Perda de Percurso em Larga Escala

Em ambientes industriais usualmente existem muitos objetos e obstruções (muitos construí- dos com materiais metálicos), além de objetos móveis, como robôs, automóveis e pessoas. Isso influencia tanto no desvanecimento em larga escala como na atenuação em pequena escala. Al- guns estudos experimentais foram realizados para verificar os efeitos do ambiente industrial no canal sem fio [6, 84].

A potência do sinal recebido em um receptor depende da potência de transmissão, do ganho das antenas, da distância entre transmissor e receptor e dos efeitos causados pelo ambiente. A perda de percurso em dB para uma distância d entre transmissor e receptor é definida de acordo com a Equação 3.1. Nesse modelo de perda de percurso log-distância [85], a potência média do sinal recebido diminui logaritmicamente com a distância, sendo dada por

L(d) = L(d0) + 10n log

 d d0



. (3.1)

A perda de percurso na distância d depende da perda em uma distância de referência d0 e

de um expoente de perda n. A Equação 3.1 considera o valor médio da perda de percurso para as distâncias d e d0, considerando todos os valores possíveis de perdas de percurso para essas

distâncias. O valor de L(d0) pode ser determinado utilizando a perda de percurso de espaço

livre, por meio da equação L(d0) = 20 log(4πd0/λ) ou por meio de medições em uma distância

apropriada [6, 85], em que λ é o comprimento de onda da portadora.

Existe uma variação na potência do sinal recebido, dependendo do local onde é feita a medição. Para capturar essa variação, uma variável aleatória Xσ é somada à Equação 3.1 para

obter L(d) = L(d0) + 10n log  d d0  + Xσ, (3.2)

Desafios Para a Implantação de Redes de Sensores sem Fio Industriais 32 em que Xσ tem distribuição gaussiana de média zero e desvio padrão σ, com valores expressos

em dB. Essa variação na potência recebida em diferentes pontos com a mesma distância entre transmissor e receptor é conhecida como sombreamento log-normal [85]. Além da variação no valor de potência recebida ao se considerar locais diferentes, mas com a mesma distância, esse valor também pode variar ao se considerar transmissões em diferentes faixas de frequência, mesmo com o transmissor e o receptor posicionados em locais fixos.

Em [6] são descritos resultados experimentais para determinação do expoente n e do som- breamento log-normal Xσem ambientes industriais nas frequências de 900, 2.400 e 5.200 MHz.

Foram realizados experimentos em uma indústria de processamento de metal e uma indústria de processamento de madeira. Foram considerados três tipos de ambientes: o primeiro permitia visada direta entre o transmissor e o receptor, enquanto que o segundo e terceiro tipos não per- mitiam visada direta. O terceiro tipo de ambiente apresentava mais estruturas circundantes aos rádios em comparação com o segundo tipo de ambiente, além de estruturas com altura maior que as antenas do transmissor (posicionada a 6 m do chão) e receptor (posicionada a 2 m do chão). Em [84] também foram realizados experimentos para determinação de n e Xσ em al-

guns ambientes representativos no contexto de aplicações de Smart Grids, incluindo ambientes industriais.

Para cada um dos tipos de ambiente e para cada uma das frequências, foram calculadas estimativas dos parâmetros n e Xσ do modelo apresentado na Equação 3.2. Foi considerado

d0 = 15 m e o valor de L(d0) foi obtido por meio de medições. Essa estratégia apresentou

maior acurácia em comparação com a utilização de um valor fixo, baseado na perda de espaço livre. Na Tabela 3.1 são mostrados os parâmetros obtidos em [6] para a banda de 2,4 GHz nos três tipos de ambiente. Embora o valor do expoente de perda tenha sido semelhante para os três casos, pode-se observar uma diferença significativa nos valores de perda na distância de referência, uma vez que esses valores de referência foram obtidos por meio de medições realizadas nos três tipos de ambiente.

Tabela 3.1 Parâmetros do modelo de perda de percurso log-distância [6]. Tipo do Ambiente L(d0) n Xσ

Ambiente 1 67,43 dB 1,72 4,73 dB Ambiente 2 72,71 dB 1,52 4,61 dB Ambiente 3 80,48 dB 1,69 6,62 dB

Considerando os valores da Tabela 3.1 pode-se fazer uma análise teórica de alcance de rádios IEEE 802.15.4 nos ambientes industriais considerados. Nos gráficos das Figuras 3.2 e 3.3 é possível observar a potência de recepção considerando potências de transmissão de 0 dBm e 15 dBm, respectivamente. São mostradas curvas para o Ambiente 1 e para o Ambiente 3. Esses valores de potência de transmissão são encontrados em transceptores disponíveis no mercado. A potência de recepção é calculada de acordo com [85]

Desafios Para a Implantação de Redes de Sensores sem Fio Industriais 33

PR(d) = PT − L(d), (3.3)

em que PT é a potência de transmissão (em dBm) e L(d) é a perda de percurso (em dB), obtida

por meio da Equação 3.1, e utilizando os parâmetros mostrados na Tabela 3.1.

Figura 3.2 Potência de recepção para PT = 0 dBm.

Figura 3.3 Potência de recepção para PT = 15 dBm.

Nos gráficos também foram considerados os valores de desvio padrão para cada caso. Para avaliar o alcance dos rádios, são mostrados no gráfico o valor médio do ruído de fundo encon- trado nos experimentos realizados em [6] (-87 dBm) e a sensibilidade dos rádios (-94 dBm). No entanto, o ruído de fundo pode ser menor para outros ambientes. Nos experimentos descritos em [1] o ruído de fundo foi em torno de -90 dBm, e em alguns casos ficou um pouco abaixo desse valor.

Utilizar rádios com baixa potência (0 dBm) em ambientes industriais pode não ser viável, devido à perda de percurso acentuada observada nos cenários analisados. Se for considerado

Desafios Para a Implantação de Redes de Sensores sem Fio Industriais 34 apenas o valor médio da potência recebida em determinada distância pode-se observar que, no pior caso (Ambiente 3), a uma distância de 30 metros o sinal já apresenta valor médio igual ao valor médio do ruído de fundo. Utilizando um rádio com 15 dBm o alcance é cerca de 10 vezes maior. Mesmo assim observa-se também uma perda acentuada, uma vez que os rádios com potência de transmissão de 15 dBm são projetados para alcances de até 1,2 km em visada direta. No Ambiente 1 (com visada direta), observa-se um alcance mais próximo do alcance especificado na folha de dados do transceptor.

A utilização de rádios com maior potência aumenta o consumo de energia da RSSF. Caso existam nós sensores alimentados por bateria, o tempo de vida da rede pode ser bastante redu- zido. Além disso, aumenta-se o nível de interferência entre nós da mesma RSSF. Uma solução alternativa para aumentar o alcance da rede é a utilização de múltiplos saltos, por meio de rote- adores intermediários. Pode-se também explorar técnicas de agrupamento de RSSF, que podem prolongar o tempo de vida da rede [86]. No entanto, para canais que apresentam altas taxas de erro de bit, a probabilidade de um pacote ser entregue utilizando múltiplos saltos pode se tornar muito pequena.