Projeto de Múltiplas RSSF operando sobre. Fibra óptica

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1 Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica ISSN Projeto de Múltiplas RSSF operando sobre Maria Caroline de Andrade PUC-Campinas Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias Fibra óptica Omar C. Branquinho Sistemas de Telecomunicação Gestão de Redes e Serviços Planejamento Integrado e Gestão de Sistemas de Infraestrutura Urbana Resumo: As atividades previstas no projeto se referem 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 enlace 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 integração de dispositivos móveis e fixos torna-se indispensável 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 objetivos comuns, aproveitando ao máximo as características principais de cada uma. Com isto, a fibra-óptica vem para prover alta taxa de transmissão e qualidade na troca de informações, enquanto as redes de sensores sem fio para integrar os mais diversos dispositivos [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 frequência.. 2. METODOLOGIA Neste item será separado em itens, passo a passo os métodos e estudos realizados para o desenvolvimento deste projeto Estudo dos Sensores A Plataforma Radiuino [1]foi escolhida para montar a rede de sensores em fio deste projeto. Esta é composta pelo IDE (Integrated Development Environment) 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 estruturado 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 comunicação 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 grandeza 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

2 Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica ISSN suas necessidades neste pacote que será transmitido. 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 trabalhar 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 realização 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 programada 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 atividade 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 recebe 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 Esquema em blocos deixando claro o esquema de como funciona o sistema dos sensores. Figura 2 - Esquema em blocos Os firmwares utilizados nos sensores deste projeto seguirão os seguintes fluxogramas: Figura 4 - Fluxograma do funcionamento da base Enquanto no fluxograma da base (Figura 4), observase que após a sua inicialização o mesmo fica verificando a existência de pacotes na fila para que continue o fluxo até o envio de pacote pela porta serial Estudo dos parâmetros da camada física Os Parâmetros da Camada Física foram estudados para que fosse possível alterar configurações do rádio, já que ao iniciarem os testes, diferentes tipos de ambientes foram criados. Para criação das configurações para programar o BE900 foi utilizado o SmartRF 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 SmartRF Studio. Figura 5 - Interface SmartRF Studio 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 desligado 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.

3 Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica ISSN Figura 6- Setup de testes em bancada O primeiro item do setup é o computador, basicamente este é utilizado para coletar dados. Ele é o responsável por executar o script Python, onde se encontra a programação que os rádios deverão executar. Este está programado para coletar dados como a RSSI (Intensidade de sinal entre base-repetidor, repetidor-sensor, sensor-repetidor, repetidor-base.) além de calcular a PER (Packet Error Rate), este calculo é feito utilizando o número de pacotes enviados e o número de pacotes perdidos. A PER é calculada 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 trabalham 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. 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 potência 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 potência 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 programado 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 possui um Canal diferente destes, porém é o mesmo canal do sensor final que se encontra na caixa blindada. Figura 7 - Diagrama do sistema RoF No sistema de RoF o sinal de radiofrequência modula um laser. O sinal de RF (Radio Frequency) de entrada, ou seja, emitida pela base, modula o laser que é transmitido pela fibra óptica e após a transmissão é Figura 8 - Esquema do repetidor Dois elementos são utilizados para que se tenha atenuação do sinal emitido pela base, estes são o Atenuador 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-

4 Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica ISSN do para ser o fim do percurso do pacote, ou seja, ao chegar neste o caminho o inverso será percorrido, sempre armazenado as RSSI em bytes do pacote. recebido, por isso dois contadores no script, um chamado de contador de dados enviados e o outro contador de dados recebidos. Com estes dois valores, obtemos a percentagem PER dividindo-se o número de pacotes enviados pelo numero 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, distorção 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) 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 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 através do computador. Para o desenvolvimento do script, definimos primeiramente 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 Repetidor e Repetidor x Base, portanto, é feita a medida no caminho de ida e depois de volta do pacote. Existem dois contadores neste código que são responsáveis 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 2.5. Parâmetros Utilizados nos testes Como planejado, deveríamos realizar testes sucessivos com diversos tipos de ambiente, variando as configurações do rádio para que simulássemos várias 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 medidas. 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 observar 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

5 Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica ISSN dos rádios. Para isso, seguindo o Manual do CC1101, já explicado anteriormente, utilizamos o SmartRF Studio e preparamos os firmwares dos rádios 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 transmissão 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 modulação, que é a Modulação por chaveamento de frequência, uma técnica de modulação na qual o sinal digital modulante varia a frequência de uma onda portadora analógica de acordo com valores prédeterminados. Já o desvio, após uma série de testes, a modulação que aceitou maior mobilidade foi a de 76,1 khz, portanto 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, explicitando cada detalhe do teste. Frequência (MHz) Modulação Tabela 1 - Configurações dos testes Taxa (kbaund) Desvio (KHz) Filtro (KHz) No Gráfico 1 é possível visualizar os resultados da BER final de cada teste realizado, note que no gráfico 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 transmissão 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. Portanto vários testes foram realizados e os resultados serão apresentados 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 obtidos foram capturados e organizados em gráficos para que a visualização fosse mais bem vista. Cada teste gerava uma série de valores, porém apenas os resultados do arquivo final, já explicado anteriormente foram utilizados. 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. 4. CONCLUSÃO

6 Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica ISSN O trabalho demonstrou a viabilidade da rede de sensores sem fio operando em conjunto com RoF para a monitoração da rede subterrânea mesmo trabalhando 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 tecnologia 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 operacional. 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: Acesso em:julho de 2014 [4] BRANQUINHO..C.Omar Guia de Projeto Radiuino [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

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