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ADRIANO DE ALMEIDA GOES
MODELO DE PROPAGAÇÃO EMPÍRICO PARA SISTEMAS RFID PASSIVO
CAMPINAS 2014
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
CAMPINAS 2014
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas para obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica na área de concentração Telecomunicações e Telemática.
Doctorate thesis presented to the Electrical Engineering Post graduation Program of the School of Electrical Engineering of the University of Campinas to obtain the Ph.D. grade in Electrical Engineering, in field of Telecommunication and Telematics.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO ADRIANO ALMEIDA GOES E ORIENTADA PELO PROF. DR. PAULO CARDIERI Assinatura do Orientador
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ADRIANO DE ALMEIDA GOES
MODELO DE PROPAGAÇÃO EMPÍRICO PARA SISTEMAS RFID PASSIVO
EMPIRICAL PROPAGATION MODEL FOR PASSIVE RFID SYSTEMS
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Emprirical propagation model for RFID passive systems Palavras-chave em inglês:
RFID
Wave propagation Semi-empirical models Radio frequency
Área de concentração: Telecomunicações e Telemática Titulação: Doutor em Engenharia Elétrica
Banca examinadora:
Paulo Cardieri [Orientador] Ugo Silva Dias
Álvaro Augusto Machado de Medeiros José Cândido Silveira Santos Filho Renato da Rocha Lopes
Data de defesa: 30-09-2014
RESUMO
Esse trabalho apresenta resultados de medidas experimentais de propagação em sistemas RFID passivos, visando o desenvolvimento de uma ferramenta para o projeto e implantação de tais sistemas. Particularmente, a perda de percurso de rádio a partir de um leitor de RFID até um TAG, e de volta ao leitor é caracterizada na faixa de 915 MHz, para diferentes distâncias de separação leitor-TAG, alturas de TAG e altura de antena do leitor.
Vários cenários de propagação foram considerados, incluindo ambientes exteriores e inte-riores, para os quais foi colhido um extenso número de medidas. Os dados de campo são, então, comparados a uma versão melhorada do modelo clássico de perda de percurso (2-raios), ajustada para incluir também os padrões diretivos de radiação da antena no leitor.
Além disso, foi investigado, por meio da análise de medidas de campo, o efeito da mobili-dade do TAG no sinal recebido no leitor. Para a coleta das medidas, foi construído um aparato composto de uma esteira de velocidade controlada, onde foram instalados TAGs de teste. Os re-sultados mostraram que a mobilidade do TAG provoca uma diminuição do valor médio e um au-mento da variância do sinal recebido no leitor. Essa atenuação extra e a variância do sinal são fracamente afetadas pelo valor da velocidade.
Por fim, esses efeitos de propagação são incorporados em um modelo matemático, que pode ser utilizado para a simulação e planejamento de sistemas RFID.
ABSTRACT
Results of measurement campaigns carried out aiming at the development of a tool for de-sign, deployment, and analysis of RFID systems are shown. Particularly, radio path loss between a RFID reader and the test TAG on both directions is characterized at the 915 MHz band. The path loss is estimated based on the received signal strength measured at the reader, for different reader– TAG separation distances and different antenna TAG heights.
Several propagation scenarios have been considered, including outdoor and indoor envi-ronments, for which an extensive number of typical real manufacturing plants have been chosen. Measurement data are then compared to a proposed novel, improved version of the classical 2-ray path loss model, adjusted to include non-omnidirectional antenna radiation patterns at the reader. In addition, the effect of TAG mobility on the received signal at the reader was also inves-tigated, by means of field measurements. To collect the measurement data, an apparatus was de-signed and built, consisting of a mat of controlled speed, on which test TAGs were installed. The results showed that TAG mobility decreases the average value and increases the variance of the received signal at the reader. This extra attenuation and the increased variance of the signal are not strongly affected by the value of TAG speed.
Finally, these two effects are incorporated into a novel mathematical model that can be used for simulation and planning of RFID systems.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 1
BENEFÍCIOS DA TECNOLOGIA RFID ... 3
PROCESSO DE LEITURA DE UM TAG ... 5
DIFICULDADES SISTÊMICAS ... 6
A NECESSIDADE DE SE CONSTRUIR UM NOVO MODELO ... 8
2 MODELAGEM DO SISTEMA RFID PASSIVO OPERANDO EM UHF 915MHZ ... 10
TRABALHOS RELACIONADOS ... 10
DESCRIÇÃO DE AMBIENTES DE PROPAGAÇÃO ... 13
MODELO FÍSICO DOS CENÁRIOS INVESTIGADOS ... 19
Enlace de Descida – Leitor para TAG ... 20
Enlace de Subida – TAG para Leitor ... 21
DIVISÃO SISTÊMICA DO PROBLEMA ... 22
3 ANÁLISE SOBRE A PERDA DE PERCURSO SEM MOBILIDADE ... 23
MODELO DE 2-RAIOS ESTENDIDO ... 24
MEDIDAS EM CAMPO ... 27
Procedimento para medição ... 27
Cenários de Propagação Investigados ... 29
RESULTADOS ... 32
Análise da perda de percurso para a orientação horizontal do TAG ... 33
Análise da perda de percurso para a orientação Vertical do TAG ... 37
Análise da perda de percurso para alturas iguais de antena de leitor e de TAG ... 40
Conclusões... 43
4 ANÁLISE SOBRE A PERDA DE PERCURSO COM MOBILIDADE ... 44
INTRODUÇÃO ... 44
DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO CONSTRUÍDO PARA A COLETA DE DADOS ... 44
COLETA E PROCESSAMENTO DAS MEDIDAS ... 47
RESULTADOS ... 48
CONCLUSÃO ... 52
CENÁRIO DE REFERÊNCIA ... 53
Modelo matemático ... 54
O FATOR DE TILT PARA ANTENA (ΓD) ... 55
O FATOR DE MOBILIDADE (ΝF) ... 57
RESULTADOS ... 57
CONCLUSÃO ... 60
6 TRABALHOS FUTUROS ... 62
7 REFERÊNCIAS ... 63
8 APÊNDICE I - PLATAFORMA PARA TESTES DE MOBILIDADE ... 67
Dedico este trabalho à minha amada esposa Cíntia e aos meus filhos Breno e Igor, como prova de perseverança, dedicação e coragem que somente realizei por amor à eles.
AGRADECIMENTOS
A Deus, que me deu saúde, coragem e paz para enfrentar os momentos de dificuldade. Aos meus pais, que me educaram, me mostraram os princípios da vida e o caminho para ser uma pessoa de bom caráter e um profissional capaz.
Em especial à minha avó Alzira Maestrello Pacheco, uma pessoa simples, porém com no-tório saber, que dedicou sua vida a educar e ajudar seus filhos e netos, para que tivessem uma vida melhor.
Ao Prof. Dr. Paulo Cardieri, mestre e amigo que me orientou neste caminho.
Ao querido Prof. Dr. Michel Daoud Yacoub, amigo e mestre que sempre me mostrou a forma mais coerente de visualizar os problemas.
Ao meu grande amigo Lucas André da Silva, pois sem ele muitas das medidas desta tese jamais teriam sido obtidas.
Ao meu sogro Edson Silva Borghetti que nos deixou muito cedo e infelizmente não pode acompanhar o resultado deste trabalho.
Por fim, e não menos importante, a todos os colegas e amigos que me apoiaram nesta tarefa e acreditaram que este trabalho seria possível.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Tecnologias para identificação... 3
Figura 1.2 – Fluxograma básico para leitura de um TAG. ... 5
Figura 1.3 – Processo logístico típico para utilização de RFID UHF a 915MHz. ... 7
Figura 1.4 – Visão global do problema para avaliação do desempenho de sistemas RFID. ... 9
Figura 2.1 – Ambiente logístico com diversidade e densidade de materiais... 14
Figura 2.2 – Ambiente com grande densidade de TAGs... 15
Figura 2.3 – Ambiente com baixa densidade de TAGs e média mobilidade. ... 15
Figura 2.4 – Ambiente hostil para propagação do sinal. ... 16
Figura 2.5 – Ambiente com grande densidade de TAGs e baixa mobilidade. ... 17
Figura 2.6 – Ambiente de alta mobilidade e diversidade de percurso... 17
Figura 2.7 – Ambiente de altíssima mobilidade, diversidade de percurso e baixa densidade. .... 18
Figura 2.8 – Descrição de backscattering para sistema de RFID com múltiplos percursos. ... 19
Figura 2.9 – Modelo esquemático para o enlace de descida. ... 20
Figura 2.10 – Modelo esquemático para o enlace de subida. ... 21
Figura 3.1 – Modelo esquemático de propagação em sistemas RFID. ... 24
Figura 3.2 – Comportamento dos dois termos da expressão de perda de percurso proposta em (7). ... 27
Figura 3.3 – Descrição do experimento para aferição do modelo para perda de percurso... 27
Figura 3.4 – Base de madeira para posicionamento dos TAGs. ... 28
Figura 3.5 – Site A – Ambiente espaço livre. ... 29
Figura 3.6 – Site B – Ambiente similar a um escritório ou empresa de logística. ... 30
Figura 3.7 – Site C – Ambiente com grande concentração de metal. ... 31
Figura 3.8 – Site D – Ambiente com grande concentração de líquidos e metal... 31
Figura 3.9 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-Raios (TAG na orientação Horizontal para o Site A). ... 34
Figura 3.10 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-Raios (TAG na orientação Horizontal para o Site B). ... 35
Figura 3.11 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-Raios (TAG na orientação Horizontal para o Site C). ... 35
Figura 3.12 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de
2-Raios (TAG na orientação Horizontal para o Site D). ... 36
Figura 3.13 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios (TAG na orientação vertical para o Site A). ... 38
Figura 3.14 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios (TAG na orientação vertical para o Site B). ... 38
Figura 3.15 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios (TAG na orientação vertical para o Site C). ... 39
Figura 3.16 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios (TAG na orientação vertical para o Site D). ... 39
Figura 3.17 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios, com leitor e TAG posicionados na mesma altura, no site A. ... 41
Figura 3.18 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios, com leitor e TAG posicionados na mesma altura, no site B. ... 41
Figura 3.19 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios, com leitor e TAG posicionados na mesma altura, no site C. ... 42
Figura 3.20 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-raios, com leitor e TAG posicionados na mesma altura, no site D. ... 42
Figura 4.1 – Equipamento para realização dos experimentos com mobilidade. ... 45
Figura 4.2 – Vista lateral do ambiente para experimentação de TAGs com mobilidade. ... 46
Figura 4.3 – Posicionamento dos TAG e suas orientações: 1-Vertical e 2-Horizontal. ... 47
Figura 4.4 – Função de frequência acumulada da variação das medidas em torno da média, para TAG na orientação horizontal. ... 50
Figura 4.5 – Função de frequência acumulada da variação das medidas em torno da média, para TAG na orientação vertical. ... 50
Figura 5.1 – Cenário de referência para o modelo M2PL... 54
Figura 5.2 – Diagrama de radiação para a antena utilizada como referência. ... 55
Figura 5.3 – Aproximação por polinômio ao lóbulo principal da antena. ... 56
Figura 5.4 – Cálculo do backscatter com htag = 1.47m e γ = 90 graus. ... 58
Figura 5.7 – Cálculo do backscatter com htag = 1.47m e γ = 15 graus. ... 60
Figura 8.1 – Esquema operacional da esteira. ... 67
Figura 8.2 – Perspectiva da esteira com o motor e inversor de frequência posicionados. ... 68
Figura 8.3 – Vista lateral da esteira. ... 69
Figura 8.4 – Motor WEG AC ¾ HP. ... 69
Figura 8.5 – Inversor de Frequência modelo CFW08. ... 70
Figura 8.6 – Sensor óptico com o espelho refletor. ... 71
Figura 8.7 – Tela inicial do software de controle e analise dos testes... 71
Figura 8.8 – Gráfico em tempo real das a mostras de RSSI’s coletados. ... 72
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 – Comparação entre tecnologias RFID e código de barras. ... 4 Tabela 3.1 – Parâmetros para o experimento referente ao Leitor e à Antena. ... 28 Tabela 3.2 – Valores de ρ calculado para as diferentes variações de altura. ... 33 Tabela 3.3 – Valores de permissividade e condutividade ajustados cenário de propagação medido.
... 34
Tabela 3.4 – Valores de permissividade e condutividade ajustados cenário de propagação medido.
... 37
Tabela 4.1 – Valor médio e desvio padrão do sinal recebido no leitor, para diferentes velocidades
com o TAG na orientação horizontal. ... 48
Tabela 4.2 – Valor médio e desvio padrão do sinal recebido no leitor, para diferentes velocidades
com o TAG na orientação vertical. ... 49
Tabela 4.3 – Valores dos parâmetros da distribuição Extreme Value ajustados. ... 51 Tabela 5.1 – Parâmetros de radiação da antena. ... 56
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
RFID Radio Frequency Identification
UHF Ultra-High Frequency
EPC Electronic Product Code
SNR Signal to Noise Relationship
ASK Amplitude Shift Keying
PSK Phase Shift Keying
LOS Line of Sight
NLOS Non-line-of-sight
ETC Electronic Toll Collection
RTLS Real Time Location Systems
LLRP Low Level Reader Protocol
BER Bit Error Rate
PIE Pulse Internal Encoding
RCS Radar Cross Section
WSN Wireless Sensor Networks
RSSI Received Signal Strength Indication
TAG Tansponder
RF Radio Frequency
1 INTRODUÇÃO
Um sistema de identificação por rádio frequência (RFID - Radio Frequency IDentification) é formado basicamente de três componentes: as antenas, etiquetas de RFID (ou TAGs) e o interro-gador (ou leitor). Sistemas RFID baseiam-se no princípio de backscatter, que consiste em transmi-tir um sinal RF (pelo leitor) à TAG, energizando-a; ao energizar-se, a TAG ativa seus circuitos de transmissão, emitindo um sinal de RF com as informações nela contida (LAZARO; GIRBAU; SALINAS, 2009). Esses sistemas também são também conhecidos como RFID passivos, uma vez que a única fonte de energia disponível à TAG é o sinal de RF emitido pelo leitor. Por outro lado, em sistemas RFID ativos, as TAGs possuem uma bateria para alimentar seus circuitos.
Uma etiqueta de RFID, apesar de executar as funções de recepção e transmissão de sinais, consiste em circuitos geralmente muito simples, visando o seu baixo custo (NOVOTNY; KUES-TER; GUERRIERI, 2012).
A tecnologia de identificação por rádio frequência já vem sendo estudada desde meados da década de 40. Contudo sua utilização como solução para automação na captura de dados se efetivou no final dos anos 90, com a queda nos custos de componentes eletrônicos que viabilizaram os sistemas UHF (Ultra High Frequency) e também com a criação de um protocolo padrão para esta tecnologia, chamado EPC (Electronic Product Code) (DOBKIN, 2007; GS1, 2008).
Com este novo foco, a tecnologia RFID voltou-se para as aplicações que atendem toda ca-deia de suprimentos, de acordo com o padrão EPC, e no desenvolvimento de novas soluções em-pregando esta tecnologia.
Atualmente grandes esforços têm sido realizados pelas indústrias e pelos governos para a adoção da tecnologia RFID para identificação e rastreamento de produtos, objetos, carros, etc.
Um exemplo é a iniciativa do governo brasileiro por meio do programa Brasil-ID (www.brasil-id.org.br) (INST. BRAUN, 2012), que visa patrocinar a implantação de tecnologia RFID em setores como indústria, comércio e logística, a fim de propiciar controle e eficiência, principalmente na cadeia logística, criando, assim, mecanismos que possibilitam o melhor plane-jamento e escoamento da produção brasileira, bem como o mapeamento completo e assertivo das necessidades de infraestrutura do país.
Outro motivo para as empresas investirem na tecnologia RFID é um retorno financeiro. Estudos mostram que este retorno financeiro, incluindo melhorias de processo e menor desperdício
de material e tempo, pode atingir 75% de ganho real em toda a cadeia produtiva (CALABRIA, 2013; POULSEN, 2010).
No entanto, verifica-se que ainda existe forte resistência e descrença com sistemas RFID por parte de diversos setores produtivos e econômicos. Parte dessa resistência pode ser atribuída ao pouco conhecimento sobre diversos aspectos importantes da tecnologia nas próprias empresas que planejam, desenvolvem e realizam projetos em RFID. Isto porque, ao analisar dez fatores para o sucesso na implantação do sistema RFID, conforme pode ser visto em (CHAWLA; HA, 2007; FRIEDEWALD, 2013), cinco deles referem-se diretamente ao dimensionamento do sinal e à ca-racterização do ambiente, ou seja, do canal de propagação (FRIEDEWALD, 2013; WANG et al., 2009).
Assim, são necessários estudos adequados e direcionados aos principais fatores que impac-tam direimpac-tamente o sucesso de uma implantação de um sistema RFID. Esses fatores estão relacio-nados aos seguintes aspectos do sistema:
Ambiente: aspectos relacionados à propagação do sinal de RF, como difração e reflexão do sinal, impedância e condutância do solo, interferência, etc;
Etiqueta ou TAGs: material onde será colocado o TAG, sensibilidade do rádio, modulação usada no sinal transmitido pela TAG, etc;
Processos: velocidade de passagem e densidade de TAGs, tempo de leitura, etc;
Antenas: orientação, ganhos, diagrama de radiação, etc;
Leitores: sensibilidade, escalabilidade e potência de transmissão.
Contudo, foi verificado que existe uma carência de ferramentas e plataformas de planeja-mento de sistemas RFID, e ferramentas que auxiliem no desenvolviplaneja-mento de modelos para implan-tação de sistemas ou na construção de TAGs apropriadas, como mencionado em SOURYAL et al., 2012.
BENEFÍCIOS DA TECNOLOGIA RFID
Sistemas RFID são frequentemente vistos como a tecnologia substituta ao código de barras, que desenvolvida na década de 60 e atualmente essencial para identificação de muitos produtos comercializados (LEE; LEE, 2012). Contudo, o RFID tem muito mais a oferecer do que a simples identificação de um produto que o código de barras pode proporcionar. Nesse ponto, é importante discutir a evolução no processo de identificação, apresentada na Figura 1.1.
Figura 1.1 – Tecnologias para identificação.
A evolução das técnicas de identificação de produtos está associada à evolução de diversas áreas de engenharia elétrica e de computação, buscando-se a automação do processo e consequente diminuição da intervenção humana. Assim, enquanto que as primeiras técnicas eram essencial-mente manuais, vislumbram-se sistemas completaessencial-mente automáticos, usando sensores e comuni-cação sem fio.
Como mostrado na Figura 1.1, Sistemas RFID podem ser tratados como uma tecnologia para automação completa de processos, pois possuem as seguintes funcionalidades:
Permite a leitura remota;
Permite a leitura simultânea de vários itens com rapidez;
Permite escrita de informações personalizadas em cada TAG, possibilitando a rastrea-bilidade.
Contudo, se comparado ao sistema de código de barras, o RFID tem vantagens e desvanta-gens, como apresentado na Tabela 1.1.
Tabela 1.1 – Comparação entre tecnologias RFID e código de barras.
RFID Código de Barras
Requer linha de visada para leitura? Não Sim
Permite escrita? Sim Não
Possui segurança no acesso às informações? Sim Não
Leitura com TAG em movimento? Sim Não
Capacidade de armazenagem Até 1000 bytes Até 64k bytes
Permite leitura simultânea de múltiplas TAGs?
Sim, até 600 TAGs/segundo
Não permite
Alcance de leitura Até 50 metros Até 0.5 metros
Custo Alto Baixo
As vantagens do sistema RFID sobre o sistema de código de barras são, portanto, várias, proporcionando novos cenários de aplicação e maior eficiência no processo de identificação de produtos.
PROCESSO DE LEITURA DE UM TAG
O processo de leitura de um TAG é descrito de forma resumida pela Figura 1.2, na forma de um fluxograma.
Início
Sinal ASK ou PSK é transmitido pelo leitor na direção do TAG
Sinal do leitor atinge o TAG, energizando seus circuitos
TAG recupera os dados armazenados em sua memória e
aciona seu transmissor para a transmissão desses dados
Leitor recebe sinal emitido pelo TAG, adquirindo os dados
O leitor por sua vez processa as informações provenientes do Tag
Fim
Figura 1.2 – Fluxograma básico para leitura de um TAG.
Nota-se, portanto, que uma das etapas essenciais do processo de leitura de um TAG é a propagação do sinal de RF, que ocorre em dois momentos: na transmissão do sinal pelo equipa-mento leitor e na transmissão do sinal pelo TAG, gerado a partir da energização do TAG pelo sinal do leitor. O processo envolvendo a transmissão de um sinal de RF pelo leitor, energização do TAG
pelo sinal transmitido pelo leitor, transmissão do sinal pelo TAG e recepção do mesmo no leitor recebe o nome de backscattering, e o enlace leitor-TAG-leitor é comumente chamado de enlace
backscattering. Note-se, portanto, que um enlace backscattering, não obstante seja um enlace de
RF, possui peculiaridades que requerem uma modelagem e dimensionamento adequados.
Por se tratar de um sistema relativamente novo e pouco explorado, ainda não foi concebido um modelo que represente com maior precisão o ambiente de propagação do canal para sistemas RFID, especialmente em situações em que o TAG está em movimento. Neste sentido, é necessário o desenvolvimento de uma plataforma de medição que permita a caracterização do ambiente de propagação e do processo de backscatter completo.
Apesar de existirem inúmeros modelos de propagação teóricos e empíricos de perda de percurso para a faixa de frequência de operação de sistemas RFID (p.ex., 915MHz), como verifi-cado em (GRIFFIN; DURGIN, 2009; GRIFFIN et al., 2006), as peculiaridades da propagação en-volvendo backscattering, incluindo as características do material onde é instalado o TAG, tornam tais modelos pouco precisos, como será visto com maiores detalhes nos próximos capítulos.
DIFICULDADES SISTÊMICAS
Um importante desafio na implantação e operação de sistemas RFID passivos é a diversi-dade de ambientes, materiais, componentes do próprio sistema e processos operacionais relaciona-dos ao RFID. Como mencionado anteriormente, não se trata apenas de realizar uma comunicação ponto a ponto ou mesmo prove a cobertura de uma área com um sinal de RF. Em sistemas RFID é preciso se preocupar com diversas outras questões, como o posicionamento e orientação dos TAGs, o processo (comercial, industrial, etc.) no qual o sistema terá de operar, a distância e momento de leitura. Muitas vezes a ativação dos TAGs no momento ou local errado pode ser tão ou mais pre-judicial do que não ativação.
Assim, por conta dessa diversidade de cenários não contemplada em modelos disponíveis de implantação e avaliação de desempenho, se faz necessária uma série de ajustes, muitas das vezes de forma empírica, para que o sistema possa operar com um desempenho minimamente aceitável, como, por exemplo, através de ajuste de antenas e construção de suportes refletores de RF.
Para ilustrar essa diversidade de cenários em aplicações de RFID, a Figura 1.3 mostra uma operação típica de um sistema RFID, onde estão listados alguns parâmetros que afetam o processo de backscattering.
Utilização típica da tecnologia RFID e seus
parâmetros Paletes Portal RFID UHF Empilhadeira Vf Dt Ad Mc Ap Tp E c d Th Parâmetros de Backscattering Ap Polarização de antena Ad Diretividade de Antena D Distancia entre leitor e tag
Th Altura do Tag em relação à antena do leitor Ec Coeficiente de ambiente
Vf Mobilidade do Tag Tp Orientação do Tag
Mc Coeficiente do material em volta do Tag Dt Densidade de Tags
Tags
Figura 1.3 – Processo logístico típico para utilização de RFID UHF a 915MHz.
Podemos considerar que a figura ilustra o caso de uma empilhadeira que retira uma merca-doria do estoque e passa por um portal RFID, levando a mercamerca-doria para um setor de expedição.
Em um cenário típico, a empilhadeira passa pelo portal várias vezes e com velocidades diferentes. O TAG e a antena do leitor possuem orientação relativa que pode ser diferente a cada vez que a empilhadeira passa pelo portal. Somado a isso, a distância entre o TAG e o leitor também não é a mesma a cada vez que a empilhadeira passa pelo portal. Assim, fica claro que o sistema é complexo demais, sendo difícil caracteriza-lo, mesmo para um cenário único.
A NECESSIDADE DE SE CONSTRUIR UM NOVO MODELO
Em um sistema de identificação por rádio frequência, não basta apenas ter um sinal de boa qualidade para que a eficiência de leitura seja aceitável. Outros fatores indiretamente relacionados à propagação também afetam o desempenho do sistema.
A partir da análise de um cenário típico de uso de sistemas RFID, podemos agrupar os fatores que afetam o desempenho de um sistema RFID em três grupos: Perda de Percurso,
Den-sidade de TAGs e Mobilidade dos TAGs.
Todos os aspectos de propagação do sinal, seus parâmetros e implicações, estão no conjunto denominado Perda de Percurso. Os fatores ligados à quantidade de TAGs, que levam a problemas como colisão e interferência (BUENO-DELGADO et al., 2013), estão no conjunto denominado
Densidade. Por fim, todos os parâmetros relacionados à mobilidade, como aqueles relativos ao
desvanecimento do sinal recebido, ou aqueles relativos ao tempo de leitura dos TAGs (POUZIN et al., 2010), estão no conjunto Mobilidade.
Uma avaliação da literatura sobre sistemas RFID mostra que os modelos e tratamentos ma-temáticos propostos até hoje tratam desses três conjuntos de fatores de forma isolada (ver Figura 1.4). Isto é, com base nesses modelos, um projetista deve, por exemplo, primeiramente apenas levar em consideração os efeitos de propagação e, posteriormente, analisar os efeitos da mobilidade e da densidade de TAGs. Essa forma de abordar o projeto ou análise de sistemas RFID é incompleta, uma vez que os efeitos desses três conjuntos de fatores têm dependência entre si, que não é levada em consideração nos modelos atuais.
Assim, tornam-se necessários modelos que considerem conjuntamente os efeitos provoca-dos pela perda de percurso, mobilidade e densidade de TAGs.
Perda de
percurso Mobilidade
Densidade
Modelos atuais tratam dos efeitos dos três conjuntos de forma isolada
Modelos mais apropriados: tratam dos efeitos de forma conjunta
Figura 1.4 – Visão global do problema para avaliação do desempenho de sistemas RFID.
O foco principal do trabalho foi propor modelos mais realistas tratando dos efeitos da perda de percurso e da mobilidade. Os efeitos da densidade de TAGs serão deixados para trabalhos futu-ros. Os modelos propostos aqui poderão ser usados no planejamento e na avaliação de sistemas RFID.
Dada à complexidade dos cenários de aplicação de sistemas RFID, como discutido acima, optou-se por um procedimento basicamente experimental para a obtenção dos modelos. Como será descrito ao longo desse documento, foram projetados e implementados dispositivos eletrônicos e mecânicos para a coleta de dados experimentais, baseados nos quais os modelos foram desenvol-vidos.
O trabalho está organizado da seguinte forma. No Capítulo 2 são apresentados os trabalhos relacionados encontrados na literatura, de forma a comparar o trabalho apresentado nesse docu-mento com o estado da arte. No Capitulo 3 são estudados os fatores referentes à perda de percurso, através de medidas reais, sem a influência de mobilidade. No Capitulo 4 a mobilidade é incluída na análise da perda de percurso, também baseando-se em medidas reais. Finalmente, no Capítulo 5 é apresentado o modelo de propagação completo, incorporando os efeitos da perda de percurso e da mobilidade. O Capítulo 6 conclui esse documento, com sugestões de trabalhos futuros.
2 MODELAGEM DO SISTEMA RFID PASSIVO OPERANDO EM UHF 915MHZ
Este capítulo trata incialmente dos trabalhos encontrados na literatura sobre modelagem de propagação em sistemas RFID passivos operando na faixa UHF, mostrando a ausência de trabalhos que proponham modelos mais realistas, baseados em medidas. É feita também uma descrição de cenários típicos de uso de sistemas RFID, seguida de uma descrição do ambiente a ser investigado nesse trabalho.
TRABALHOS RELACIONADOS
Deve ser observado inicialmente que a especificação da interface aérea para sistemas de RFID, encontrada em (GS1, 2008), não descreve qualquer recomendação ou menção a modelos de propagação que melhor caracterizam o canal de propagação nesses sistemas. No entanto, uma re-visão da literatura na área mostra que há diversos trabalhos que tratam deste assunto, como descrito a seguir.
Em (GRIFFIN; DURGIN, 2009), encontramos o trabalho mais abrangente sobre o tema, onde foram estudados diversos fatores em sistemas RFID que contribuem significativamente para o desvanecimento do sinal. O trabalho toma como base o modelo de propagação teórico de espaço livre e adiciona parâmetros de penalidades para que o ambiente de propagação resultante seja o mais próximo de um ambiente real em sistemas RFID. Para isso, foi utilizado um TAG “dummy” que continha duas terminações, onde era possível aferir o sinal recebido no TAG e assim caracte-rizar o canal. No trabalho, foram verificados fatores, como modulação, ganho de antenas, percurso do sinal e orientação do TAG. Ao adicionar essas penalidades ao modelo teórico, foi possível obter uma melhor aproximação da potência refletida pelo TAG. Contudo, alguns fatores relevantes, como velocidade, fase do sinal, altura das antenas e frequência de operação, além de aspectos re-ferentes múltiplos percursos, ficaram de fora dessa modelagem.
O trabalho apresentado em (LAZARO; GIRBAU; SALINAS, 2009) adota a mesma abor-dagem seguida no trabalho descrito anteriormente. Nesse caso, foi apresentada uma alteração no modelo clássico de Friis (FRIIS, 1946) para cálculo do backscatter. Então, foram adicionados
pa-mencionado nesse caso é que, diferentemente do estudo apresentado em (GRIFFIN; DURGIN, 2009), foram estudados parâmetros referentes ao desvanecimento baseados em modelos consagra-dos, como Rice em ambientes com LOS (Line Of Sight), Rayleigh em ambientes NLOS (Non-Line
Of Sight) e Log-normal. Assim, o modelo proposto nesse trabalho torna-se complementar ao
mo-delo proposto em (GRIFFIN; DURGIN, 2009) para caracterização do canal, adicionando-se parâ-metros, como altura de antenas e, principalmente, ambientes com múltiplos percursos. Entretanto, todos os resultados apresentados foram baseados em simulações, sem que houvesse uma compro-vação real através de medidas de sinal. Além disso, parâmetros como velocidade, frequência, altura de antenas e modulação não foram avaliados.
Em (ZHOU; GRIFFIN, 2012), foram conduzidos estudos de aferição da penalidade causada por diversos tipos de materiais no desvanecimento do sinal. Como no caso de (LAZARO; GIRBAU; SALINAS, 2009), os autores partiram de um modelo de propagação teórico. Contudo, os autores utilizaram o modelo denominado Flat Earth ou modelo de 2-raios (BULTITUDE; HUGHES, 1950), e adicionaram parâmetros que correspondem a ambientes com múltiplos percur-sos. Entretanto, apesar de serem utilizados leitores e TAGs para experimentação e captura de dados do ambiente real, fatores comumente encontrados em situações reais, como diferença de alturas do leitor e do TAG e mobilidade do TAG, não foram incluídos na análise.
Em (DUANGSUWAN; PROMWONG; SUKUTAMATANTI, 2008), o objetivo do traba-lho foi caracterizar o canal e obter um modelo mais apropriado para ambientes classificados como espaço livre, Indoor com LOS e Indoor com NLOS. Para tanto, foram realizados experimentos, alterando-se a orientação do TAG com relação à antena do leitor. Os resultados mostraram que a orientação do TAG em relação ao leitor é um fator importante a ser considerado para o planeja-mento de um sistema RFID.
O objetivo do trabalho apresentado em (ABDULHADI, 2012) foi estudar antenas e os as-pectos de propagação em sistemas passivos de RFID UHF, utilizando uma câmara anecóica para o controle do ambiente de propagação. Aqui também se partiu do modelo teórico do espaço livre, e não são verificados fatores como velocidade, frequência e modulação, o que torna o trabalho de resultado limitado.
Em (DIMITRIOU et al., 2013), o objetivo do trabalho foi propor uma forma de aprimorar a eficiência do mecanismo de backscatter através da mudança do coeficiente de reflexão do circuito de carga na antena do TAG. Nesse trabalho, fica mostrada a importância de se considerar a questão
da frequência de operação do sistema RFID. Segundo o padrão UHF Gen2, a frequência de opera-ção varia entre 860MHz e 928MHz, em saltos de frequência. Outro ponto importante abordado no trabalho é o formato da modulação, ASK (Amplitude Shift Keying) e/ou PSK (Phase Shift Keying), que pode afetar de forma significativa a recepção do sinal, especialmente no enlace TAG-Leitor.
Em (BOAVENTURA; CARVALHO, 2013) é apresentado um estudo que demonstra a im-portância de se considerar corretamente os efeitos do processo de backscattering em sistemas de RFID. Nesse trabalho, pode-se observar que a perda devido ao backscattering pode ter uma varia-ção não linear com a potência incidente, dependendo também do modelo do TAG, devido às ca-racterísticas de impedância dos microchips RFID. Tais fenômenos não lineares podem resultar em uma discrepância entre os valores estimados e aqueles reais de potência recebida no leitor. Assim, os resultados mostram a necessidade de uma plataforma para testes de propagação em sistemas RFID, para desenvolver modelos apropriados e mais realistas.
Em (BUFFI; NEPA; MANARA, 2013; FRIEDEWALD, 2013) é proposto um novo modelo para descrever o comportamento do sinal em ambientes com múltiplos percursos. O ambiente es-tudado é o de Electronic Toll Collection (ETC), em que objetos em movimento são lidos, analisados e gerenciados. Essa tecnologia é aplicada em sistemas veiculares, como praças de pedágio, e con-trole ferroviário e rodoviário. O trabalho conclui que o modelo de canal de propagação denominado “N-Ray” pode ser utilizado para sistemas de RFID em ETC. Contudo, os resultados são baseados apenas em simulações e não são feitas medidas reais para comprovar a adequação do modelo. Além disso, foram avaliados poucos ambientes de propagação. Por fim, nesse trabalho é mencionado que, apesar de existirem muitos modelos de propagação, como (BRAUN; DERSCH, 1991; HATA, 1980; LEE, 1992), um modelo adequado é necessário para auxiliar projetos de sistemas RFID UHF em ETC.
Finalmente, em (CREMER et al., 2013; ZHANG et al., 2014) é realizada uma avaliação mais detalhada do TAG, visando esclarecer a contribuição desses dispositivos no desempenho de sistemas RFID de uma maneira generalizada. O trabalho estuda principalmente o campo eletro-magnético que envolve ao TAG e propõe modelos matemáticos para melhor descrevê-lo, para as modulações ASK e PSK. Contudo, nenhum experimento é realizado para comprovação das expres-sões apresentadas.
velo-de inclinação da antena do leitor, ainda não foram estudados nos trabalhos encontrados na litera-tura.
Este trabalho traz de forma mais realista o ambiente de propagação, fazendo uma análise do ambiente estático e dinâmico, contudo analisando parâmetros de orientação do TAG, veloci-dade, altura do TAG em medidas de campo, o que não foi verificado na literatura.
DESCRIÇÃO DE AMBIENTES DE PROPAGAÇÃO
Em uma aplicação típica de sistemas RFID, há diversos objetos em torno da antena do leitor e do TAG, caracterizando um ambiente com reflexões e difrações e, portanto, com múltiplos per-cursos. Além disso, o TAG pode estar parcialmente ou completamente obstruído, sem que isso, no entanto, iniba o operador do leitor de tentar fazer a leitura do TAG.
Como consequência, o sinal transmitido é atenuado e distorcido de maneira fortemente de-pendente das propriedades específicas do meio de transmissão e do cenário de aplicação. Por exem-plo, podemos ter um ambiente repleto de recipientes com líquidos diversos ou repleto de objetos construídos com metais. Em vista da multiplicidade de possíveis ambientes, a obtenção de um modelo que se ajuste a todos ou boa parte dos ambientes não é possível. Assim, a modelagem do canal deve ser parametrizada, para acomodar os diversos ambientes encontrados.
O ambiente de propagação de sistemas RFID pode ser caracterizado por meio de parâmetros específicos do ambiente, que incluem:
• Materiais envolvidos (nas redondezas, ou do objeto que carrega o TAG); • Mobilidade do TAG ou dos objetos nas redondezas;
• Orientação, altura e tilt de antenas; • Densidade de TAGs.
No entanto, como se pode imaginar, há uma variedade grande de ambientes, cada um com um conjunto diferente de fatores mais relevantes. A seguir, são mostrados alguns ambientes que exemplificam os cenários que foram objeto de investigação no presente trabalho.
O ambiente de operação logística (ver Figura 2.1) é muito comum como cenário de uso de sistemas RFID, onde existe uma grande variedade de itens, com tamanhos, formas e processos
diferentes. Nesse caso podem ser necessários estudos direcionados à diversidade dos itens e pro-cessos, bem como à densidade de TAGs envolvidas.
Figura 2.1 – Ambiente logístico com diversidade e densidade de materiais.
Esse ambiente é caracterizado como sendo dinâmico e com grande densidade de itens na passagem pelos portais de RFID. Outro ponto a ser verificado nesse caso é a proximidade entre os pontos de leitura dos TAGs, o que sugere que o sistema deve ser bem dimensionado quanto à potência dos leitores, para que um leitor não influenciar o outro.
Na Figura 2.2 é mostrada uma solução de mesa inteligente para controle em tempo real de ferramentas e instrumentação cirúrgica, onde o desafio é a alta concentração de peças metálicas e o necessário confinamento do sinal para que não sejam lidos os TAGs que não estejam sobre a mesa.
Figura 2.2 – Ambiente com grande densidade de TAGs.
O caso de ambiente da Figura 2.3 mostra um armazém de big bags de grãos, como café, feijão e soja.
Figura 2.3 – Ambiente com baixa densidade de TAGs e média mobilidade.
Nesse ambiente, são encontrados sistema de leitura embarcado em empilhadeira em movi-mento, presença de metais refletores ao redor dos TAGs e leitores, e baixa densidade de TAGs a serem lidas de uma só vez.
Figura 2.4 – Ambiente hostil para propagação do sinal.
Nessa linha, o grande desafio é a concentração de metal tanto nas peças como em parte das ferramentas utilizadas na construção. Além disso, ainda existem problemas de mobilidade, grande variedade de itens com formas e tamanhos diferentes e alto grau de confiabilidade que o sistema deve ter, exatamente devido à criticidade desse tipo de linha de produção, onde mais uma vez uma simulação prévia economizaria muitos processos empíricos para configuração do sistema.
Por outro lado, no caso demonstrado na Figura 2.5, existe uma grande densidade de TAGs e a falta de padronização na orientação das mesmas torna o sistema muito difícil de ser trabalhado, indicando mais uma vez a necessidade da aplicação com base em um modelo preciso de predição de sinal.
Figura 2.5 – Ambiente com grande densidade de TAGs e baixa mobilidade.
Na aplicação mostrada na Figura 2.6, tem-se uma esteira em uma indústria de medicamen-tos transportando frascos de medicamenmedicamen-tos, onde a velocidade pode chegar a 60 km/h, o que para um sistema de RFID é considerado de alta mobilidade.
Figura 2.6 – Ambiente de alta mobilidade e diversidade de percurso.
Finalmente, na Figura 2.7 um sistema de cobrança automática de veículos sem cancelas é mostrado, com velocidades do TAG que podem atingir até 200 km/h.
Figura 2.7 – Ambiente de altíssima mobilidade, diversidade de percurso e baixa densidade.
A grande variedade de itens a serem controlados, processos, materiais e ambientes é um desafio para as empresas que desejam implantar sistemas RFID UHF e, nessa linha, este trabalho propõe o estudo, classificação e modelamento do maior número possível de variáveis para integrar um modelo de propagação empírico para RFID UHF Gen-2.
MODELO FÍSICO DOS CENÁRIOS INVESTIGADOS
A Figura 2.8 ilustra na forma de diagrama de blocos o processo de backscatter de um sis-tema RFID, para ambientes com múltiplos percursos.
Rádio Conectores Radio Perda no Circuito Adaptadores Ʃ Ʃ RX S S S S S S Filtro U U U U TAG Leitor Canal Cable loss Cable loss Cable loss Perda de processo TX Modulação DSB-ASK SSB-ASK PR-ASK Modulação ASK PSK S
Ambiente com múltiplos percursos Alta Mobilidade GANTENA Perda de percurso GANTENA Filtro R e fl e x ã o d o M a te ri a l & C o e fi c ie n te d e D if ra ç ã o θANTENA θANTENA
Figura 2.8 – Descrição de backscattering para sistema de RFID com múltiplos percursos.
Na Figura 2.8 é possível identificar todas as etapas e fatores que degradam ou mesmo in-fluenciam o processo de backscattering. No leitor, um sinal é gerado e modulado e assim é enviado para a antena, após sofrer atenuações em cabos e conectores, chegando até o destino onde recebe uma amplificação (GANTENA) antes de ser propagado pelo canal. Contudo, o não alinhamento da
antena poderá provocar uma degradação do sinal.
No canal, o sinal sofrerá uma perda de percurso e poderá sofrer a influência de múltiplos caminhos. Além disso, o próprio ambiente introduzirá alguma degradação devido aos materiais existentes no mesmo. Quando o sinal chega ao TAG, o mesmo é amplificado pela antena, podendo também haver uma degradação devido ao não alinhamento das antenas, após isso, sucessivas per-das de energia para processamento do sinal recebido. Assim, o TAG, contando apenas com a ener-gia proveniente do leitor, acessa os dados em sua memória e prepara o sinal de retorno. O sinal
passa novamente pelas perdas e é propagado pelo canal, onde não necessariamente seguirá o mesmo caminho, daí a diferenciação entre (TX e RX).
Enlace de Descida – Leitor para TAG
Como em toda comunicação duplex, pode-se dividir o processo em enlaces de descida e de subida. O enlace de descida, ou downlink (em inglês), é o caminho de comunicação entre o leitor e o TAG. O objetivo desse enlace é enviar um sinal a partir do leitor capaz de “acordar” e “excitar” o TAG, para que o mesmo transmita as informações contidas em sua memória.
A Figura 2.9 mostra o cenário de comunicação do enlace de descida, com os parâmetros e fatores que influenciam no processo, supondo que existe visada direta entre o leitor e o TAG.
Altura da Antena do leitor(hr) Leitor Altura do Tag (ht) Base de Tags C a b o R F Antena Tag α θ d θ = 3 dB Abertura da antena
Figura 2.9 – Modelo esquemático para o enlace de descida.
Nessa figura, d é a distância entre a antena do leitor e as TAGs, hr é a altura da antena do leitor, ht é a altura da TAG em relação ao solo, θ é o ângulo de abertura da antena, e, finalmente, α é o ângulo de incidência da leitura no TAG (com base nesse modelo gráfico do cenário de propa-gação, podemos esperar que o canal de propagação se comporte de forma semelhante ao modelo de canal de dois raios). De fato, adotaremos esse modelo teórico como ponto de partida para a modelagem proposta neste trabalho.
Enlace de Subida – TAG para Leitor
A Figura 2.10 mostra um cenário de enlace de subida, supondo que existe visada direta entre o TAG e o leitor. Deve ser ressaltado que a energia utilizada no enlace de subida é parte da energia radiada pelo leitor.
Altura da Antena do leitor(hr) Leitor Altura do Tag (ht) Base de Tags C a b o R F Antena Tag α θ d θ = 3 dB Abertura da antena
Figura 2.10 – Modelo esquemático para o enlace de subida.
Portanto, existe uma dificuldade inerente ao enlace de subida, devido à pouca energia dis-ponível ao TAG para energizar seu circuito, processar os dados e devolver a informação ao leitor.
DIVISÃO SISTÊMICA DO PROBLEMA
Como mencionado no capítulo anterior pode-se dividir o problema em três grandes estudos: Perda de Percurso, Mobilidade e Densidade, sendo que as duas primeiras serão estudadas neste trabalho.
No que se refere à perda de percurso, foram realizadas medidas de propagação em diversos ambientes, desde ambientes com poucos objetos refletores e difratores, até ambientes com grande concentração de objetos de diferentes formas e constituição, como líquido, metal e plástico. Espe-cificamente, foi medida a potência do sinal recebido no leitor em função da distância entre o leitor e o TAG. Os resultados das medições, que são mostrados no Capítulo 3, foram ajustados a um modelo de perda de percurso baseado no modelo de 2-raios.
Por outro lado, no que se refere à mobilidade, foram feitas medidas com o TAG em movi-mento, sendo excitado por um leitor estático. Para a coleta das medidas, foi construído um aparato constituído de uma esteira de velocidade regulável, associada a uma haste para o posicionamento do leitor. Novamente, foi medida a potência do sinal recebido no leitor. Os resultados, apresentados no Capítulo 4, mostraram o efeito da velocidade do TAG no valor médio e na variância do sinal recebido.
Esses dois experimentos realizados foram escolhidos por representarem boa parte das situ-ações práticas encontradas em aplicsitu-ações de sistemas de RFID. Além disso, esses dois experimen-tos permitiram o isolamento dos efeiexperimen-tos da distância (perda de percurso) e da velocidade no sinal recebido no leitor, sendo possível, assim, caracterizar tais efeitos e inseri-los em um modelo único.
3 ANÁLISE SOBRE A PERDA DE PERCURSO SEM MOBILIDADE
Este capítulo tratará especificamente da modelagem da perda de percurso, sem considerar a mobilidade do transponder (TAG). Assim, serão analisados fatores que influenciam a propagação do sinal e, consequentemente, a leitura do TAG, sem que haja consideração da influência da mo-bilidade.
Vários fatores podem afetar o desempenho de um sistema sem fio e devem ser investigados com rigor. Como já mencionado, temos:
• Ambiente de Propagação: como em qualquer sistema de comunicação sem fio, objetos que circundam o TAG e a antena do leitor afetam a propagação da onda eletromagnética, afetando o desempenho do sistema.
• TAGs: as características físicas e elétricas do TAG e a sua orientação com relação à antena do leitor também são fatores que afetam o nível do sinal recebido. Em particular, o efeito da orien-tação do TAG é investigado nos experimentos conduzidos, permitindo a modelagem desses efeitos.
A modelagem da perda de percurso conduzida neste trabalho partiu do modelo estendido de 2-Raios, descrito mais adiante, pois esse modelo tem sido usado na literatura relacionada, além de ser o que mais se assemelha às características de perda de percurso em ambientes de aplicação de sistemas RFID (LAZARO; GIRBAU; SALINAS, 2009).
Vários cenários de propagação foram investigados, incluindo aqueles em ambientes exteri-ores e em ambiente fabril típico. Os dados das medidas em campo foram então usados para ajustar a versão estendida do modelo de 2-raios. Em particular, os dados de campo foram usados para incluir no modelo de 2-raios os efeitos dos padrões diretivos de radiação da antena do leitor, que não costumam ser omnidirecionais, além de seu ângulo de elevação (também conhecido como “tilt” da antena) (FASETH et al., 2011).
Essa análise mostrou que a perda de percurso medida em ambiente com espaço livre é ra-zoavelmente bem caracterizada por esse modelo estendido de 2-raios. Por outro lado, em ambientes de propagação mais complexos, tais como instalações de fabricação de baterias ou insumos quími-cos, onde existe uma grande concentração de metais e líquidos, o maior número de ondas refletidas torna o modelo de 2-raios inadequado para estimar a perda de percurso.
Contudo, a modificação proposta no modelo de 2-raios produziu bons resultados na predi-ção de intensidade do sinal, conforme será mostrado adiante.
MODELO DE 2-RAIOS ESTENDIDO
O modelo de propagação baseado em 2-raios (MHANNA; SIBILLE; YOUSUF, 2012; YACOUB, 1993) é um modelo simples e popular para o caso em que se têm reflexões pouco se-veras. De fato, esse modelo tem sido utilizado em vários estudos de propagação em sistemas RFID (ARNITZ; MUEHLMANN, 2012; FRIEDEWALD, 2013; GRIFFIN; DURGIN, 2009; LAZARO et al., 2009; SCHERHAUFL; PICHLER; SCHIMBACK, 2013).
Neste trabalho foi considerada uma versão estendida do modelo de 2-raios clássico, em que a permissividade relativa e a condutividade do material refletor e a polarização da onda refletida são consideradas. Esse modelo aperfeiçoado é, portanto, mais amplo e mais flexível, permitindo um melhor ajuste da curva dos resultados provenientes da medição (SIWIAK; BAHREINI, 2007).
A Figura 3.1 abaixo mostra o modelo esquemático típico de propagação em um sistema RFID passivo que utiliza backscattering.
hr-t d r α θ Palete Portal RFID Tag Antena onde 0 < α < π/2 ht
Figura 3.1 – Modelo esquemático de propagação em sistemas RFID.
Estão mostrados nesse esquema o Portal RFID, onde está montada a antena do leitor, e os objetos cujos TAGs serão lidos. Tipicamente a antena do leitor está acima do TAG a ser lido.
A perda de percurso, em decibéis, de acordo com esse modelo estendido de 2-raios, é ex-pressa por (SIWIAK; BAHREINI, 2007)
𝑷𝑳(𝒅𝑩) = 𝟏𝟎𝒍𝒐𝒈 | 𝟏 𝒅(𝟒𝝅) ( 𝒅 𝒓𝟏+ 𝒅 𝒓 (𝜹𝒆−𝒋[ 𝟐𝝅 𝝀(𝒓𝟏𝒓𝟐)]) )| 𝟐 , (1)
em que d é a distância de separação entre o leitor e o TAG e λ é o comprimento de onda do sinal transmitido. O parâmetro δ é relacionado aos efeitos referentes à polarização da onda, e para uma antena posicionada horizontalmente é expressa por (SAUNDERS; ARAGÓN-ZAVALA, 2007).
𝜹𝒉 =
𝐬𝐢𝐧 𝜽−√𝝉−𝐜𝐨𝐬𝟐(𝜽)
𝐬𝐢𝐧 𝜽+√𝝉−𝐜𝐨𝐬𝟐(𝜽) . (2)
Do mesmo modo, pode-se expressar o valor de δ para uma antena de TAG posicionada verticalmente (SAUNDERS; ARAGÓN-ZAVALA, 2007)
𝜹𝒗 =(𝜺−𝝉)(𝐬𝐢𝐧 𝜽−√𝝉−𝐜𝐨𝐬
𝟐(𝜽))
(𝜺−𝝉)(𝐬𝐢𝐧 𝜽+√𝝉−𝐜𝐨𝐬𝟐(𝜽)), (3)
em que θ é o ângulo de incidência e depende da altura da antena do leitor ht e da altura do TAG hr,
de acordo com
𝜽 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏(𝒉𝒕+𝒉𝒓
𝒅 ), (4)
O parâmetro τ depende da permissividade relativa (ε), da condutividade (μ) do material refletor e da frequência de operação (f), e é dado por (SIWIAK; BAHREINI, 2007):
𝝉 = 𝜺 − 𝒋𝟏𝟖𝟎𝟎 (𝝁
𝒇) (5)
Finalmente, r1 e r2 são os comprimentos dos trechos que compõem o caminho refletido da
onda de rádio: r1 é a distância entre a antena de transmissão até o ponto de reflexão, e r2 a distância
entre o ponto de reflexão e a antena de recepção, dadas, respectivamente, por:
{𝒓𝟏= √𝒅 𝟐+ (𝒉 𝒕− 𝒉𝒓)𝟐 𝒓𝟐= √𝒅𝟐+ (𝒉 𝒕+ 𝒉𝒓)𝟐 (6)
No modelo apresentado não é considerado nenhum fator referente à diretividade da antena. No entanto, esse não é o cenário apresentado na maioria dos sistemas passivos RFID, nem no caso das medidas realizadas neste trabalho, onde o padrão de radiação das antenas do leitor e TAG devem fazer parte do cálculo para perda de percurso.
Assim, propomos adicionar um fator ρ referente à diretividade da antena no cálculo da perda de percurso, dependente da distância d, das alturas das antenas ht e hr, e de um coeficiente extra γ,
pois, devido à proximidade da antena a outros objetos refletores e absorvedores de RF, seu padrão de radiação real será diferente daquele informado pelo fabricante.
A perda total de percurso proposta, PTL, em decibéis é finalmente dada por
𝑷𝑻𝑳[𝒅𝑩𝒎] = (𝑷𝑳[𝒅𝑩] − 𝝆) , (7)
em que PL [dB] é dado por (1), enquanto que o fator de diretividade ρ é dado pela seguinte
expres-são 𝝆 = 𝟏𝟎𝜸𝑳𝒐𝒈𝟐(𝒉𝒕 𝒉𝒓) { 𝟐(𝐬𝐢𝐧−𝟏( 𝒅 √∆𝒉𝟐+𝒅𝟐 )) 𝝅 } , (8)
Nessa expressão, o termo Δh é a diferença entre as alturas das antenas do leitor e do TAG,
e γ é um parâmetro incluído para ajustar as características específicas da antena, por meio de cali-bração. Esse parâmetro γ é empírico, assumindo um valor diferente para cada valor de Δh e cada
meio de propagação, como discutido adiante.
Na Figura 3.2, um exemplo ilustrativo da variação dos dois termos de (7) é mostrado. Note-se que o termo ρ tende a um valor constante à medida que a distância d aumenta, uma vez que, para grandes distâncias, a diretividade da antena do leitor deixar de afetar a perda de percurso. Portanto, neste exemplo, para distâncias superiores a aproximadamente 0,8m, a perda total do percurso é dada apenas pelo primeiro termo de (7).
Figura 3.2 – Comportamento dos dois termos da expressão de perda de percurso proposta em (7).
MEDIDAS EM CAMPO
Nesta seção, são descritos a metodologia e o experimento criados para medir a perda de percurso determinística em sistemas RFID UHF.
Procedimento para medição
Considera-se para o experimento um cenário típico dos sistemas de RFID, com um leitor e um TAG, como ilustrado na Figura 3.3.
O leitor envia um sinal de RF para o TAG que, depois de ser ativado, envia de volta um sinal de RF, cuja intensidade (RSSI) é medida pelo leitor. Esta medida de RSSI é a intensidade do sinal da portadora enviado pelo TAG e recebido pelo chipset do leitor. Deve-se notar que uma única antena é utilizada no leitor para a transmissão e recepção, denominado sistema monoestático.
d(max) = 7.2m 1.5m Antena 1 Base dos TAGs Δd = 0.08m Procedimento de medida IMPORTANTE
Tempo de medida para cada ponto = 5 minutos
Leitor RFID
Cabos de RF
d = Distancia entre Leitor e TAGs
Figura 3.3 – Descrição do experimento para aferição do modelo para perda de percurso.
A potência do transmissor do leitor RFID foi ajustada para 23dBm, enquanto que o receptor do leitor tem sensibilidade de -70dBm.
Para agilizar as medidas de TAGs em diferentes alturas e orientações, foi utilizada uma estrutura de madeira onde os TAGs foram montados verticalmente e horizontalmente, em diferen-tes alturas, como se mostra na Figura 3.4.
A distância de separação entre o leitor e o TAG foi ajustada em passos de Δd = 0,08 m, que
equivale aproximadamente a ¼ do comprimento de onda de 33 cm do sinal transmitido, garantindo um número suficiente de amostras por comprimento de onda. Em cada posição foram coletadas medidas da intensidade do sinal (RSSI – Received signal strength indication) recebido pelo leitor.
2.8m
0.15m
0.16m
Plataforma Modelo dos TAGs ALN-9640 Squiggle Inlay
14 TAGs Horizontais
12 TAGs Verticais
Figura 3.4 – Base de madeira para posicionamento dos TAGs.
A Tabela 3.1 apresenta as características adicionais das antenas de recepção e transmissão do leitor.
Tabela 3.1 – Parâmetros para o experimento referente ao Leitor e à Antena.
Parâmetro Valores / Unidades
Escala de frequência 902 - 928 MHz
Ganho da Antena TX 7,5 dBi
Tamanho da Antena 25.9 x 25.9 x 3.4 cm
Impedância 50 ohms
Cenários de Propagação Investigados
As medições foram realizadas em quatro ambientes diferentes, sendo um externo e outros três internos. Esses ambientes representam cenários típicos de uso de sistemas RFID e são descritos a seguir.
Site A: Ambiente Espaço Livre - Consistiu no estacionamento vazio do prédio da
Facul-dade de Engenharia Elétrica e de Computação, da UniversiFacul-dade de Campinas (UNICAMP), mos-trado na Figura 3.5, que corresponde com mais proximidade o modelo de 2-Raios clássico.
Figura 3.5 – Site A – Ambiente espaço livre.
Site B: Ambiente Interno - A fim de avaliar a propagação em ambientes internos, foram
realizadas medições em um prédio com paredes e pisos espessos de concreto, tetos de isopor e 100 metros quadrados de área útil. Esse edifício é similar ao usado por empresas de logística, portanto um cenário típico para aplicações RFID, conforme descrito pela Figura 3.6.
Figura 3.6 – Site B – Ambiente similar a um escritório ou empresa de logística.
Site C: Fábrica de baterias - Esse edifício é usado para a produção e armazenamento de
baterias automotivas. Todos os corredores têm baterias de chumbo-ácido empilhados em pratelei-ras de 6m de altura. Cada palete contém cerca de 60 baterias de chumbo-ácido e cada prateleira tem 5 paletes, conforme mostrado na Figura 3.7. A propagação nesse tipo de ambiente é principal-mente caracterizada por um grande número de reflexões, causadas pelo chumbo no interior das baterias.
Figura 3.7 – Site C – Ambiente com grande concentração de metal.
Site D: Planta para Fabricação de Insumos Químicos – Esse ambiente é semelhante ao
Site C, com a diferença de que agora o prédio é usado para a produção e armazenamento de pro-dutos químicos. Ao longo de toda a planta, há recipientes com propro-dutos líquidos, que podem ser muito prejudiciais à propagação dos sinais, devido à absorção de RF (SIWIAK; BAHREINI, 2007). Além dos recipientes com muitos tipos de líquidos, com diferentes densidades, viscosidade e índi-ces de condutividade, havia recipientes de metal também presentes, tornando o ambiente de pro-pagação ainda mais complexo, conforme apresentado na Figura 3.8.
RESULTADOS
Basicamente, para cada local descrito na seção anterior, medidas de RSSI foram coletadas para várias distâncias d, compreendidas entre 0 e 8 metros, com passos de 8cm. Além disso, foram realizadas medidas para diferentes alturas de TAG em relação à altura da antena do leitor, fixada em ht = 1,16 m.
Em cada posição, foram medidas aproximadamente 72 mil amostras do RSSI, quantidade suficiente para garantir 99% de confiabilidade do conjunto amostral. O RSSI médio em cada posi-ção/ambiente/orientação foi então calculado e comparado com o RSSI calculado através do modelo de perda de percurso proposto.
Parâmetros como permissividade, condutividade, foram ajustados para proporcionar o me-lhor ajuste da curva para os dados medidos. O algoritmo usado para o ajuste dos valores de per-missividade e condutividade consistiu nas etapas descritas a seguir.
Cada um conjunto de medidas, correspondendo a um ambiente de propagação (site), orientação do TAG e alturas do leitor e do TAG, os seguintes passos foram executados:
Seleciona-se um par de valores testes [ii
2. Calcula-se o valor da perda de percursos para distâncias TAG-leitor entre 0 e 8 metros; 3. Calcula-se a diferença entre os valores de perda de percurso experimentais e os valores
calculados analiticamente no passo anterior;
4. Calcula-se a soma Si do valor quadrático da diferença entre os valores experimentais e
ana-líticos de perda de percurso para todas as distâncias, que correspondem à combinação [ii
5. Repetem-se os passos 2 - 4 para outros valores de permissividade e condutividade, denota-dos por [i+1i+1 resultando em Si+1.
Os valores ótimos de permissividade e condutividade são aqueles que resultam no menor valor da soma dos valores quadráticos.
A Tabela 3.2 apresenta os valores ajustados de ρ para cada Δh, ou seja, a diferença de altura
Tabela 3.2 – Valores de ρ calculado para as diferentes variações de altura. Altura do TAG (orientação
Horizontal), h(m) Δh(m) Ρ 2.08 0.92 20 1.93 0.77 20 1.78 0.62 40 1.62 0.46 40 1.47 0.31 100 1.31 0.15 500 1.16 0.00 - 1.01 -0.15 450 0.86 -0.30 90 0.70 -0.46 60 0.55 -0.61 40 0.40 -0.76 20 0.24 -0.92 10 0.09 -1.07 10
Análise da perda de percurso para a orientação horizontal do TAG
Nas Figuras a seguir são comparados os valores de RSSI medidos com o modelo de propa-gação estendido e ajustado, para todos os quatro ambientes investigados. Em todos os casos apre-sentados, as alturas das antenas foram ajustadas para ht = 1,16m, htag = 1,47m, sendo esse caso
representativo de todos os casos experimentados. Nesta seção são apresentados os resultados para o caso em que os TAG são posicionados com orientação horizontal.
Nas Figuras 3.9 a 3.12 são apresentados os gráficos dos valores de perda de percurso me-didos, juntamente com os valores teóricos obtidos a partir do modelo estendido de 2-raios proposto, para os sites A, B, C e D, respectivamente. Relembrando, para cada distância de separação entre leitor e TAG, foram coletadas 72 mil amostras de RSSI. Foram, então, calculados o valor médio,
indicados nos gráficos por meio de uma marca “*”, e o valor do desvio padrão das amostras, indi-cado por meio de uma barra.
A Tabela 3.3 mostra os valores de permissividade e condutividade ajustados para cada um dos quatro casos, de acordo com o procedimento descrito acima.
Tabela 3.3 – Valores de permissividade e condutividade ajustados cenário de propagação medido.
Site (F/m) µ (Ω-m) A 3,0 10-2 B 2,0 10-3 C 3,0 10-4 D 4,0 10-2
Figura 3.9 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-Raios (TAG na
orienta-ção Horizontal para o Site A).
Note-se que existem distancias onde não existem medidas de RSSI, como por exemplo em 3 metros, isso é devido ao TAG não responder ao leitor em determinados pontos de nulo, descritos pelo modelo de 2-Raios estendido. Nestes casos, o sinal existe, contudo tem potência inferior à
Figura 3.10 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-Raios (TAG na
orien-tação Horizontal para o Site B).
Figura 3.11 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-Raios (TAG na
Figura 3.12 – Comparação entre o RSSI medido e o obtido através do modelo estendido de 2-Raios (TAG na
orien-tação Horizontal para o Site D).
Pode-se verificar que para o ambiente mais próximo do espaço livre (Site A, Figura 3.9), o modelo estendido de perda de percurso de 2-raios apresenta boa concordância com os dados medi-dos. No entanto, em ambientes com um maior número de ondas refletidas devido a objetos próxi-mos, como nos Sites B, C e D, aparentemente o modelo de perda de percurso apresenta valores nulos mais acentuados, e o modelo de 2–raios não é capaz de prever a perda de percurso com precisão semelhante àquela verificada para o Site A. De fato, os resultados para os Sites B, C e D apenas corroboram a expectativa de um grande número de ondas refletidas em tais ambientes.
Note-se que existem distâncias onde não existem medidas de RSSI, como, por exemplo, na distância próxima de 3 metros para o Site A. Dois motivos podem ter provocado a ausência de medidas: (1) o sinal do leitor não chegou ao TAG com potência suficiente para energiza-lo, ou (2) o sinal do TAG chegou ao leitor com uma potência abaixo do nível de sensibilidade de recepção do leitor (-70 dBm).
Os resultados também mostram que, para uma distância de separação leitor - TAG menor que 1 metro, o RSSI medido diminui à medida que essa distância diminui. Esse comportamento não é previsto no modelo original de 2-raios, dado por (1), e motivou a adição do fator de
diretivi-deve-se ao fato das antenas em RFID não serem omnidirecionais no plano vertical, apresentando uma diminuição do ganho da antena com a diminuição do ângulo (ver Figura 3.1), o que exige o uso do fator de diretividade proposto.
Análise da perda de percurso para a orientação Vertical do TAG
Nessa seção é feita a mesma comparação entre as medidas coletadas e o ajuste do modelo teórico, também para todos os quatro cenários investigados, mas agora para o caso em que os TAGs estão na vertical. Os procedimentos usados para o ajuste dos parâmetros do modelo teórico são iguais àquele usado na seção anterior.
Para todos os ambientes analisados a seguir, as alturas de antena foram definidas para ht =
1.16m e hr = 1,4m. A Tabela 3.4 mostra os valores de permissividade e condutividade ajustados
para cada um dos quatro casos, de acordo com o procedimento descrito acima.
Tabela 3.4 – Valores de permissividade e condutividade ajustados cenário de propagação medido.
Site (F/m) µ (Ω-m)
A 3,0 10-2
B 2,0 10-3
C 3,0 10-4
D 4,0 10-2
Nas Figuras seguintes, temos a mesma comparação realizada anteriormente, entre medidas coletadas e o ajuste ao modelo teórico para todos os quatro cenários investigados. Contudo, nesse caso, os TAGs estão posicionados na orientação vertical.
Para todos os ambientes analisados a seguir, as alturas de antena foram definidas para ht =
1.16m e hr = 1,4m.
