Medidas, Modelagem e Análise Computacional de
Sistemas ZigBee Sob Interferência de Redes WiFi
Ricardo Martinez Vicentini Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Universidade Federal do ABC Santo André, Brasil ricardo.martinez@ufabc.edu.br
Ivan Roberto Santana Casella Centro de Engenharia e Ciências
Sociais Aplicadas Universidade Federal do ABC
Santo André, Brasil ivan.casella@ufabc.edu.br
Carlos Eduardo Capovilla Centro de Engenharia e Ciências
Sociais Aplicadas Universidade Federal do ABC
Santo André, Brasil carlos.capovilla@ufabc.edu.br
Resumo— Um dos protocolos mais utilizados em redes de sensoriamento é o ZigBee, que devido ao seu baixo custo de aquisição, baixa latência e baixa taxa de pacotes de dados se torna um grande atrativo para esta finalidade. O ZigBee, assim como outras tecnologias, utiliza a faixa de frequência não licenciada de 2,4 GHz, e que devido ao grande número de dispositivos utilizando essa mesma faixa de frequência, gera atenuações e interferências entre os sinais. Considerando que a tecnologia WiFi está presente em grande parte dos ambientes, esse protocolo se torna a principal fonte de degradação do sinal do ZigBee, comprometendo o desempenho da rede de comunicação. Este trabalho tem como objetivo modelar e analisar o desempenho do ZigBee sob interferência de redes WiFi, considerando esta como uma interferência de banda parcial. Os resultados demonstram que o WiFi afeta o desempenho do ZigBee principalmente nos 3 primeiros metros de distância, e que assim, é possível minimizar consideravelmente os efeitos da interferência selecionando canais com frequências menos sobrepostas.
Palavras Chave — Rede de sensores; WiFi; ZigBee; Interferência; Modelagem.
I. INTRODUÇÃO
As redes de sensores sem fio (Wireless Sensor Network - WSN) são atualmente um tema de grande interesse para aplicações em automação industrial, impulsionadas principalmente pelo advento do contexto de indústria 4.0 e nas redes inteligentes denominadas Smart Grids.
Dentre os padrões de comunicação sem fio existentes, o ZigBee tem desempenhado um papel de destaque para aplicações em WSN por apresentar um baixo consumo, baixo custo, fácil instalação e configuração, taxas de dados da ordem de centenas de kbits/s, e alcance de curto a média distância [1-2].
O Zigbee é comumente utilizado na faixa de frequência não licenciada de 2,4 GHz, na qual operam diversos outros protocolos de comunicação, o que ocasiona degradação e interferência nos canais que operam nessa faixa de frequência [3]. Uma das tecnologias que também utiliza esse mesmo espectro é o WiFi, que está presente atualmente na grande maioria dos ambientes. Como operam na mesma faixa de frequência, o ZigBee e o WiFi coexistem, gerando interferências mútuas entre essas duas tecnologias.
Como consequência dessa interferência, a comunicação entre os dispositivos ZigBee é severamente comprometida, aumentando drasticamente a BER (Bit Error Rate – Taxa de
Erro de Bit), e consequentemente, diminuindo a taxa de dados. Como as WSN são intimamente dependentes da taxa de dados, o desempenho do ZigBee, compromete todo o desempenho da rede. Sendo assim, se faz necessário um estudo investigativo sobre os efeitos da interferência do WiFi no ZigBee, visando aplicações em WSN, e baseado nos resultados, adotar medidas de prevenção à degradação do sinal e do desempenho da rede. Além dessa seção introdutória, na segunda seção são apresentados conceitos básicos sobre WiFi, ZigBee e interferência entre ambos, enquanto na terceira seção é mostrado a modelagem e análise dos resultados. Finalmente, a seção quatro finaliza o trabalho.
II. SOBREWIFI,ZIGBEEEAINTERFERÊNCIA
INTENCIONALENTREELES
A. Tecnologia WiFi
O WiFi surgiu com a intenção de conectar computadores e outros dispositivos à Internet. A abreviação WiFi significa
Wireless Fidelity (Fidelidade sem Fio), e se refere a uma
tecnologia de rede WLAN (Wireless Local Area Network – Rede sem Fio de Área Local) para casas, escritórios e usuários que se deslocam [4]. Sua camada física segue o padrão IEEE 802.11, e possui como principais características as altas taxas de transmissão de dados e a possibilidade de integração com redes de tecnologia da informação. Opera na faixa de frequência de 2,4 GHz ou 5 GHz, dependendo da versão.
O primeiro padrão do WiFi surgiu há quase 20 anos, e desde então, diversas melhorias foram implementadas, fazendo com que surgissem novos modelos no mercado, possibilitando alcançar cada vez mais altas taxas de comunicação e utilização mais eficiente do espectro de frequência. Atualmente, os principais padrões do WiFi são: IEEE 802.11 a, b, g, n e ac.
O padrão IEEE 802.11a, desenvolvido em 1999, opera na frequência de 5 GHz e tem 12 canais não sobrepostos com largura de banda de 16,6 MHz. Devido ao custo e ao alcance, esse padrão não se tornou muito popular. Para alcançar altas taxas de transmissão, esse padrão utiliza a técnica OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing –
Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais), sendo possível alcançar velocidades teóricas de 54 Mbits/s.
O padrão IEEE 802.11b, lançado também em 1999, opera na faixa de frequência de 2,4 GHz, possui um total de 11 canais sobrepostos com largura de banda de 22 MHz cada.
2018 13th IEEE International Conference on Industry Applications We2Track A.4
Esse padrão se tornou mais popular que o IEEE 802.11a, pois além de ter sido lançado um pouco antes, operava em frequências compatíveis com os equipamentos da época. Utiliza a técnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum – Espalhamento Espectral por Sequência Direta) para alcançar taxas de até 11 Mbits/s.
Em 2003, é lançado o IEEE 802.11g, operando na frequência de 2,4 GHz (como o IEEE802.11b), mas com velocidades que alcançavam as taxas de 54 Mbits/s utilizando a técnica OFDM (como o IEEE 802.11a). Seus canais possuem largura de banda de 22 MHz.
O padrão IEEE 802.11n foi lançado no ano de 2009, com o intuito de oferecer taxas de transmissão que podem alcançar até 600 Mbits/s. Além de utilizar a técnica OFDM, também utiliza MIMO (Multiple Input Multiple Output – Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas). Seus canais podem ser configurados para ter uma largura de banda de 20 MHz ou 40 MHz.
No ano de 2012, foi lançado o padrão IEEE 802.11ac, que possui taxas de transferência acima de 1300 Mbits/s, utilizando, para isso, uma técnica denominada Multi-Usuários MIMO, onde diferentes usuários utilizam o mesmo ponto de acesso para transmissões simultâneas. Opera na faixa de 5 GHz, e seus canais de operação podem ter largura de banda de 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz ou 160 MHz. Como este é um dos modelos mais recentes lançados, ainda não se tornou tão popular quanto os outros apresentados.
B. Tecnologia ZigBee
A tecnologia ZigBee foi desenvolvida em 1998, com o intuito de servir de sensoriamento em redes sem fio. Sua camada física segue o padrão IEEE 802.15.4, assim como o WirelessHart e o 6LowPAN e opera na faixa de frequência ISM (Industrial, Scientific and Medical – Industrial, Científica e Médica). O nome ZigBee deriva da palavra zig, referente ao zigue-zague que as abelhas fazem e Bee, do próprio nome abelha, em inglês. O ZigBee suporta um grande número de nós na rede, possui baixo consumo de energia e baixo custo de aquisição.
Sendo um dos padrões utilizados nas indústrias [5], sua principal aplicação é em telemetria, controle e monitoração, e nas residências é utilizado em mouses, teclados, joysticks, e em aplicações voltadas a automação residencial, como aquecedores, iluminação, equipamentos de segurança, etc.
Possui um total de 27 canais de operação, operando em três faixas de frequências diferentes, sendo: 868 MHz (1 canal), 915 MHz (10 canais) e 2,4 GHz (16 canais), e não requer licença para utilização [6].
C. Interferência intencional
A interferência intencional, ou Jamming, é um sinal de interferência em uma banda que se deseja corromper. De acordo com [7], as interferências intencionais em redes industriais e comerciais é um problema inevitável devido ao número de dispositivos operando em faixas de frequência não licenciadas ISM. Existem basicamente 5 tipos de interferências intencionais [8], descritas a seguir:
• Interferência de banda total: uma banda de
frequência é sobreposta a banda de potência que se deseja corromper.
• Interferência de banda parcial: uma banda de
frequência é utilizada para corromper uma estreita faixa de frequência de um sinal.
• Interferência em tom: um único tom de frequência é
mais presente numa faixa de frequência que se deseja corromper.
• Interferência de múltiplos tons: essa interferência é
muito semelhante a interferência em tom, com a diferença que múltiplos tons de frequência são aplicados a banda que se deseja corromper.
•
Interferência pulsada: esse tipo de técnica utilizauma banda de frequência semelhante a banda que se deseja sobrepor, de forma pulsada.
Diversos trabalhos de diferentes autores apresentam diferentes estudos e propostas de soluções para esse problema, dos quais é possível destacar [9-13]. A principal contribuição desse trabalho está no fato da potência do WiFi ser modelada como uma interferência de banda parcial no ZigBee.
III. MODELAGEMEANÁLISEDOSRESULTADOS
A. Sobreposição de Canais
Observando as faixas de frequência dos canais do WiFi e do ZigBee, nota-se que em determinadas frequências esses canais são sobrepostos, gerando assim, interferência mútua, como pode ser visto na Fig. 1.
Fig. 1. Canais de operação do ZigBee e do WiFi. [14]
O termo Frequência de Offset se refere ao valor de deslocamento entre o pico de duas frequências. Por exemplo, o pico central de potência do canal 5 do WiFi está na frequência de 2432 MHz, enquanto que o pico central de potência do canal 16 do ZigBee está na frequência de 2430 MHz. Logo, a frequência de offset neste caso é a diferença entre os dois picos, no caso 2 MHz.
Os canais na cor azul tracejado indicam canais com frequência de offset de 2 MHz e 3 MHz, os canais na cor verde tracejado indicam canais com frequência de offset de 7 MHz e 8 MHz e os canais na cor verde contínuo indicam canais sem sobreposição em relação aos canais do WiFi, ou seja, um canal do ZigBee está sobreposto ao canal do WiFi com uma frequência de offset de 2, 3, 7 ou 8 MHz, ou está fora da zona de sobreposição.
B. Ensaios Práticos
Neste trabalho, foram realizados ensaios práticos de modo a analisar a influência da interferência do WiFi no desempenho do ZigBee. Para isso, foram analisados os parâmetros de potência recebida do WiFi e do ZigBee e a taxa de erro de pacote do ZigBee. O layout utilizado é ilustrado na Fig. 2. 1m 1m a 8m Roteador WiFi ZigBee Receptor ZigBee Transmissor PC1 Monitorament o da Recepção WiFi PC3 Controle da Transmissão e Recepção ZigBee PC2 Controle da Transmissão WiFi
Fig. 2. Layout das ligações utilizadas nos ensaios.
Para gerar um espectro de interferência constante, foi utilizado um roteador se comunicando com dois computadores (PC1 e PC2), sendo que o PC2 enviava um arquivo para o PC1. Cada um desses computadores estava distanciado em 1 metro do roteador. Enquanto esse arquivo era transmitido, um outro computador (PC3) era utilizado para realizar a comunicação e o monitoramento entre dois dispositivos ZigBee cujas distâncias entre antenas eram de 1 metro. A disposição física dos equipamentos e dos módulos utilizados nos ensaios pode ser visto na Fig. 3.
Fig. 3. Disposição dos equipamentos utilizados nos ensaios.
Inicialmente, o roteador utilizado foi configurado para operar somente no padrão IEEE 802.11b. Em seguida, foi utilizado o programa Cliente-Servidor [15] para realizar a comunicação entre os computadores conectados ao roteador, conforme Fig. 4.
Fig. 4. Tela de configuração do software cliente-servidor.
Ao abrir o programa, a janela SERVIDOR mostra o endereço de IP do computador que irá enviar o arquivo via roteador (1), o endereço da porta de comunicação (2) e o botão Ativar (3). No outro computador, a janela que deve ser aberta é a janela CLIENTE, que possui os campos para digitar o endereço de IP e da porta de comunicação do servidor (4), o botão conectar (5) e o endereço para selecionar o arquivo que será enviado (6).
Primeiramente, é necessário ativar o servidor através do botão Ativar (3), e em seguida, digitar os endereços de IP do servidor e da porta de comunicação no campo (4) do cliente. Feito isso, deve-se clicar em conectar (5), escolher o arquivo a ser enviado e clicar em Envio do arquivo (6). O estado do envio é mostrado no servidor e no cliente. O arquivo escolhido para envio tem tamanho de 181 MB.
Utilizando o programa X-CTU [16], os módulos XBEE foram configurados como ZigBee Coordenador (ZC) e ZigBee Roteador (ZR), operando no canal 21 (0x15 em hexadecimal), cuja frequência está compreendida entre 2454 MHz e 2456 MHz. No ZC foi implementado o firmaware 21A7 e no ZR foi implementado o firmware 23A7. Para uma melhor comunicação entre os módulos, a verificação de canais e o modo API foram habilitados, e o modo sleep foi desabilitado.
Foi configurado um pacote com 80 bytes de dados, para ser transmitido entre os módulos XBEE 200 vezes para cada teste. Enquanto os pacotes eram enviados, a potência de interferência do WiFi no ZigBee era monitorada através do programa inSSIDer [17]. De modo a sobrepor os canais do ZigBee, os canais do WiFi utilizados foram: 8 (8 MHz de
offset), 9 (3 MHz de offset), 10 (2 MHz de offset) e 11 (7 MHz
de offset).
Este ensaio foi realizado para cada uma das 4 frequências de offset, entre as distâncias de 1 a 8 metros entre os dispositivos ZigBee e o roteador, com passos de 1 metro.
C. Análise da Propagação da Interferência
A Fig. 5 mostra a potência recebida do WiFi no ZigBee. A potência recebida teórica pode ser calculada por (1):
= − 10. .
+ (1)
onde é a potência recebida na distância de referência, n é o coeficiente de perda de percurso, d é a distância entre transmissor e receptor e é uma variável aleatória, com
distribuição gaussiana de média 0, e desvio padrão , ambas
Fig. 5. Potência recebida do WiFi no ZigBee.
Baseado nas medidas realizadas é possível estimar o valor de n utilizando o método de regressão linear, descrito em [18]. Neste método, a diferença entre as medidas e a perda de percurso é minimizada utilizando a soma dos erros quadráticos, conforme (2):
= − !" #
$
(2)
onde representa a perda de percurso na distância d& e é a perda de percurso obtida pela equação (1),
desconsiderando , que é o efeito shadowing. Substituindo,
(1) em (2), resulta em (3): = ' − − 10. . ( " # $ (3)
O valor de pode ser obtido igualando-se a derivada de
(3) a zero e solucionando para , conforme (4):
= ∑ *# $ − + ∑ 10. # $
(4)
A variância das amostras é calculada em (5): "= ∑ − !
" #
$
, (5)
onde , é o número de amostras analisadas. O desvio padrão é
dado por (6): = -∑ − ! " # $ , (6)
Nos cálculos realizados, a distância de referência
d adotada foi de 1 metro. Com base nas fórmulas descritas,
obtêm-se o valor do n =2,3779 e σ =1,6495. A curva da
potência recebida com base nas medições, a curva teórica obtida através das equações descritas, e a curva da potência recebida teórica considerando o efeito de sombreamento
Fig. 6. Potência recebida medida, potência recebida teórica e potência recebida com o efeito de sombreamento (shadowing).
A BER de um sistema com modulação BPSK (Binary
Phase Shift Keying – Chaveamento por Deslocamento de Fase
Binária), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying – Chaveamento por Deslocamento de Fase em Quadratura) e OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying – Chaveamento por Deslocamento de Fase e Quadratura Deslocada), com espalhamento espectral, sob interferência intencional parcial, pode ser expressa por (7):
/01 = 2 3 4 5 6 809 2 , : ; + <= ; > ? @ (7)
onde 09 é a energia de bit, , é a densidade espectral, é a potência do sinal (ZigBee), < é a potência de jamming (interferência), = é o ganho de processamento do sinal e 2(x) é dada por (8): 2A = 1 √2C D AE F− G" 2 H G I J (8)
Sabendo o canal de operação do WiFi, e tendo o seu modelo de propagação, é possível modelar a predição da potência recebida do WiFi no ZigBee, e assim saber o nível de interferência para calcular a taxa de erro de bits. Considerando a potência de transmissão do ZigBee como 3 dBm, a potência de transmissão do WiFi como 5.3 dBm e a interferência adicional no local dos testes de -36,8 dBm, obtêm-se a BER do ZigBee sob interferência do WiFi, conforme Fig. 7.
Observa-se, através das curvas nas cores vermelha e azul, que representam os canais com as menores frequências de
offset, que estes são os canais que mais influenciam no
desempenho do ZigBee, onde é possível notar que a interferência está presente principalmente até uma distância de quase 3 metros. Os canais nas cores roxo e verde, que representam as maiores frequências de offset, obtiveram os melhores desempenhos, onde a interferência afeta o ZigBee em uma curta distância, menor que 1,5 metros de distância.
Fig. 7. Taxa de erro de bits do ZigBee sob interferência do WiFi.
D. Análise da Perda de Pacotes
Com o valor da taxa de erro de bit, é possível obter o valor da taxa de erro de pacotes descrito em [11], e assim determinar a quantidade de pacotes errados recebidos pelo dispositivo ZigBee. Nesse método, é levado em consideração uma análise no domínio do tempo juntamente com a taxa de erro de bit. A análise do ZigBee é descrita em (9):
KL = ML+ KNNO+ PQRPL+ KONS,L+ UL (9)
onde KL é o tempo entre dois pacotes do ZigBee, ML é o tempo de duração de um pacote de dados, KNNO é o tempo
para avaliação do canal, PQRPL é o tempo entre interframes,
KONS,L é o tempo de duração do pacote de reconhecimento e
UL é o tempo médio de backoff. A análise do WiFi é descrita
em (10):
KV= MV+ PQRPV+ KONS,V+ WQRP + UV (10)
onde KV é o tempo entre dois pacotes do WiFi, MV é o tempo de duração de um pacote de dados, PQRPV é o tempo entre interframes, KONS,V é o tempo de duração do pacote de
reconhecimento, WQRP é o tempo de função distribuída entre
interframes e UV é o tempo médio de backoff. Como neste experimento era enviado um arquivo massivo entre os
computadores, utilizando o roteador praticamente
ininterruptamente, pode-se considerar o tempo de intervalo
entre envios de pacotes do WiFi A como um valor muito
próximo de 0. Sendo assim, o tempo de colisão KA é obtido a partir de (11):
KA = ML− A − 2KV− MV (11)
Com os valores obtidos, é possível obter a taxa de erros de pacotes através de (12):
01 = 1 − [1 − 9YZ;[\9 [] . 1 − 9^|\
]
9 |] (12)
onde 9 é a BER sem a interferência do WiFi, ,L é o número
de bits em um pacote do ZigBee, a é a duração de um bit de
transmissão e 9^ é a BER com a inteferência do WiFi. Considerando a potência de inteferência proveniente de outras fontes no ambiente dos ensaios, é possível visualizar o número de pacotes perdidos, medido e teórico, conforme Fig. 8.
Fig. 8. Número de pacotes perdidos – medido e teórico.
Observando o gráfico, é possível visualizar que os valores teóricos e medidos foram próximos. Nota-se também na frequência de offset de 3 MHz ocorreu o maior pico de perda de pacotes. Tal fato pode ter acontecido devido os canais não estarem operando rigorosamente na frequência prevista, além de no instante das medições, ocorreu um nível mais elevado de interferência adicional externa.
IV. CONCLUSÕES
O objetivo desse trabalho foi analisar o desempenho da tecnologia ZigBee sob interferência do WiFi, visando aplicações em redes de sensoriamento sem fio.
A abordagem teórica levou em consideração que a potência do WiFi é uma interferência de banda parcial no ZigBee. De acordo com a modelagem computacional, a interferência afeta o desempenho do ZigBee até os três primeiros metros, independentemente do canal utilizado.
Os ensaios práticos serviram para comprovar a influência da interferência do WiFi no ZigBee, utilizando como parâmetro a perda de pacotes, a potência recebida do ZigBee e a potência recebida do WiFi (interferência).
Por fim, a metodologia utilizada e implementada serve como diretriz para implantação de uma rede de sensoriamento sem fio utilizando o ZigBee, onde este coexista com o WiFi.
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