Este capítulo trata incialmente dos trabalhos encontrados na literatura sobre modelagem de propagação em sistemas RFID passivos operando na faixa UHF, mostrando a ausência de trabalhos que proponham modelos mais realistas, baseados em medidas. É feita também uma descrição de cenários típicos de uso de sistemas RFID, seguida de uma descrição do ambiente a ser investigado nesse trabalho.
TRABALHOS RELACIONADOS
Deve ser observado inicialmente que a especificação da interface aérea para sistemas de RFID, encontrada em (GS1, 2008), não descreve qualquer recomendação ou menção a modelos de propagação que melhor caracterizam o canal de propagação nesses sistemas. No entanto, uma re- visão da literatura na área mostra que há diversos trabalhos que tratam deste assunto, como descrito a seguir.
Em (GRIFFIN; DURGIN, 2009), encontramos o trabalho mais abrangente sobre o tema, onde foram estudados diversos fatores em sistemas RFID que contribuem significativamente para o desvanecimento do sinal. O trabalho toma como base o modelo de propagação teórico de espaço livre e adiciona parâmetros de penalidades para que o ambiente de propagação resultante seja o mais próximo de um ambiente real em sistemas RFID. Para isso, foi utilizado um TAG “dummy” que continha duas terminações, onde era possível aferir o sinal recebido no TAG e assim caracte- rizar o canal. No trabalho, foram verificados fatores, como modulação, ganho de antenas, percurso do sinal e orientação do TAG. Ao adicionar essas penalidades ao modelo teórico, foi possível obter uma melhor aproximação da potência refletida pelo TAG. Contudo, alguns fatores relevantes, como velocidade, fase do sinal, altura das antenas e frequência de operação, além de aspectos re- ferentes múltiplos percursos, ficaram de fora dessa modelagem.
O trabalho apresentado em (LAZARO; GIRBAU; SALINAS, 2009) adota a mesma abor- dagem seguida no trabalho descrito anteriormente. Nesse caso, foi apresentada uma alteração no modelo clássico de Friis (FRIIS, 1946) para cálculo do backscatter. Então, foram adicionados pa-
mencionado nesse caso é que, diferentemente do estudo apresentado em (GRIFFIN; DURGIN, 2009), foram estudados parâmetros referentes ao desvanecimento baseados em modelos consagra- dos, como Rice em ambientes com LOS (Line Of Sight), Rayleigh em ambientes NLOS (Non-Line
Of Sight) e Log-normal. Assim, o modelo proposto nesse trabalho torna-se complementar ao mo-
delo proposto em (GRIFFIN; DURGIN, 2009) para caracterização do canal, adicionando-se parâ- metros, como altura de antenas e, principalmente, ambientes com múltiplos percursos. Entretanto, todos os resultados apresentados foram baseados em simulações, sem que houvesse uma compro- vação real através de medidas de sinal. Além disso, parâmetros como velocidade, frequência, altura de antenas e modulação não foram avaliados.
Em (ZHOU; GRIFFIN, 2012), foram conduzidos estudos de aferição da penalidade causada por diversos tipos de materiais no desvanecimento do sinal. Como no caso de (LAZARO; GIRBAU; SALINAS, 2009), os autores partiram de um modelo de propagação teórico. Contudo, os autores utilizaram o modelo denominado Flat Earth ou modelo de 2-raios (BULTITUDE; HUGHES, 1950), e adicionaram parâmetros que correspondem a ambientes com múltiplos percur- sos. Entretanto, apesar de serem utilizados leitores e TAGs para experimentação e captura de dados do ambiente real, fatores comumente encontrados em situações reais, como diferença de alturas do leitor e do TAG e mobilidade do TAG, não foram incluídos na análise.
Em (DUANGSUWAN; PROMWONG; SUKUTAMATANTI, 2008), o objetivo do traba- lho foi caracterizar o canal e obter um modelo mais apropriado para ambientes classificados como espaço livre, Indoor com LOS e Indoor com NLOS. Para tanto, foram realizados experimentos, alterando-se a orientação do TAG com relação à antena do leitor. Os resultados mostraram que a orientação do TAG em relação ao leitor é um fator importante a ser considerado para o planeja- mento de um sistema RFID.
O objetivo do trabalho apresentado em (ABDULHADI, 2012) foi estudar antenas e os as- pectos de propagação em sistemas passivos de RFID UHF, utilizando uma câmara anecóica para o controle do ambiente de propagação. Aqui também se partiu do modelo teórico do espaço livre, e não são verificados fatores como velocidade, frequência e modulação, o que torna o trabalho de resultado limitado.
Em (DIMITRIOU et al., 2013), o objetivo do trabalho foi propor uma forma de aprimorar a eficiência do mecanismo de backscatter através da mudança do coeficiente de reflexão do circuito de carga na antena do TAG. Nesse trabalho, fica mostrada a importância de se considerar a questão
da frequência de operação do sistema RFID. Segundo o padrão UHF Gen2, a frequência de opera- ção varia entre 860MHz e 928MHz, em saltos de frequência. Outro ponto importante abordado no trabalho é o formato da modulação, ASK (Amplitude Shift Keying) e/ou PSK (Phase Shift Keying), que pode afetar de forma significativa a recepção do sinal, especialmente no enlace TAG-Leitor.
Em (BOAVENTURA; CARVALHO, 2013) é apresentado um estudo que demonstra a im- portância de se considerar corretamente os efeitos do processo de backscattering em sistemas de RFID. Nesse trabalho, pode-se observar que a perda devido ao backscattering pode ter uma varia- ção não linear com a potência incidente, dependendo também do modelo do TAG, devido às ca- racterísticas de impedância dos microchips RFID. Tais fenômenos não lineares podem resultar em uma discrepância entre os valores estimados e aqueles reais de potência recebida no leitor. Assim, os resultados mostram a necessidade de uma plataforma para testes de propagação em sistemas RFID, para desenvolver modelos apropriados e mais realistas.
Em (BUFFI; NEPA; MANARA, 2013; FRIEDEWALD, 2013) é proposto um novo modelo para descrever o comportamento do sinal em ambientes com múltiplos percursos. O ambiente es- tudado é o de Electronic Toll Collection (ETC), em que objetos em movimento são lidos, analisados e gerenciados. Essa tecnologia é aplicada em sistemas veiculares, como praças de pedágio, e con- trole ferroviário e rodoviário. O trabalho conclui que o modelo de canal de propagação denominado “N-Ray” pode ser utilizado para sistemas de RFID em ETC. Contudo, os resultados são baseados apenas em simulações e não são feitas medidas reais para comprovar a adequação do modelo. Além disso, foram avaliados poucos ambientes de propagação. Por fim, nesse trabalho é mencionado que, apesar de existirem muitos modelos de propagação, como (BRAUN; DERSCH, 1991; HATA, 1980; LEE, 1992), um modelo adequado é necessário para auxiliar projetos de sistemas RFID UHF em ETC.
Finalmente, em (CREMER et al., 2013; ZHANG et al., 2014) é realizada uma avaliação mais detalhada do TAG, visando esclarecer a contribuição desses dispositivos no desempenho de sistemas RFID de uma maneira generalizada. O trabalho estuda principalmente o campo eletro- magnético que envolve ao TAG e propõe modelos matemáticos para melhor descrevê-lo, para as modulações ASK e PSK. Contudo, nenhum experimento é realizado para comprovação das expres- sões apresentadas.
de inclinação da antena do leitor, ainda não foram estudados nos trabalhos encontrados na litera- tura.
Este trabalho traz de forma mais realista o ambiente de propagação, fazendo uma análise do ambiente estático e dinâmico, contudo analisando parâmetros de orientação do TAG, veloci- dade, altura do TAG em medidas de campo, o que não foi verificado na literatura.
DESCRIÇÃO DE AMBIENTES DE PROPAGAÇÃO
Em uma aplicação típica de sistemas RFID, há diversos objetos em torno da antena do leitor e do TAG, caracterizando um ambiente com reflexões e difrações e, portanto, com múltiplos per- cursos. Além disso, o TAG pode estar parcialmente ou completamente obstruído, sem que isso, no entanto, iniba o operador do leitor de tentar fazer a leitura do TAG.
Como consequência, o sinal transmitido é atenuado e distorcido de maneira fortemente de- pendente das propriedades específicas do meio de transmissão e do cenário de aplicação. Por exem- plo, podemos ter um ambiente repleto de recipientes com líquidos diversos ou repleto de objetos construídos com metais. Em vista da multiplicidade de possíveis ambientes, a obtenção de um modelo que se ajuste a todos ou boa parte dos ambientes não é possível. Assim, a modelagem do canal deve ser parametrizada, para acomodar os diversos ambientes encontrados.
O ambiente de propagação de sistemas RFID pode ser caracterizado por meio de parâmetros específicos do ambiente, que incluem:
• Materiais envolvidos (nas redondezas, ou do objeto que carrega o TAG); • Mobilidade do TAG ou dos objetos nas redondezas;
• Orientação, altura e tilt de antenas; • Densidade de TAGs.
No entanto, como se pode imaginar, há uma variedade grande de ambientes, cada um com um conjunto diferente de fatores mais relevantes. A seguir, são mostrados alguns ambientes que exemplificam os cenários que foram objeto de investigação no presente trabalho.
O ambiente de operação logística (ver Figura 2.1) é muito comum como cenário de uso de sistemas RFID, onde existe uma grande variedade de itens, com tamanhos, formas e processos
diferentes. Nesse caso podem ser necessários estudos direcionados à diversidade dos itens e pro- cessos, bem como à densidade de TAGs envolvidas.
Figura 2.1 – Ambiente logístico com diversidade e densidade de materiais.
Esse ambiente é caracterizado como sendo dinâmico e com grande densidade de itens na passagem pelos portais de RFID. Outro ponto a ser verificado nesse caso é a proximidade entre os pontos de leitura dos TAGs, o que sugere que o sistema deve ser bem dimensionado quanto à potência dos leitores, para que um leitor não influenciar o outro.
Na Figura 2.2 é mostrada uma solução de mesa inteligente para controle em tempo real de ferramentas e instrumentação cirúrgica, onde o desafio é a alta concentração de peças metálicas e o necessário confinamento do sinal para que não sejam lidos os TAGs que não estejam sobre a mesa.
Figura 2.2 – Ambiente com grande densidade de TAGs.
O caso de ambiente da Figura 2.3 mostra um armazém de big bags de grãos, como café, feijão e soja.
Figura 2.3 – Ambiente com baixa densidade de TAGs e média mobilidade.
Nesse ambiente, são encontrados sistema de leitura embarcado em empilhadeira em movi- mento, presença de metais refletores ao redor dos TAGs e leitores, e baixa densidade de TAGs a serem lidas de uma só vez.
Figura 2.4 – Ambiente hostil para propagação do sinal.
Nessa linha, o grande desafio é a concentração de metal tanto nas peças como em parte das ferramentas utilizadas na construção. Além disso, ainda existem problemas de mobilidade, grande variedade de itens com formas e tamanhos diferentes e alto grau de confiabilidade que o sistema deve ter, exatamente devido à criticidade desse tipo de linha de produção, onde mais uma vez uma simulação prévia economizaria muitos processos empíricos para configuração do sistema.
Por outro lado, no caso demonstrado na Figura 2.5, existe uma grande densidade de TAGs e a falta de padronização na orientação das mesmas torna o sistema muito difícil de ser trabalhado, indicando mais uma vez a necessidade da aplicação com base em um modelo preciso de predição de sinal.
Figura 2.5 – Ambiente com grande densidade de TAGs e baixa mobilidade.
Na aplicação mostrada na Figura 2.6, tem-se uma esteira em uma indústria de medicamen- tos transportando frascos de medicamentos, onde a velocidade pode chegar a 60 km/h, o que para um sistema de RFID é considerado de alta mobilidade.
Figura 2.6 – Ambiente de alta mobilidade e diversidade de percurso.
Finalmente, na Figura 2.7 um sistema de cobrança automática de veículos sem cancelas é mostrado, com velocidades do TAG que podem atingir até 200 km/h.
Figura 2.7 – Ambiente de altíssima mobilidade, diversidade de percurso e baixa densidade.
A grande variedade de itens a serem controlados, processos, materiais e ambientes é um desafio para as empresas que desejam implantar sistemas RFID UHF e, nessa linha, este trabalho propõe o estudo, classificação e modelamento do maior número possível de variáveis para integrar um modelo de propagação empírico para RFID UHF Gen-2.
MODELO FÍSICO DOS CENÁRIOS INVESTIGADOS
A Figura 2.8 ilustra na forma de diagrama de blocos o processo de backscatter de um sis- tema RFID, para ambientes com múltiplos percursos.
Rádio Conectores Radio Perda no Circuito Adaptadores Ʃ Ʃ RX S S S S S S Filtro U U U U TAG Leitor Canal Cable loss Cable loss Cable loss Perda de processo TX Modulação DSB-ASK SSB-ASK PR-ASK Modulação ASK PSK S
Ambiente com múltiplos percursos Alta Mobilidade GANTENA Perda de percurso GANTENA Filtro R e fl e x ã o d o M a te ri a l & C o e fi c ie n te d e D if ra ç ã o θANTENA θANTENA
Figura 2.8 – Descrição de backscattering para sistema de RFID com múltiplos percursos.
Na Figura 2.8 é possível identificar todas as etapas e fatores que degradam ou mesmo in- fluenciam o processo de backscattering. No leitor, um sinal é gerado e modulado e assim é enviado para a antena, após sofrer atenuações em cabos e conectores, chegando até o destino onde recebe uma amplificação (GANTENA) antes de ser propagado pelo canal. Contudo, o não alinhamento da
antena poderá provocar uma degradação do sinal.
No canal, o sinal sofrerá uma perda de percurso e poderá sofrer a influência de múltiplos caminhos. Além disso, o próprio ambiente introduzirá alguma degradação devido aos materiais existentes no mesmo. Quando o sinal chega ao TAG, o mesmo é amplificado pela antena, podendo também haver uma degradação devido ao não alinhamento das antenas, após isso, sucessivas per- das de energia para processamento do sinal recebido. Assim, o TAG, contando apenas com a ener- gia proveniente do leitor, acessa os dados em sua memória e prepara o sinal de retorno. O sinal
passa novamente pelas perdas e é propagado pelo canal, onde não necessariamente seguirá o mesmo caminho, daí a diferenciação entre (TX e RX).
Enlace de Descida – Leitor para TAG
Como em toda comunicação duplex, pode-se dividir o processo em enlaces de descida e de subida. O enlace de descida, ou downlink (em inglês), é o caminho de comunicação entre o leitor e o TAG. O objetivo desse enlace é enviar um sinal a partir do leitor capaz de “acordar” e “excitar” o TAG, para que o mesmo transmita as informações contidas em sua memória.
A Figura 2.9 mostra o cenário de comunicação do enlace de descida, com os parâmetros e fatores que influenciam no processo, supondo que existe visada direta entre o leitor e o TAG.
Altura da Antena do leitor(hr) Leitor Altura do Tag (ht) Base de Tags C a b o R F Antena Tag α θ d θ = 3 dB Abertura da antena
Figura 2.9 – Modelo esquemático para o enlace de descida.
Nessa figura, d é a distância entre a antena do leitor e as TAGs, hr é a altura da antena do leitor, ht é a altura da TAG em relação ao solo, θ é o ângulo de abertura da antena, e, finalmente, α é o ângulo de incidência da leitura no TAG (com base nesse modelo gráfico do cenário de propa- gação, podemos esperar que o canal de propagação se comporte de forma semelhante ao modelo de canal de dois raios). De fato, adotaremos esse modelo teórico como ponto de partida para a modelagem proposta neste trabalho.
Enlace de Subida – TAG para Leitor
A Figura 2.10 mostra um cenário de enlace de subida, supondo que existe visada direta entre o TAG e o leitor. Deve ser ressaltado que a energia utilizada no enlace de subida é parte da energia radiada pelo leitor.
Altura da Antena do leitor(hr) Leitor Altura do Tag (ht) Base de Tags C a b o R F Antena Tag α θ d θ = 3 dB Abertura da antena
Figura 2.10 – Modelo esquemático para o enlace de subida.
Portanto, existe uma dificuldade inerente ao enlace de subida, devido à pouca energia dis- ponível ao TAG para energizar seu circuito, processar os dados e devolver a informação ao leitor.
DIVISÃO SISTÊMICA DO PROBLEMA
Como mencionado no capítulo anterior pode-se dividir o problema em três grandes estudos: Perda de Percurso, Mobilidade e Densidade, sendo que as duas primeiras serão estudadas neste trabalho.
No que se refere à perda de percurso, foram realizadas medidas de propagação em diversos ambientes, desde ambientes com poucos objetos refletores e difratores, até ambientes com grande concentração de objetos de diferentes formas e constituição, como líquido, metal e plástico. Espe- cificamente, foi medida a potência do sinal recebido no leitor em função da distância entre o leitor e o TAG. Os resultados das medições, que são mostrados no Capítulo 3, foram ajustados a um modelo de perda de percurso baseado no modelo de 2-raios.
Por outro lado, no que se refere à mobilidade, foram feitas medidas com o TAG em movi- mento, sendo excitado por um leitor estático. Para a coleta das medidas, foi construído um aparato constituído de uma esteira de velocidade regulável, associada a uma haste para o posicionamento do leitor. Novamente, foi medida a potência do sinal recebido no leitor. Os resultados, apresentados no Capítulo 4, mostraram o efeito da velocidade do TAG no valor médio e na variância do sinal recebido.
Esses dois experimentos realizados foram escolhidos por representarem boa parte das situ- ações práticas encontradas em aplicações de sistemas de RFID. Além disso, esses dois experimen- tos permitiram o isolamento dos efeitos da distância (perda de percurso) e da velocidade no sinal recebido no leitor, sendo possível, assim, caracterizar tais efeitos e inseri-los em um modelo único.