOGIAO 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 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 Log-Distance. 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:

(1)

Para os cálculos, foi utilizado primeiramente a distância de referência de 1 metro, mas os

resultados não foram satisfatórios para a análise, então passou-se para 5 metros essa distância.

3. RESULTADOSSeguem imagens dos testes realizados em cada ambiente:

Figura 1 - Teste corredor (ambiente outdoor)

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.

Figura 3 - Teste ambiente indoor

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 6 - Gráfico de resultados para altura de 0 metros

Figura 7 - Gráfico de resultados para altura de 1,5 metros

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.

Figura 9 - Gráfico de beta para 0 metros de altura

Figura 10 - Gráfico de beta para 1,5 metros de altura

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 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

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.

(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:

(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.

4. CONCLUSÃOOs 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.

AGRADECIMENTOSA realização deste projeto não seria possível sem o suporte do Laboratório de Meios de Transmissão – LP-Sira. Em principal, também agradeço o apoio do orientador e de todos colegas que deram incentivo ao projeto.

REFERÊNCIAS

[1] RAPPAPORT, Theodore. Wireless Communica-tions: 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 Deploy-ment 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 Prop-agation Model for Long-Range Wireless Sensor Net-works. Encontrado em http://www.jcu.edu.au/eps/idc/groups/public/documents/conference_paper/jcuprd_043130.pdf

[7] http://www.radiuino.cc [8] http://www.arduino.cc