Diego Fiscina Almeida Santos
MODELO DE PROPAGAÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO PARA
SISTEMAS RFID PASSIVOS
FEIRA DE SANTANA 2012
MODELO DE PROPAGAÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO PARA SISTEMAS RFID PASSIVOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia de Computação da Universidade Estadual de Feira de Santana para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Computação.
Orientador: Edgar Silva Júnior
FEIRA DE SANTANA 2012
A o s m e u s a m i g o s p e l o a p o i o i n c o n d i c i o n a l A o m e u o r i e n t a d o r p e l a p a c i ê n c i a e a m i z a d e E n f i m , à t o d o s q u e d e a l g u m a f o r m a t o r n a r a m e s t e c a m i n h o m a i s f á c i l d e s e r p e r c o r r i d o
Agradeço ao meu bom Deus, a São Cosme e Damião e aos Espíritos de Luz por me acompanharem e me iluminarem em todos os momentos da minha vida.
A minha família pelo incentivo e colaboração, principalmente nos momentos de dificuldade.
Agradeço aos meus colegas pelas palavras amigas nas horas difíceis, pelo auxilio nos trabalhos e dificuldades e principalmente por estarem comigo nesta caminhada tornando-a mais fácil e agradável.
Os sistemas de Identificação por Radiofrequência (Radio Frequency Identification - RFID) têm, ultimamente, representado uma importante e crescente tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance. Por conta disso, crescem também os estudos que tentam identificar como os sinais transmitidos por ondas de rádio em tais sistemas se comportam nos mais variados ambientes. Voltado para ambientes indoor, este trabalho tem a finalidade de apresentar um modelo de simulação multipercurso de perda de propagação de ondas eletromagnéticas aplicável a sistemas de RFID passivos de curto alcance, analisando a distância máxima a qual o leitor RFID pode ler informações da etiqueta. Existem alguns parâmetros-chave para limitar este alcance, como o ambiente de propagação, a sensibilidade da etiqueta, a sensibilidade do leitor, a faixa de frequência de trabalho do leitor, e que foram levados em conta na elaboração de tal modelo.
The Radio Frequency Identification (RFID) systems have, lately, represented an increasingly important technology for wireless short-range communication. Because of this, also increase the studies that try to identify how the signals transmitted by radio waves in such systems behave in various environments. Intended for indoor environments, this paper aims to present a multipath simulation model of propagation loss of electromagnetic waves applicable to short-range passive RFID (Radio Frequency Identification) systems, analyzing the maximum distance which the RFID reader can read the tag information. There are some key parameters to limit this range, as the propagation environment, the sensitivity of the tag and the reader, the frequency range of the reader, etc, which were considered on the model development. Keywords: Passive RFID. Propagation model. Passive tag. Simulation.
AGRADECIMENTOS... 6
LISTA DE FIGURAS... 9
2.1.3 Regulamentos e padrões ...16
2.1.3.1 Taxas de transmissão de dados...17
2.1.3.2 Reflexões e interferência ...17
2.1.3.3 Perdas por correntes de Foucault ...17
2.1.3.4 Absorção por não condutores ...18
2.1.4 Polarização de antenas...19
...19
3.1 MONTAGEMDOSMODELOSEMGERAL...21
3.2 EXECUÇÃODOSMODELOS...21
3.3 REGISTRODOPROJETOEDASSIMULAÇÕES...22
5.1 SOFTWAREDE SIMULAÇÃO...38
5.2 GRÁFICOS OBTIDOS...39
1 INTRODUÇÃO
O conhecimento do meio de transmissão é indispensável quando se objetiva realizar um bom planejamento de cobertura e desempenho de dispositivos radioelétricos. Nos sistemas de comunicação sem fio o meio de propagação é o ar, cujas características e efeitos sobre a informação trafegada são de natureza complexa. Isto impossibilita uma análise completamente estatística dessas informações, ou seja, cada ambiente de estudo de propagação do sinal deve ser tratado como único, sugerindo, assim, a utilização de dados experimentais.
Com o crescimento dos sistemas de comunicação sem fio, tornou-se indispensável a realização de estudos capazes de identificar como os sinais transmitidos por ondas de rádio se comportam em determinados ambientes. A partir de medições, é possível determinar o nível de potência do sinal levando em conta obstáculos fixos, como paredes, objetos e estruturas no ambiente estudado. Com isso, é possível ter ciência do alcance efetivo até o qual os dispositivos de um sistema de radiofrequência podem se comunicar. Todos os parâmetros de um determinado ambiente são importantes para a construção de um modelo de propagação condizente com a realidade, embora quanto maior a precisão desejada, mais detalhes sobre o meio de propagação são necessários como dados para o modelo.
A perda de propagação entre dois dispositivos de comunicação dependem fortemente do ambiente no qual estão inseridos e tem sido extensivamente estudada em comunicações sem fio. Para a propagação de ondas de rádio em ambientes indoor muitos modelos de propagação têm sido desenvolvidos no intuito de caracterizar essa perda. Em um ambiente possuindo múltiplos caminhos de curto alcance, é possível organizar o link de rádio entre o transmissor e o receptor para se ter uma linha de visada, também chamada de line-of-sight (LOS), clara, de modo que o desvanecimento do sinal devido ao bloqueio de objetos no caminho possa ser eliminado. Consequentemente, um modelo de múltiplos raios baseado na ótica geométrica pode descrever adequadamente a propagação de ondas nos canais de LOS (FU, 2009).
A identificação por radiofrequência (em inglês, Radio Frequency Identification (RFID)), é uma tecnologia de coleta de dados automática que vem se tornando uma importante aplicação para comunicações sem fio de curto alcance. Em função do alto custo, o uso da radiofrequência, até pouco tempo, se restringia apenas às aplicações militares, laboratórios e grandes empresas comerciais. Com o avanço da eletrônica e do
desenvolvimento de componentes em grande escala, vem diminuindo o custo final de vários dispositivos e, assim, permitindo o uso comercial para a grande massa global. Além da miniaturização dos seus dispositivos, os sistemas RFID vêm, gradativamente, ganhando velocidade de processamento, distâncias de leituras cada vez maiores e custos cada vez mais reduzidos.
As principais vantagens desta tecnologia são as características de não contato e da não necessidade de linha de visada entre o leitor e as etiquetas, ao passo que as etiquetas podem ser lidas através de diversos materiais tais como: tecido, plástico, alvenaria, madeira, etc. As etiquetas passivas (foco de estudo desde trabalho) podem ser lidas em certas circunstâncias, até uma distância de 20m. Porém, o principal diferencial do RFID é sua capacidade de obter um grande número de informações identificando várias etiquetas ao mesmo tempo, permitindo a criação de soluções totalmente automatizadas.
Uma importante particularidade de desempenho de um sistema RFID é o seu alcance, que é a distância máxima que o leitor RFID pode ler informações da etiqueta. Existem alguns parâmetros-chave para limitar este alcance, como o ambiente de propagação, a sensibilidade da etiqueta, a sensibilidade do leitor, a faixa de frequência de trabalho do leitor, etc. (FU, 2009). Neste trabalho, propõe-se elaborar um modelo de perda de caminho aplicável a sistemas de RFID passivos de curto alcance, realizando uma análise de desempenho deste modelo, bem como testes com o hardware do leitor e da etiqueta para validação de tal análise.
A estrutura deste trabalho é apresentada da seguinte maneira: seção 1, em Introdução, seção 2, Fundamentação Teórica, que corresponde à parte do texto que contém todos os conceitos utilizados na implementação do modelo indoor e no entendimento da tecnologia RFID; seção 3, os Materiais e Métodos, que realizam uma descrição de toda a metodologia utilizada, incluindo as ferramentas de construção do modelo; seção 4, o Desenvolvimento, que descreve e discute toda a etapa de desenvolvimento do projeto; seção 5, os Resultados, que mostra o produto final elaborado; seção 6, Análise dos Resultados, que mostra uma comparação entre os testes reais e os resultados obtidos no projeto desenvolvido; seção 7, as Considerações Finais, parte final do texto na qual se apresentam as conclusões finais correspondentes aos objetivos do trabalho em questão e a seção 8, com todas as Referências utilizadas para o desenvolvimento do trabalho.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nesta seção serão explanados todos os conceitos utilizados no desenvolvimento do projeto do modelo de propagação para sistemas RFID indoor.
2.1 Sistema RFID
O sistema RFID não é uma tecnologia nova. Tal tecnologia nasceu junto com as primeiras experiências que originaram o radar, a meados do século 20, e foi usada pela primeira vez pelos britânicos, na 2ª Guerra Mundial, como forma de diferenciação dos aviões amigos dos inimigos, através dos sistemas “Identification: Friend or Foe (IFF)”. Esses sistemas tinham o seu princípio de funcionamento baseado em transmissores de rádio instalados em cada avião britânico que, quando recebiam sinais das estações de radar no solo, retransmitiam um sinal de volta para identificar que o avião era amigo. Assim, o sinal de uma aeronave amiga aparecia muito mais intenso no radar do que uma aeronave inimiga (CHAWLA, 2007).
No entanto, somente no final da década de 70 é que pesquisadores de vários centros de pesquisa, liderados pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês, Massachusetts Institute of Technology, MIT), começaram a utilizar essa tecnologia como ela é apresentada comercialmente hoje. Eles buscavam uma arquitetura que, baseada em ondas eletromagnéticas, pudesse identificar e rastrear produtos, e acabaram criando o Electronic Product Code (EPC), o primeiro nome do RFID (CHAWLA, 2007).
Os sistemas RFID passivos utilizam as ondas de rádio para identificar objetos a distâncias relativamente curtas, e são compostos por dois dispositivos: um leitor, também chamado de transceptor ou transceiver, e uma etiqueta passiva, chamada de transponder (CHAWLA, 2007). O termo transponder é derivado da expressão em inglês Transmitter/Responder, o que transparece a real função de uma etiqueta, que é de enviar e
receber sinais. Esses elementos são integrados a uma infraestrutura que dá suporte à comunicação de sistemas de processamento que são responsáveis por manipular os dados lidos pelos leitores e os transformam em informação.
2.1.1 Leitores de RFID
Os leitores de RFID são utilizados para reconhecer a presença de etiquetas RFID e podem ser fixos ou móveis. Sua principal finalidade é obter as informações presentes nas etiquetas quando estas estiverem dentro da sua área de alcance (CHAWLA, 2007).
O princípio de funcionamento de leitores RFID se baseia na forma em que o leitor envia um sinal de radiofrequência e, se a etiqueta estiver dentro do raio de alcance de um leitor, a sua antena capta as ondas eletromagnéticas emitidas pela antena do leitor e absorve delas energia elétrica suficiente para alimentar o seu chip interno, enviando de volta o seu número de identificação e quaisquer outras informações necessárias (CHAWLA, 2007).
Há dois tipos de leitores: os de "leitura" e os de "leitura/escrita". Os de somente "leitura" são utilizados com as etiquetas passivas, que apenas enviam dados, ao passo que os de "leitura/escrita" são usados com as etiquetas ativas, as quais enviam e recebem dados.
2.1.2 Etiquetas passivas
Etiquetas passivas são compostas por um circuito interno e uma antena. Elas não possuem uma fonte independente de energia elétrica, com isso dependem da retificação da energia recebida do leitor para realizar o acionamento do seu circuito integrado (NIKITIN, 2008). Após receber o sinal do leitor, o seu circuito interno responde variando sua impedância de entrada e, assim, modulando o sinal recebido.
O princípio de modulação do sinal é baseado em duas maneiras: a Modulação por Chaveamento de Amplitude (do inglês Amplitude Shift Keying, ASK) e a Modulação por Chaveamento de Fase (do inglês Phase Shift Keying, PSK), como mostra a figura 1.
Figura - Modulações ASK e PSK.
Fonte: (SANGHERA, 2007).
A mudança no coeficiente de reflexão modula a porção de energia, que é “retro espalhada” para o leitor, onde conterá as informações de cada etiqueta, através da sua antena (FU, 2009). Um sistema RFID passivo pode ser produzido a um preço favorável, mas a faixa de leitura é fortemente limitada pela eficiência geral do sistema.
Duas técnicas diferentes de acoplamento, campos próximos e campos distantes, são utilizados por etiquetas passivas e serão explicadas nas seções subsequentes.
2.1.2.1 Acoplamento de campo-próximo
Na região de campo-próximo o campo elétrico e o campo magnético são ortogonais e semiestáticos. Dependendo do tipo de antena, um campo (como o campo elétrico para um dipolo ou o campo magnético para uma bobina) domina o outro. A maioria das etiquetas de campo-próximo dependem do campo magnético através do acoplamento indutivo na bobina dentro da etiqueta. Este mecanismo é baseado na lei Faraday de indução magnética (figura 2). A corrente que flui através da bobina de um leitor produz um campo magnético ao seu redor. Este campo ativa uma bobina gerando uma pequena corrente na etiqueta (CHAWLA, 2007). Figura – Comunicação de campo-próximo utilizando o acoplamento indutivo.
Fonte: (CHAWLA, 2007).
chamado de modulação de carga. Qualquer variação da corrente na bobina de uma etiqueta causa uma pequena variação na corrente da bobina do leitor devido à indutância mútua entre os dois, e a variação é detectada pelo leitor. Uma etiqueta varia sua corrente pela mudança da carga na bobina da antena, consequentemente o mecanismo é chamado de modulação de carga. Devido à sua simplicidade, o acoplamento indutivo foi inicialmente adotado para os sistemas RFID passivos (CHAWLA, 2007).
Figura – Diferentes tipos de etiquetas de campo-próximo.
Fonte: (CHAWLA, 2007).
Dependendo da aplicação, etiquetas de campo-próximo vêm em muitos formatos. Alguns exemplos são mostrados na figura 3. O limite de alcance entre as regiões de campo-próximo e de campo-distante é inversamente proporcional à frequência que é aproximadamente igual a c /2 πf , onde c é a velocidade da luz. Portanto, somente frequências baixas são utilizadas em etiquetas de acoplamento de campo-próximo; as duas mais comuns são 128 kHz (Baixa Frequência) e 13,56 MHz (Alta Frequência). Por exemplo, as distâncias limites são 372 metros para 128 kHz e 3,5 metros para 13,56 MHz. Um problema com o uso de baixas frequências é que há uma necessidade da etiqueta possuir uma bobina da antena grande. Além disso, a potência do campo magnético de um ciclo de dipolo magnético decai com 1/r6 na região de campo-próximo, onde r é a distância entre um leitor e uma etiqueta. Outra desvantagem é a baixa largura de banda e, consequentemente, a baixa
taxa de transmissão (CHAWLA, 2007).
2.1.2.2 Acoplamento de campo-distante
Na região de campo-distante o acoplamento capta energia eletromagnética na antena da etiqueta como uma diferença de potencial. Parte da energia incidente sobre a antena de uma etiqueta é refletida de volta devido a um não casamento de impedância entre a antena e o circuito de carga. Alterar o não casamento ou a carga na antena pode variar a quantidade de energia refletida. Esta técnica é chamada de retro espalhamento (CHAWLA, 2007). A figura 4 ilustra o mecanismo.
Figura – Comunicação do campo-distante através do retro espalhamento
O acoplamento do campo-distante é comumente empregado para RFID de longo alcance (foco principal deste trabalho) e, em contraste com o acoplamento de campo-próximo, não há nenhuma restrição sobre o seu limite do campo. A atenuação do campo EM na região de campo-distante é proporcional a 1/r2 , que é muito menor em termos de magnitude do que na escala de campo-próximo (que é 1/r6 ), onde r é a distância entre o leitor e a
etiqueta (CHAWLA, 2007). Projetos inovadores de circuitos combinados com os avanços da tecnologia de silício puseram em prática as etiquetas passivas de campo-distante, que possuem a importante característica de consumir apenas poucos microwatts (CHAWLA, 2007).
Etiquetas de campo-distante normalmente operam na faixa de UHF (Frequência Ultra Alta) 860-960 MHz ou na faixa de 2,45 GHz (Micro-ondas). Vários fatores de modelo e formas de antena são utilizados por etiquetas de campo-distante para atender requisitos de determinadas aplicações. A vantagem de usar UHF é o baixo custo da etiqueta, decorrente da antena ser pequena (CHAWLA, 2007).
2.1.3 Regulamentos e padrões
O desempenho de sistemas RFID depende da frequência de portadora por causa das propriedades dependentes do campo eletromagnético gerado. Portanto, é importante selecionar a faixa de frequência ideal para uma aplicação. Alguns importantes parâmetros dependentes da frequência são: taxas de transmissão de dados, reflexões e interferências, perdas por correntes de Foucault, também chamadas de correntes parasitas, e absorção por superfícies não condutoras (CHAWLA, 2007).
2.1.3.1 Taxas de transmissão de dados
As frequências de portadora mais altas podem alcançar maiores taxas de transmissão de dados devido a uma maior largura de banda disponível. A maior taxa de dados pode
acomodar algoritmos de anti-colisão sofisticados durante as tentativas de leitura. Consequentemente, isso faz com que um único leitor consiga captar dados de uma população maior de etiquetas (CHAWLA, 2007).
2.1.3.2 Reflexões e interferência
Ondas eletromagnéticas refletidas e transmitidas causam interferência, o que é mais grave para uma operação de RFID em campo distante em UHF ou microondas. Interferências destrutivas conduzem à nulos no campo EM, o que pode causar um problema de confiabilidade para sistemas RFID em campo distante. Interferências não são tão significativas para sistemas RFID de campo próximo (CHAWLA, 2007).
2.1.3.3 Perdas por correntes de Foucault
As perdas por correntes de Foucault, também chamadas de correntes parasitas, em superfícies condutivas são proporcionais à frequência. Isto significa que a degradação do desempenho de um sistema RFID próximo a objetos de metal é mais grave para frequências de UHF e micro-ondas, comparadas às baixas frequências, em inglês Low Frequency (LF) e às altas frequências, em inglês High Frequency (HF) (CHAWLA, 2007).
2.1.3.4 Absorção por não condutores
degradações na performance para sistemas RFID de UHF e micro-ondas, ainda tendo pouco impacto sobre a tecnologia RFID de baixa freqüência. Por conta disto, as freqüências de LF ou HF são utilizadas preferencialmente na etiquetagem de animais, ou até mesmo na etiquetagem de humanos.
Um resumo das faixas de banda de RFID, as características de frequência e os padrões correspondentes podem ser vistos na Tabela 1. Etiquetas e leitores RFID do âmbito de sistemas de curto alcance normalmente não exigem uma licença para operação. No entanto, suas emissões de frequências são regidas por regulamentos que diferem de um país para outro. Atualmente, apenas as bandas de 13,56 MHz e 2,45 GHz são globalmente aceitas, mas os regulamentos para a banda de 2,45 GHz não são uniformes quanto para a banda de 13,56 MHz. Os regulamentos para a faixa dos 900 MHz são os mais variados entre as bandas RFID. Contudo, com a adoção do EPC Classe 1 Gen-2 como um padrão global de RFID de ultra alta frequência para a gerencia da cadeia de abastecimento, os países em todo o mundo estão alterando suas alocações de espectro e/ou abrindo porções de espectro na banda UHF para a tecnologia RFID (CHAWLA, 2007).
Tabela - Características de frequências de sistemas RFID. Faixa de Frequência < 135 KHz [LF] 13.56 MHz [HF] 860–960 MHz [UHF] Faixa típica de alcance < 0.5 m ~ 1 m ~ 4–5 m
Tipo de etiqueta Acoplamento passivo-indutivo
Acoplamento
passivo-indutivo Passiva ou ativa
Aplicações típicas Controle de acesso, etiquetagem animal, imobilização de veículo. Cartões inteligentes, controle de acesso, controle de bagagem, biometria, bibliotecas, transporte, vestuário. Logística de embalagens ou caixas, cobrança eletrônica de pedágio, manuseio de bagagens. Taxa de leitura de
múltiplas etiquetas Lenta Rápida Habilidade de leitura perto de metais e superfícies molhadas Melhor Pior
etiqueta passiva
Fonte: (CHAWLA, 2007).
2.1.4 Polarização de antenas
Polarização é um termo usado para descrever o sentido de orientação do vetor campo elétrico produzido quando uma energia eletromagnética é transmitida em ondas de radiofrequência (FU, 2009). Há alguns tipos de polarização de antenas, mas este trabalho retratará somente as polarizações lineares e as circulares, que são significantemente utilizadas em dispositivos RFID.
Nas antenas de polarização linear (antena dipolo), a onda eletromagnética se propaga inteiramente em um único plano (vertical ou horizontal), na direção do sinal de propagação. Quando as etiquetas RFID são prendidas a um item é difícil fixar o seu sentido de orientação. Contudo, quando a sua orientação é conhecida e fixa, este é o melhor tipo de propagação de onda, pois a antena do leitor e a antena da etiqueta RFID devem estar em polarizações correspondentes, obtendo, assim, uma melhor leitura (FU, 2009).
Já nas antenas de polarização circular, como, por exemplo, os dipolos cruzados, a onda eletromagnética se propaga nos dois planos, horizontal e vertical, criando um efeito circular, fazendo com que o comprimento de onda dê um giro completo. No caso dos dipolos cruzados, a antena do transmissor é composta por dois dipolos, posicionados um na horizontal e outro na vertical, alimentados com um sinal defasado de 90º de mesma intensidade. Com isso, partindo do pressuposto que o leitor não pare de emitir o sinal EM, o campo de rotação eventualmente cobrirá qualquer etiqueta em seu caminho. Quando o sentido de orientação do dipolo da etiqueta é desconhecido e quando se busca uma maior confiabilidade, esse é o melhor tipo de polarização a ser utilizado. No entanto, nesse caso há uma perda de potência, quando comparado à antena de polarização linear (FU, 2009).
Figura - Diferentes posicionamentos dos dipolos dos equipamentos.
Fonte: (FU, 2009).
A figura 5 mostra alguns casos de polarizações diferentes entre a antena da etiqueta e a antena do leitor. Como pode ser observado, a figura 5 (a) representa os dipolos dos equipamentos posicionados com o mesmo sentido de orientação. A figura 5 (b) e 5 (c) representam os piores casos de leitura da etiqueta. E, por fim, a figura 5 (d) exemplifica o uso de um leitor com polarização circular e a etiqueta com polarização linear.
Portanto, segundo (FU, 2008), quando a máxima distância de leitura de etiquetas é requerida, deve-se indubitavelmente conhecer o sentido de orientação das antenas das etiquetas e utilizar a polarização linear.
2.2 Modelos de Propagação
Os modelos de propagação podem ser subdivididos em três grandes grupos: os modelos teóricos, também chamados de modelos determinísticos, os modelos empíricos e os modelos mistos, este último é a junção dos dois primeiros modelos, também conhecidos por modelos semi-determinísticos (NAJNUDEL, 2004).
Os modelos empíricos são obtidos a partir de realizações com medições em uma ou mais regiões, modelando os resultados obtidos e apresentando-os no resultado final (modelo de propagação) através de expressões matemáticas que forneçam um valor mediano da atenuação do sinal estudado. Modelos dessa categoria apresentam a vantagem de serem, em
geral, de fácil aplicação e de necessitarem de um tempo de execução (computacional) relativamente baixo. Por outro lado, por serem baseados em medições realizadas em locais específicos, estes modelos tendem a não fornecer resultados confiáveis quando aplicados a regiões que diferem significativamente da região original (NAJNUDEL 2004).
Já os modelos teóricos não possuem nenhum tipo de ajuste experimental, onde os cálculos de cobertura de uma região são baseados nas teorias eletromagnéticas, como, por exemplo, a GTD (Geometrical Theory of Diffraction - Teoria Geométrica da Difração) e a UTD (Uniform Theory of Diffraction - Teoria Uniforme da Difração) (RODRIGUES, 2000). Tais modelos utilizam as técnicas de rastreamento do campo eletromagnético ao longo de raios, denominada técnica de Traçado de Raios (Ray Tracing). O uso da teoria eletromagnética atribui aos modelos determinísticos grande vantagem em termos de confiabilidade dos valores preditos (RODRIGUES, 2000). Além disso, outra característica favorável é o fato de que modelos dessa forma, pela sua própria natureza, podem ser aplicados sem maiores restrições aos mais variados tipos de ambientes. As maiores desvantagens que podem ser citadas são a maior dificuldade de implementação em relação a modelos empíricos e a exigência de recursos computacionais significativamente maiores, em termos de memória e tempo de processamento (RODRIGUES, 2000).
Por conta destes detalhes, o modelo de propagação proposto a ser desenvolvido neste trabalho se atém aos conceitos relativos aos modelos teóricos congregando as equações de propagação para ambientes indoor e o canal de propagação, além dos padrões de radiação das antenas do leitor e da etiqueta, baseando-se nas técnicas de traçado de raio.
2.3 Espalhamento por Atraso (Delay Spread)
Quando um sinal de radiofrequência (RF) é transmitido do transmissor para o receptor, em um ambiente livre de obstáculos e com visada direta, não há propagação em multipercursos. Mas quando se transmite um sinal de RF em um ambiente com obstáculos, como edificações, automóveis, árvores e terrenos montanhosos, diversos componentes de sinais chegam até a antena receptora. Isso faz com que cada componente de multipercurso percorra um caminho diferente entre o transmissor e o receptor e, portanto, o tempo de chegada de cada componente ao receptor é geralmente distinto. Dessa forma, o sinal resultante no receptor é composto por um conjunto de versões do sinal enviado, com
diferentes retardos (WANG, 2008).
Em um canal com multipercurso, a diferença entre o tempo de propagação de um sinal que se propaga por um percurso mais longo e por um percurso mais curto, considerando os componentes de sinais espalhados com energia significativa, é chamado espalhamento por atraso (delay spread). A resposta ao impulso de um canal com multipercurso resulta em uma série de pulsos com diferentes atrasos de tempo e diferentes valores de energia (WANG, 2008).
3 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia adotada por este trabalho baseou-se, inicialmente, nas seguintes etapas (não obrigatoriamente seguindo esta ordem cronológica): montagem dos modelos matemáticos, execução dos modelos, registro do projeto e realização das simulações, obtenção de resultados e defesa da monografia.
Os materiais utilizados foram basicamente o software MATLAB de simulação de equações matemáticas e gráficos, o Corel Draw e o AutoCAD para a construção visual dos modelos.
Os sub-tópicos seguintes elucidam as etapas de criação do projeto.
3.1 Montagem dos modelos em geral
A proposta inicial deste trabalho era de elaborar um único modelo matemático que cobrisse as características de sistemas RFID indoor. Mas, posteriormente, surgiu a necessidade de elaboração de modelos matemáticos mais simples, como o modelo de propagação de dois raios, para um melhor entendimento de como os sistemas RFID se comportam e funcionam. Por conta disso, vale ressaltar que não somente um modelo foi criado, sem fugir do foco principal do projeto, que é de elaborar um modelo de multipercurso.
Para isso, foram seguidas algumas etapas:
- Desenvolvimento dos modelos matemáticos através de representações cartesianas e cálculos geométricos da estrutura do local (inicialmente uma sala vazia) e concatenação dos mesmos às equações que governam a propagação de ondas.
- Construção do programa de simulação, utilizando o MATLAB, com base nos modelos matemáticos desenvolvidos, elaborando estruturas de programação genéricas de forma a preservar as leis gerais dos modelos matemáticos, quaisquer que fossem as condições indicadas pelas variáveis de entrada.
3.2 Execução dos modelos
Esta etapa segue a diretiva da execução do programa de simulação de acordo com os dados de entrada pertinentes e comparação com valores medidos por autores referenciados. Posteriormente, propõe-se adquirir os equipamentos e iniciar a execução de medições no ambiente real para comparação com os valores calculados dos modelos propostos, e, assim, realizar uma análise mais profunda da confiabilidade do modelo criado.
3.3 Registro do projeto e das simulações
A produção do relatório relativo ao projeto, com seus detalhes, particularidades e descrições, além do registro formal de tudo o que foi levantado bibliograficamente e utilizado na criação do modelo, é parte fundamental na etapa de criação da monografia.
Vale ressaltar que essa etapa foi a única realizada paralelamente a todo o processo de criação do modelo matemático.
4 DESENVOLVIMENTO
O desenvolvimento do modelo de propagação foi subdividido em etapas. A primeira delas foi compreender como os modelos mais simples de propagação funcionam. Para isso, como alternativa de mostrar como um ambiente ideal se comporta, foi implementado no projeto o modelo ideal proposto por Harald T. Friis, caracterizado como um espaço livre. O seu modelo é representado pela equação 1.
Pr=Pt.Gt. Gtag.( λ
4.π.d)
2
(1)
onde, Pt é a potência emitida pelo transmissor, Gt representa o ganho da antena do transmissor, Gtag significa o ganho da antena do receptor, o λ é o comprimento de onda do sinal transmitido e o d , a distância entre as duas antenas (WANG, 2008). Tal modelo foi adicionado ao projeto somente como forma de visualização, pois é sabido que um ambiente livre não pode ser tomado como base para com ambientes indoor. Isso acontece, pois há uma serie de fatores que influenciam na propagação das ondas eletromagnéticas, e, assim, na potência efetiva que chega até a etiqueta.
Um modelo de propagação de dois raios consiste em simular uma situação onde, além do raio direto de propagação entre o leitor e a etiqueta, somente há o piso como forma de reflexão do sinal transmitido. Segundo (WANG, 2008), um modelo genérico de perda de percurso pode ser definido através da equação 2.
e ri Γ (αi). ft(θ ,ϕ ). fr(θ ,ϕ ).(¿¿−jβ ri)
∑
i=1 n ¿ ¿ ¿ Pr=Pt.( λ 4.π) 2 .¿ (2)onde Γ representa o coeficiente de reflexão para individuais reflexões tomando como referência o ângulo αi . ri é a distância relativa ao percurso de propagação da onda entre
a antena do leitor e a antena da etiqueta. ft(θ ,ϕ ) e fr(θ ,ϕ ) são respectivamente os padrões de radiação dos dipolos com a direção de propagação dos campos (θ ,ϕ ) para o transmissor e o receptor.
Com isso, Pr representa a potência total recebida pela etiqueta. Segundo (WANG, 2008), a função padrão de variação dos campos de um dipolo de onda completa é representada pela equação 3.
(θ ) π cos¿ ¿ +1 ¿ cos¿ ft(θ)=¿ (3)
Segundo (SILVA Jr., 2006), os coeficientes de reflexão do campo elétrico para polarizações lineares são dados pelas equações 4 e 5.
ΓH(α )= senα−
√
εc−cos2α senα+√
εc−cos2α (4) ΓV(α)= εcsenα−√
εc−cos2α εcsenα+√
εc−cos2α (5)onde ΓH(α) e ΓV(α ) representam os coeficientes de reflexão horizontal e vertical,
respectivamente, ou, como muitos autores referenciam, coeficiente de reflexão perpendicular e coeficiente de reflexão paralelo. εc=ε− j.60.λ.σ , onde εc é a permissividade relativa complexa, ε a constante dielétrica da superfície refletora e σ a condutividade, cuja unidade é representada por S/m. Já segundo (WANG, 2008), o coeficiente de reflexão do campo elétrico para a co-polarização circular é dado por:
Γcco(α)=
(
ΓH(α )+ΓV(α)2
)
(6)sempre perpendiculares ao raio ou à direção de propagação. Se o campo elétrico for paralelo ao plano de incidência, representado pela normal à superfície de reflexão e o raio incidente, a onda é dita com polarização paralela, como mostra a figura 6 (SILVA, 2006).
Figura - Polarização paralela de uma onda incidente.
Fonte: (SILVA, 2006).
Se o campo elétrico for perpendicular ao plano de incidência, a onda é dita com polarização perpendicular, como mostra a figura 7.
Figura - Polarização perpendicular de uma onda incidente.
Fonte: (SILVA Jr., 2006).
Portanto, as intensidades dos campos elétricos gerados obedecem às equações 7 e 8.
E1=E0 r1
ejωte−jβ r1
Ei=Γ.
(
αi)
E0ri
ejωte−jβ ri
, devido ao raio ri, onde há necessariamente uma reflexão (8)
onde o E0 é uma constante e o β=2π / λ . Já o ejωt , corresponde variação do campo
elétrico no de tempo t.
O valor do campo resultante será expresso pela equação 9.
ETotal=E1+
∑
i=1 n
Ei (9)
Assim, pode-se observar que na equação (2) proposta por (WANG, 2008) o valor do somatório (ver equação 9) pode ser considerado como uma soma algébrica (valor aproximado, pois na realidade os vetores dos campos elétricos devem ser somados vetorialmente) de todos os campos elétricos resultantes dos raios em questão. Como o somente o valor aproximado é requerido, neste projeto foi considerado nas equações 7 e 8 o ejωt=1 .
e ri Γ (θi)ft(θ ,ϕ)fr(θ ,ϕ)(¿¿−jβ ri) ETotal=
∑
i=1 n ¿ (10)A equação 10 está na sua forma fasorial.
Portanto, a equação 2 pode ser expressa pela seguinte maneira:
Pr=Pt.( λ 4π) 2 .
∣
ETotal∣
2 (11)Com esses dados, foi possível, então, iniciar a criação dos modelos de propagação, onde, primeiramente, necessitou-se realizar os cálculos baseados na óptica geométrica dos ângulos de incidencia dos raios nas superfícies de reflexão e as distâncias percorridas por cada um dos raios, partindo do leitor até a etiqueta.
Figura - Modelo de propagação de dois raios
Como pode ser visto, o r1 representa o raio direto e o r2, o raio refletido pelo solo.
Nesse caso, hr corresponde à altura do leitor e ht, a altura da etiqueta. Para calcular o valor das
distancias r1 e r2 o gráfico foi redesenhado projetando as alturas do leitor e da etiqueta, como
mostra a figura 9.
Figura – Projeções das alturas do modelo geométrico de dois raios.
Assim, analisando a figura 9, acham-se as equações dos comprimentos dos raios:
r1=
√
(r)2+(hr−ht)r2=
√
(r)2+(hr+ht)2 (13) E a equação do ângulo de reflexão:α=tan−1
(
hr+htr
)
(14)O próximo passo, então, foi criar um modelo 3D que simulasse uma sala fechada de dimensões variáveis com o leitor e a etiqueta posicionados em locais também variáveis, como mostra a figura 10. Neste modelo foi levado em conta 7 raios: os raios refletidos pelo teto e pelo solo e os raios refletidos pelas paredes da sala.
Figura – Simulação de um ambiente indoor.
Vale ressaltar que os cálculos feitos para identificar os raios e os ângulos em questão foram realizados levando em conta as coordenadas do leitor e da etiqueta e as dimensões da sala, tomando como base o canto inferior esquerdo da figura 10 como a origem (0,0,0) de um sistema de coordenadas (x,y,z). A coordenada x corresponde ao comprimento da sala, a coordenada y corresponde à largura e, por fim, a coordenada z corresponde à altura. Assim, foi possível criar uma forma genérica de posicionamento dos equipamentos facilitando os cálculos posteriores.
Figura - Projeção dos raios refletidos nas paredes laterais da sala.
Pode-se notar na figura 11 que a projeção em azul corresponde ao raio direto, a projeção em verde corresponde ao raio refletido pela parede esquerda e a projeção em vermelho corresponde ao raio refletido pela parede direita. Para calcular as distâncias dos raios, primeiramente foi achado o valor da projeção do raio direto nas superfícies laterais da sala, como mostra a figura 12.
Figura – Projeção do raio direto nas laterais da sala.
seja, a sua altura em relação à altura da sala, e o H etiqueta corresponde ao posicionamento da etiqueta na coordenada z. Assim, o Y leitor representa a posição do leitor na coordenada y, ou seja, a distância do leitor em relação à largura da sala, e o Y etiqueta, a distância da etiqueta em relação à largura da sala.
Figura – Projeção do raio direto nas superfícies laterais
Com isso, projetando a diferença entre as posições do leitor e da etiqueta, como mostra a figura 13, e aplicando-se Pitágoras, a equação da projeção do raio direto nas superfícies laterais pode ser expressa por:
P superfície lateral=
√
(H etiqueta−H leitor)2+(Y etiqueta−Y leitor)2(15)Tomando como base as projeções das superfícies laterais e os raios de incidência nas paredes laterais e projetando as distâncias do leitor e da etiqueta em relação ao eixo x (comprimento da sala), pode-se, então, calcular a distância do raio direto, a distância dos raios refletidos pelas laterais e os seus ângulos de reflexão.
Figura – Projeção das distâncias dos raios em relação ao eixo x.
A partir da interpretação da figura 14, pode-se obter a equação do raio direto, como elucida a figura 15.
Figura – Triângulos para cálculo de distância do raio direto.
Logo, o raio direto é representado pela equação 16.
Raio direto=
√
(P superfície lateral)2+(X etiqueta−X leitor)2 (16)
Ainda interpretando a figura 14, pode-se, enfim, calcular a distância dos raios refletidos pelas laterais da sala, como mostram as figuras 16 e 17.
Figura – Triângulo obtido para o cálculo da distância do raio refletido pela parede esquerda.
Portanto, a partir da figura 16 pode-se chegar às equações 17 e 18.
Rxzero=
√
(P superfície lateral)2+(X leitor+ X etiqueta)2 (17)α=tan−1
(
X leitor+ X etiquetaP superfície lateral
)
(18)onde α representa o ângulo de incidência do raio.
A denominação “Rxzero” foi dada para representar o raio refletido pela parede esquerda só como escolha de nomenclatura, tomando como critério de que, ao olhar sob uma perspectiva superior, a parede esquerda seria representada pelo eixo x com sua posição na extremidade zero da sala.
Figura – Triângulo obtido para o cálculo da distância do raio refletido pela parede direita.
ângulo de reflexão β são representadas pelas equações 19 e 20 (ver figura 17).
Rxtotal=
√
(P superfície lateral)2+(2.C−X leitor−X etiqueta)2 (19)β=tan−1
(
2.C− X leitor−X etiquetaP superfície lateral
)
(20)onde C representa o comprimento total da sala.
A denominação “Rxtotal” foi dada para representar o raio refletido pela parede direita, também, tomando como critério de que, ao olhar sob uma perspectiva superior, a parede direita seria representada pelo eixo x com sua posição na extremidade total da sala.
Após isso, de maneira análoga, foram feitos os cálculos dos raios e dos ângulos refletidos pelo teto e pelo chão da sala.
Figura - Projeção dos raios refletidos pelo teto e pelo solo da sala.
A partir da figura 18 nota-se que a projeção em azul corresponde ao raio direto, a projeção em verde corresponde ao raio refletido pelo solo da sala e a projeção em vermelho corresponde ao raio refletido pelo teto. Para calcular as distâncias dos raios refletidos, foi achado o valor da projeção do raio direto no teto e no solo da sala, como mostra a figura 19.
Figura - Projeção do raio direto no solo e no teto da sala.
Assim, o X leitor representa a posição do leitor na coordenada x da sala, ou seja, a sua altura em relação ao comprimento da sala, e o X etiqueta corresponde ao posicionamento da etiqueta na coordenada x. Desta mesma forma, o Y leitor representa a posição do leitor na coordenada y, ou seja, a distância do leitor em relação à largura da sala, e o Y etiqueta, a distância da etiqueta em relação à largura da sala.
Figura - Projeção do raio direto no solo e no teto da sala.
Projetando a diferença entre as posições do leitor e da etiqueta, como mostra a figura 20, a equação da projeção do raio direto no teto e no solo pode ser expressa pela equação 21.
P superfície teto /solo=
√
(X etiqueta−X leitor)2+(Y etiqueta−Y leitor)2 (21) Pode-se, então, calcular a distância do raio direto, a distância dos raios refletidos pelo solo e pelo teto e os seus ângulos de reflexão.Figura - Projeção das distâncias dos raios em relação ao eixo z.
A partir da interpretação da figura 21, pode-se, também, obter a equação do raio direto, como mostra a figura 22.
Portanto, o raio direto é representado pela equação 22.
Raio direto=
√
(P superfície teto /solo)2+(H etiqueta−H leitor )2 (22)
É possível, então, calcular a distância dos raios refletidos pelo solo e pelo teto da sala, como mostram as figuras 23 e 24.
Figura - Triângulo obtido para o cálculo da distância do raio refletido pelo solo.
Assim, a partir da figura 23 pode-se chegar às equações 23 e 24.
Rhzero=
√
(P superfície teto)2+(H leitor+H etiqueta)2 (23)α=tan−1
(
H leitor+H etiquetaP superfície teto
)
(24)onde α representa o ângulo de incidência do raio.
A denominação “Rhzero” foi dada para representar o raio refletido pelo solo, tomando como critério de que, ao olhar sob uma perspectiva frontal, o solo seria representado pelo eixo z com sua posição na extremidade zero da sala.
Figura - Triângulo obtido para o cálculo da distância do raio refletido pelo teto.
As equações da distância do raio refletido pelo teto da sala e o seu ângulo de reflexão
β são representadas pelas equações 25 e 26 (ver figura 24).
Rhtotal=
√
(P superfície teto)2+(2.H−H leitor−H etiqueta)2 (25)β=tan−1
(
2.H−H leitor−H etiquetaP superfície teto
)
(26)onde H representa a altura total da sala.
A denominação “Rhtotal” foi dada para representar o raio refletido pelo teto da sala, tomando como critério de que, ao olhar sob uma perspectiva frontal, o teto seria representado pelo eixo z com sua posição na extremidade total da sala.
Por fim, foram feitos os cálculos dos raios e dos ângulos refletidos pela parede da frente da sala e pela parede do fundo.
Figura - Projeção dos raios refletidos pelas paredes da frente e do fundo da sala.
Analisando a figura 25, infere-se que a projeção em azul corresponde ao raio direto, a projeção em verde corresponde ao raio refletido pela parede da frente e a projeção em vermelho corresponde ao raio refletido pela parede do fundo. O valor da projeção do raio direto nas superfícies da frente e do fundo da sala foi achado, como mostra a figura 26.
Figura - Projeção do raio direto nas paredes da frente e do fundo da sala.
Nesse caso, o X leitor representa a posição do leitor no eixo x da sala e o Y leitor representa a posição do leitor no eixo y.
Figura – Projeção do raio direto nas paredes da frente e do fundo da sala.
Projetando a diferença entre as posições do leitor e da etiqueta, como mostra a figura 27, a equação da projeção do raio direto nas paredes da frente e do fundo da sala pode ser expressa pela equação 27.
P superfície frontal=
√
(X etiqueta− X leitor )2+(H etiqueta−Hleitor)2 (27)
Pode-se, então, calcular a distância do raio direto, a distância dos raios refletidos e os seus ângulos de reflexão.
Figura - Projeção das distâncias dos raios em relação ao eixo y.
mostra a figura 29.
Figura - Triângulos para cálculo de distância do raio direto.
Logo, o raio direto é representado pela equação 28.
Raio direto=
√
(P superfície frontal)2+(Y etiqueta−Y leitor)2 (28) Vale salientar que se poderia achar somente uma equação do raio direto, pois só existe um canal direto de comunicação entre o leitor e a etiqueta, e utilizá-la no modelo matemático, visto que todas as três equações encontradas levam a um mesmo resultado. As três equações foram encontradas somente como forma de prova de que os cálculos são condizentes.É possível, então, calcular a distância dos raios refletidos pelo solo e pelo teto da sala, como mostram as figuras 30 e 31.
Figura - Triângulo obtido para o cálculo da distância do raio refletido pela parede da frente.
Portanto, a partir da figura 30 pode-se chegar às equações 29 e 30.
Ryzero=
√
(P superfície fundo)2+(Y leitor+Y etiqueta)2 (29)α=tan−1
(
Y leitor+Y etiquetaP superfície frontal
)
(30)onde α representa o ângulo de incidência do raio refletido pela parede da frente.
A denominação “Ryzero” foi dada para representar o raio refletido pela parede da frente, tomando como critério de que, ao olhar sob uma perspectiva lateral, a parede da frente seria representada pelo eixo y com sua posição na extremidade zero da sala.
Figura - Triângulo obtido para o cálculo da distância do raio refletido pela parede do fundo.
As equações da distância do raio refletido pela parede do fundo e o seu ângulo de reflexão β são representadas pelas equações 31 e 32 (ver figura 31):
Rytotal=
√
(P superfície frente)2+(2.Y−Y leitor−Y etiqueta)2 (31)β=tan−1
(
2.Y−Y leitor−Y etiquetaP superfície frontal
)
(32)onde Y representa a largura total da sala.
A denominação “Rytotal” foi dada para representar o raio refletido pela parede do fundo da sala, tomando como critério de que, ao olhar sob uma perspectiva lateral, a parede do fundo seria representada pelo eixo y com sua posição na extremidade total da sala.
Enfim, de posse dessas equações foi, então, possível prosseguir com a implementação dos modelos matemáticos.
No modelo de sete raios, com o intuito de criar uma maneira de visualizar como essas intensidades se comportavam em um ambiente indoor, ou seja, quanto seria o valor do campo elétrico incidente na etiqueta, a ideia foi posicionar o leitor em um ponto fixo e a variar a etiqueta a cada suposta posição na sala. Tal simulação foi criada no Matlab, onde, posicionando o leitor em uma coordenada fixa (como no centro da sala) e variando as posições da etiqueta com um passo de um centímetro, uma matriz foi sendo preenchida contendo o somatório das intensidades dos campos gerados por cada um dos raios incidentes e, então, depois mostrado graficamente.
potência emitida pelo leitor, a sensibilidade da etiqueta, entre outros. Vários autores, como o (WANG, 2008), utilizam os dados listados na tabela 2. Portanto, eles também foram utilizados nos cálculos do modelo proposto neste trabalho.
Tabela - Parâmetros utilizados no modelo.
Parâmetro Definição Valor
fc Frequência de portadora 915 (MHz)
Gt Ganho da antena do leitor 9 (dBi)
Gtag Ganho da antena da etiqueta 3 (dBi)
EIRP Potência emitida pelo leitor 33 (dBm)
Pth Sensibilidade da etiqueta -13 (dBm)
Fonte: (WANG, 2009).
A Potência Isotrópica Irradiada Equivalente ou Potência Efetiva Isotropicamente Irradiada (Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP) significa a potência equivalente a qual é irradiada por uma antena que emite em todas as direções. Pode-se dizer que é a porção de potência que é realmente transmitida pela antena do leitor. Esta informação é necessária para ajudar a calcular quão efetiva uma antena é. Portanto, (WANG, 2009) diz que as funções padrão de radiação quando se utiliza o EIRP, tanto do leitor quanto da etiqueta, devem ser consideradas como 1, ou seja, ft ,r(θ )=1 .
O EIRP resulta da multiplicação da potência do transmissor e do ganho da antena (WANG, 2009), como mostra a equação 33.
PEIRP=Gt. Pt (33)
Como os parâmetros do leitor e da etiqueta são fornecidos em decibéis, a equação 33 foi simplificada (ver equação 34).
G P (¿ ¿t (W )) 10. log(¿ ¿t (W ))+10. log¿ PEIRP (dB)=¿ (34)
Logo, chega-se à equação 35.
Pt (dBm)=PEIRP(dBm)−Gt (dBi) (35)
Como foi mencionado anteriormente na fundamentação, em um ambiente de multipercurso as componentes do sinal transmitido pelo transmissor chegam ao receptor com certos atrasos. Esses atrasos se tornam um problema denominado interferência intersimbólica (ISI), limitando a taxa máxima de símbolos que podem ser enviados pelo canal. Para se ter uma estimativa de quanto esse atraso é prejudicial na comunicação dos dispositivos, adicionou-se ao projeto o cálculo do RMS Delay Spread, que é definido pela equação 36.
RM S Delay Spread=
[
∑
i=1 n ai. τi2∑
i=1 n ai −(
∑
i=1 n ai. τi∑
i=1 n ai)
2]
1 /2 (36)onde ai é a potência do i-ésimo raio recebido pela etiqueta e τi representa o tempo de
viagem desse raio ao longo do seu caminho.
De posse de todas essas equações, foi possível implementar o modelo de propagação proposto simulando situações reais a partir da utilização de parâmetros, tanto do meio estudado quanto de configuração do leitor e da etiqueta, condizentes com a realidade de um ambiente indoor.
5 RESULTADOS
Este capítulo mostrará todos os resultados conseguidos com a finalização do projeto de maneira gráfica e a explicação dos mesmos.
5.1 Software de Simulação
Como todas as simulações foram feitas no MATLAB, várias interfaces gráficas foram criadas, onde a figura 32 ilustra a tela inicial do programa.
Figura - Interface principal do programa.
O seu funcionamento se baseia, de forma intuitiva, em direcionar o usuário às três opções de modelos criados:
• O modelo de Friis; • O modelo de dois raios; e • O modelo de sete raios.
Figura – Interface gráfica do modelo proposto por Friis.
A figura 33 corresponde então, à interface gráfica do modelo proposto por Friis. O seu funcionamento se baseia no ponto em que, depois de preenchidos todos os parâmetros, o botão “Gráfico 1” gera o gráfico que ilustra a intensidade de potência em função da distância entre o leitor e a etiqueta. Já o botão “Limpar”, zera os valores preenchidos nos campos.
Figura – Interface do modelo de dois raios.
A interface do modelo de dois raios é ilustrada na figura 34. O seu funcionamento se baseia da seguinte forma:
• Botão ”Todas as polarizações” – exibe um gráfico com a intensidade de potência em função da distância entre a etiqueta e o leitor levando em conta as três diferentes polarizações discutidas neste trabalho.
• Botão “Polarização Vertical” – exibe um gráfico tridimensional de acordo com uma determinada banda de frequência preenchida pelo usuário utilizando a polarização vertical.
Vertical”, utilizando nos cálculos a polarização horizontal dos dipolos.
• Botão “Co-Polarização” – exibe um gráfico tridimensional utilizando nos cálculos a co-polarização circular.
• Botão “Limpar” – limpa os valores preenchidos.
Por fim, a figura 35 mostra a interface gráfica do modelo de sete raios. Neste caso o usuário preenche os parâmetros de configuração de posicionamento do leitor e da etiqueta, a configuração da sala, a condutividade e a constante dielétrica das superfícies de reflexão dos raios, além dos os parâmetros de configuração do leitor e da etiqueta, como a potência EIRP, o ganho da antena do leitor, o ganho da antena da etiqueta, a sensibilidade da etiqueta e a frequência de portadora do sinal.
Figura - Interface do modelo de sete raios.
O funcionamento de tal modelo se baseia da forma em que o painel “Gráfico das Potências” representa o grupo dos gráficos das intensidades das potências utilizando as três diferentes polarizações discutidas. O gráfico para cada polarização pode ser gerado pressionando os três botões que seguem no painel. Já o painel “Gráficos do RMS Delay Spread” corresponde ao grupo dos gráficos dos valores do RMS Delay Spread de acordo com as polarizações dadas.
5.2 Gráficos Obtidos
Esta seção mostra todos os gráficos obtidos levando em consideração parâmetros reais de configuração da etiqueta e do leitor citados na tabela 2.
Figura - Gráfico da potência recebida pela etiqueta em um ambiente ideal. (PEIRP = 33 dBm).
A figura 36 mostra o gráfico da potência recebida pela etiqueta seguindo o modelo ideal proposto por Friis, utilizando os parâmetros: PEIRP = 33 dBm, Gt = 9 dBi e Gtag = 9 dBi.
Como poder ser visto, utilizando uma etiqueta onde seu circuito interno seja ativado por uma potência limiar de -13 dBm, o alcance máximo que ela é identificada é de aproximadamente 3.7 metros.
Aproximando-se de um sistema real, os gráficos do modelo multipercurso de propagação de 2 raios podem ser vistos nas figuras 37 e 38. Tais gráficos mostram os valores de potência recebidos pela etiqueta em função da distância e de acordo com a disposição dos dipolos dos dispositivos.
Figura - Gráfico da potência recebida pela etiqueta (fc = 915 MHz) – Modelo de 2 Raios.
A figura 37 mostra o gráfico da potência recebida pela etiqueta utilizando os parâmetros: PEIRP = 33 dBm, Gt = 9 dBi e um frequência de portadora de 915 MHz.
Figura - Gráfico da potência recebida pela etiqueta (fc = 2,45 GHz) – Modelo de 2 Raios.
Já a figura 38 mostra o gráfico da potência recebida pela etiqueta utilizando os parâmetros: PEIRP = 33 dBm, Gt = 9 dBi e um frequência de portadora de 2,45 GHz. É
importante notar que aumentando-se a frequência de portadora há uma maior oscilação do campo elétrico total, e, por conseguinte, há um aumento na oscilação da potência devido ao termo k da equação (2), onde k = 2π/λ e representa o número da onda ou constante de onda. Isto é evidenciado de maneira que, aumentando-se o valor da frequência, o comprimento de onda λ será menor, e, concomitantemente, o valor de k será maior.
Os gráficos das figuras 39, 40 e 41 mostram as intensidades de potência seguindo o modelo de dois raios para as diferentes polarizações em uma perspectiva tridimensional. O método utilizado foi variar as frequências dentro de um passo de 5 MHz em um intervalo de frequências de 860 MHz à 2.45 GHz analisando as potências recebidas pela etiqueta.
Figura – Gráfico tridimensional utilizando polarização paralela e intervalo de frequências de 860 MHz à 2.45 GHz.
Figura - Gráfico tridimensional utilizando polarização perpendicular e intervalo de frequências de 860 MHz à 2.45 GHz.
Figura - Gráfico tridimensional utilizando a co-polarização circular e intervalo de frequências de 860 MHz à 2.45 GHz.
Pode-se notar que aumentar as frequências não implica em obter uma distância maior de reconhecimento da etiqueta.
Os gráficos seguintes ilustram como as intensidades de potência se comportam em um ambiente indoor de dimensões 10x10 metros e altura 3 metros, levando em consideração o modelo de propagação criado de 7 raios. Como foi mencionado anteriormente, o leitor foi posicionado no centro e a etiqueta foi sendo variada de posição, ambos com alturas iguais a 1 metro, preenchendo uma matriz de intensidades de potências. As constantes dielétricas utilizadas foram listadas na tabela 3, onde todos as paredes foram considerados como paredes de concreto armado.
Tabela - Constantes dielétricas utilizadas nas simulações.
Material Constante dielétrica relativa
Concreto armado 81
Piso 5
Teto 6
Fonte: (WANG, 2009).
MHz) – Dipolos na vertical.
A figura 42 mostra sob uma perspectiva bidimensional o gráfico de intensidades de potência utilizando os dipolos dos equipamentos posicionados na vertical. Como pode ser observada, a disposição das intensidades não se encontram uniformes. Isso acontece, pois as ondas exercem interferências tanto construtivas quanto destrutivas umas nas outras.
Figura - Gráfico de potências utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva tridimensional (fc = 915
A figura 43 mostra a mesma situação da figura 42, só que em uma perspectiva tridimensional. Vale salientar que os pontos além da área em preto (limiar de -13 dBm) correspondem às situações em que as etiquetas não podem ser lidas. A partir da análise do gráfico pode-se concluir que a partir de uma distância de aproximadamente dois metros começam a aparecer pontos em que o leitor não consegue “enxergar” a etiqueta. Pode-se interpretar também que à medida que a etiqueta vai sendo afastada do leitor os pontos “cegos” vão aumentando.
Figura - Gráfico de potências utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva bidimensional (fc = 915
Com os mesmos parâmetros sendo utilizados, variando apenas a disposição dos dipolos para a posição horizontal, a figura 44 mostra como as intensidades de potência se comportam no mesmo ambiente. Um importante ponto a salientar é que, ao comparar o gráfico da figura 42 com o da figura 44, apesar da variação de cores ser um pouco diferente, o que vale é a interpretação a partir da escala de cores situada à direta das figuras. Isso deve ser ponderado em todos os gráficos seguintes.
Figura - Gráfico de potências utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva tridimensional (fc = 915
A figura 45 mostra a mesma situação que a figura 44, mas sob uma perspectiva tridimensional. Analisando o gráfico pode-se concluir que a partir de uma distância de aproximadamente 2,5 metros os pontos “cegos” começam a aparecer. Pode-se interpretar, também, que o leitor consegue reconhecer a etiqueta em mais pontos conforme a distância, se comparado à situação utilizando a polarização vertical dos dipolos.
Figura - Gráfico de potências utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva bidimensional (fc = 915
A figura 46 mostra como as intensidades de potência se comportam no mesmo ambiente, mas com a antena do leitor polarizada circularmente. Em tal gráfico pode-se notar que há uma suavidade na disposição das intensidades de potência que chegam à etiqueta.
Figura - Gráfico de potências utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva tridimensional (fc = 915
Já a figura 47, mostra como as intensidades de potência se comportam no mesmo ambiente, porém sob uma perspectiva tridimensional. A partir da visualização do gráfico pode-se inferir que há um vale de ponto “cego” entre as distâncias de 2,5 e 3 metros. Pode-se notar também que o leitor não consegue identificar as etiquetas além das distâncias de aproximadamente 4,3 metros.
Figura - Gráfico do RMS Delay Spread utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva bidimensional (fc
Como pode ser visto na figura 48, à medida que a etiqueta vai se distanciando do leitor, o valor do RMS Delay Spread aumenta. A explicação para a obtenção de tais valores se baseia no ponto em que o tempo de propagação de um sinal é diretamente proporcional à distância por ele percorrida. O RMS Delay Spread é, então, inversamente proporcional à potência do sinal que chega ao receptor. Utilizando a polarização vertical, os valores máximos encontrados para a configuração em questão se aproximam dos 9 nano segundos. (WANG, 2009) diz que tais valores não configuram em uma interferência intersímbolos em ambientes indoor.
Os gráficos seguintes mostram o RMS Delay Spread obtido a partir da utilização das três polarizações em questão.
Figura - Gráfico de potências utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva tridimensional (fc = 915
MHz) – Dipolos na vertical.
O gráfico da figura 48 pode ser melhor visualizado tridimensionalmente, como mostra a figura 49.
Figura - Gráfico do RMS Delay Spread utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva bidimensional (fc
= 915 MHz) – Dipolos na horizontal.
A mesma situação pode ser vista pela figura 50 atentando-se à proporção de Delay Spread em relação à potência do sinal distribuído pela sala.
Figura - Gráfico do RMS Delay Spread utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva tridimensional (fc
= 915 MHz) – Dipolos na horizontal.
O gráfico da figura 50 pode ser melhor visualizado tridimensionalmente, como mostra a figura 51.
Figura - Gráfico do RMS Delay Spread utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva bidimensional (fc = 915 MHz) – Dipolo do leitor com Co-Polarização circular.
O RMS Delay Spread para a co-polarização circular é significativamente menor do que para as polarizações lineares, valores que variam no máximo até 0,8 ns. Isso pode ser visto na figura 52, onde sua explicação se baseia no ponto em que o range de potência que chega à etiqueta é maior para as polarizações lineares.
Figura - Gráfico do RMS Delay Spread utilizando o modelo de 7 Raios sob perspectiva tridimensional (fc
= 915 MHz) – Dipolo do leitor com Co-Polarização circular.
O gráfico da figura 52 pode ser melhor visualizado tridimensionalmente, como mostra a figura 53.
6 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Como não foi possível adquirir os equipamentos para a realização dos testes de forma prática, uma alternativa viável foi comparar os testes realizados por (WANG, 2009) no seu trabalho. Ele utilizou um ambiente totalmente vazio possuindo dimensões de 9.52m de comprimento, 5.15m de largura e 3.75m de altura. As estruturas em torno do leitor incluem uma porta de madeira, uma porta de metal, uma grade de metal, uma janela de vidro, além do teto e as paredes de concreto, como ilustra a figura 54.
As constantes dielétricas relativas das superfícies levadas em consideração neste trabalho foram as mesmas utilizadas por (WANG, 2009) e são apresentadas na tabela 4. Tabela - Constantes dielétricas utilizadas nos testes reais.
Material Constante dielétrica relativa Madeira 2 Metal 1 Vidro 8 Concreto armado 81 Piso 5 Teto 6 Fonte: (WANG, 2009).
Figura – Fotografias do ambiente de testes.
Fonte: (WANG, 2008).
