FACULDADE DE
ENGENHARIA DA
UNIVERSIDADE DO
PORTO
Avaliação do Desempenho de Técnicas
de Localização Relativa de Robôs
Móveis Baseada no RSS em Ambientes
Interiores
Ana Cristina Carvalho da Ponte
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Orientador: António Paulo Gomes Mendes Moreira (Professor Auxiliar)
Co-orientador: Luís Miguel Pinho de Almeida (Professor Associado)
Resumo
O interesse por aplicações realizadas por equipas de robôs móveis autónomos tem vindo a crescer, muito em parte pela possibilidade de estas desempenharem funções complexas como as de busca e salvamento, permitindo assim complementar a intervenção humana em ambientes onde ela não é possível, desejável ou eficaz. Porém, funções como as de busca e salvamento requerem um tempo de resposta curto, pelo que, constitui um problema frequente, a impossibilidade de se planear e implementar uma infraestrutura de apoio. Outros casos que são atingidos por este problema são os exemplos, dos campos de minas e os escombros que, pela natureza da zona, se torna impraticável penetrar ou trabalhar nela; ou ainda, o exemplo de centros comerciais que, por serem de acesso livre, se mostra inviável a possibilidade de restringir a passagem de pessoas. Desta forma, torna-se imprescindível a utilização de métodos de localização que não dependam de pontos conhecidos. Com vista a assegurar uma cooperação fiável entre os robôs de uma equipa, é necessário garantir também uma boa comunicação entre eles, certificando-se de que esta não perturba a mobilidade da equipa. Assim, a comunicação por radiofrequência apresenta-se como uma boa solução, na qual cada robô da equipa se torna um nó constituinte da rede sem fios. Como tal, é não só necessária como também fundamental conhecer a localização dos vários nós da rede. Uma característica capaz de fornecer informação relativa à distância é o RSS, e é facilmente extraída a partir das mensagens trocadas durante a comunicação. No âmbito desta dissertação foram estudados métodos de localização e navegação baseados no sinal RF das comunicações sem fio, a diferentes frequências, e em ambientes interiores distintos. O trabalho desenvolvido relativamente à localização incidiu sobre um método baseado em triangulação com balizas RF, ao passo que, relativamente à navegação, o método implementado foi o oblívio. Estes permitiram estudar o impacto do meio de propagação no desempenho das tarefas de localização e navegação, bem como, a influência do hardware escolhido e desenvolvido, em particular as antenas que servem o método de localização, no desempenho das tarefas a que os robôs são propostos.
Abstract
Interest in applications carried out by teams of autonomous mobile robots has grown, much in part by the possibility to perform complex functions such as search and rescue, thus further human intervention in environments where it cannot be possible, desirable or effective. However, functions such as search and rescue require a short response time, witch brings a frequent problem, the failure to to plan and implement a supporting infrastructure. Other cases that are affected by this problem are the examples, of minefields and the rubble that by the nature of the area, becomes impractical to enter or work in it; or even the example of shopping centers which, being open access, is proving unreliable the possibility of restricting the passage of people. Thus, it becomes essential to use methods other than location that depend on known points. To ensure a reliable cooperation between the team´s robots, it is also necessary to ensure good communication among them, making sure that this does not disturb the mobility of the team. Thus, communicating by radio frequency presents itself as a good solution, in which each team’s robot becomes a node of the wireless network. As such, it is not only necessary but also essential to know the location ofthe various network nodes. One feature that can provide information on the distance is the RSS, and is easily extracted from the messages exchanged during the communication. As part of the dissertation were studied methods of localization and navigation based on RF signal of wireless communications, at different frequencies, and different indoor environments. The work on the localization focused on a method based on triangulation with RF beacons and another based on distance estimation between the robots, while, for navigation the implemented method was the oblivious. This allowed to study the impact of the propagation environment on the performance of localizationtion and navigation tasks, as well as the influence of selected hardware and developed, in particular the antennas serving the localization method, on the performance of the tasks that robots are proposed.
Agradecimentos
É com muita satisfação que expresso aqui o mais profundo agradecimento a todos aqueles que tornaram a realização deste trabalho possível.
Ao Prof. Dr. António Paulo Moreira, meu orientador, e ao Prof. Dr. Luís Miguel Almeida, meu co-orientador, agradeço pela disponibilidade no apoio e cooperação para o sucesso no desenvolvimento desta dissertação.
Aos meus colegas de laboratório pelo constante apoio e ajuda oferecida durante este semestre. Aos professores do ramo de Telecomunicações do DEEC, Artur Moura e Joaquim Costa, pela ajuda prestada no estudo e desenvolvimento das antenas, e ao técnico, também da área de telecomunicações, Carlos Graf pela ajuda e empenho na concepção das mesmas.
Queria deixar ainda uma palavra de agradecimento às minhas colegas de casa, pelo óptimo ambiente criado ao longo destes anos. Um muito obrigada aos meus amigos que, ainda que não interferido directamente no desenvolvimento desta dissertação, sempre me apoiaram e me proporcionaram bons momentos.
Ao André pelo apoio e carinho prestado durante estes anos.
E por fim, mas nem por isso menos importante, um agradecimento muito especial à minha família pelo constante apoio e incentivo.
Ana Cristina Carvalho da Ponte
“... E viu-se a terra inteira, de repente, surgir, redonda, do azul profundo.”
Fernando Pessoa, A Mensagem
Conteúdo
1 Introdução 1 1.1 Enquadramento Geral . . . 1 1.2 Objectivos . . . 2 1.3 Estrutura da Dissertação . . . 2 2 Estado da Arte 3 2.1 Motivação para a comunicação . . . 32.1.1 Comunicação sem fios . . . 3
2.2 Comunicação entre agentes de uma equipa . . . 7
2.3 Localização Relativa . . . 9
2.4 Localização Relativa Baseada no RSSI . . . 11
2.4.1 Localização relativa baseada no MDS . . . 13
3 Aspectos Físicos da Comunicação por Radiofrequência 17 3.1 Espectro Electromagnético . . . 17
3.2 Antenas e Radiação . . . 18
3.3 Propagação de Ondas de Rádio . . . 21
3.4 Propagação de Ondas de Rádio em Interiores . . . 21
3.5 Received Signal Strengh Indicator . . . 25
4 Estrutura Experimental 27 4.1 Frequência 433-434 MHz . . . 27 4.1.1 Hardware . . . 27 4.1.2 Software . . . 38 4.2 Frequência 2.4 GHz . . . 38 4.2.1 Hardware . . . 39 4.2.2 Software . . . 40 4.3 Clever Robot . . . 42 4.4 Rede Desenvolvida . . . 43 5 Localização 47 5.1 Definição do Problema . . . 47 5.2 Frequência 433-434MHz . . . 47 5.3 Frequência 2.4Ghz . . . 48 6 Resultados Experimentais 51 6.1 Resultados Obtidos à Frequência de 433-434MHZ . . . 51
6.2 Resultados Obtidos à Frequência de 2.4GHZ . . . 58
7 Conclusões e Trabalho Futuro 69
7.1 Conclusões . . . 69
7.2 Trabalho Futuro . . . 69
A Esquemático da placa generic ATMega8 71
Lista de Figuras
2.1 Ciclo de actualização da informação da equipa [1] . . . 9
2.2 Alsokefectuando patrulhamento num centro comercial [2] . . . 10
2.3 OFROefectuando patrulhamento num jardim residencial [2] . . . 10
2.4 Sistema de auto brake evitando [3] . . . 12
2.5 Detecção de peões [2] . . . 12
2.6 Matriz de Conectividade e respectiva topologia da rede . . . 14
2.7 Matriz de Conectividade Estendida e respectiva topologia da rede . . . 14
3.1 Diagrama de Radiação de uma Antena Isotrópica [4] . . . 19
3.2 Tipos de Antenas: Dipolo; Corneta; Arranjo de Antenas (da esquerda para a direita) [4] . . . 20
3.3 Variação do RSSI com a distância em ambiente indoor [5] . . . 23
3.4 Representação da Zona de Fresnel [6] . . . 24
3.5 Relação do RSSI com a distância . . . 25
4.1 Módulo RF04 [7] . . . 28
4.2 Módulo CM02 [7] . . . 28
4.3 Transceiver ER400TRS [8] . . . 28
4.4 Aspecto físico, com vistas de topo e lateral, do transceiver ER400TRS [8] . . . . 29
4.5 Relação entre a tensão de saída e a potência recebida, disponibilizada pela saída RSSI do ER400TRS [8] . . . 29
4.6 Variação do RDF com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 12cm . . . 32
4.7 Variação do RDF com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 18cm . . . 32
4.8 Variação da eficiência de radiação da antena com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 12cm . . . 33
4.9 Variação da eficiência de radiação da antena com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 18cm . . . 34
4.10 Exemplo de diagrama de radiação em cardióide . . . 34
4.11 PCB do splitter/combiner . . . 35
4.12 Representação espacial do agrupamento linear uniforme de dois dipolos construído 36 4.13 Representação tridimensional do diagrama de radiação da antena da figura 4.12 com cortes nos planos horizontal (esquerda) e vertical (direita) . . . 36
4.14 Planos horizontal (esquerda) e vertical (direita) do diagrama de radiação da antena apresentada na figura 4.12 . . . 37
4.15 Agrupamento Linear Uniforme - Dipolo . . . 37
4.16 Representação espacial do monopolo construído . . . 37
4.17 Representação tridimensional do diagrama de radiação da antena da figura 4.16 com cortes nos planos horizontal (esquerda) e vertical (direita) . . . 37
4.18 Planos horizontal (esquerda) e vertical (direita) do diagrama de radiação da antena apresentada na figura 4.16 . . . 38
4.19 Aspecto do monopolo construído . . . 38
4.20 Access Point DLink R DWL - 900 AP+ [9] . . . . 39
4.21 Access Point ASUS R WL - 320 gE [10] . . . . 39
4.22 PC Acer R Aspire 2930Z [11] . . . . 40
4.23 Logotipo Wireshark [12] . . . 41
4.24 Aspecto do robô utilizado - Clever Robot [13] . . . 44
4.25 Esquema da disposição do hardware utilizado no Clever Robot [13] . . . 44
4.26 Componentes de uma rede wireless [6] . . . 45
5.1 Algoritmo do Método Oblívio . . . 49
6.1 Vista de topo dos diagramas de radiação das antenas . . . 52
6.2 Arquitectura do modelo de testes para o algoritmo de localização implementado . 52 6.3 Interface para a comunicação rádio em Lazarus . . . 53
6.4 Mensagem enviada pelo módulo RF04 para o módulo CM02 . . . 53
6.5 Variação da potência esperada consoante a orientação da antena direccional . . . 54
6.6 Variação da tensão esperada consoante a orientação da antena direccional . . . . 54
6.7 Sinal RSSI com diferentes amplitudes recolhido em diferentes direcções . . . 55
6.8 Módulo generic ATMega8 . . . 56
6.9 Representação dos da média e do máximo dos valores de tensão capturados para as diferentes orientações . . . 56
6.10 Desvio padrão dos valores recolhidos para diferentes orientações da antena direccional . . . 57
6.11 Corredor -175 do Piso -1, do Edifício I da FEUP . . . 58
6.12 Relação RSSI-Distância obtida com o DLink R DWL - 900 AP+ no corredor -175 do Piso -1, do Edifício I da FEUP . . . 59
6.13 Relação Desvio Padrão-Distância obtida com o DLink R DWL - 900 AP+ no corredor -175 do Piso -1, do Edifício I da FEUP . . . 59
6.14 Relação RSSI-Distância obtida com o ASUS R WL - 320 gE no corredor -175 do Piso -1, do Edifício I da FEUP . . . 59
6.15 Relação Desvio Padrão-Distância obtida com o ASUS R WL - 320 gE no corredor -175 do Piso -1, do Edifício I da FEUP . . . 60
6.16 Relação RSSI-Distância obtida com o DLink R DWL - 900 AP+ no Pavilhão de Ginástica da FADEUP . . . 60
6.17 Relação Desvio Padrão-Distância obtida com o DLink R DWL - 900 AP+ no Pavilhão de Ginástica da FADEUP . . . 61
6.18 Relação RSSI-Distância obtida com o ASUS R WL - 320 gE no Pavilhão de Ginástica da FADEUP . . . 61
6.19 Relação Desvio Padrão-Distância obtida com o ASUS R WL - 320 gE no Pavilhão de Ginástica da FADEUP . . . 61
6.20 Comparação entre os resultados teóricos e práticos das experiências realizadas com o AP DLink R DWL - 900 AP+ . . . . 62
LISTA DE FIGURAS xiii 6.21 Comparação entre os resultados teóricos e práticos das experiências realizadas
com o AP ASUS R WL - 320 gE . . . . 62
6.22 Arquitectura desenvolvida no âmbito do método de navegação implementado . . 63
6.23 Trajectória do robô quando aplicado um filtro de média de 5 amostras e um passo de 1 metro . . . 64
6.24 Trajectória do robô quando aplicado um filtro de média de 5 amostras e um passo de 1,5 metros . . . 65
6.25 Trajectória do robô quando aplicado um filtro de média de 7 amostras e um passo de 1 metro . . . 65
6.26 Trajectória do robô quando aplicado um filtro de média de 7 amostras e um passo de 1,5 metros . . . 66
6.27 Trajectória do robô quando aplicado um filtro especial de 5 amostras e um passo de 1 metro . . . 66
6.28 Trajectória do robô quando aplicado um filtro especial de 5 amostras e um passo de 1,5 metros . . . 67
6.29 Trajectória do robô quando aplicado um filtro especial de 7 amostras e um passo de 1 metro . . . 68
6.30 Trajectória do robô quando aplicado um filtro especial de 7 amostras e um passo de 1,5 metros . . . 68
Lista de Tabelas
3.1 Gamas de frequência definidas no espectro electromagnético . . . 18
4.1 Lista dos condutores considerados no estudo, e respectivos valores de condutividade 30
4.2 Tabela comparativa das características entre os AP’s DLink R DWL - 900 AP+ e
ASUS R WL - 320 gE . . . . 40
4.3 Campos do radiotap . . . 43
Abreviaturas e Símbolos
AP Access Point
FADEUP Faculdade de Desporto da Universidade do Porto FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FTA Fault-Tolerant Average
GPS Global Positioning System
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IrDA Infrared Data Association
LAN Local Area Network LOS Line-Of-Sight
MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad-Hoc Network MDS Multidimensional Scaling
MIEEC Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores PC Personal Computer
RDF Receiving Directivity Factor RF Radiofrequência
RSS Received Signal Strength
RSSI Received Signal Strength Indicator TDMA Time Division Multiple Access WLAN Wireless Local Area Network
Capítulo 1
Introdução
Esta dissertação baseou-se inicialmente nos estudos [14], [15], [16], [1], bem como na avaliação experimental de algoritmos de localização e navegação baseados no RSSI. Este capítulo contém uma pequena introdução ao tema desta dissertação, referindo o crescente interesse que se tem vindo a fazer notar por equipas formadas por robôs cooperantes. Além disso, é abordado o RSSI como solução para a determinação da localização absoluta ou relativa dos elementos da equipa.
1.1
Enquadramento Geral
O recente avanço no desenvolvimento da tecnologia, despoletou o crescente interesse na utilização de robôs móveis, devido à sua capacidade de cooperar. Uma equipa de robôs móveis possui mobilidade e autonomia suficiente para desempenhar tarefas, que não seriam possíveis de serem realizadas por um robô apenas. Um dos factores que motivou o desenvolvimento de equipas de robôs móveis cooperantes foi o facto de este permitir o afastamento da intervenção humana em tarefas potencialmente perigosas, como são o caso de situações de desminagem de campos, combate a incêndios, operações de busca e salvamento, manobras em campos contaminados, entre outras. Em qualquer uma destas aplicações, a utilização da tecnologia autónoma, possibilita a redução do risco para os humanos. Em aplicações de outro tipo, como por exemplo, em sistemas de manufactura, é ainda possível o aumento da eficiência do trabalho [16] [17]. A localização relativa de robôs autónomos mas comunicantes é um desafio de grande interesse, devido à sua grande mobilidade e constante mudança de topologia que caracteriza as redes Mobile Ad-hoc Network (MANET). Estas características requerem uma comunicação eficaz, para a difusão da informação acerca do estado individual do agente e algoritmos rápidos capazes de calcular as posições relativas dos restantes elementos de equipa.
1.2
Objectivos
O principal objectivo desta tese é a formulação e implementação de algoritmos de localização e navegação a serem aplicados em robôs móveis, com o intuito de desempenharem estas funções em ambientes interiores. Ciente dos problemas associados à comunicação em espaços interiores, é também desejável, analisá-los e perceber o seu impacto no desempenho final. É ainda de particular interesse que a solução proposta seja de baixo custo, e que implique uma quantidade de hardware adicionado reduzida, conduzindo assim a que a dimensão física do robô não seja muito afectada. Como tal, a solução deverá ser desenvolvida através de uma utilização óptima dos recursos disponíveis.
1.3
Estrutura da Dissertação
Nesta secção é apresentada a estrutura e organização deste documento, bem como o conteúdo apresentado em cada um dos capítulos que o constituem.
No seguimento deste primeiro capítulo que constitui uma introdução ao tema desta dissertação, surge o capítulo2onde é apresentada a análise do estado da arte. Neste são, inicialmente, e com o intuito de introduzir alguns conceitos fundamentais à compreensão do que se segue, abordados os temas da comunicação e da cooperação. Estes termos, embora muito distintos, encontram-se intimamente ligados quando associados à robótica móvel. E por fim, o tema que caracteriza o desenvolvimento deste trabalho, a localização.
No capítulo3, é realizada uma análise aos aspectos físicos da comunicação por radiofrequência, com vista a construir uma base de conhecimentos na qual se encontram definidas uma série de características e a influência das mesmas no desempenho das tarefas de localização e navegação.
Posteriormente, no capítulo4, é apresentada a estrutura experimental desenvolvida e utilizada no decorrer deste trabalho, como base para os estudos relativos à localização e à navegação. Neste são ainda tecidas algumas considerações respeitantes a decisões tomadas, com influência directa no desempenho das tarefas supracitadas.
O capítulo5, descreve os algoritmos desenvolvidos: quanto à localização, esta é realizada baseada em triangulação por duas balizas, enquanto que na navegação é desenvolvido um método oblívio.
De seguida, no capítulo 6, são apresentados os resultados extraídos das experiências efectuadas, acompanhados da análise crítica respectiva.
Finalmente é chegado o capítulo7, onde são expostas as últimas conclusões, e apresentadas algumas propostas para trabalho futuro.
Capítulo 2
Estado da Arte
Neste capítulo, além de apresentado o trabalho científico desenvolvido anteriormente, e que suporta o desenvolvimento deste trabalho, é feita uma contextualização com alguns conceitos teóricos que deverão ser consolidados antes de se dar início ao tema da localização.
2.1
Motivação para a comunicação
O avanço tecnológico tornou os robôs cada vez mais inteligentes, robustos e eficientes do ponto de vista energético. Um dos factores que motivou o desenvolvimento de equipas de robôs móveis cooperantes foi o facto de este permitir o afastamento da intervenção humana em tarefas potencialmente perigosas, como são o caso de situações de desminagem de campos, combate a incêndios, operações de busca e salvamento, manobras em campos contaminados, entre outras. Uma outra vantagem que a utilização de equipas de robôs acarreta é o aspecto da paralelização da execução de tarefas, em tarefas como a de cobrir uma certa área com maior rapidez, seja para limpeza, desminagem, busca e salvamento, ou o transporte de peças de maior dimensão, que ultrapassam a capacidade de um só robô, ou para partilhar actuadores caros onde a capacidade sensorial é aumentada com múltiplos robôs mas onde apenas um carrega o actuador e é chamado pelos primeiros sempre que é necessário. Em algumas destas aplicações, a utilização da tecnologia autónoma, possibilita a redução do risco para os humanos. Em aplicações de outro tipo, como por exemplo em sistemas de manufactura, além disso é ainda possível o aumento da eficiência do trabalho [16].
2.1.1 Comunicação sem fios
Desde há cerca de uma década, a sociedade tem vindo a tornar-se mais móvel, e como resultado as formas de comunicações tradicionais até essa data revelaram-se inadequadas para enfrentar os desafios da nova era. Se para que um conjunto de utilizadores se possa encontrar conectado em rede é necessária a utilização de cabos, a mobilidade do mesmo é drasticamente afectada. Se, ao
invés disto, os utilizadores se conectarem em rede através de uma tecnologia sem fios, não existe nenhuma restrição à mobilidade dos mesmos, admitindo que estes se mantêm dentro do alcance de comunicação, permitindo, desta forma, uma livre circulação por parte dos utilizadores da rede. Como resultado destes factos a tecnologia sem fios tem vindo a emergir. A tecnologia de rede sem fio de maior sucesso até à data é o padrão IEEE 802.11 [18].
Para os sistemas de robôs móveis realizarem tarefas cooperantes de forma eficiente é necessário garantir uma comunicação fiável entre eles. Na escolha da tecnologia a ser utilizada para realizar a tarefa da comunicação, um dos requisitos a ter em conta é que a tecnologia escolhida não deverá interferir com a mobilidade dos mesmos. Desta forma, é, à partida, excluída a tecnologia cablada, sendo então a tecnologia sem fios a solução para estes sistemas. Ainda no âmbito da tecnologia sem fios (comummente designada pelo termo em inglês, wireless) existe uma série de formas através das quais a informação pode ser trocada. A tecnologia wireless oferece uma série de vantagens, independentemente do protocolo utilizado ou do tipo de dados que é trocado. A vantagem mais óbvia é, sem dúvida, a mobilidade. Os utilizadores de uma rede sem fios podem-se conectar a uma rede deste tipo já existente e encontram-se aptos para se moverem livremente. Uma outra vantagem oferecida pela tecnologia wireless é a flexibilidade e facilidade de instalação por não ser necessário instalar cablagem.
Tal como todas as redes, as redes sem fios transmitem os seus dados através de um meio, que neste caso é uma forma de radiação electromagnética. Para ser bem adequada para uso em redes móveis, o meio deve ser capaz de cobrir uma área ampla para que os clientes se possam mover ao longo de uma determinada área. Os dois meios de comunicação que têm vindo a ser mais utilizados são os de infravermelho e de ondas de rádio. A maioria dos computadores portáteis comercializados actualmente possuem portas de infravermelho que permitem estabelecer rápidas conexões com uma série de periféricos. No entanto, a luz infravermelha tem limitações já que, é facilmente bloqueado por paredes, divisórias e demais obstáculos. Já as ondas de rádio podem penetrar mais obstáculos e têm a capacidade de oferecer uma gama mais ampla de cobertura. Deste modo, não é surpresa nenhuma o facto de a maioria, senão todos, os produtos IEEE 802.11 disponíveis no mercado usarem ondas de rádio.
2.1.1.1 Comunicação sem fios por infravermelhos
Segundo a definição enunciada em [19] a comunicação sem fios por infravermelhos refere-se à utilização da propagação num espaço livre de ondas que, no espectro electromagnético, refere-se encontram próximas do vermelho visível, como meio de transmissão para a comunicação. A comunicação pode ser efectuada entre dois dispositivos de comunicação portáteis ou entre ou dispositivo de comunicação portátil e um terceiro dispositivo, denominado ponto de acesso ou estação base (vulgarmente referido pela sua denominação em inglês, access point ou base station). Tipicamente os dispositivos de comunicação portáteis incluem, computadores portáteis, PDA’s ou telemóveis, enquanto os access points encontram-se, normalmente, conectados ao computador por rede. Embora seja comummente utilizada a luz infravermelha, existem outras regiões do
2.1 Motivação para a comunicação 5 espectro óptico que podem ser usadas, daí referenciar "comunicações sem fio ópticas"ao invés de "comunicações sem fio por infravermelhos".
Os sistemas de comunicações sem fio por infravermelhos podem ser caracterizados pela aplicação para a qual foram concebidos ou pelo tipo de ligação, isto é, pelo arranjo exigido pelo receptor e pelo transmissor.
Quanto às aplicações, destacam-se as seguintes [19]:
• Conectividade de curto-prazo, sem fio, para troca de informação (agendas, partilha de arquivos) entre dois utilizadores. O principal exemplo deste tipo de aplicação é os sistemas IrDA.
• Redes locais sem fio (WLAN) com o objectivo de estabelecer a conectividade dentro de edifícios. Isto pode constituir uma extensão às redes locais (LANs) já existentes, com o intuito de facilitar a mobilidade ou de estabelecer redes ad-hoc onde não existe nenhuma LAN. O principal exemplo deste tipo de aplicação é o padrão IEEE 802.11.
• Ligações building-to-building para um acesso à rede de alta velocidade redes metropolitanas ou de campus.
• Entradas e dispositivos de controlo sem fio, tais como, ratos, teclados e controladores de videojogos sem fios e controladores remotos (por exemplo, comando televisivo).
Quanto ao tipo de ligação existem duas configurações típicas possíveis: ligação directa, ou ponto-a-ponto, e ligação difusa. O tipo de ligação mais simples é o estabelecido nos sistemas ponto-a-ponto. Nestes, o receptor e o emissor deverão estar apontados um para o outro, de forma a estabelecer a ligação. Além disso, o caminho que os une, denominado linha de visão, ou line-of-sight(LOS,) deve-se encontrar livre de obstáculos, e a maior parte da luz emitida deverá ser direccionada para o receptor. Como tal, os sistemas ponto-a-ponto são também denominados "sistemas LOS directos". As ligações podem ser criadas temporariamente para uma sessão de troca de dados entre dois utilizadores, ou estabelecidas de forma permanente, definindo uma rede local.
Nos sistemas difusos, a ligação é permanentemente mantida entre uns quaisquer transmissor e receptor que se encontrem na mesma vizinhança, reflectindo a luz portadora de informação através de superfícies reflectoras, como o são os tectos, paredes ou mobiliário, existentes no meio. Nestes sistemas, a ligação entre o emissor e o receptor não é directa; aqui, o emissor emite um feixe largo, e o receptor provém de um amplo campo de visão. Além disso, nos sistemas difusos não é necessária a existência de um caminho LOS. Assim, estes sistemas são também denominados de sistemas não-directos não-LOS. Estes sistemas são adequados para aplicações em LANs sem fios, libertando assim o utilizador do cuidado em conhecer o posicionamento e respectivo alinhamento dos vários dispositivos de comunicação.
Existem duas tecnologias de sistemas de comunicação sem fio por infravermelhos disponíveis no mercado que se revelam predominantes, IrDA e IEEE802.11, e que, como tal, merecem ser analisadas com algum detalhe.
O IrDA (Infrared Data Association) é uma associação que normalizou as ligações de dados ópticas de baixo custo. A maioria dos padrões de transmissão é relativa a ligações directas e de curto alcance (até 1m).
O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) publicou um conjunto de normas relativas às redes sem fio locais, o IEEE 802.11. O padrão 802.11 constitui um membro da família IEEE 802, a qual é definida como um conjunto de especificações para as tecnologias de redes locais (LANs). As especificações definidas no IEEE 802 encontram-se focadas nas duas camadas inferiores do modelo OSI, a física (PHY) e a de ligação de dados (conjunto das sub-camadas MAC e LLC). O IEEE 802.11 possui as componentes PHY e MAC. O IEEE 802.2 especifica uma camada de ligação comum, o LLC (Logical Link Control), o qual pode ser usado por qualquer outra tecnologia LAN de camada inferior. O MAC (Medium Access Control) constitui um conjunto de regras que determina o modo como é feito o acesso ao meio e como os dados são enviados, enquanto os detalhes relativos à transmissão e à recepção ficam ao cabo da camada PHY. O padrão original oferece suporte às camadas físicas tanto de rádio como óptica como uma taxa de transmissão de dados máxima de 1 Mb/s.
Além das duas tecnologias descritas anteriormente existem ainda os sistemas building-to-building. As ligações de infravermelhos de longo alcance (superior a 10 metros) deverão ser sistemas LOS directos, com vista a assegurar a existência de um caminho razoável. Os produtos emergentes desenvolvidos para ligações de elevado alcance encontram-se projectados para serem colocados em telhados, já que desta forma oferecem maior facilidade em definir uma linha de visão (LOS) entre um ponto e outro num ambiente urbano. Estas elevadas de transmissão de dados podem ser utilizadas em redes de empresas, metropolitanas ou de campus. Estes sistemas possuem, no entanto uma série de especificações de design, próprias deste tipo de sistemas: a perda do caminho atmosférico, resultante da combinação de absorção de ar limpo e de absorção e dispersão de partículas no ar, tais como, chuva, nebelina e partículas poluentes; um efeito denominado cintilação, que é causado por variações de temperatura ao longo do caminho LOS, que, por sua vez, causa flutuações rápidas na qualidade do canal; e, por fim, a construção pode afectar o alinhamento e resultar na perda de sinal, a menos que os transceivers se encontrem mecanicamente isolados ou seja utilizado uma compensação para alinhamento activa.
Por fim, um outro campo de aplicação no qual a comunicação sem fio por radiação infravermelha, tem encontrado diversos mercados em locais como, dentro e fora de casa, carro e escritório, em vez dos tradicionais mercados de telecomunicações, voz e redes de dados. Estes podem ser classificados como dispositivos de entrada sem fio ou de controlo sem fio. Exemplos deste tipo de dispositivos incluem os ratos e teclados de computador sem fios, controles remotos para equipamentos de entretenimento, controladores de videojogos sem fio, e chaves de acesso a casa ou a veículos sem fio. Todos esses dispositivos utilizam sistemas de comunicação via infravermelho, devido a uma atraente combinação entre os factores de baixo custo, fiabilidade e peso num par transmissor/receptor que atinge o alcance necessário, cumprindo também com a taxa de transmissão de dados e a integridade dos mesmos exigidos.
2.2 Comunicação entre agentes de uma equipa 7 2.1.1.2 Comunicação sem fios por radiofrequência
Inicialmente, as comunicações sem fio eram realizadas através da tecnologia de infravermelhos, muito pelo baixo custo associado à mesma. Porém, esta apresenta uma série de inconvenientes, como o são o facto de uma onda de infravermelhos não ser capaz de atravessar obstáculos e apresentar uma taxa de transmissão baixa. Assim, a tecnologia radiofrequência (RF) tem vindo a ser a escolhida para realizar a tarefa de comunicação entre os robôs. Estes podem comunicar por RF através de ligações ponto-a-ponto ou por uma tecnologia de broadcast.
O padrão IEEE802.11 surgiu após o IEEE 802.3, que padroniza a Ethernet, e suporta a trama Ethernet interoperando com redes deste tipo. Até algum tempo a esta parte, as LANs eram baseadas quase exclusivamente em Ethernet, e com o aparecimento do padrão IEEE 802.11 era comum denominá-las de Wireless Ethernet, constituindo, assim, uma Wireless LAN (WLAN). A interface de rádio acrescenta considerável complexidade, no entanto, os avanços nos circuitos integrados de rádio tornaram possível a redução do custo dos dispositivos sem fio a níveis razoáveis. O ETSI BRAN HiperLAN / 2 é uma especificação alternativa para WLAN, com serviços mais extensivos, mas com menor apoio comercial. A radiofrequência (RF) opera de um modo similar ao definido no padrão IEEE 802.11a, no entanto, a alocação do tempo de transmissão das slots é bem diferente. Actualmente, tem-se notado uma crescente colaboração e envolvimento entre os dois padrões.
Enquanto as LANs com fios já usavam numerosas técnicas para lidar com a existência de vários utilizadores acedendo a um servidor central, medidas adicionais tiveram que ser desenvolvidas com vista a lidar com as necessidades impostas ao desenvolvimento das ligações sem fios. As características de uma ligação wireless ficam muito à quem daquelas que são consideradas as características de transmissão ideais. Exemplos disso são a dependência dos erros de sinal da posição física e a capacidade de dispositivos próximos RF para "escutar"ou interferir.
2.2
Comunicação entre agentes de uma equipa
O interesse na utilização de robôs móveis autónomos tem vindo a crescer, devido à sua capacidade de cooperar, com vista a realizar uma série de propósitos, desde tarefas de salvamento em situações de catástrofe, passando por operações de desminagem, manobras em campos contaminados, até à segurança [16].
Tal cooperação normalmente exige a troca de dados de estado que é sensível ao tempo e, como tal, as aplicações devem estar cientes da coerência de dados temporal. A fim de fornecer tais informações em tempo real, deverá ser utilizado um protocolo de comunicação com vista a evitar a latência ilimitada de entrega de mensagens. Esta, no entanto, não é uma tarefa trivial quando são utilizadas ligações sem fios devido às suas propriedades de pouca fiabilidade, apresentando elevadas taxas de erro na transmissão dos dados devido às interferências (p. e. com outros equipamentos), e baixa largura de banda devido a limitações na transmissão de rádio [16].
A dificuldade em assegurar a comunicação através de ligações sem fios também foi motivou, ultimamente, uma substancial actividade de investigação, quer no âmbito das redes móveis ad-hoc, redes de sensores e acesso à Internet baseado em comunicações multimédia sem fios. Apesar da existência de algumas soluções para cada um dos estes âmbitos de aplicação, o problema, em geral, encontra-se ainda em aberto e com um grande número de possibilidades em termos de funcionamento, flexibilidade, consumo de energia, uso da largura de banda e de coordenação de comunicação, enquanto, ao mesmo tempo, há falta de uma solução comercial de prateleira (COTS - commercial off the shelf ) que entregue qualquer tipo de garantias em tempo real [16].
Na maioria das aplicações reais, existem agentes externos que não podem ser controlados, restando, assim, aos agentes da mesma equipa manterem uma comunicação o mais eficaz possível de forma a cooperarem em tempo-real [2]. Existe uma série de protocolos de tempo-real que podem ser aplicados. Em [15] é proposto um protocolo de comunicação MAC para o escalonamento das mensagens que cada agente pretende transmitir. Estes sugerem a implementação de um algoritmo Earliest Deadline First global. Para tal, é necessária a construção de uma Tabela de Requisitos de Comunicação (CRT), na qual se encontram contidas as informações relativas á identidade dos agentes, tempo de comunicação, período de transmissão, deadlinee offset do agente emissor, a qual é preenchida pelos elementos da equipa e é difundida entre eles. Os autores sugerem ainda, com esta tabela e um sincronismo de relógio preciso, a implementação do algoritmo Earliest Deadline First, em simultâneo, em todos os agentes da equipa, correspondendo a uma implementação global do algoritmo, o que se poderá revelar uma tarefa de difícil concretização.
Em [1] é sugerido um método que constitui uma optimização do método sugerido em [16], que permite uma utilização mais eficaz do meio de transmissão, uma vez que apresenta menos overhead. Já que a carga da rede não pede ser totalmente controlada pela equipa a alternativa é que esta se adapte as condições do canal de comunicação, reduzindo assim o número de colisões entre os membros a equipa. Para tal, é implementado um controlo de transmissão do tipo Time Division Multiple Access (TDMA) adaptativo. Este método necessita os agentes tenham conhecimento acerca do número actual de elementos que formam a equipa. Esta informação pode ser extraída da matriz de conectividade local, a qual descreverei mais à frente. A comunicação caracteriza-se pelo conceito de Período de Actualização da Equipa, Team Update Period (Ttup). Todos os agentes têm de comunicar o seu estado e o estado da missão individual no Período de Actualização da Equipa, o qual é ajustado de forma a permitir uma comunicação e colaboração em tempo-real entre agentes da mesma equipa. O Ttup é, então, dividido em tantas janelas de transmissão quantos os elementos activos que constituírem a equipa, sendo, portanto, um parâmetro global. Posteriormente os mesmos autores apresentam um método dinâmico e auto-configurável que permite a entrada e saída de robôs na equipa, logo, ajustável à constante mudança de topologia que caracteriza as MANETs. As colisões entre agentes da equipa são resolvidas com o espaçamento adequado entre janelas de transmissão. A figura2.1 na página 9apresenta o período de actualização da equipa Ttup com quatro janelas de transmissão (o que indica que a equipa é formada por quatro agentes) espaçadas o mais possível entre elas minimizando, assim, a possibilidade de uma colisão entre
2.3 Localização Relativa 9 agentes da equipa.
Figura 2.1: Ciclo de actualização da informação da equipa [1]
2.3
Localização Relativa
A localização pode ser definida como o processo de determinar as relações espaciais entre os diversos objectos. Esta pode ser de dois tipos: absoluta ou relativa. Enquanto a localização relativa fornece a informação sobre a localização do robô relativamente a algo pertencente ao ambiente no qual o robô se encontra, como por exemplo, a sua posição inicial, a localização absoluta disponibiliza a informação sobre a posição global do robô não necessitando de realizar cálculos de posições anteriores. Isto pode ser facilmente entendido através de um exemplo simples; dizer que um veículo se encontra no quilómetro 27 da auto-estrada é fornecer a localização absoluta acerca do posicionamento do mesmo, mas se a informação fornecida é que este se encontra a 27 quilómetros de distância do ponto de partida, então esta informação é sobre a localização relativa do veículo (localização relativamente ao ponto de partida) [20]. Este conceito de localização relativa é exigido pelas equipas de robôs móveis, na ausência de referenciais fixos ou âncoras, por exemplo, na manutenção da conectividade entre agentes [2].
Quanto à localização absoluta, alguns dos métodos utilizados implicam a construção de uma infra-estrutura de referência, ou então o uso de GPS (Global Positioning System). Mas, tal como mencionado em [14], a construção da infra-estrutura é dispendiosa, até impossível em situações de emergência, como em busca e salvamento. Quanto ao GPS, sendo este dependente de satélite e fornecendo informações sobre a localização grosseiras, não se revela um bom método.
Assim, derivar as posições relativas através das comunicações locais apresenta-se como sendo a solução mais elegante [14]. A localização relativa não implica a construção de nenhuma infra-estrutura, e como tal pode ser aplicada em qualquer lugar rapidamente e com menores custos associados. O acto de este tipo de localização ser independente do meio exterior permite que seja utilizado em qualquer local, utilizando mudanças da topologia da MANET, para cobrir áreas maiores [14] [2].
As aplicações deste tipo de localização são vastas devido à sua versatilidade, proveniente do facto de não exigir nenhum tipo de ancoragem ou de rede de sensores estruturada. A localização relativa é utilizada para uma série de propósitos, como sendo o patrulhamento, interior e exterior, de espaços residenciais, centros comerciais, portos marítimos, aeroportos, armazéns, entre outros. As figuras 2.2 e 2.3 mostram dois tipos de robôs actualmente comercializados, que efectuam patrulhamento comercial e residencial, respectivamente.
Figura 2.2: Alsok efectuando patrulhamento num centro comercial [2]
2.4 Localização Relativa Baseada no RSSI 11 Embora estes dois exemplos não se encontrem directamente ligados às tarefas de comunicação e cooperação, a eficiência das aplicações destes robôs pode ser melhorada se forem utilizados vários e em equipa.
Existem, também, outras aplicações: em habitats animais como jardins zoológicos para, por exemplo, patrulhar o estado das vedações, e em reservas protegidas para observação e identificação de caçadores furtivos ou localização e primeira intervenção no caso de incêndio [2]. A característica de versatilidade permite que robôs munidos de interfaces RF, se posicionem de acordo com as diferentes capacidades de que dispõem, e mantendo a comunicação entre agentes com equipamento especial. No caso da aplicação em questão ser o combate a incêndios este equipamento especial seria um extintor, e a comunicação eficaz entre os agentes ditaria qual o procedimento de cada um dos agentes, de acordo com as necessidades [20] [2].
Embora as aplicações descritas anteriormente sejam realizadas com o apoio de robôs, a localização relativa não se encontra limitada a estes. Igualmente, a localização relativa pode ser utilizada pelos humanos, e um exemplo de uma aplicação deste género é o FINDER [21]. O FINDER é um sistema portátil de localização de bombeiros no interior de edifícios. O seu princípio de funcionamento consiste no envio de um sinal de rádio por parte de um bombeiro que necessite de ajuda, o qual será recebido pelo FINDER’s dos outros bombeiros, permitindo assim conduzi-los até ao colega que enviou o pedido de auxílio.
Outra área onde a localização relativa também pode ter uma aplicação útil é na IVC (Inter-Vehicle Communication). Nesta área, existem uma vasta quantidade de aplicações, as quais se encontram divididas em quatro categorias de acordo com as características da informação que é trocada entre os veículos: informação genérica (exemplo, estado do tráfego), informação de gestão/monitorização do veículo, informação pessoal e informação para uma condução segura [22]. Algumas das aplicações existentes, são o cruise control adaptativo, o aviso de colisão com travagem automática, figura2.4, e até mesmo um protótipo para detecção de peões,figura2.5.
Estas redes de veículos ainda que não sejam constituídas por agentes autónomos podem igualmente desempenhar a tarefa da cooperação, por exemplo, para melhorar a difusão de informação ou ainda a segurança da circulação.
2.4
Localização Relativa Baseada no RSSI
Um tipo de informação possível de ser trocada na estimativa da localização relativa dos objectos é o RSSI (Received Signal Streght Indicator). Isto é possível já que, o RSSI é um valor dependente da distância, que embora um pouco grosseiro, é facilmente obtido pelas mensagens trocadas entre os elementos de uma equipa de robôs.
Esta informação pode ser utilizada tanto em redes de robôs móveis como estáticas para diversos fins. Um deles é extrapolar a topologia de uma rede de sensores estáticos para optimizar a sequência de comunicação, e até mesmo, quando possuem a propriedade de auto-reconfiguração, permitir optimizações nas entradas e saídas de nós. Outra aplicação na qual esta informação pode ser utilizada, e desta vez com uma equipa de robôs móveis, é a obtenção da topologia da rede,
Figura 2.4: Sistema de auto brake evitando [3]
2.4 Localização Relativa Baseada no RSSI 13 [14], permitindo a possibilidade de movimento para manter a conectividade entre os robôs ou para executar uma determinada tarefa como, [14] [2] [23].
Assim, o trabalho desenvolvido no âmbito desta tese baseia-se na técnica do cálculo da estimativa da localização, que utiliza a força do sinal recebido (RSSI) de uma mensagem como parâmetro para calcular a distância entre dois nós. O uso desta técnica resolve dois problemas supracitados: reduz o custo envolvido e elimina a necessidade de acrescentar hardware, mantendo assim o tamanho físico dos robôs inalterado.
Embora o RSSI seja apresentado como a solução ideal a ser aplicada em sistemas de baixo custo, esta técnica acarreta a desvantagem da imprecisão. Como tal, esta técnica não é a ideal para ser utilizada em longas distâncias, já que, associados às longas distâncias surgem os factores como, interferências e perda de sinal ao longo do percurso.
Uma informação fiável sobre a localização de cada um dos robôs constitui um elemento essencial à construção de uma equipa de robôs móveis cooperantes.
O facto de o RSSI ser uma informação que, normalmente, é facilmente medida pelos sistemas sem fio, faz com que os algoritmos de localização baseados no RSSI sejam os escolhidos [24].
Antes de passarmos à apresentação dos algoritmos de localização, é apresentada a definição do termo RSSI segundo [25].
”RSSI representa a medição da potência do sinal recebido. Este indicador é amplamente utilizado em sistemas que se apoiam na tecnologia IEEE802.11. A potência recebida pode ser calculada através do RSSI.”
Na secção seguinte é apresentada a análise do trabalho previamente elaborado relativamente aos métodos utilizados na localização relativa.
2.4.1 Localização relativa baseada no MDS
O Multidimensional Scaling (MDS), escalonamento multidimensional, é uma técnica amplamente utilizada na análise de divergência de dados, a partir da qual é possível obter a distribuição espacial do conjunto de dados. Este método pode ser utilizado como uma abordagem analítica com vista a determinar as dimensões que são subjacentes aos dados presentes na estrutura espacial obtida [26] [27] [20].
A principal vantagem na utilização do MDS na estimativa da posição é que este, geralmente, fornece um resultado bastante preciso, ainda que baseado em informações sobre a distância limitadas e propensas à existência de erros [26].
Este algoritmo utiliza uma matriz simétrica de dimensão n × n, na qual cada elemento representa a distância entre cada dois nós. Esta matriz é, então, utilizada para obter uma matriz de configuração compatível num espaço p-dimensional, para p < n. Para este trabalho apenas duas dimensões foram consideradas.
Antes de mais, para utilizar este método o nó deve ter conhecimento do estado da rede. Para tal, [15] sugere que a matriz de conectividade seja difundida por entre os elementos da equipa,
figura 2.6. Esta matriz constitui uma representação da topologia da rede, apresentando o estado das ligações entre cada um dos pares de nós: "1"significa ligado, e "0"desligado. Porém, esta informação sobre o estado da rede é limitada para o efeito da localização relativa, já que, indicando apenas se uma ligação entre dois nós se encontra "ligado"ou "desligado", nada é informa sobre a distância que separa os dois nós.
Figura 2.6: Matriz de Conectividade e respectiva topologia da rede
Com vista a solucionar este problema, [14] sugere que a matriz seja preenchida com outro tipo de informação, tal que a partir desta seja possível extrapolar a distância que separa os diversos pares de nós: o valor do RSSI. Esta solução resulta na matriz de conectividade estendida. Esta solução representa não só o estado da ligação entre dois nós como o quão perto ou longe se encontra um nó do outro.
Tal como citado em [2] a versatilidade da matriz de conectividade estendida provém do facto de, quando correctamente manipulada, ser capaz de suportar a localização relativa baseada em comunicações RF ad-hoc de robôs móveis autónomos. [14] apresenta gráficos que representam a distribuição espacial a duas dimensões dos agentes, baseando-se apenas na informação RSS disponibilizada pela matriz de conectividade estendida. E consegue-o filtrando os valores recorrendo a uma janela deslizante e a um filtro de Kalman. Após isso, a distância é calculada a partir da informação sobre o RSSI filtrada, e, finalmente, o algoritmo MDS é aplicado obtendo, assim, a distribuição espacial. Com a aplicação do MDS à matriz de conectividade estendida é possível extrapolar as posições relativas dos elementos da equipa, figura 2.7. Note-se o facto de a potência da ligação ser tomada como medida da distância entre dois vizinhos, e que pode assumir valores distintos de cada um dos lados da ligação. Quanto mais elevado o valor presente nas células desta matriz, maior a potência e lida entre esses nós e, consequentemente, menor a distância de separação entre os mesmos.
Figura 2.7: Matriz de Conectividade Estendida e respectiva topologia da rede
2.4 Localização Relativa Baseada no RSSI 15 poderão até deixar de existir, por causa de mudanças na topologia da rede, facto perfeitamente usual nas MANETs, algumas estratégias deverão ser implementadas para prosseguir com a manutenção da matriz de conectividade estendida. A solução proposta, [14], para verificar se os valores recebidos são novos, é enviar, juntamente com a matriz o aging vector, criando assim uma linha temporal para os valores do RSSI recebidos. Além disto, quando a ligação de um nó é perdida, a solução para actualizar a matriz é, em cada nó, verificar o seu próprio aging vector e, no caso de as amostras estarem desactualizadas, remover os valores antigos.
Um dos inconvenientes deste método é o excesso de informação que é necessário circular pela rede. A informação presente na matriz de conectividade estendida tem de ser mantida e broadcasted/difundida através da rede. Isto significa que, para uma rede constituída por n nós, o serão transmitidos n2valores.
O problema das redes que não são totalmente ligadas, isto é, redes que possuem um nó incapaz de comunicar directamente com a totalidade dos nós dessa rede, é explorada em [14]. Devido aos problemas que esta situação causou ao algoritmo MDS, algumas soluções foram comparadas. O resultado obtido permitiu deduzir que é eficaz aproximar a distância entre dois nós que não comunicam directamente pela soma do menor caminho que os liga. O que acontece é que a distância espacial do sinal é calculada através da seguinte expressão:
Na expressão acima, RSSImaxrepresenta o valor máximo do RSSI que é possível ser recebido;
o E representa o caminho entre i e j, contendo uma série de ligações; e o par (a,b) representa os extremos de uma ligação genérica em E.
Capítulo 3
Aspectos Físicos da Comunicação por
Radiofrequência
O universo físico é governado por quatro grandes forças: força nuclear, a mais forte das quatro, porém limitada a sistema submicroscópicos; força electromagnética, cuja intensidade é da ordem de 10−2 da força nuclear, e constitui a força dominante em sistemas microscópicos, tais como, átomos e moléculas; força de interacção fraca, cuja intensidade é de apenas 10−14da força nuclear, e desempenha um papel na interacção que envolve partículas radioactivas; e a força gravítica, que constitui a mais fraca das forças, mas ainda assim é a dominante em sistemas macroscópicos, como é o exemplo do sistema solar.
O interesse deste trabalho foca-se na força electromagnética, pelo que, de seguida serão apresentados alguns conceitos teóricos que propiciam um visão geral da estrutura do electromagnetismo e, consequentemente, permitem um enquadramento nas temáticas descritas mais à frente.
3.1
Espectro Electromagnético
O espectro eletromagnético é uma vasta banda de frequências de energia que se estende desde as ondas de rádio, passando pelas microondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta e raios X, até às ondas gama, desde frequências muito baixas até às maiores frequências possíveis. Este encontra-se organizado de acordo com a frequência das ondas, desde as mais longas, equivalente ao nível de energia mais baixo, para as mais curtas, ondas de maior energia. De uma forma geral, os constituintes do espectro são denominados ondas electromagnéticas, já que partilham das mesmas características fundamentais:
• uma onda electromagnética consiste no conjunto de intensidades de campo eléctrico e magnético oscilando à mesma frequência;
• a velocidade de fase de uma onda electromagnética que se propaga no vácuo é uma constante universal dada pela velocidade da luz c;
• no vácuo, o comprimento de onda λ de uma onda electromagnética está relacionado com a sua frequência de oscilação f por
λ = c
f (3.1)
Desta forma, cada onda é diferenciada pelo próprio comprimento de onda, ou, equivalentemente, pela sua frequência de oscilação.
A tabela que se segue (3.1) mostra como se encontra dividido em diferentes gamas o espectro electromagnético, de acordo com as frequências existentes. Cada uma destas têm um modo de propagação e uma série de aplicações que lhe são características.
Gama de Frequências Frequência Comprimento de Onda (λ ) ELF (Extremely Low Frequency) 300Hz a 3kHz 100km a 1000km
VLF (Very Low Frequency) 3kHz a 30kHz 10km a 100km LF (Low Frequency) 30kHz a 300kHz 1km a 10km MF (Medium Frequency) 300kHz a 3MHz 100m a 1km HF (High Frequency) 3MHz a 30MHz 10m a 100m VHF (Very High Frequency) 30MHz a 300MHz 1m a 10m UHF (Ultra High Frequency) 300MHz a 3GHz 0,1m a 1m
SHF (Super Frequency) 3GHz a 30GHz 10m a 100mm EHF (Extremely High Frequency) 30GHz a 300GHz 1mm a 10mm
Tabela 3.1: Gamas de frequência definidas no espectro electromagnético
3.2
Antenas e Radiação
Uma antena pode ser definida como um transdutor entre uma onda guiada que se propaga numa linha de transmissão e a onda electromagnética que se propaga num meio sem limitações (geralmente o espaço livre), ou vice-versa. Embora qualquer estrutura condutora ou dieléctrica possa realizar essa função, uma antena é projectada para radiar ou receber energia electromagnética com propriedades direccional e de polarização satisfatórias para a aplicação desejada.
Se a onda pudesse ser originada num ponto, este espalhar-se-ia dando origem a uma esfera de raio sempre crescente, e com a fonte de energia no centro da mesma. No entanto, não é possível projectar uma antena capaz de realizar isto. Ainda assim, esta hipotética antena é vulgarmente referida como antena isotrópica, e serve para analisar o desempenho das antenas que somos capazes de construir. Este tipo de antenas não possui perdas já que radia igualmente para todas as direcções. Todavia, sendo este um caso ideal torna-se fisicamente irrealizável. Ainda assim, é usada como um radiador de referência quando descrevemos as propriedades de radiação de antenas reais.
As antenas são construídas em vários formatos e tamanhos, e possuem múltiplos domínios de aplicação, tais como, sistemas de radiodifusão, sistemas de comunicação por ondas de rádio,
3.2 Antenas e Radiação 19 telecomunicações, sistemas de radar e sensores automóveis de anti-colisão, entre muitas outras. As propriedades de radiação e impedância de uma antena são determinadas pelas suas características físicas: formato, tamanho e material com a qual é construída. As dimensões de uma antena são geralmente expressas em unidades de comprimento de onda que recebe ou emite.
A maioria das antenas são dispositivos recíprocos, isto é, apresentam as mesmas características quer no acto da recepção, quer no da transmissão. Esta propriedade de reciprocidade é muito conveniente já que esta permite determinar o padrão de radiação de uma antena no modo de transmissão, mesmo quando esta opera como um receptor.
O desempenho da antena depende das suas características, das quais se podem destacar quatro: o diagrama de radiação, já descrito anteriormente, a directividade, a eficiência e o ganho.
A função direccional caracteriza a distribuição relativa da potência radiada pela antena, sendo conhecida como padrão de radiação da antena ou, simplesmente, padrão da antena, ou ainda, e talvez o termo mais comumente utilizado, diagrama de radiação.
A figura que se segue (3.1) é um exemplo de um diagrama de radiação tridimensional.
Figura 3.1: Diagrama de Radiação de uma Antena Isotrópica [4]
A característica de directividade de uma antena define a razão entre a intensidade de radiação numa dada direcção e a intensidade média. Desta forma, esta característica determina a capacidade da antena de concentrar a energia irradiada numa determinada direcção, ou, por outras palavras, corresponde ao ganho directivo máximo.
Esta característica é uma função de θ e de φ , representados na figura3.1e pode ser calculada através da seguinte expressão:
D(θ , φ ) = 4πr
2S med
PT
(3.2) onde Smedrepresenta a densidade de potência média, e PT a potência total transmitida.
entregue à mesma. Como tal, esta é calculada com recurso à expressão: η = Pot.Irradiada
Pot.TotalAplicada (3.3) Para entender o conceito de ganho de uma antena, poder-se-á começar por pensar na hipotética antena isotrópica que consiste numa fonte pontual a irradiar energia igualmente em todas as direcções. Qualquer antena real irá irradiar mais energia sob umas direcções que outras. Como não poderá ser criada energia adicional , a potência total irradiada é a mesma que uma antena isotrópica irradiaria, contudo, em algumas direcções, a antena real irradia mais que a isotrópica, e noutras menos. O ganho de uma antena numa dada direcção é a quantidade de energia iradiada nessa direcção comparada com a energia que uma antena isotrópica iradiaria nessa mesma direcção, quando submetida a mesma potência de entrada. Normalmente, interessámo-nos apenas no ganho máximo, ou seja, na direcção sob a qual a antena se encontra a radiar a maior parte energia.
O ganho, sendo uma função da directividade e eficiência na radiação da antena, pode ser calculado através da aplicação da equação
G= η · D (3.4) onde η representa a eficiência na radiação e D a directividade da antena.
Para uma antena sem perdas, o que corresponde a uma eficiência na radiação, ou rendimento, igual a 1, temos que, pela equação3.4, o ganho da antena é igual ao seu valor de directividade.
As fontes de radiação podem ser classificadas em dois grupos: de corrente e de campos de abertura. Como exemplo das primeiras temos o dipolo (na figura 3.2, a primeira à esquerda), nestas as correntes variantes no tempo que percorrem os fios condutores originam o campo electromagnético radiado. Um antena do tipo corneta (na figura 3.2, a central) é um exemplo do segundo grupo de classificação, onde a abertura da corneta serve como fonte de campo radiado.
Quando várias antenas são juntas, a combinação é denominada de arranjo de antenas (na figura
3.2, a mais à direita), sendo que este se comporta como se de uma única antena se tratasse. Controlando o módulo e a fase do sinal que alimenta cada antena individualmente, é possível moldar o padrão de radiação do arranjo e guiar a direcção do feixe electronicamente.
Figura 3.2: Tipos de Antenas: Dipolo; Corneta; Arranjo de Antenas (da esquerda para a direita) [4]
3.3 Propagação de Ondas de Rádio 21
3.3
Propagação de Ondas de Rádio
O engenheiro dinamarquês Harald T. Friis contribuiu activamente no desenvolvimento da engenharia no campo da propagação de ondas de rádio, tendo desenvolvido duas equações, comummente utilizadas no âmbito da radiação. A equação de transmissão de Friis (3.5) é utilizada na prática da engenharia das comunicações como ferramenta para calcular a potência recebida por uma antena, sob condições ideais, dada uma segunda antena a transmitir a uma determinada distância da primeira.
Pr Pt = GtGr( λ 4πR) 2 (3.5)
Aqui, Pr corresponde à potência recebida em dBm, Pt corresponde à potência transmitida em dBm, Gr ao ganho da antena receptora em dBi, Gt ao ganho da antena transmissora em dBi, λ ao comprimento de onda e R à distância que separa as duas antenas. Estas duas últimas variáveis deverão estar na mesma unidade de medida.
Há quatro modos de propagação de ondas electromagnéticas, os quais se fazem notar consoante a frequência de operação:
• Ground Wave Propagation - ocorre na superfície terrestre e na ionosfera;
• Sky Wave Propagation - utiliza a ionosfera para reflectir ou refractar as ondas de rádio de volta para a terra;
• Space Wave Propagation - utiliza as técnicas de propagação em linha de vista modificadas por reflexões na terra, refracções na atmosfera e difracções em obstáculos;
• Scatter Propagation - utiliza a dispersão da onda na troposfera; embora na ionosfera também seja possível, é menos utilizado.
As frequências às quais se operou no âmbito deste trabalho encontram-se na gama das Ultra High Frequencies. Nesta gama de frequência, tal como na antecedente, VHF, a ionosfera já não se apresenta útil à propagação, pelo que esta é feita em linha de vista (LOS). Encontramo-nos, portanto, perante do modo de propagação denominado Space Wave Propagation. Esta gama de frequências é comummente utilizada, por exemplo, para a radiodifusão de sinais de TV. Neste caso é necessário tomar em atenção uma série de situações que poderão afectar a propagação, nomeadamente, reflexões na terra, refracções na troposfera, difracções em obstáculos, dispersão da energia radiada em ambientes urbanos e desvanecimento do sinal [28].
3.4
Propagação de Ondas de Rádio em Interiores
A utilização de sistemas wireless representa um dos maiores desafios de design, já que a tentativa de quantificar e de estabelecer limites para a utilização de redes sem fios no interior de edifícios não se revela um aspecto trivial.
O modelo mais básico de propagação de ondas de rádio envolve o chamado "espaço livre". Neste modelo, as ondas de rádio partem de uma fonte pontual de energia, viajando em todas as direcções sob uma linha recta, preenchendo todo o volume esférico no espaço com a energia de rádio, cuja força varia inversamente ao quadrado do raio da esfera (r12).
Porém, no mundo real a propagação das ondas raramente segue o modelo simplificado. Os três mecanismos básicos da propagação de rádio são atribuídos à reflexão, difracção e à dispersão. A reflexão pode ser definida como o fenómeno que ocorre quando se dá a colisão de ondas eletromagnéticas propagadas num objecto que possui dimensões demasiado grandes relativamente ao comprimento de onda de propagação. Desta forma, a ocorrência deste fenómeno resulta numa mudança de direcção de uma onda numa interface entre dois meios distintos, fazendo com que esta retorne ao meio do qual foi emitida. Isto ocorre, por exemplo, a partir da superfície terrestre e de prédios e muros.
A difracção ocorre quando o caminho de rádio entre o transmissor e o receptor é obstruído por uma superfície possui irregularidades aguçadas (arestas). As ondas secundárias resultantes da obstrução da superfície estão presentes em todo o espaço inclusivé atrás do obstáculo, dando origem a uma flexão das ondas em torno do obstáculo, mesmo quando uma linha de vista entre o emissor e o receptor não existe. Às altas frequências, a difracção, tal como a reflexão, depende da geometria do objecto, bem como, da amplitude, fase e polarização da onda incidente no ponto de difracção.
A dispersão ocorre quando o meio através do qual a onda viaja oferece resistência à passagem de determinados comprimentos de onda. Este fenómeno resulta na mudança da forma da onda inicial.
Uma outra consequência da propagação das ondas num meio que não é o ideal é a atenuação. Este fenómeno é definido como a diminuição da intensidade da onda com a distância. Da Física, sabemos que a intensidade do campo varia inversamente com o quadrado da distância.
E=K· | Q |
d2 (3.6)
E é essa diminuição da intensidade que é denominada atenuação. Quanto mais distante do emissor, mais fraco é o campo electromagnético.
A propagação de ondas através de qualquer meio que não o vácuo é sempre acompanhada de perdas causadas pela absorção de potência pelas partículas do meio. Assim, apenas se as ondas electromagnéticas se propagarem no vácuo é que não serão atenuadas pela absorção. Estas, ao se propagarem na atmosfera, são afectadas pela absorção, sendo o vapor de água e as moléculas de oxigénio existentes nela os principais responsáveis pela absorção de energia. Estes efeitos crescem com o aumento da frequência.
Todos estes fenómenos acima referido provocam distorções do sinal de rádio e originam o desvanecimento do sinal, bem como, perdas de propagação de sinal adicional. A realização de movimentos em distâncias muito curtas, por unidades móveis, em espaços exteriores provocam flutuações na força do sinal, porque este é formado por uma série de componentes provenientes das
3.4 Propagação de Ondas de Rádio em Interiores 23 diversas fontes de reflexão (denominados sinais multipath) a partir de diferentes direcções, bem como componentes dispersos e/ou difractados do sinal. Essas variações na intensidade do sinal representam 30-40 dB nas faixas de frequências utilizadas nas comunicações móveis e representam algumas das dificuldades apresentadas no design de sistemas de comunicações de rádio confiáveis. A atenuação do sinal de base, observado no mundo real, origina os denominados efeitos de "grande escala", enquanto as flutuações de intensidade do sinal, com movimento, são denominados efeitos de "pequena escala".
No interior, a situação torna-se ainda pior. É extremamente difícil construir um edifício RF friendly, isto é, um edifício livre de reflexões multipath, difracções de cantos afiados ou dispersão nas paredes, tecto e pavimentos. Portanto facilmente percebemos o que acontecerá em edifícios escolhidos aleatoriamente para a implementação de sistemas RF, e cuja construção não teve este aspecto em consideração. A imagem seguinte (figura 3.3) ilustra o resultado verificado numa situação deste género.
Figura 3.3: Variação do RSSI com a distância em ambiente indoor [5]
No mundo real, o multipath ocorre quando há mais do que um caminho disponível para a propagação do sinal de rádio. Os fenómenos de reflexão, difracção e dispersão dão origem a todos os caminhos de propagação de rádio adicionais além do caminho definido pela linha de vista entre o transmissor e receptor de rádio.
Além da linha de vista, existe um outro conceito que deverá ser mantido em mente durante o planeamento da implementação do sistema de comunicação, que é a zona de Fresnel. Esta pode ser definida como uma série de elipses concêntricas em torno da linha de vista. A zona de Fresnel é importante para a manutenção da integridade da ligação, já que esta determina uma área em torno da linha de vista que é passível de introduzir interferências no sinal caso seja obstruída. A presença de obstáculos na zona de Fresnel pode produzir reflexão, difracção, absorção ou dispersão do sinal, causando a degradação ou perda completa do mesmo. A imagem seguinte (figura 3.4) é representativa desta zona.
Figura 3.4: Representação da Zona de Fresnel [6] O cálculo do raio da zona de Fresnel é calculado a partir da expressão:
Rm= 547 ·
s D1· D2
f· d (3.7) onde D1 representa a distância de A a C em km; D2 a distância de B a C, também em km; d o
comprimento da LOS, em km; e f a frequência em MHz. A unidade do raio da zona de Fresnel (Rm) é m.
Na prática, não são apenas os objectos metálicos os responsáveis por causar reflexões, dieléctricos ou isoladores eléctricos, também provocam este fenómeno. O multipath ocorre quando todos os efeitos de propagação de rádio se combinam num ambiente. Por outras palavras, quando existem vários caminhos de propagação do sinal, causados por qualquer fenómeno, o nível de sinal real recebido corresponde à soma vectorial de todos os sinais incidentes de qualquer direcção ou ângulo de chegada. O fenómeno total composto é assim denomindo multipath. Este fenómeno é completamente indesejável para as comunicações de rádio. O fenómeno de multipath poderá fornecer um nível de interferência caracterizado por uma espécie "ruído de fundo", ou ainda, causar uma completa interrupção do sinal de rádio e a existência de "pontos mortos"dentro de um edifício. Em prol do bom funcionamento do sistema de comunicação de rádio, é necessário minimizar ou, se posível, eliminar o fenómeno de multipath.
O ambiente indoor é consideravelmente diferente do típico ambiente outdoor, e, em várias características, apresenta-se mais hostil. Modelar a propagação de ondas electromagnétcas num ambiente interior é uma tarefa complicada, devido à grande variabilidade associada ao traçado das construções interiores e respectivos materiais. Além disso, o ambiente pode mudar drasticamente com o simples passar de uma pessoa, o movimento de abertura ou fecho de uma porta, entre outras situações passíveis de ocorrerem.
Um outro factor a ter em consideração na propagação de ondas em interiores, são as interferências. Ao contrário dos ambientes exteriores, nos quais a distância de operação é grande, em ambiente interior, é comum existirem interferências provenientes de sistemas a operarem em simultâneo e a uma curta distância. Um exemplo clássico deste tipo de fenómenos é o caso de um computador que possui uma placa de rede wireless, assim como teclado e rato, também sem fios. Estes últimos comunicam por bluetooth, à frequência de 2.4GHz. Estando a placa WLAN
