Uma abordagem às Camadas Físicas e de Rede das Bandas ISM 915MHz e 2.4GHz: Um Estudo de Qualidade para sua Aplicação Numa Rede de Sensores Sem Fio.

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1 Uma abordagem às Camadas Físicas e de Rede das Bandas ISM 915MHz e 2.4GHz: Um Estudo de Qualidade para sua Aplicação Numa Rede de Sensores Sem Fio. Jorge R. Beingolea Garay Laboratório de Sistemas Integráveis Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP) jorge@pad.lsi.usp.br Sergio T. Kofuji Laboratório de Sistemas Integráveis Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP) kofuji@pad.lsi.usp.br Resumo Neste trabalho é avaliado o desempenho de uma RSSF (Rede de Sensores Sem Fio), que é baseada na comunicação sem protocolo padrão em faixas de 915MHz e comunicação com protocolo padrão, em faixas de 2.4Ghz baseados na norma IEEE (ZigBee). As métricas consideradas foram: a Taxa de Transferência de Pacotes (vazão de dados), a Intensidade de Sinal Recebida (RSSI) e o alcance do Sinal. Com o objetivo de capturar os erros do hardware sem fio na iteração com o ambiente de propagação, foram realizados testes com cada uma das configurações em um cenário real. Pretendeu-se determinar a eficiência de funcionamento em uma RSSF baseada nesses tipos de comunicação. Os resultados evidenciam o bom desempenho das redes sem protocolo padrão em freqüências de 915MHz em aplicações para ambientes internos. Palavras-chave: Introdução Nos últimos anos, tem-se observado o rápido crescimento de pesquisas que visam o desenvolvimento de diferentes dispositivos de hardware com comunicação via rádio. Esses dispositivos têm surgido nas mais diversas áreas e estão invadindo de forma quase imperceptível o cotidiano das pessoas. Atualmente, existem vários padrões de redes sem fio para aplicações de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF), alguns deles são desenvolvidos unicamente para atender redes específicas, como as redes para automação residencial e industrial. Nessas redes, as aplicações com sensores, dispositivos de monitoramento e controle não precisam de uma alta largura de banda, porém necessitam de uma baixa latência, bem como de um reduzido consumo de energia dos dispositivos, com o intuito de atender as exigências da rede, principalmente em ambientes externos. A busca por soluções para otimizar o desempenho das RSSF tem ocupado a atenção de pesquisadores. Tal busca, tem por objetivo desenvolver novas técnicas de comunicação entre os elementos da rede, visando garantir a existência da mesma por um tempo maior. Entre estas soluções, encontra-se o uso de diversos tipos de freqüências de transmissão e modulação de dados, que fazem parte de dois grupos de comunicação sem Fio: as que não possuem um protocolo padrão de transmissão e aquelas que possuem. Dentro de cada uma dessas redes é considerado o uso de topologias (Estrela, Malha, Peer-to-peer), as quais permitem maiores áreas de cobertura e um consumo menor de energia nos diferentes ambientes de comunicação [1]. Embora vários estudos sobre o padrão IEEE tenham sido realizados, a maioria é 660

2 baseada em simulações ou análises matemáticas. Dessa forma, como apontado por Ferrari et al. [2] (2007), é essencial a realização de experimentos em ambientes reais, o que possibilitaria a obtenção de resultados que auxiliem no desenvolvimento de novos hardwares e aplicações para as novas RSSF nos diferentes padrões de comunicação. Com o propósito de contribuir na escolha desses dispositivos sensores, este trabalho apresenta um estudo das mais conhecidas tecnologias de RSSF que operam nas bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical bands) de 915MHZ (não possuem protocolo padrão de transmissão) e 2.4GHz (possuem protocolo padrão de ) [3]. Este artigo está organizado da seguinte maneira: as duas primeiras seções, após esta introdução, apresentam os tipos de comunicação com e sem protocolo padrão; a terceira contém uma breve descrição do roteamento em uma RSSF; a quarta seção apresenta os experimentos e resultados; e a última contém as conclusões do estudo desenvolvido. Comunicação sem Protocolo Padrão Banda ISM a 915MHz A banda de 915MHz é destinada para aplicações ISM, cobrindo a faixa entre os 902 e 928MHz, sendo que esses sistemas não utilizam protocolo padrão. Os circuitos integrados dentro desse grupo baseiam-se em um transmissor integrado em apenas um circuito, com exceção da antena, do cristal e de alguns componentes externos, sem haver a necessidade de ajustes no módulo RF (Rádio Freqüência). Nessa banda de operação a freqüência de trabalho, a velocidade de transmissão e a potência de saída, normalmente, costumam ser programáveis. Sendo que estas estão abaixo da potência máxima permitida e não necessitam de licença e são facilmente conectadas a um microcontrolador. O receptor pode ser um circuito integrado independente ou estar integrado ao próprio emissor. Em quase todos os modelos, o receptor dispõe de um sistema para mudar os estados do rádio entre sleep e ativo de forma rápida. Os experimentos, nessa banda de freqüência, incluem a utilização de um módulo Sensor chamado Mica2dot (Figura 1), o qual possui um chip de rádio (RF) CC1000 da Chipcon [4]. Esse chip é construído em um único circuito integrado (emissor e receptor) e o transceptor pode ser configurado para operar em freqüências que variam entre 300 e 916MHz. Já a sensibilidade do receptor permite captar sinais de até -90dBm, sendo que codificação utilizada é a FSK, a qual permite uma taxa de transmissão de até 76,8Kbps. Finalmente, a potência de saída do transmissor pode ser equilibrada para valores entre -20dBm e 10dBm. Figure 1 - Mica2dot [5]. Comunicação com Protocolo Padrão Banda ISM 2.4 a 2.5GHz ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi são considerados, dentro das comunicações, protocolos padrão, entretanto, neste estudo apenas o padrão ZigBee será investigado. Esse padrão implementa as camadas de aplicação e de rede do modelo OSI nas camadas física e a de enlace conforme a norma , hoje homologado como ZigBee [6]. A banda 2.4GHz é utilizada nas aplicações ISM na maior parte do mundo, no entanto no padrão ZigBee essa banda apresenta algumas características próprias, tais como: modulação O-QPSK; taxa de transferência máxima de 250kbps em 2.4GHz; 40kbps em 915Mhz; e 20kbps em 868Mhz. Inicialmente, o padrão oferecia interfaces com velocidades de conexão compreendidas entre 10Kbps e 115Kbps e com um alcance de transmissão entre 10 e 70m, dependendo da potência de saída dos equipamentos e de algumas características ambientais. Já os dispositivos utilizados atualmente, como os módulos Serie 2 da XBee, proporcionam um alcance na transmissão de até 1,6Km em ambientes externos. Nesta pesquisa é utilizado o módulo TmoteSky (Figura 2), desenvolvido pela Moteiv Corporation [7]. Esse módulo é a última geração de motes de Berkeley, compatível com o TelosB [5], que são motes (nós) baseados no padrão ZigBee. O transmissor RF CC2420 [8] opera na banda ISM de 2.4GHz, o que permite a interoperatividade com outros dispositivos É usado também um microcontrolador MSP430 de 8MHz da Texas Instruments, com 661

3 10K RAM e 48K de Flash, uma interface de programação e a coleta de dados é via USB. O Surge-Telos é uma versão otimizada do protocolo Surge e é codificado segundo as características do padrão ZigBee, nas camadas de rede e nas camadas física. Já na camada de enlace é codificado pela norma Figura 2 - TmoteSky Bancada de Testes [7]. Roteamento na RSSF Nas RSSF, o tipo de comunicação empregada deverá providenciar as condições necessárias para que todos os nós da rede consigam uma comunicação efetiva, mesmo que esta seja realizada de forma indireta através de seus vizinhos (Multihop), sendo esta uma das principais características das RSSF. Para que esse processo de comunicação multihop seja efetivo e para que o presente experimento esteja o mais próximo possível de uma aplicação real, serão utilizadas duas versões de um mesmo protocolo de roteamento para RSSF: o Surge para os Mica2dot e o Surge-Telos para o TmoteSky. Cada um desses protocolos existentes na camada de rede é codificado de acordo com as características do próprio hardware e da norma que as precede. Para ambos os casos, é permitida a transmissão com beacon, além da flexibilidade do código permitir a variação do payload de dados conforme as características da aplicação. Figura 3 - Diagrama de Blocos do Protocolo Surge. Figura 4 - Diagrama de Blocos do Protocolo Surge-Telos. No processo de compilação e configuração dos protocolos, nos dispositivos nós sensores, pode-se observar que para ambos os casos o protocolo de roteamento foi projetado para ser muito flexível. Além de ter sido elaborado para ser facilmente ajustado às necessidades das diferentes aplicações com diversas topologias de rede, ao mesmo tempo em que é mantido um protocolo simples. Experimentos Realizados Configuração Prévia Em alguns casos, as simulações em software não refletem os dados obtidos experimentalmente, pois não é possível parametrizar toda a interação do hardware transmissor sem fio e o ambiente de propagação. Assim, medições experimentais, em cenários reais, tornam-se importantes para determinar os fenômenos que podem influenciar negativamente o desempenho da rede. Nesse sentido, para a realização desta pesquisa, foi escolhido um cenário real (ambiente interno) para a execução dos testes, obtendo-se resultados de maior exatidão em relação aos que seriam alcançados por simulação. No processo de configuração foi considerado o uso do SO TinyOS 2.0, rodando sobre um emulador do Sistema Operacional Linux, chamado Cygwin. Dessa forma, a configuração dos módulos (nós sensores) foi realizada por meio do SO TinyOS, o que permitiu a compilação e a programação dos protocolos de roteamento para cada uma das arquiteturas de hardwares que fizeram parte de nossos experimentos. 662

4 Na realização desses experimentos foi determinada uma distância de separação de 1m entre cada um dos nós sensores, tanto para os TmoteSky como para os Mica2dot, com uma variação progressiva do alcance na transmissão de até 75m. O Mica2dot (915MHz) apresenta uma taxa baixa de transferência de pacotes (Gráfico 1) quando comparado com os resultados obtidos pelos TmoteSky (2.4GHz) (Gráfico 2). Isso ocorre devido à diferença existente no tipo de modulação que essas arquiteturas utilizam. No Mica2dot a modulação, a codificação FSK e o transporte de dados são em teoria três vezes menor do que os do TmoteSky, o qual possui uma modulação O-QPSK que permite transportar quatro vezes mais bits, porém com uma latência maior. Figura 5 - Cenário de testes. Foram implementadas as topologias Estrela (Star) e Malha (Mesh), com um número máximo de cinco nós para cada rede (915MHz e 2.4GHz). A elevação do nó em relação ao solo foi de 75cm, com o objetivo de evitar alguns fenômenos de reflexão do sinal RF durante a realização dos experimentos. a) Variação de Distâncias No Gráfico 1, são apresentados os aspectos que foram considerados para a realização dos experimentos de alcance do sinal segundo a variação de distância, criando uma relação com a taxa de transferência de pacotes. O cenário é de 300m 2 e a separação entre os nós é de 1m, além disso, o número de nós foi reduzido a dois para este teste. Gráfico 1 - Alcance do Sinal e Vazão de dados - Mica2dot (915MHz). Gráfico 2 - Alcance do Sinal e Vazão de dados - TmoteSky (2.4GHz). b) Comunicação Uma RSSF, normalmente, é composta por um grande número de sensores densamente espalhados próximos ao fenômeno observado. A densidade desse tipo de rede, junto ao ambiente de propagação, cria situações e variáveis diferentes na transmissão. Com o intuito de determinar como o ambiente de propagação influi na propagação do sinal, foi realizada uma avaliação do RSSI (Received Signal Strength Indicator) para cada rede no mesmo ambiente de propagação. O RSSI indica o nível do sinal ou energia RF recebida sobre o canal de comunicação. A camada MAC (Nível de enlace no modelo de referência OSI) opera junto à camada física, testando a energia sobre o médio de transmissão de dados. A camada física utiliza um algoritmo de estimação de desocupação de canais (CCA), com o objetivo de determinar se o canal está vazio ou não. Esse processo é efetivado medindo-se a energia RF da antena e determinando a força do sinal recebido. Quando o sinal está abaixo do nível especificado, o canal é considerado vazio e é dado à camada MAC o estado de vazio para a transmissão de dados. No momento em que a energia RF está abaixo do nível especificado, as transmissões 663

5 dos dados são retrasadas de acordo com a especificação da norma. A intensidade do sinal recebido é calculada diretamente de acordo com: P = V RSSI 45.5 [dbm] at 916MHz Sendo: o valor digital predeterminado, V RSSI o valor do RSSI obtido no receptor e o valor de Offset. Já para as freqüências de 2.4GHz, o sinal recebido é calculado de acordo com: P r = RSSI DIG + RSS OFFSET [dbm] Sendo: RSSI DIG tem o valor digital indicado na forma de complemento de 2 e RSSI OFFSET tem um valor de -45dBm. Para a análise de alcance do sinal no ambiente interno, foi montado um Analisador de Espectro HP8565E e ao mesmo tempo, e de forma conjunta, montou-se a rede de sensores. Para esse caso específico um nó da rede foi configurado apenas como receptor (Data Sink), o objetivo dessa configuração foi o de evitar que o nó receptor (montado ao lado do analisador de espectro) distribuísse algum tipo de mensagem para a rede, confundindo a leitura do RSSI capturado pelo analisador de espectro. Gráfico 4 - Nível de RSSI segundo a variação de distâncias (2.4GHz). c) Topologias Para ambos os grupos de redes (915MHz e 2.4GHz), é sugerido o uso de múltiplas redes, como: Estrela (Star), ponto a ponto (Peer-to- Peer) e para as redes ZigBee tem-se, adicionalmente, a topologia Malha (mesh). No entanto, foram consideradas nos experimentos realizados, unicamente, as topologias Estrela e Malha. Como mencionado anteriormente, existem limitações iniciais no alcance do sinal do nó sensor. Porém, essas limitações podem ser superadas com o uso ou com o emprego da topologia de rede mais adequada para uma determinada aplicação. Esses procedimentos podem viabilizar a realização de um conjunto de testes, nos quais serão consideradas algumas métricas de desempenho, tais como: vazão de dados; densidade da rede; cobertura da rede segundo a topologia empregada; e tempo de sincronização do nó sensor na rede [1] [9]. Gráfico 3 - Nível de RSSI segundo a variação de distâncias (915MHz). O gráfico 3, apresenta o resultado do primeiro experimento de RSSI, obtidos como resultado de 3 series de medições do sinal RF dos nós sensores que utilizam um chip de rádio RF CC1000 (915MHz). As medições correspondem a um cenário fechado e teoricamente sem obstáculos. O gráfico 4 apresenta valores com uma queda maior para distâncias superiores ao 65m com dois nós sensores com chip RF CC2420 (2.4GHz ZigBee). Gráfico 5 - Vazão de dados topologia Estrela (915MHz). 664

6 No gráfico 5, pode-se observar uma queda pouco significativa quase uniforme para a topologia em estrela em redes de 915MHz. O gráfico 6, apresenta resultados pouco mais constantes e com uma vazão maior, porém, observa-se um queda significativa para distâncias superiores aos 70m. (comunicação sem protocolo padrão e com protocolo padrão) considerando especificamente duas bandas de freqüência; 915MHz e 2.4GHz - ZigBee. Os resultados demonstram que a variação de potência do sinal (RSSI) esta ligada diretamente ao desempenho da rede evidenciando um melhor comportamento das redes a 915 MHz em ambientes internos. A topologia em estrela apresentou um bom desempenho para ambos tipos de redes. Já na topologia malha os resultados (gráfico 7) demonstram um comportamento constante na vazão, porém, com um desempenho limitado no alcance da rede. No entanto, acredita-se que o incremento da densidade melhoraria o alcance considerando que ao utilizar esta configuração (malha) podemos ter redes muito extensas que cobrem amplas áreas geográficas. Gráfico 6 - Vazão de dados topologia Estrela (2.4GHz). Relacionando os resultados obtidos aos resultados do RSSI (Gráfico 4) se conclui numa relação direta com o nível de RSSI, sendo que após os 60m o desempenho no alcance do sinal começa a diminuir. Já para a relação da vazão observada no gráfico 5, com o nível de RSSI (Gráfico 3) existe uma queda uniforme diretamente ligada ao RSSI, porém, existe um melhor comportamento da vazão na rede a 915MHz no mesmo cenário de testes (ambiente interno). Gráfico 7 - Vazão de dados topologia Malha (2.4GHz). Conclusões Como trabalhos futuros é necessário provar a eficiência das redes sem protocolo padrão em ambientes externos considerando o uso de topologias em estrela e malha, adaptando aos nós sensores antenas externas com ganho de 3 a 5 dbm, com o intuito de melhorar a comunicação dos rádios. Referências [1] J. G. Beingolea e S. Kofuji, Uma Avaliação das Topologias Estrela e Malha do Padrão ZigBee: Uma Análise em Ambientes Reais, In: 5th CONTECSI International Conference on Information Systems and Technology Management, São Paulo, [2] G. Ferrari, P. Medagliani, S. Di Piazza, and M. Martalò, Wireless Sensor Networks: Performance Analysis in Indoor Scenarios, EURASIP Journal onwireless Communications and Networking, Vol. 2007, Article ID 81864, pp.1-14, [3] IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), pp Disponível em: Acesso em jan [4] Chipcon, Radio CC1000 RF Transceiver, Datasheet. Disponível em: Acesso em mar [5] Crossbow Wireless Sensor Network, TelosB Mote Research. Datasheet. Disponível em: Acesso em jan [6] ZigBee Alliance, ZigBee Public Home Page, Disponível em: [7} Moteiv Corporation, TmoteSky Brochure / Datasheet, Disponível em: Acesso em mar [8] Chipcon, Radio CC2420 RF Transceiver, Datasheet. Disponível em: Acesso em jan [9] J. G. Beingolea, S. Kofuji, e J. Cardoso, Eficiência dos Modelos de Transmissão de Dados do Padrão ZigBee - IEEE Numa Rede de Sensores Sem Fio, Escola Regional de Redes de Computadores. ERRC, pp.1-8, O objetivo deste trabalho é foi de apresentar resultados reais que possam auxiliar na escolha de um tipo especifico de RSSF baseados nos dois tipos de comunicação existentes 665