RICARDO MARTINEZ VICENTINI
MODELAGEM E ANÁLISE COMPUTACIONAL DE SISTEMAS ZIGBEE SOB INTERFERÊNCIA DE REDES WIFI
SANTO ANDRÉ - SP 2018
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MODELAGEM E ANÁLISE COMPUTACIONAL DE SISTEMAS ZIGBEE SOB INTERFERÊNCIA DE REDES WIFI
Dissertação apresentada à Universidade Federal do ABC, como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Linha de Pesquisa: Modelagem e Simulação
Computacional.
Orientador: Prof. Dr. Ivan Roberto Santana Casella. Coorientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Capovilla.
SANTO ANDRÉ – SP 2018
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Agradeço primeiramente a Deus, pois sem ele nada é possível.
Ao professor Ivan Roberto Santana Casella, por aceitar ser meu orientador, pela grande ajuda e disposição em orientar de forma única a execução desse trabalho.
Ao professor Carlos Eduardo Capovilla, por aceitar ser meu coorientador e pelo apoio, sugestões e ajuda na elaboração desse trabalho.
A minha noiva e amiga Francielle Bezerra Augusto Pereira, pela ajuda e compreensão nos momentos de ausência e concentração, necessários para o desenvolvimento desse trabalho.
A toda a minha família, em especial a minha mãe Roseli Martinez Fontes, por acreditar no meu potencial e me mostrar desde cedo a importância do estudo.
Aos amigos e mestrandos da UFABC: Bruno Baruffi, Eulaliane Gonçalves, Angelo Cardoso, Maury de Souza e Cláudia Carvalho, por terem disposição e me ensinado quando precisei, e pelos bons momentos de estudos que tivemos, momentos esses tão importantes nessa caminhada.
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O telégrafo sem fio não é difícil de entender. O telégrafo comum é como um gato muito comprido. Você puxa o rabo dele em Nova York e ele mia em Los Angeles. O telégrafo sem fio é a mesma coisa, só que sem o gato.
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Dedico esse trabalho a minha avó Carmélia da Conceição Fontes, a pessoa que me levava para a escola nos primeiros anos de estudo. Muito obrigado.
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A comunicação sem fio vem ganhando cada vez mais destaque e motivação para pesquisa, devido a novas tecnologias e cenários emergentes, como a Internet das Coisas, Smart Grids e Indústria 4.0. Um dos protocolos mais utilizados em redes de sensores sem fio nestes cenários 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, por permitir acesso à Internet e comunicação em altas taxas de dados, esse protocolo se torna a principal fonte de degradação do sinal do ZigBee, comprometendo o desempenho da comunicação. A presente dissertação tem como objetivo modelar, medir e analisar o desempenho da tecnologia ZigBee, sob interferência do WiFi, considerando a coexistência entre esses dois protocolos. Os testes práticos foram realizados em uma câmara anecóica, de modo a obter valores preciso nas medidas de potência do sinal e em um ambiente indoor, para analisar o desempenho em situações reais. Os resultados obtidos permitem analisar o desempenho do ZigBee, através dos parâmetros de potência recebida, taxa de erro de bits, taxa de erro de pacotes e nível de potência recebida da interferência. A metodologia adotada permite uma melhor compreensão das duas tecnologias analisadas, possibilitando projetos de redes de sensoriamento sem fio considerando a coexistência entre o ZigBee e o WiFi.
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Wireless communication has been gaining increasing prominence and motivation for research due to emerging technologies and emerging scenarios such as the Internet of Things, Smart Grids and Industry 4.0. One of the most used protocols in wireless sensors networks in these scenarios is ZigBee, which due to its low cost of acquisition, low latency and low packet rate of data becomes a great attraction for this purpose. ZigBee, like other technologies, uses the 2.4 GHz unlicensed frequency band, which due to the large number of devices using the same frequency band generates attenuations and interferences between the signals. Considering that Wi-Fi technology is present in most environments, because it allows access to the Internet and communication at high data rates, this protocol becomes the main source of ZigBee signal degradation, compromising communication performance. The present dissertation aims to model, measure and analyze the performance of ZigBee technology, under WiFi interference, considering the coexistence between these two protocols. The practical tests were performed in an anechoic chamber, in order to obtain precise values in the signal power measurements and in an indoor environment, to analyze the performance in real situations. The results obtained allow to analyze the performance of the ZigBee, through the received power parameters, bit error rate, packet error rate and power level received from the interference. The methodology adopted allows a better understanding of the two technologies analyzed, enabling the design of wireless sensing networks considering the coexistence between ZigBee and WiFi.
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Figura 1: Tecnologias de comunicação sem fio utilizadas na indústria ... 1
Figura 2: Plataforma Intel Edison com módulo ZigBee ... 2
Figura 3: Transmissor industrial utilizando ZB... 3
Figura 4: Gateway ZB ... 5
Figura 5: Arquitetura das camadas do WiFi ... 11
Figura 6: Modelo de espalhamento espectral em comunicação digital ... 12
Figura 7: Estrutura do Quadro do IEEE 802.11b ... 16
Figura 8: Estrutura do Quadro do IEEE 802.11g ... 17
Figura 9: Arquiteturas de Redes do WiFi ... 18
Figura 10: Frequência dos canais do ZB ... 19
Figura 11: Canais de operação do ZB ... 19
Figura 12: Configurações do ZB. ... 20
Figura 13: Topologias de rede do ZB. ... 21
Figura 14: Camadas do ZB. ... 22
Figura 15: Esquema de modulação do IEEE 802.15.4 ... 23
Figura 16: Valores de chips ... 23
Figura 17: Modulador OQPSK ... 24
Figura 18: Estrutura do quadro do ZB ... 24
Figura 19: Dispositivos XBEE... 26
Figura 20: Canais de operação do ZB e do WiFi ... 27
Figura 21: Desempenho do ZB sob interferência ... 30
Figura 22: Setup utilizado nos Testes Práticos ... 31
Figura 23: Dispositivos ZB utilizados nos testes ... 32
Figura 24: Disposição dos equipamentos utilizados nos testes ... 33
Figura 25: Interface do programa cliente-servidor ... 33
Figura 26: Canais utilziados do ZB e do WiFi... 34
Figura 27: Instalação dos dispositivos ZB para medição das potências ... 36
Figura 28: Interface do software inSSIDer ... 37
Figura 29: Interface do X-CTU monitorando os pacotes enviados e recebidos... 38
Figura 30: Interferência do IEEE 802.11b detectada no ZR ... 40
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Figura 33: PER do ZB sob interferência do IEEE 802.11b (esquerda) e IEEE 802.11g (direita) ... 42 Figura 34: PER medida e calculada do ZB sob interferência do IEEE 802.11b ... 43 Figura 35: PER medida e calculada do ZB sob interferência do IEEE 802.11g ... 43 Figura 36: Curva da BER teórica em relação à distância da interferência, com fator de ajuste na potência do ZB (IEEE 802.11b a esquerda e IEEE 802.11g a direita) ... 44 Figura 37: PER medida e calculada do ZB sob interferência do IEEE 802.11b, com fator de ajuste na potência do ZB ... 44 Figura 38: PER medida e calculada do ZB sob interferência do IEEE 802.11g, com fator de ajuste na potência do ZB ... 45 Figura 39: Ambiente indoor utilizado para os testes ... 47 Figura 40: Dispositivos ZB distanciados em 1 metro sendo controlados pelo PC-C . 48 Figura 41: Potência recebida do WiFi (IEEE 802.11b à esquerda e IEEE 802.11g à direita) ... 49 Figura 42: BER do ZB sob interferência do padrão IEEE 802.11b (esquerda) e IEEE 802.11g (direita) em ambiente indoor. ... 49 Figura 43: PER teórica e medida do ZB sob interferência do IEEE 802.11b ... 50 Figura 44: PER teórica e medida do ZB sob interferência do IEEE 802.11g ... 50 Figura 45: PER teórica e medida do ZB sob interferência do IEEE 802.11g, com fator de ajuste na potência do ZB de -5,5dB...51 Figura 46: Modelo de propagação da interferência IEEE 802.11b ... 54 Figura 47: Modelo de propagação da interferência IEEE 802.11g ... 54 Figura 48: Relação PER x distância entre os dispositivos ZB x distância da interferência (IEEE 802.11b) ... 55 Figura 49: Relação PER x distância entre os dispositivos ZB x distância da interferência (IEEE 802.11g) ... 56 Figura 50: Zona de operação do ZB sob interferência do IEEE 802.11b com 3 MHz de
offset baseada em uma PER de 1.10-1 ... 57
Figura 51: Zona de operação do ZB sob interferência do IEEE 802.11b com 3 MHz de
offset baseada em uma PER de 1.10-1 (vista superior) ... 57
Figura 52: Zona de operação do ZB sob interferência do IEEE 802.11g com 8 MHz de
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Tabela 1: Características de modulação do IEEE 802.11b ... 15
Tabela 2: Características de modulação do IEEE 802.11g ... 17
Tabela 3: Comparativo entre os modulos XBEE ... 26
Tabela 4: Canais do WiFi e do ZB ... 35
Tabela 5: Valores medidos do WiFi ... 36
Tabela 6: Número de pacotes enviados, recebidos e a PER para interferência do padrão IEEE 802.11b ... 39
Tabela 7: Número de pacotes enviados, recebidos e a PER para interferência do padrão IEEE 802.11g ... 39
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WSN – Wireless Sensors Network, Rede de Sensores Sem Fio IoT – Internet of Things, Internet das Coisas
ITU – International Telecommunications Union, União Internacional de Telecomunicações
IIoT – Industrial Internet of Things, Internet Industrial das Coisas M2M – Machine to Machine, Máquina à Máquina
IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineers, Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
SG – Smart Grid, Rede Inteligente TI – Tecnologia da Informação
NIST – National Institute of Standards and Technology, Instituto Nacional de Padronizações e Tecnologia
SEP – Smart Energy Profile, Perfil de Energia Inteligente WiFi – Wireless Fidelity, Fidelidade Sem Fio
BER – Bit Error Rate, Taxa de Erro de Bit
FER – Frame Error Rate, Taxa de Erro de Quadros PER – Packet Error Rate, Taxa de Erro de Pacotes LTE – Long Term Evolution, Evolução de Longo Termo SNR – Signal to Noise Ratio, Relação Sinal Ruído
WLAN – Wireless Local Area Network, Rede Sem Fio de Área Local
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais
DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum, Espalhamento Espectral por Sequência Direta
MIMO – Multiple Input Multiple Output, Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas OSI – Open System Interconnection, Sistema Aberto de Interconexão
BPSK – Binary Phase-Shift Keying, Chaveamento por Deslocamento de Fase Binária
QPSK – Quartenary Phase-Shift Keying, Chaveamento por Deslocamento de Fase Quaternária
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SISO – Single Input Single Output, Única Entrada Única Saída LLC – Logical Link Control, Controle de Enlace Lógico
MAC – Medium Access Control, Controle de Acesso ao Meio
CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access With Colision Avoidance, Acesso Múltiplo com Verificação de Portadora com Prevenção de Colisão
DCF - Distributed Coordination Function, Função de Coordenação Distribuída PCF - Point Coordination Function, Função de Coordenação do Ponto
CCK – Complementary Code Keying, Chaveamento por Código Complementar PPDU - Physical Protocol Data Unit, Unidade de Dados do Protocolo Físico
PLCP - Physical Layer Convergence Procedure, Procedimento de Convergência da Camada Física
SFD - Start of Frame Delimiter, Delimitador de Início de Quadro HEC - Header Error Check, Verificador de Erro de Cabeçalho
CRC - Cyclic Redundance Check
PSDU - Physical Service Data Unit, Unidade de Dados de Serviço Físico BSS - Basic Service Set, Conjunto de Serviço Básico
ISM – Industrial, Scientific and Medical, Industrial, Científica e Médica FFD - Full Function Device, Dispositivo de Função Completa
RFD – Reduced Function Device, Dispositivo de Função Reduzida ZC – ZigBee Coordinator, ZigBee Coordenador
ZR – ZigBee Router, ZigBee Roteador
ZED – ZigBee End Device, ZigBee Dispositivo Final
GTS - Guaranteed Time Slots, Intervalo de Tempos Garantidos PDU – Protocol Data Unit, Unidade de Dados do Protocolo
OQPSK - Offset Quartenary Phase-Shift Keying, Chaveamento por Mudança de Fase Quaternária Deslocada
MPDU - MAC Protocol Data Unit, Unidade de Dados do Protocolo MAC
FCS - Frame Check Sequence, Verificador de Sequência de Quadro
FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum, Espalhamento Espectral por Salto de Frequência
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1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Trabalhos Correlatos ... 6
1.2 Motivação e Relevância do Tema ... 7
1.3 Objetivos ... 8
1.4 Contribuições ... 8
1.5 Organização da Dissertação ... 8
2. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO ... 10
2.1 Tecnologia WiFi ... 10
2.1.1 Padrões da Tecnologia WiFi ... 10
2.1.2 As Camadas do WiFi ... 11
Camada Física ... 12
Espalhamento Espectral ... 12
Espalhamento Espectral por Sequência Direta ... 13
Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais ... 13
Sistemas de Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas ... 13
Camada de Enlace ... 14
Subcamada de Enlace Lógico ... 14
Subcamada de Controle e Acesso ao Meio ... 14
2.1.3 Esquemas de Modulação do IEEE 802.11b ... 15
Estrutura do Quadro do IEEE 802.11b ... 16
2.1.4 Esquemas de Modulação do IEEE 802.11g ... 16
Estrutura do Quadro do IEEE 802.11g ... 17
2.1.5 Infraestrutura de Rede ... 18
2.2 Tecnologia ZB ... 18
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2.2.4 Camada Física ... 22
2.2.5 Camada MAC ... 24
2.2.6 Dispositivos XBEE ... 25
3. INTERFERÊNCIA ENTRE REDES WIFI E SISTEMAS ZB ... 27
3.1 Determinação da BER em Sistemas ZB ... 29
3.2 Desempenho do ZB sob interferência do WiFi ... 30
3.2.1 Metodologia para determinação da SINR através de testes práticos na câmara anecóica ... 30
3.2.2 Hardware Utilizado ... 31
3.2.3 Software Utilizado ... 32
3.2.4 Preparação dos Testes ... 32
3.2.5 Medição das Potências do ZB e do WiFi ... 35
3.2.6 Obtenção de PER Medida ... 37
3.3 Análise dos Resultados ... 41
3.4 Conclusão a Respeito dos Testes Práticos ... 45
4. ANÁLISE DE DESEMPENHO DO ZB SOB INTERFERÊNCIA DO WIFI EM AMBIENTE INDOOR ... 47
4.1 Medição das Potências e Determinação da SINR ... 48
4.2 Análise dos Resultados ... 49
4.3 Dimensionamento de um Sistema de Comunicação Utilizando ZB Sob Interferência de Redes WiFi ... 51
4.3.1 Determinação do Modelo de Propagação ... 52
4.3.2 Determinação da BER e da PER ... 55
4.3.3 Análise dos Resultados ... 56
4.3.4 Conclusões a Respeito do Método Proposto para Dimensionamento de Sistemas ZB ... 59
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APÊNDICE A – MEDIDAS DA PER NA CÂMARA ANECÓICA ... 61 APÊNDICE B – MEDIDAS DA PER NO AMBIENTE INDOOR ... 62 APÊNDICE C – MEDIDAS DAS POTÊNCIAS DE SOBREPOSIÇÃO IEEE 802.11b... ... 63 APÊNDICE D – MEDIDAS DAS POTÊNCIAS DE SOBREPOSIÇÃO IEEE 802.11g... ... 64 REFERÊNCIAS ... 65
1. INTRODUÇÃO
A comunicação se faz necessária em diversos ramos tecnológicos, dos quais é possível destacar as WSN (Wireless Sensors Network – Rede de Sensores sem Fio), Fábricas Inteligentes, Casas Inteligentes, entre outras (Goldsmith, 2009).
As redes industriais surgiram com a finalidade de aperfeiçoar o controle dos instrumentos de campo, aumentar a capacidade de tráfego de informações e prover mensagens de diagnósticos e configuração remota entre os dispositivos (Lugli e Santos, 2015). Até pouco tempo atrás, a comunicação industrial era realizada em sua maioria por redes cabeadas.
Com a necessidade de movimentação dos equipamentos, interligação com dispositivos em locais de difícil acesso e até mesmo em áreas de risco, as redes sem fio acabaram ganhando campo e mercado neste cenário. Quando comparada com as redes cabeadas, as redes sem fio em ambientes industriais possuem diversas vantagens, sendo as principais a possibilidade de monitoramento remoto em ambientes hostis, facilidade de integração de dispositivos e possibilidade de upgrade.
A principal vantagem de usar conexões sem fio em automação industrial é que dispositivos e máquinas podem ser movidos e conectado com maior facilidade e não há cabos restritivos. De acordo com (Pereira et al., 2015), uma falha na comunicação em um ambiente industrial pode causar problemas na produção e até acidentes. A figura 1 ilustra os principais protocolos de comunicação sem fio utilizado nas indústrias.
Figura 1: Tecnologias de comunicação sem fio utilizadas na indústria
O avanço tecnológico no ramo da comunicação sem fio tem possibilitado que objetos e máquinas se conectem e se comuniquem com a Internet, permitindo a troca de informações em tempo real em qualquer lugar do mundo. Essa nova tecnologia recebe o nome de Internet das Coisas, ou Internet of Things em inglês (IoT). De acordo com a International Telecommunications Union (ITU), em português, União Internacional de Telecomunicações, o conceito de IoT é descrito como uma infraestrutura global para a sociedade da informação que permite serviços avançados por interligação (física e virtual) de coisas baseadas em informações existentes e em constante evolução, interoperáveis, utilizando tecnologias de comunicação.
Segundo (Choudhary e Jain, 2017), a Internet das coisas transforma objetos físicos em Inteligente ao explorar a aquisição de dados e as redes de tecnologias. A IoT pode ser chamada como Internet do Futuro, pois permite que objetos físicos possam pensar, ouvir e executar várias tarefas compartilhando de informações com acessibilidade à Internet.
Em aplicações em IoT, os dados do sensor são traduzidos, transformados e possivelmente combinados com outros dados, esse processamento transforma os dados de bits e bytes simples em informações úteis. Alguns dispositivos importantes nesta função são: Arduino, Raspberry pi-2, Intel Galileo, Intel Edison, Samsung ARTIK (Fatima, 2015). Na figura 2 é possível visualizar a plataforma Intel Edison com um módulo ZigBee (ZB) acoplado, para aplicações em IoT.
Figura 2: Plataforma Intel Edison com módulo ZB
Quando a Internet das coisas é utilizada para aplicações industriais, passa a se chamar Internet Industrial das Coisas, ou Industrial Internet of Things, em inglês (IIoT). Aplicando as ideias de Sistemas Cyber Físicos e IoT para o domínio da automação industrial, levou à definição do conceito de indústria 4.0, onde 4.0 refere-se a uma quarta Revolução industrial habilitada pelas tecnologias de Internet para criar produtos inteligentes, e serviços inteligentes (Jasperneite et al., 2017). Comparado com outras indústrias, a Internet industrial tem um dos requisitos mais rigorosos em termos de latências e confiabilidade.
Para (Fatima et. al., 2015), com conectividade sem fio, redes de sensores avançadas e comunicações M2M (Machine to Machine – Máquina à Máquina), a automação industrial tradicional se tornará mais informatizada e eficiente do que nunca. O IoT conectará a fábrica a uma nova gama de aplicativos, que funcionam em torno da produção.
Dentre os padrões de comunicação definidos pelo IEEE (Institute of Electrical
and Electronic Engineers – Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos), o IEEE
802.15.4 é o mais presente em ambientes industriais sendo utilizado principalmente nas tecnologias 6lowPAN, ISA200, ZB e WirelessHART (Habib et al., 2015). Dos padrões citados, o ZB é um dos mais aceitos e utilizados, devido a suas características de baixa taxa de transmissão de dados, robustez a interferências, longo alcance e longa vida útil das baterias utilizadas nos dispositivos. A figura 3 ilustra um transmissor industrial, que utiliza a tecnologia ZB.
Figura 3: Transmissor industrial utilizando ZB
Com o advento da chamada Indústria 4.0, onde é aplicada o conceito de IIoT, fica evidente que cada vez mais a comunicação sem fio estará presente, e que existirá a necessidade de armazenar em nuvem os dados lidos e medidos nos processos em ambientes industriais. Para que isto seja possível, se faz necessário o uso de tecnologias que permitam acesso à Internet, e seguindo a tendência tecnológica, essa tecnologia preferencialmente é sem fio. O WiFi, sigla abreviada de Wireless Fidelity (Fidelidade sem Fio), é a principal tecnologia de comunicação sem fio utilizada para acesso à Internet. Como consequência, cada vez o ZB e o WiFi irão operar no mesmo ambiente.
Outro segmento que também utiliza redes sem fio são as Smart Grids. O termo
Smart Grid (SG), ou Rede Inteligente, se refere ao novo modelo de energia elétrica,
cujo objetivo principal é obter uma maior eficiência no consumo de energia elétrica, utilizando para isso, o uso de diferentes tecnologias relacionadas a redes de comunicação, automação, tecnologia da informação e eletrônica de potência.
No contexto de (Berger & Imiewski, 2015), as redes elétricas inteligentes são descritas como a seguir:
“Redes Elétricas Inteligentes abrangem toda a conversão de energia elétrica, transmissão, distribuição e ciclo de utilização. Elas são compostas de atuadores avançados, sensores, infraestrutura de comunicação, sistemas de TI, monitoramento avançado, controle e aplicações de tomada de decisão” (2015, pg. 3).
Dentre todas as tecnologias envolvidas em uma rede inteligente, o agente principal que garante a inteligência na rede é a comunicação de dados (Gao et al. 2012). Em SG, as redes de comunicação são utilizadas, dentre outras funções, para controle de consumo, redes de sensoriamento, análise da qualidade da tensão elétrica, etc. Sendo assim, a arquitetura de comunicação em uma rede inteligente deve ser dimensionada de tal modo que seja capaz de trocar informações de diferentes tipos entre diferentes dispositivos, coletar e analisar dados massivos rapidamente e conectar um grande número de dispositivos em rede, em diferentes tipos de sistemas.
Devido as características de baixo custo, grande número de nós em rede, baixo consumo de energia e baixa latência (Zhang et al., 2010), o NIST (National Institute of
Standards and Technology – Instituto Nacional de Padronizações e Tecnologia)
padroniza o ZB e o ZB SEP (Smart Energy Profile – Perfil de Energia Inteligente) como um dos protocolos de comunicação utilizado em SG. (Mulla et al., 2014). A figura 4 ilustra um modelo de gateway utilizado em redes para SG.
Figura 4: Gateway ZB
Fonte: XBEE (s.d.)
Conforme foi explanado, as tecnologias de comunicação sem fio estão e serão cada vez mais utilizadas nos mais diferentes cenários. Devido as suas características já citadas, o ZB é uma das tecnologias mais aplicáveis e versáteis. Porém, este protocolo de comunicação utiliza a faixa de frequência não licenciada de 2.4 GHz, onde operam diversos outros protocolos de comunicação, o que ocasiona degradação e interferência nos canais que operam nessa faixa de frequência. Uma das tecnologias que também utiliza esse mesmo espectro é o WiFi, que está presente atualmente na grande maioria das residências, onde em alguns lugares já se aplicam o conceito de SG, e em ambientes industriais, onde são e serão cada vez mais utilizados para armazenar informações em nuvens proveniente de dados extraídos em equipamentos no chão de fábrica. Como operam na mesma faixa de frequência, o ZB e o WiFi coexistem, gerando interferências mútuas entre essas duas tecnologias.
Como consequência dessa interferência, a comunicação entre os dispositivos ZB é severamente comprometida, aumentando drasticamente a BER (Bit Error Rate
– Taxa de Erro de Bit), e consequentemente, diminuindo a taxa de dados. Como as
desempenho do ZB, compromete todo o desempenho da rede. Sendo assim, se faz necessário um estudo investigativo sobre os efeitos da interferência do WiFi no ZB, visando aplicações em redes de sensoriamento, e baseado nos resultados, adotar medida de prevenção à degradação do sinal e do desempenho da rede como um todo.
1.1 Trabalhos Correlatos
Diversos trabalhos de diferentes autores tratam da questão de desempenho de redes nas mais diferentes condições, dos quais é possível destacar os seguintes autores:
No trabalho de (Shin et al., 2007), é realizado um estudo sobre a FER (Frame
Error Rate – Taxa de Erro de Quadro) do ZB, quando operando sob interferência do
WiFi, modelado no software de simulação sistêmica MODELER. Neste trabalho, é analisado o percentual de interferência do WiFi presente no canal do ZB baseado na potência do sinal.
A metodologia de pesquisa de (Shin et al., 2007) levou em consideração a análise no domínio da frequência e no domínio do tempo para analisar os efeitos da interferência mútua entre o ZB e o WiFi, no MODELER. Neste trabalho, PER (Packet
Error Rate – Taxa de Erro de Pacotes) é obtida através da BER e do tempo de colisão
das mensagens. A conclusão final é de que em distâncias maiores de 8 metros, a BER é inferior a 1.10-5, sendo, portanto, essa uma distância considerada favorável para obter um bom desempenho do ZB.
No artigo de (Clark & Pavlovski, 2010), é realizado um estudo sobre a aplicação de redes sem fio, com foco nas redes de telefonia celular. Os autores concluem que um sistema de comunicação sem fio para SG deve ser capaz de interconectar diversos dispositivos, e que as redes LTE (Long Term Evolution, Evolução de Longo Termo) tendem a ser uma das redes mais utilizadas nesse cenário.
As pesquisas bibliográficas de (Zhang et al., 2010) demostram que o ZB é uma tecnologia promissora para uso em redes de sensoriamento, pois possui uma grande capacidade de integração com outras tecnologias de comunicação.
Em (Gao et al., 2012) é realizado um estudo detalhado sobre as redes de comunicação utilizada nas SG baseado em seus conceitos do ponto de vista de implementação. Os autores destacam o uso das tecnologias cabeadas e sem fio, evidenciando os desafios encontrados na implementação sob aspectos técnicos e de desempenho. Como conclusão, os autores enfatizam que o foco de um sistema de comunicação em SG é a possibilidade de troca de informações entre a concessionária de energia e o consumidor final, através da integração com redes de tecnologia da informação.
Em (Liu et al., 2014) é realizado um estudo sobre a segurança em redes de comunicação sem fio. Os autores concluem que o maior risco de ataque ocorre em redes que possuem dispositivos com função de roteador, pois esta função é a principal porta de entrada para invasão. Os resultados sugerem que exista um caminho bem definido entre transmissor e receptor, de modo a evitar caminhos redundantes.
Em (Mulla et al., 2014), as tecnologias ZB, Bluetooth e WiFi são testadas no ponto de vista de consumo de energia. O ZB se mostrou como a tecnologia com o menor consumo dentre as três testadas.
Na dissertação de (Sousa, 2016), o desempenho do ZB e do Bluetooth são analisados em um ambiente indoor. A potência recebida, BER, SNR (Signal to Noise
Ratio – Relação Sinal Ruído) e taxa de dados foram modelados e analisados no
MODELER. Concluiu-se que o ZB demonstrou ter um desempenho melhor em quase todos os parâmetros testados, sendo possível destacar o alcance e a SNR.
Em (Mazzer, 2016), foi implementado um rádio cognitivo desenvolvido em um Rádio Definido por Software. O intuito do trabalho foi desenvolver um método de otimização do espectro de frequência em aplicação de Internet das coisas. Os resultados e os métodos implementados comprovaram que o rádio cognitivo será muito importante no cenário de IoT, devido à grande quantidade de dispositivos utilizando o mesmo espectro de frequência.
1.2 Motivação e Relevância do Tema
Frente ao exposto, nota-se que cada vez mais dispositivos estarão compartilhando o mesmo espectro de frequência, além de coexistirem. Sendo assim,
se faz necessário um estudo investigativo e uma análise de desempenho, de modo a estabelecer medidas de prevenção à degradação do sinal, que compromete o desempenho da rede de comunicação.
1.3 Objetivos
O objetivo principal dessa dissertação é analisar o desempenho do ZB, através dos parâmetros de potência recebida, BER e PER, sob interferência do WiFi padrão IEEE 802.11b e IEEE 802.11g, para aplicações em redes de sensoriamento sem fio. Os objetivos secundários são:
• Determinar a relação Sinal Ruído Interferência do ZB em relação ao WiFi, considerando a coexistência entre essas duas tecnologias;
• Analisar a BER e a PER em diferentes situações, baseado nas frequências de operação dos canais do ZB e do WiFi e na distância física entre esses dois sistemas;
• Determinar as distâncias física entre o WiFi e os dispositivos ZB, para diferentes canais de operação, visando estabelecer uma comunicação robusta e eficaz em redes que utilizam essa tecnologia.
1.4 Contribuições
Os resultados obtidos nessa dissertação permitem um melhor entendimento dos efeitos das interferências do WiFi no ZB, facilitando a implementação de uma rede de comunicação sem fio.
1.5 Organização da Dissertação
Além deste capítulo introdutório, onde é contextualizado o cenário atual das redes de sensoriamento sem fio, essa dissertação está organizada da seguinte forma:
O capítulo 2 é destinado ao estudo da tecnologia ZB e WiFi, suas relações com a camada OSI, os diferentes padrões do protocolo, as camadas de acesso, características de rede e suas configurações.
O capítulo 3 é destinado ao estudo e estado da arte da coexistência entre as tecnologias ZB e WiFi, bem como os efeitos da interferência no desempenho do ZB. É mostrado as etapas de validação do desempenho do ZB sob interferência do WiFi em uma câmara anecóica.
O capítulo 4 é destinado as análises dos resultados do desempenho do ZB sob interferência do WiFi em um ambiente indoor, além de mostrar as etapas de desenvolvimento de um sistema de comunicação ZB, onde este coexista com redes WiFi.
Por fim, o capítulo 5 é destinado as conclusões finais a respeito dos experimentos e análises dos resultados, bem como a sugestões de trabalhos futuros.
2. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO
Neste capítulo, são descritas as características das duas tecnologias estudadas neste trabalho: o ZB e o WiFi.
2.1 Tecnologia WiFi
O WiFi surgiu com a intenção de conectar computadores e outros dispositivos a 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 (Haykin & Moher, 2008). 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.
2.1.1 Padrões da Tecnologia WiFi
O primeiro padrão do WiFi surgiu a 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 – Multiplexão 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. 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 IEEE 802.11b), 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.
Em 2012, foi lançado o padrão IEEE 802.11ac, que possui taxas de transferência acima de 1300 Mbits/s, utilizando, para isso, a 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 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.
2.1.2 As Camadas do WiFi
As camadas do WiFi seguem o modelo OSI (Open System Interconnection – Sistema Aberto de Interconexão), conforme figura 5:
Figura 5: Arquitetura das camadas do WiFi
802 Overview and Architecture 802.1 Management 802.2 Logical Link Control (LLC)
802.3 MAC PHY 802.5 MAC PHY 802.11 MAC 802.11a OFDM PHY 802.11b HR/DSSS PHY 802.11g OFDM PHY
Data Link layer LCC Sublayer MAC sublayer Physical Layer 802.11n MIMO-OFDM PHY 802.11ac MIMO-OFDM PHY
Camada Física
A camada física é responsável pela transmissão dos bits por um canal de comunicação (Tanenbaum, 2003). É nessa camada que são tratados os níveis de tensão para transmissão do sinal da informação, tempo de duração de cada bit, modo de transmissão, tipos de codificação, etc. É constituído basicamente por um Transmissor, um Receptor e um Canal de Comunicação (Haykin & Moher, 2008). As informações são transmitidas por diferentes tipos de modulação e codificação, que são alteradas de acordo com o nível de potência detectado. Os esquemas de modulação utilizados no WiFi são: BPSK (Binary Phase-Shift Keying – Chaveamento por Deslocamento de Fase Binária), QPSK (Quartenary Phase-Shift Keying - Chaveamento por Deslocamento de Fase Quaternária), 16QAM (Quadrature
Amplitude Modulation – Modulação em Amplitude e Quadratura), 64QAM, e 256QAM.
Visando um melhor aproveitamento da banda de frequência para transmissão de dados, e um melhor desempenho a ruídos e interferências, o WiFi utiliza algumas técnicas de modulação e ganho de processamento, descritas a seguir.
Espalhamento Espectral
A técnica de espalhamento espectral consiste em espalhar a informação em uma banda muito maior que a necessária para sua transmissão. Dessa forma, a densidade média de energia é menor no espectro equivalente ao sinal original. A vantagem dessa técnica é que a quantidade de energia por banda torna-se pequena, garantindo maior imunidade a interferências, menor probabilidade de interceptação e redução dos efeitos de desvanecimento. A figura 6 ilustra em blocos, essa técnica.
Figura 6: Modelo de espalhamento espectral em comunicação digital
CODIFICADOR MODULADOR CANAL
DADOS BINÁRIOS DADOS DE SAÍDA DEMODULADOR DECODIFICADOR CÓDIGO PSEUDO-ALEATÓRIO CÓDIGO PSEUDO-ALEATÓRIO Fonte: Autor
Espalhamento Espectral por Sequência Direta
Também conhecida como DSSS, essa técnica fundamenta-se em combinar o sinal da informação com um código cuja taxa é bem superior, com propriedades específicas de correlação. Como resultado, obtêm-se uma informação que utiliza uma banda muito maior do espectro do que seria necessário para transmitir a informação (Sanches, 2005).
Sabe-se que a largura de faixa de um sinal é proporcional a sua taxa de bits. Sendo assim, a técnica DSSS combina dois sinais, o da informação e um outro sinal como código, com uma taxa de bits bastante elevada (Holmes, 2007). Cada bit codificado recebe o nome de chip. A técnica DSSS multiplica a portadora de rádio frequência (RF) com uma sequência pseudoaleatória também chamada de
pseudo-noise (PN) (Proakis & Salehi, 2008). O código PN é modulado sobre o sinal de
informação e posteriormente é multiplicado com a portadora de RF e a informação modulada do sinal, utilizando um misturador duplamente equilibrado.
Os atuais padrões do WiFi utilizam OFDM, mas mantém compatibilidade com as versões anteriores que utilizam o DSSS.
Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais
OFDM é uma técnica de modulação que utiliza múltiplas subportadoras, com menor largura de banda, permitindo a transmissão de dados em fluxos paralelos. A ortogonalidade permite que uma subportadora não interfira na outra. A principal vantagem dessa técnica é que ela pode obter a mesma taxa de transferência com maior resistência a condições adversas do ambiente, como por exemplo múltiplos caminhos, além de possuir uma maior robustez contra ruído impulsivo.
Sistemas de Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas
Os sistemas que utilizam apenas uma antena para transmissão e uma antena para recepção, ou seja, sistemas SISO (Single Input Single Output - Única Entrada e Única Saída), são limitados do ponto de vista de capacidade de transmissão. Os sistemas MIMO surgiram como uma proposta de aumentar a capacidade do canal e
oferecer maior confiabilidade de comunicação (Casella, 2004). Os padrões IEEE 802.11n e IEEE 802.11ac utilizam a técnica MIMO, juntamente com a OFDM.
Camada de Enlace
A principal função da camada de enlace de dados é converter o fluxo de dados em forma de bits de informação oriundos da camada física, em uma linha que pareça livre de erros (Tanenbaum, 2003). Para isto, a cama de enlace agrupa esses bits recebidos em quadros de dados, geralmente com centenas ou milhares de bytes. Caso o receptor receba a informação de forma correta, é enviado de volta um quadro de confirmação. Essa camada é subdividida em duas: LLC (Logical Link Control – Controle de Enlace Lógico) e MAC (Medium Access Control – Controle de Acesso ao Meio) (Sousa, 2011).
Subcamada de Enlace Lógico
A função da camada LLC é fornecer o controle de fluxo e correção de erros para as camadas superiores (Forouzan, 2007). Pode oferecer três tipos de serviços: serviço orientado à conexão, serviço não orientado a conexão à conexão com reconhecimento e serviço não orientado à conexão sem reconhecimento (Maia, 2013). No serviço orientado a conexão, é estabelecida uma conexão entre as estações antes de se iniciar a transmissão, de modo a garantir a entrega dos quadros e controle do fluxo. No serviço não orientado à conexão com reconhecimento, a conexão lógica não estabelecida, porém, a garantia de entrega e sequência dos quadros existe. No serviço não orientado à conexão sem reconhecimento, não é estabelecida a conexão lógico entre as estações e não existe a garantia de entrega dos quadros, porém, oferece o melhor desempenho.
Subcamada de Controle e Acesso ao Meio
A camada MAC é responsável por selecionar, entre vários, qual será o usuário que estabelecerá uma conexão em canal de comunicação. Sua função é suportar estratégias de acesso múltiplo ao meio. Essa camada define dois métodos de acesso diferentes: o método CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance - Acesso Múltiplo com Verificação de Portadora com Prevenção de
Colisão), que utiliza DCF (Distributed Coordination Function – Função de Coordenação Distribuida) e o método PCF (Point Coordination Function – Função de Coordenação do Ponto).
No método CSMA/CA, se a rede estiver congestionada, a transmissão é diferida, e caso contrário, a comunicação é efetuada. No método PCF, uma estação somente pode transmitir se for autorizada, e somente pode receber se for selecionada.
2.1.3 Esquemas de Modulação do IEEE 802.11b
O padrão IEEE 802.11b utiliza os esquemas de modulação BPSK e QPSK, de forma dinâmica. De modo a evitar os erros na transmissão, a modulação do WiFi muda, dependendo da SNR.
De acordo com a taxa de transmissão de dados, são utilizadas técnicas próprias de codificação, gerando diferentes taxas de dados e diferentes taxas de símbolos. Nas taxas de 1 Mbps e 2 Mbps, é utilizado o código de Barker, e nas taxas de 5,5 Mbps e 11Mbps é utilizado o código CCK (Complementary Code Keying – Chaveamento por Código Complementar).
O código de Barker é um conjunto de 11 bits que é OU EXCLUSIVO com o fluxo de dados, que gera uma série de objetos chamado chips. Sendo assim, cada bit de dado é composto por 11 chips de código de espalhamento. A tabela 1 ilustra os esquemas de modulação utilizados pelo IEEE 802.11b, para cada taxa de dados.
Tabela 1: Características de modulação do IEEE 802.11b
Estrutura do Quadro do IEEE 802.11b
O quadro do IEEE 802.11b, também conhecido como PPDU (Physical Protocol
Data Unit – Unidade de Dados do Protocolo Físico), pode ser visualizado na figura 7. Figura 7: Estrutura do Quadro do IEEE 802.11b
Fonte: Autor
O quadro é dividido em 3 partes: preâmbulo PLCP (Physical Convergence
Procedure – Procedimento de Convergência Física), cabeçalho PLCP e carga útil. Os
primeiros 128 bits do quadro são utilizados para sincronização, seguidos de 16 bits denominado SFD (Start of Frame Delimiter – Delimitador de Início de Quadro) utilizado para delimitar o tamanho do quadro, o campo Sinal é utilizado para informar o tipo de modulação utilizado, os campos Serviço e Tamanho contém informações sobre o tamanho do quadro e o tempo necessário para sua transmissão, o campo HEC (Header Error Check – Verificador de Erro de Cabeçalho), é utilizado para verificação de erro.
2.1.4 Esquemas de Modulação do IEEE 802.11g
Para a transmissão de dados, o padrão IEEE 802.11g utiliza a técnica OFDM, constituída de um total de 64 subportadoras, sendo que 48 delas são utilizadas para dados, 4 são utilizadas como piloto e 12 subportadores são zeradas, de modo a evitar interferência com canais adjacentes. Os esquemas de modulação utilizados, bem como as suas taxas de dados, são ilustrados na tabela 2 abaixo.
Tabela 2: Características de modulação do IEEE 802.11g
Fonte: Autor
Estrutura do Quadro do IEEE 802.11g
A estrutura do quadro do IEEE 802.11g pode ser visualizado na figura 8.
Figura 8: Estrutura do Quadro do IEEE 802.11g
Fonte: Autor
As nomenclaturas utilizadas são as mesmas citadas no padrão anterior, com a inclusão dos seguintes campos CRC (Cyclic Redundance Check - Verificador de Redundância Cíclica), que é utilizado como um verificador de erros, e os campos da PSDU (Physical Service Data Unit – Unidade de Dados de Serviço Físico), que são utilizados para a transmissão e controle de dados utilizando a modulação OFDM.
2.1.5 Infraestrutura de Rede
Na rede local sem fio IEEE 802.11 as estações são agrupadas em conjuntos, denominado BSS (Basic Service Set – Conjunto de Serviço Básico). As estações BSS podem ser organizadas de duas formas: infraestruturada ou ad hoc. Uma rede infraestrutura é caracterizada pela presença de um ponto de acesso que tem a função de centralizar a conexão entre as estações dentro de uma BSS. Em uma rede ad hoc, não existe a necessidade de um ponto de acesso para troca de informações, conforme figura 9.
Figura 9: Arquiteturas de Redes do WiFi Infraestruturada
Ad hoc
Fonte: Autor
2.2 Tecnologia ZB
A tecnologia ZB 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). O nome ZB deriva da palavra zig, referente ao
zigue-zague que as abelhas fazem e Bee, do próprio nome abelha, em inglês. O ZB suporta um grande número de nós na rede, possui baixo consumo de energia e baixo custo de aquisição (Chang et al., 2015).
Na indústria, 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 (Lugli & Santos, 2015). Os canais do ZB podem ser vistos na figura 10, e suas características de transmissão são ilustradas na figura 11.
Figura 10: Frequência dos canais do ZB
Fonte: Adaptado de Gislason (2008)
Figura 11: Canais de operação do ZB
Fonte: Autor
2.2.1 Configurações do ZB
O padrão IEEE 802.15.4 pode operar em dois modos diferentes: Beacon
transmitir mensagens de broadcast com o objetivo de sincronizar os dispositivos conectados à rede. No modo No-Beacon não envia as mensagens periodicamente, mas pode enviar para um dispositivo específico na rede que esteja solicitando (Sousa, 2016).
De maneira geral, existem dois tipos de ZB: o FFD (Full Function Device – Dispositivo de Função Completa), que pode ser configurado como coordenador ou roteador, e o RFD (Reduced Function Device – Dispositivo de Função Reduzida), que somente pode ser configurado como dispositivo final. Os dispositivos ZB podem ser configurados de 3 formas diferentes: Coordenador, Roteador e Dispositivo Final, conforme figura 12.
Figura 12: Configurações do ZB.
Fonte: Autor
O ZB Coordinator (ZC) é responsável pela inicialização dos dispositivos da rede, escolha do canal de comunicação, distribuição dos endereços, reconhecimento dos nós e manutenção da rede.
O ZB Router (ZR) tem a função de encaminhar as mensagens entre os nós da rede, e por este motivo é geralmente utilizado nas topologias malha e árvore. Caso alguma mensagem seja proveniente de um destinatário desconhecido, este dispositivo envia uma solicitação de rota, de modo a obter a localização do destinatário.
O ZB End Device (ZED) são os dispositivos de terminação da rede, onde são os responsáveis pela leitura de sensores, atuação em elementos finais de controle,
etc. Nesta configuração, o ZB se comunica apenas com o ZC e o ZR. Quando estão inativos, entram em modo sleep para economizar energia.
De modo a evitar colisão na transmissão e recepção das mensagens, o padrão IEEE 802.15.4 utiliza o CSMA-CA e GTS (Guaranteed Time Slots – Intervalo de Tempos Garantidos). No método CSMA-CA, o ZB analisa o nível de energia de um canal de frequência e de acordo com esse valor, aguarda um intervalo de tempo e envia novamente. No método GTS, cada dispositivo na rede possui um determinado tempo para transmissão. Dessa forma, cada dispositivo na rede sabe exatamente o seu momento de transmitir.
2.2.2 Topologias de Rede do ZB
A tecnologia ZB permite a configuração de 3 modos em rede: Malha, Árvore e Estrela, conforme figura 13.
Figura 13: Topologias de rede do ZB.
Fonte: Autor
Rede em Malha – Constituído por coordenador, roteadores e dispositivos finais, essa rede apresenta um alto grau de robustez, tendo em vista que caso ocorra uma falha na comunicação, os roteadores se encarregam de procurar um outro caminho para que a mensagem chegue ao destinatário.
Rede em Árvore –. Essa topologia é a mais hierárquica dentre as três possíveis no ZB, pois somente o roteador atua sobre o dispositivo final e o somente o coordenador atua sobre roteador.
Rede em Estrela – Nesta configuração, somente existem o ZC e o ZED. A vantagem nesta rede é a simplicidade e consequente o desempenho, pois toda a comunicação passa somente pelo coordenador. Sua maior desvantagem é o fato de caso o coordenador falhe em algum momento, toda a rede é comprometida.
2.2.3 As Camadas do ZB
As camadas do ZB são divididas em três partes, cada uma delas padronizada por uma instituição. O IEEE é responsável pela definição das camadas física e enlace, enquanto a ZB Alliance é responsável pela camada de rede, aplicação e suporte à aplicação (figura 14). Figura 14: Camadas do ZB. PHY MAC Rede Segurança Criptografia API Aplicação Customizável ZigBee Alliance IEEE 802.15.4
Fonte: Adaptado de Lugli & Santos (2015)
2.2.4 Camada Física
A camada física do padrão IEEE 802.15.4 é a responsável pelo envio das PDU (Protocol Data Units – Unidade de Protocolo de Dados). Também é responsabilidade
da camada física: indicar a qualidade da conexão, identificar canais livres e detectar suas potências. O padrão ZB que opera na faixa de frequência de 868 MHz e 915 MHz utilizam a modulação BPSK juntamente com a técnica DSSS. O padrão utilizado neste trabalho, opera na frequência de 2.4 GHz, utiliza a modulação OQPSK (Offset
Quartenary Phase-Shift Keying – Chaveamento por Mudança de Fase Quaternária
Deslocada) juntamente com a técnica DSSS com ganho de processamento igual a 8. O esquema de modulação do padrão IEEE 802.15.4 é ilustrado na figura 15 a seguir:
Figura 15: Esquema de modulação do IEEE 802.15.4
BIT PARA SÍMBOLO SÍMBOLO PARA CHIP MODULADOR OQPSK DADOS BINÁRIOS SINAL MODULADO 4 BITS = 1 SÍMBOLO 1 SIMBOLO = 1 CHIP (32 BITS) Fonte: Autor
Os dados binários da informação são transformados em símbolos, de modo que cada símbolo possui um total de 4 bits. Após esse processo, cada símbolo é codificado em 1 chip, com tamanho total de 32 bits, conforme figura 16.
Figura 16: Valores de chips
Os chips são então inseridos a um modulador OQPSK para que possam ser transmitidos. O esquema de um modulador OQPSK é ilustrado na figura 17.
Figura 17: Modulador OQPSK
CHIP (32 bits) DELAY (DESLOCAMENTO) SINAL MODULADO 0QPSK S/P OSCILADOR cos 2πft -sen 2πft Q(t) I(t) Fonte: Autor 2.2.5 Camada MAC
A camada MAC é responsável por selecionar, entre vários, qual será o usuário que estabelecerá uma conexão em canal de comunicação. Sua função é suportar estratégias de acesso múltiplo ao meio. (Haykin & Moher, 2008).
A estrutura do Quadro do ZB é ilustrada na figura 18 a seguir.
Figura 18: Estrutura do quadro do ZB
O quadro denominado PPDU compõem toda a informação utilizada no ZB, e é dividido em 3 partes:
• Synchronization Header (Cabeçalho de Sincronização): responsável pelo sincronismo no recebimento dos pacotes de informação. Possui um preâmbulo de 4 bytes e um byte de delimitação do pacote SFD (11100101).
• PHY Header: (Cabeçalho Físico): contém a informação do tamanho do quadro. • PHY Payload: (Carga Fìsica): possui os dados da camada de enlace. Na camada MAC, é denominado MPDU (MAC Protocol Data Unit – Unidade de Dados do Protocolo MAC).
O quadro MPDU (MAC) é detalhado a seguir:
• Frame Control (Controle de Quadro): determina o formato de todo o quadro e seu conteúdo.
• Sequence Number (Número de Sequência): byte responsável pelo envio do
beacon.
• Adressing Fields (Campo de Endereçamento): responsável pelos endereços dos dispositivos na rede, para envio e recebimento de dados.
• MAC Payload (Campo de Carga): possui um tamanho variável. Seus dados variam de acordo com o tipo de quadro.
• FCS (Frame Check Sequence – Verificador de Sequência de Quadro): rodapé do cabeçalho.
2.2.6 Dispositivos XBEE
Os dispositivos XBEE são módulos de comunicação sem fio que possuem o
hardware e a lógica necessária para implementação de uma rede ZB. Os principais
modelos encontrados são o XBEE S1, XBEE S2 e XBEE PRO. Exemplos de dispositivos XBEE comercial são ilustrados na figura 19 a seguir.
Figura 19: Dispositivos XBEE
Fonte: Adaptado de Gislason (2008)
A principal diferença entre os dispositivos é a potência de transmissão e a sensibilidade do receptor. A tabela 3 abaixo compara os principais módulos XBEE.
Tabela 3: Comparativo entre os modulos XBEE
3. INTERFERÊNCIA ENTRE REDES WIFI E SISTEMAS ZB
O termo interferência eletromagnética pode ser definida como qualquer emissão que coloca em risco o funcionamento de um dispositivo, degradando, obstruindo ou interrompendo seriamente e de forma repetida qualquer transferência de dados ou energia entre dispositivos (Egydio, 2014). Ruído é definido como um sinal indesejado e aleatório que compromete o desempenho de um sistema de comunicação (Bottachi, 2008). De acordo com Crilly & Carlson (2010), sinais de ruídos e interferência degradam da mesma forma no desempenho de um sistema de comunicação sem fio.
Como operam na mesma faixa de frequência, dependendo dos canais de operação, o ZB e o WiFi podem interferir um no outro, gerando problemas de comunicação ocasionados pela degradação do sinal. A figura 20 ilustra os canais de operação do ZB e do WiFi na faixa não licenciada de 2.4 GHz.
Figura 20: Canais de operação do ZB e do WiFi
Pela figura, é possível notar que alguns canais do ZB operam de forma sobrepostas com os canais do WiFi. É possível notar também que existem um padrão de sobreposição, isto é, as frequências centrais dos canais do ZB estão distanciadas em 2 MHz, 3 MHz, 7 MHz e 8 MHz em relação a frequência central dos canais do WiFi, ou fora da zona de sobreposição. Quanto maior for a sobreposição entre os sinais, ou seja, quanto menor for a diferença entre o valor da frequência central do canal do WiFi em relação ao valor da frequência central do canal do ZB, maior será o nível de interferência e consequentemente, pior será o desempenho do ZB. Esse distanciamento entre os centros das frequências é denominado offset, e é representado pela letra 𝑟.
Alguns trabalhos abordam a questão do desempenho do ZB sob interferência do WiFi, dos quais é possível destacar:
Em (Yi et al., 2011) é realizado um estudo teórico e prático sobre a interferência do WiFi nos canais de comunicação do ZB. Os resultados obtidos mostram que o sinal do WiFi interfere no ZB até uma distância de 8 metros, e a partir dessa distância, a interferência é praticamente desprezível. Outra forma de evitar a interferência é utilizar um canal do ZB com uma frequência de offset de 8 MHz, em comparação com o canal do WiFi. Dessa forma, a interferência também é desprezível.
Em (Noes, 2017), o autor propõe uma solução baseado em codificação para elevar a robustez em sistemas de comunicação que operam com espalhamento espectral contra ataques Jamming. Os resultados demonstram que para garantir um bom desempenho, uma das possibilidades é a utilização combinada de DSSS e FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – Espalhamento Espectral por Salto de Frequência).
Em (Junior, 2017), é realizado um estudo prático, onde um algoritmo baseado em inteligência artificial, com ênfase na Lógica Paraconsistente, é utilizado para estimar a qualidade do sinal do ZB sob interferência de banda. As células artificiais paraconsistentes se mostraram uma ferramenta promissora para estimar a qualidade de enlace em sistemas de comunicação sem fio.
3.1 Determinação da BER em Sistemas ZB
De acordo com a norma IEEE 802.15.4, a BER para a tecnologia ZB, sob interferência do WiFi, é obtida a partir da equação 3.1,
𝐵𝐸𝑅 = 8 15 . 1 16 . ∑ −1𝑘(16𝑘) 𝑒( (𝑁𝑏𝑤𝑙𝑜𝑔.𝑅𝑐.(1+𝑎) 24 𝑅𝑏 ).𝑆𝐼𝑁𝑅.(1𝑘−1) ) 16 𝑘=2 3.1
onde 𝑁𝑏𝑤 é o número de bits por word no ZB, 𝑅𝑐 é a taxa de chips, 𝑎 é o fator que indica a largura de banda que excede a banda ideal do canal, 𝑅𝑏 é a taxa de bits e 𝑆𝐼𝑁𝑅 representa a relação Sinal Ruído Interferência (Signal to Interference Noise
Ratio), obtida à partir de 3.2,
𝑆𝐼𝑁𝑅 = ( 𝑃𝑆 𝑃𝑁+ ∑𝑁𝑖 𝑃𝑖
𝑁=1
) 3.2
onde 𝑃𝑆 é a potência do sinal, 𝑃𝑖 é a soma das potências da interferência e 𝑃𝑁 é a potência do ruído térmico, calculada a partir de 3.3, descrita em (Ziemer & Tranter, 2015).
𝑃𝑁 = 𝐾. 𝑇. 𝐵 3.3
onde 𝐾 é a constante de Boltzmann (1,38.10-23), 𝑇 é a temperatura em Kelvin e 𝐵 é a largura de banda efetiva do canal de comunicação.
Considerando que o ZB possui 4 bits por word, taxa de chips de 2 Mcps, taxa de bits de 250 Kbps, e 𝑎 igual a 0,25 (utilizado pela norma IEEE 802.15.4), a expressão da BER pode ser resumida em 3.4.
𝐵𝐸𝑅 = 8 15 . 1 16 . ∑ −1𝑘(16𝑘) 𝑒 (20.𝑆𝐼𝑁𝑅.(1𝑘−1)) 16 𝑘=2 3.4
Nestas condições, o desempenho do ZB sob interferência, é ilustrado na figura 21, para diferentes valores de 𝑆𝐼𝑁𝑅. Pela figura, é possível notar que pequenos decréscimos na SINR ocasionam um grande aumento na BER.
É possível notar também que o IEEE 802.15.4 possui um alto desempenho a interferências, pois com baixos valores de SINR a BER se mantém em baixos níveis. Comparado com outros protocolos, esse padrão é um dos mais imunes a interferências.
Figura 21: Desempenho do ZB sob interferência
Fonte: Autor
3.2 Desempenho do ZB sob interferência do WiFi
Para analisar o desempenho do ZB sob interferência do WiFi em situações reais, se faz necessário determinar o valor da SINR por meio de medições práticas. Os testes foram realizados em uma câmara anecóica, localizada no laboratório de Informação e Comunicação da Universidade Federal do ABC.
3.2.1 Metodologia para determinação da SINR através de testes práticos na câmara anecóica
Utilizadas para realizar medidas de RF que requerem alta sensibilidade (Scott & Frobenius, 2008), as câmaras anecóicas possuem como principal característica a alta imunidade a ruídos externos (Heleno, 2006). Estas, também possuem
absorvedores de RF que evitam a reflexão dos sinais presentes em seu interior, de modo a simular um ambiente semelhante ao espaço livre.
A câmara utilizada, modelo SpaceSaver H26 da ETS-Lindgren, possui atenuação in out de 110 dB e imunidade irradiada compreendida na faixa de 26 MHz a 40 GHz, garantindo que em seu interior só existem os sinais do ZB e do WiFi, e com isso, é possível determinar com precisão a 𝑆𝐼𝑁𝑅. A figura 22 ilustra o setup utilizado para os testes.
Figura 22: Setup utilizado nos Testes Práticos
1m 1m à 4m Roteador WiFi ZigBee Transmissor ZigBee Receptor PC-A Monitoramento da Transmissão WiFi PC-C Controle da Transmissão e Recepção ZigBee PC-B Monitoramento da Recepção WiFi Fonte: Autor 3.2.2 Hardware Utilizado
Nos testes práticos, foram utilizados os seguintes equipamentos:
• Dois módulos XBEE com o chip XB24-Z7WIT-004;
• Duas placas adaptadora para o XBEE, provida de um chip conversor de USB para serial;
• Dois cabos USB padrão mini; • Um roteador DLINK, modelo N150;
• Dois computadores (PC-A e PC-B) com sistema operacional Windows 7, 4GB de memória RAM e processador Core i5;
• Um computador (PC-C) com sistema operacional Windows 7, 4GB de memória RAM e processador Core i3.
Os dispositivos ZB utilizados na comunicação, bem como suas placas adaptadoras USB podem ser visualizados na figura 23.
Figura 23: Dispositivos ZB utilizados nos testes
Fonte: Autor
3.2.3 Software Utilizado
• Cliente-Servidor: utilizado para conectar e controlar a transmissão e a recepção dos computadores com o roteador (Esteves, 2018);
• X-CTU: utilizado para controlar a transmissão e a recepção entre os dispositivos ZB (XBEE, 2018).
3.2.4 Preparação dos Testes
A figura 24 ilustra a disposição dos equipamentos utilizados nos ensaios, no interior da câmara anecóica. O destaque em vermelho identificado como “A” ilustra os dispositivos ZB instalados, e o destaque em amarelo identificado como “B” indica a posição do roteador.
Foram utilizadas medidas precisas de distância de altura entre antenas, bem como a distância entre as duas tecnologias envolvidas nos testes.
Figura 24: Disposição dos equipamentos utilizados nos testes
Fonte: Autor
Inicialmente, o roteador utilizado foi configurado para operar somente no padrão IEEE 802.11b. Em seguida, foi utilizado o programa Cliente-Servidor para realizar a comunicação entre dois dos três computadores conectados ao mesmo roteador (PC-A com o PC-B). A interface do programa Cliente-Servidor é ilustrada na figura 25 a seguir:
Figura 25: Interface do programa cliente-servidor
Fonte: Autor
Ao abrir o programa, a janela SERVIDOR mostra o endereço de IP do computador que irá receber 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. O arquivo escolhido para envio tem tamanho de 181 MB. Esse programa foi utilizado para enviar massivamente o arquivo de um computador para outro, a fim de utilizar o roteador visando gerar um espectro de frequência constante de interferência.
Utilizando o software X-CTU, os módulos XBEE foram configurados como ZB Coordenador (ZC) e ZB Roteador (ZR), operando no canal 21 (0x15 em hexadecimal), cuja frequência está compreendida entre 2454 MHz e 2456 MHz. Para uma melhor comunicação entre os módulos, a verificação de canais e o modo API foram habilitados, e o modo sleep foi desabilitado. Na transmissão entre os dispositivos, foi criado um pacote com 70 bytes de dados.
Para ocorrer a sobreposição dos canais, foram utilizados os canais 8 (8 MHz de offset), 9 (3 MHz de offset), 10 (2 MHz de offset) e 11(7 MHz de offset) do Roteador. A figura 26 ilustra os canais utilizados do ZB e do WiFi, como destaque nas frequências de offset.
Figura 26: Canais utilziados do ZB e do WiFi
A tabela 4 ilustra os canais de operação do WiFi e do ZB, com destaque nos canais utilizados.
Tabela 4: Canais do WiFi e do ZB
Fonte: Autor
3.2.5 Medição das Potências do ZB e do WiFi
Para a obtenção da 𝑆𝐼𝑁𝑅, é necessário conhecer as potências recebidas do WiFi e do ZC no ZR. Pra isso, foi estabelecida a comunicação e a troca do arquivo do PC-A para o PC-B, utilizando o roteador e gerando assim o sinal interferente.
Os dispositivos ZB foram instalados a uma distância fixa de 1 metro entre ZC (transmissor) e ZR (receptor), e a uma distância variável de 1 a 4 metros do roteador. Enquanto o arquivo era transmitido entre os computadores PC-A e PC-B via roteador, a potência do WiFi era medida no ZR através de um analisador de espectros, conforme figura 27.
No destaquem, é possível observar o posicionamento dos dispositivos ZR e ZC, a uma distância fixa de 1 metro.
Figura 27: Instalação dos dispositivos ZB para medição das potências
Fonte: Autor
Este teste foi realizado 4 vezes, 1 vez para cada distância (compreendida entre 1 e 4 metros, com passos de 1 metro).
Após a medição da potência do WiFi configurado no padrão IEEE 802.11b, foi alterado o padrão para IEEE 802.11g, e realizada novamente as mesmas medições. Os valores de potência medidos com o analisador de espectros podem ser observados na tabela 5.
Tabela 5: Valores medidos do WiFi
Fonte: Autor
Utilizando o software inSSIDer Home versão 3.1.2.1 (figura 28) instalado no PCC, as medidas de potência do WiFi próximo ao ZR foram de aproximadamente -3dBm em relação à potência medida pelo analisador. Esse programa se mostrou
