Projeto de Múltiplas RSSF operando sobre
Fibra óptica
Maria Caroline de Andrade
PUC-CampinasCentro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecno-logias
maria.ca@puccampinas.edu.br
Omar C. Branquinho
Sistemas de Telecomunicação – Gestão de Redes e Serviços
Planejamento Integrado e Gestão de Sistemas de Infraestrutura Urbana
branquinho@puc-campinas.edu.br
Resumo: As atividades previstas no projeto se
refe-rem à investigação de rede de sensores sem fio (RSSF) operando sobre um sistema de fibra óptica, como backhaul. Neste setup haverá uma base que irá se comunicar com nós sensores através do enla-ce de fibras óticas e que será monitorado através de uma ferramenta de gerência. Serão realizados testes no setup de RSSF com rádio over fiber (RoF). Estes testes tem por finalidade o monitoramento da rede e análise de métricas que serão estudadas, tais como received signal strength indicator (RSSI) e packet error rate (PER). Através destes testes será possível analisar o comportamento destes protocolos no setup montado com as métricas obtidas.
Palavras-chave: RoF, RSSI, transmissão. Área do Conhecimento: Elétrica.
1. INTRODUÇÃO
Com a vinda da globalização e o desenvolvimento acelerado das tecnologias de informação, a integra-ção de dispositivos móveis e fixos torna-se indispen-sável para a troca de informações. Neste sentido, os surgimentos das redes de sensores sem fio tendem a melhorar diversos setores da economia e prover novos serviços, com diversos propósitos, seja para monitoramento, execução de tarefas repetitivas ou sensorial.
As redes de sensores sem fio vêm sendo utilizadas em conjunto com a fibra óptica para alcançar objeti-vos comuns, aproveitando ao máximo as caracterís-ticas principais de cada uma. Com isto, a fibra-óptica vem para prover alta taxa de transmissão e qualida-de na troca qualida-de informações, enquanto as requalida-des qualida-de sensores sem fio para integrar os mais diversos dis-positivos [1].
Este trabalho realiza a análise de desempenho de uma rede WSN sobre fibra óptica através de vários
experimentos utilizando um tipo de modulação e fre-quência.
.
2. METODOLOGIA
Neste item será separado em itens, passo a passo os métodos e estudos realizados para o desenvolvi-mento deste projeto.
2.1. Estudo dos Sensores
A Plataforma Radiuino [1]foi escolhida para montar a rede de sensores em fio deste projeto. Esta é com-posta pelo IDE (Integrated Development
Environ-ment) do Arduino [2], porém com bibliotecas inclusas
que servem para comunicação via rádio, além de um
hardware para conectar o computador via USB com
o rádio. O Radiuino [3] possui um firmware estrutura-do em camadas de protocolos que serão estudadas no próximo subitem. A Figura 1 mostra o hardware utilizado, denominado BE900.
Figura 1 - Hardware Radiuino
Para entender como funciona a plataforma Radiuino o mais simples é saber que todo o processo de co-municação acontece através da transmissão de um pacote de 52 bytes entre o computador e o sensor, e este transmite de volta para computador, também um pacote com 52 bytes. Basicamente existe um mapa do pacote, onde são alterados os valores dos bytes para atender as solicitações de medir alguma gran-deza ou controlar algum dispositivo.
Para que ocorra a comunicação entre os sensores é necessário que o pacote se 52 bytes seja montado, para isso é utilizado um software que organiza as
suas necessidades neste pacote que será transmiti-do. Por exemplo, é necessário colocar no pacote a identificação do sensor de destino e do sensor que está enviando. Esta é uma das maneiras de se traba-lhar com o Radiuino [4].
Antes disto é preciso que seja gravado os firmwares nos rádios para que seja definido o qual será a base e qual o nó sensor. Para isto é utilizado o mesmo ambiente de programação Arduino. Após a realiza-ção destes passos o pacote montado será enviado do computador via USB para a base, que analisa para onde o pacote será destinado e o transmite em um canal de rádio, com a potência previamente pro-gramada na base. O sensor então recebe o pacote e mede a intensidade de sinal recebida, chamada de RSSI de downlink (da base para o sensor). O Sensor analisa o pacote para verificar se mais alguma ativi-dade deve ser realizada e verifica se é necessário escrever mais alguma coisa no pacote, após isto, o Sensor transmite o pacote para a base. A base rece-be o pacote e mede a intensidade de sinal recebida (RSSI de uplink) e envia pacote para o computador. O computador recebe e processa o pacote exibindo na tela a grandeza solicitada[4]. Na Erro! Fonte de referência não encontrada. é possível ver um Es-quema em blocos deixando claro o esEs-quema de co-mo funciona o sistema dos sensores.
Figura 2 - Esquema em blocos
Os firmwares utilizados nos sensores deste projeto seguirão os seguintes fluxogramas:
Figura 3 - Fluxograma funcionamento do sensor O fluxograma da Figura 3 mostra que sensor verifica que após a inicialização do sensor as demais ações irão ocorrer em loop, até que o mesmo seja desliga-do.
Figura 4 - Fluxograma do funcionamento da base Enquanto no fluxograma da base (Figura 4), observa-se que após a sua inicialização o mesmo fica verifi-cando a existência de pacotes na fila para que conti-nue o fluxo até o envio de pacote pela porta serial. 2.2. Estudo dos parâmetros da camada física Os Parâmetros da Camada Física foram estudados para que fosse possível alterar configurações do rá-dio, já que ao iniciarem os testes, diferentes tipos de ambientes foram criados. Para criação das configu-rações para programar o BE900 foi utilizado o Smar-tRF Studio software indicado no manual da Texas do CC1101 [4]. Este é composto de registradores, onde cada um deles representa um tipo de configuração ser realizada, como modulação, frequência, desvio, etc. Na Figura 5 é possível ver a interface do Smar-tRF Studio.
Figura 5 - Interface SmartRF Studio
2.3. Planejamento para realização dos testes
Nesta parte será descrito o setup dos testes descrevendo cada elemento e suas funões. Na Figura 6 se encontra um esquema de como esta sendo montado o cenário para testes.
Figura 6- Setup de testes em bancada O primeiro item do setup é o computador, basica-mente este é utilizado para coletar dados. Ele é o responsável por executar o script Python, onde se encontra a programação que os rádios deverão exe-cutar.
Este está programado para coletar dados como a RSSI (Intensidade de sinal entre base-repetidor, re-petidor-sensor, sensor-repetidor, repetidor-base.) além de calcular a PER (Packet Error Rate), este calculo é feito utilizando o número de pacotes envia-dos e o número de pacotes perdienvia-dos. A PER é calcu-lada com o intuito de se obter a BER (Bit Error Rate), que é a taxa de erro de bits, informação que será necessária para análises do experimento.
O computador então se comunica com o resto da rede através da base, responsável por enviar todas as informações, este opera em Canal diferente do sensor graças ao repetidor que irá ser explicado mais a frente.
O sistema RoF (Radio over Fiber) a Fibra Óptica e o circulador podem ser explicados juntos já que traba-lham em conjunto, claro que também dependem dos rádios, mas podem ser explicados separadamente deste. A Figura 7 mostra o Diagrama do sistema RoF explicado seguidamente.
Figura 7 - Diagrama do sistema RoF
No sistema de RoF o sinal de radiofrequência modu-la um modu-laser. O sinal de RF (Radio Frequency) de en-trada, ou seja, emitida pela base, modula o laser que é transmitido pela fibra óptica e após a transmissão é
foto detectado retornando ao sinal de RF original e no caso recebido pelo primeiro sensor do repetidor. O Power Amplifier (PA) serve como um amplificador, este componente é responsável por obter uma po-tência de transmissão adequada ao projeto.
Como é utilizada a mesma antena para transmissão e recepção é necessário o circulador, para evitar a realimentação do RoF com o sinal do Sensor Base. Na recepção o sinal vindo do circulador passa por um LNA (Low Noise Amplifier) para aumentar a po-tência que irá modular o laser no retorno. Quando o sinal é recebido pelo repetidor, este passa em diante as informações para que cheguem ao sensor, que irá retornar o sinal, e ao chegar ao repetidor novamente, tudo se repetirá inversamente dentro do sistema RoF.
Depois de passar pelo sistema RoF, o sinal chega ao repetidor, um elemento utilizado para enviar os dados de forma transparente para o sensor, e desta forma aumentar a potência do sinal a ser enviada, já que cada sensor utilizado no teste tem o firmware pro-gramado para que o sensor envie o sinal com uma potência de -30 dBm. Sendo assim, a cada vez que o pacote passar pelos sensores, esta potência será injetada para que a potência perdida no caminho seja revitalizada.
Este é composto por dois sensores em uma única base que interagem entre si como mostra a Figura 8. O primeiro sensor ‘conectado’ com a base possui o mesmo canal, já o segundo sensor do repetidor pos-sui um Canal diferente destes, porém é o mesmo canal do sensor final que se encontra na caixa blin-dada.
Figura 8 - Esquema do repetidor
Dois elementos são utilizados para que se tenha ate-nuação do sinal emitido pela base, estes são o Ate-nuador e a Chave de RF, estes componentes fazem com que o sinal seja atenuado em média -90 dBm. Este mecanismo é utilizado para trabalharmos em um cenário com uma qualidade ruim, situação que pode ocorrer falando-se em um cenário real.
O ponto final do teste há uma caixa blindada, onde se encontra um sensor. Este sensor esta
programa-do para ser o fim programa-do percurso programa-do pacote, ou seja, ao chegar neste o caminho o inverso será percorrido, sempre armazenado as RSSI em bytes do pacote.
Figura 9 - Setup de testes
A Figura 9 mostra o setup total dos testes que estão divididos em duas partes, a primeira parte da figura é possível notar o início da rede com a base o RoF e a Fibra Óptica, já na segunda, o restante da rede.
2.4. Estudo da ferramenta de gerência
A ferramenta de gerência utilizada foi IDL- Python GUI, onde um script em Python é executado, sendo possível com este gerenciar a rede de sensores atra-vés do computador.
Para o desenvolvimento do script, definimos primei-ramente quais seriam os dados que deveriam ser coletados para depois escrevermos o código.
Este script então faz a medida de quatro tipos RSSI: Base x Repetidor, Repetidor x Sensor, Sensor x Re-petidor e ReRe-petidor x Base, portanto, é feita a medida no caminho de ida e depois de volta do pacote. Existem dois contadores neste código que são res-ponsáveis para se obter o valor da PER. A PER é usada para testar o desempenho de um receptor, portanto esta é calculada em percentagem através da relação com número de pacotes não recebidos, ou seja, para obter-se o número de pacotes que não foram enviados com êxito é preciso saber o número de pacotes que foram enviados e o número que foi
recebido, por isso dois contadores no script, um chamado de contador de dados enviados e o outro contador de dados recebidos. Com estes dois valo-res, obtemos a percentagem PER dividindo-se o nú-mero de pacotes enviados pelo nunú-mero de pacotes recebidos.
Já a BER, como citado anteriormente é a Taxa de Erro de Bits. Na transmissão digital, o número de erros de bits é o número recebido de bits de um fluxo de dados que ao longo de um canal de comunicação foram alterados devido ruídos, interferências, distor-ção entre outros aspectos. A taxa de erros de bits tem uma relação com a PER expressa pela fórmula a seguir:
BER = 1 – ((1-PER)^(1/Número de bits do pacote)) Portanto em nosso script esta fórmula foi implantada de maneira que pudéssemos obter o valor da BER:
FinalBER = 1 – ((1 - FinalPER) ** 1/512) 2.5. Parâmetros Utilizados nos testes
Como planejado, deveríamos realizar testes sucessi-vos com diversos tipos de ambiente, variando as configurações do rádio para que simulássemos vá-rias situações que podem ocorre em situações reais. Sendo assim seria possível analisar qual o melhor tipo de configuração através da obtenção da PER e BER.
Todos os testes seguiram o mesmo roteiro, foram feitos para cada configuração cinco séries de 10 mil pontos, ou seja, a cada série eram feitas a obtenção de 10 mil medidas. Ao final de cada série o código foi programado para realizar a média das RSSI’s medi-das.
Ao final das 5 séries realizadas, um novo arquivo e mais importante deles era criado de modo com que fosse calculado a média geral das RSSI’s, da PER e da BER (Figura 10) que foi obtida ao final de cada série, dessa maneira foi mais fácil manipular e ob-servar os resultados obtidos.
Figura 10 - Arquivo obtido nos testes
2.6. Configurações dos testes
Para mudamos o ambiente dos testes, optamos por 6 tipos de configurações diferentes na transmissão
dos rádios. Para isso, seguindo o Manual do CC1101, já explicado anteriormente, utilizamos o SmartRF Studio e preparamos os firmwares dos rá-dios no Arduino. Para cada configuração, 5 séries de 10 mil pontos eram realizados da mesma forma com que foi realizado os testes na potencia de transmis-são e recepção.
Primeiramente a frequência foi estipulada já que o rádio CC1101 funciona com uma frequência de 915 MHz. Também definimos para todos a mesma modu-lação, 2-FSK que é a Modulação por chaveamento de frequência, uma técnica de modulação na qual o sinal digital modulante varia a frequência de uma on-da portadora analógica de acordo com valores pré-determinados.
Já o desvio, após uma série de testes, a modulação que aceitou maior mobilidade foi a de 76,1 kHz, por-tanto esta ficou estabelecida para todos os testes. Foram escolhidos 6 valores diferentes de taxa de transmissão e o filtro variava de acordo com o valor escolhido.
A Tabela 1 segue com os testes realizados, explici-tando cada detalhe do teste.
Tabela 1 - Configurações dos testes
Teste 1 Teste 2 Teste 3 Teste 4 Teste 5 Teste 6 Frequência (MHz) 915 915 915 915 915 915 Modulação 2-FSK 2-FSK 2-FSK 2-FSK 2-FSK 2-FSK Taxa (kBaund) 4.8 9.6 38.4 76.8 99.5 150 Desvio (KHz) 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 Filtro (KHz) 542 542 542 542 650 650
Portanto vários testes foram realizados e os resulta-dos serão apresentaresulta-dos no próximo item.
3. RESULTADOS E ANÁLISE
Neste capítulo serão apresentados os resultados dos experimentos que foram realizados e estão descritos na metodologia.
Os seis testes foram realizados, os resultados obti-dos foram capturaobti-dos e organizaobti-dos em gráficos pa-ra que a visualização fosse mais bem vista.
Cada teste gerava uma série de valores, porém ape-nas os resultados do arquivo final, já explicado ante-riormente foram utilizados.
No Gráfico 1 é possível visualizar os resultados da BER final de cada teste realizado, note que no gráfi-co é indicado a BER para cada taxa de transmissão correspondente.
Gráfico 1 - Taxa de transmissão x BER Com o gráfico então é possível notar que quanto maior a taxa, maior é o valor da BER, resultados que também foram notados não só através dos números obtidos, mas também durante os testes, já que quando subíamos muito o valor da taxa de transmis-são os rádios não conseguiam fazer troca de pacotes entre si.
Portanto para uma melhor transmissão de dados, sem muitas perdas nos bits dos pacotes, a taxa mais baixa é a de maior qualidade.
Gráfico 2 - RSSI X BER
Já através do Gráfico 2 é possível observar que em todas as taxas de transmissão, os valores indicam que quanto maior a qualidade de transmissão, menor é a taxa de erro de bits, o que já era de se esperar desde o inicio.
O trabalho demonstrou a viabilidade da rede de sen-sores sem fio operando em conjunto com RoF para a monitoração da rede subterrânea mesmo trabalhan-do em um cenário onde não havia boas condições, ou seja, havia muita atenuação do sinal.
Foram considerados aspectos do projeto tanto da parte de RoF quanto da de sensores sem fio.
Portanto apenas com um par de fibras é possível monitorar uma rede subterrânea, utilizando a tecno-logia da rede de sensores sobre fibra óptica. E desta forma é possível mitigar possíveis problemas que causem acidentes no ambiente, evitar deslocamento para manutenção desnecessária e realizar análise dos dados coletados para uma melhor eficiência ope-racional.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] MONIR Hossen, Byung-Jun Jang, Ki-Doo Kim, and Youngil Park. “Extension of Wireless Sensor Network By Employing RoF-based 4G Network’’.2009 [2] ARDUINO. Disponível em: <http://arduino.cc/>
Acesso em: Julho 2014
[3]
RADIUNO. Disponível em:http://www.radiuino.cc/. Acesso em:Julho de 2014 [4] BRANQUINHO..C.Omar “Guia de Projeto Radiui-no”2011.
[5] INSTRUMENTS, T. SmartRF Studio 7 Overview (Rev. B). Texas instruments. 2010c. Disponível em: <http://focus.ti.com/lit/ug/swru195b/swru195b.pdf> Acesso em: Julho 2014
