Relatório de Teste de Diferentes Antenas e Equipamentos para o Protocolo NOVUS IEEE 802.15.4 ÍNDICE Índice 1 Introdução 2 Equipamentos Utilizados 3 Modelo de Propagação do Sinal 5 Zona de Fresnel 6 Link Budget 8 Testes Realizados 9 Teste Realizado Utilizando Antena Ominidirecional 9 Ambiente de realização do teste 9 Topologia de rede dos equipamentos 10 Cálculo da Zona de Fresnell do ambiente de realização do teste 10 Cálculo do Link Budget dos pares de equipamentos 11 Resultados obtidos após a realização do teste 11 Teste Realizado Utilizando Antena de Grade no AirGate-Modbus Pai do AirGate -Modbus e Setorial no AirGate- Modbus Pai do RHT-Air 13 Ambiente de realização do teste 13 Topologia de rede dos equipamentos 14 Cálculo da Zona de Fresnell do ambiente de realização do teste 14 Cálculo do Link Budget dos pares de equipamentos Resultados obtidos após a realização do teste 15 Teste Realizado Utilizando Antena Setorial no AirGate - Modbus Pai do AirGate- Modbus e de Grade no AirGate - Modbus Pai do RHT -Air 17 Ambiente de realização do teste 17 Topologia de rede dos equipamentos 18 Cálculo da Zona de Fresnell do ambiente de realização do teste 18 Cálculo do Link Budget dos pares de equipamentos Resultados obtidos após a realização do teste 19 Comparação de Resultados 21 Conclusão 22 Nota 23 14 18 01
INTRODUÇÃO Este documento tem como objetivo relatar o estudo das características de comunicação Wireless dos equipamentos AirGate-Modbus e RHT-Air em longas distâncias. Para o desenvolvimento deste relatório, diversos testes foram realizados, utilizando diferentes equipamentos, diferentes tipos de antenas em diversas situações. Além de relatar os testes realizados, este documento busca orientar o usuário a melhor forma de instalação dos equipamentos, bem como a realização de testes para validação dos equipamentos instalados. Para realização da instalação de equipamentos sem fio em condições próximas as distâncias limites de operação, é necessário ter consciência de alguns fatores que podem interferir na qualidade do sinal. Neste relatório serão abordados alguns destes fatores para que o usuário possa compreender e levar em consideração antes da instalação dos equipamentos. Este relatório abrange apenas situações de comunicação com equipamentos Novus que possuam comunicação sem fio IEEE 802.15.4, o qual possui frequência de operação na faixa de 2,4 GHz, com modelo de propagação conforme explicado no capítulo Modelo de Propagação do Sinal e em zona de visada, ou seja, ambientes livres de obstáculos com será explicado no capítulo Zona de Fresnel. Após a leitura deste documento, o usuário estará apto a seguir 2 etapas importantes a serem realizadas antes da instalação de equipamentos sem fio que se localizem em linha de visada a distâncias próximas aos limites de operação dos equipamentos: 1. Zona de Fresnel 2. Link Budget Além disso, o usuário estará apto a identificar que a perda do sinal não é linear em relação à distância, como pode ser visto no capítulo Modelo de Propagação do Sinal, e irá compreender que os limites de operação dos equipamentos só são atingidos quando se segue as orientações dos passos 1 e 2, podendo estes limites diminuírem em até 50% se os passos não forem seguidos corretamente. 02
EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NOME COMERCIAL IMAGEM DESCRIÇÃO TÉCNICA FieldLogger O FieldLogger é um equipamento que tem como principal função datalogger e foi utilizado como mestre Modbus dos equipamentos testados. Ele foi utilizado para obtenção dos dados de LQI (Link Quality Indicator - Indicador de Qualidade do Link) para tornar possível a análise do link de comunicação. AirGate-Modbus O AirGate-Modbus é um Gateway RS485/wireless que tem a função de interface de ligação entre uma rede com protocolo Modbus RTU sobre RS485 e uma rede sem fio com protocolo proprietário Novus sobre IEEE 802.15.4. - Opera na frequência de 2,4 GHz. - Opera com potência máxima de transmissão de 20 dbm. - Possui sensibilidade de recepção de -96 dbm. - Foram utilizados 3 equipamentos com versão de firmware V1.27. RHT-Air O RHT-Air é um transmissor wireless de temperatura, pressão e ponto de orvalho em uma rede sem fio com protocolo proprietário Novus sobre IEEE 802.15.4. - Opera na frequência de 2,4 GHz. - Opera com potência máxima de transmissão de 14 dbm. - Possui sensibilidade de recepção de -96 dbm. - Foi utilizado 1 equipamento com versão de firmware V1.04. AR00357W0119N A AR00357W0119N é uma antena WLAN omnidirecional, com impedância nominal de 50 ohm, faixa de operação de 2,4 a 2,4835 GHz, com polarização Vertical, e ganho de 2 dbi. Essa é a antena que acompanha os produtos AirGate-Modbus e RHT-Air. 03
EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NOME COMERCIAL IMAGEM DESCRIÇÃO TÉCNICA MM_2412_S60 A MM_2412_S60 é uma antena setorial vendida pela empresa Aquário. Ela possui impedância nominal de 50 ohm, faixa de operação de 2,4 a 2,5 GHz, com polarização Vertical e Horizontal e ganho de 12 dbi. MM_2420 A MM_2420 é uma antena parabólica de grade vendida pela empresa Aquário. Ela possui impedância nominal de 50 ohm, faixa de operação de 2,4 a 2,5 GHz, com polarização Vertical e Horizontal e ganho de 20 dbi. MP-10 O MP-10 é um cabo extensor de antenas vendido pela empresa Aquário. Ele possui conector RP-SMA Male para conexão com o equipamento, conector N Male para conexão com a antena e é formado com o cabo RGC-58, o qual possui perda de 0,62 db por metro para a frequência de 2,4 GHz. Para os testes, foi utilizado um cabo MP-10 de 10 metros conectado a antena MM_2420 e um cabo MP-10 de 5 metros conectado a antena MM_2412_S60. 04
MODELO DE PROPAGAÇÃO DO SINAL O meio físico sem fio possui características que atenuam qualquer tipo de onda eletromagnética. Essa atenuação é diferenciada para cada tipo de onda eletromagnética, frequência e diferentes condições ambientais de umidade e temperatura. Desde as primeiras tentativas de comunicação entre dois aparelhos sem fio, diversos pesquisadores tentaram modelar matematicamente a perda do sinal com relação ao meio. Dentre os diversos modelos, o que mais se aproxima da realidade para simulação de perdas no espaço livre, segue demonstrada na fórmula abaixo: Utilizando esta fórmula, é possível deduzir a atenuação do sinal no espaço livre (L) a partir da frequência de operação f e da distância d. Utilizando a formula, a tabela e o gráfico abaixo ilustram a atenuação do sinal com relação à distância para a frequência de operação de 2,4 GHz. FREQUÊNCIA (MHz) DISTÂNCIA (m) ATENUAÇÃO (db) 0,1 20,00 0,5 33,98 1 40,00 10 60,00 100 80,00 200 86,02 300 89,55 400 92,05 500 93,98 1000 100,00 2000 106,02 3000 109,55 6000 115,57 10000 120,00 120,00 Distância (m) x Atenuação (db) Atenuação (db) 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Distância (m) Frequência 2,4 Ghz 05
ZONA DE FRESNEL No ambiente de comunicação Wireless, quando falamos em zona de visada, ou ambientes livres de obstáculos não devemos nos referir apenas à situação em que uma antena enxerga a outra, devemos levar em consideração também a Zona de Fresnel. Especificamente a Zona de Fresnel é a área ao redor da linha de visada que o sinal de rádio espalha após sair da antena. É imprescindível que a Zona de Fresnel esteja Livre de obstáculos (morros, prédios, árvores, carros, água, etc.). Vale ainda lembrar que o formato da Zona de Fresnel é como uma bola de futebol-americano. Ou seja, deve estar livre a quantidade de metros descrito na fórmula abaixo para esquerda, direita, cima e para baixo. Tipicamente 20% de bloqueio da Zona de Fresnel é aceitável por equipamentos adequados. Acima de 40% de bloqueio, a perda de sinal é muito significante. Estes cálculos levam em consideração apenas a "terra chata". Não leva em consideração a curvatura terrestre, ou seja, este cálculo é especialmente útil para enlaces de até 20 km. Acima destes valores, uma analise de espectro, incluindo a topografia, deve ser considerada. A imagem abaixo ilustra o comportamento da onda, exemplificando o que é a Zona de Fresnel: Zona de Fresnel Linha de visada raio A formula para o cálculo da Zona de Fresnel, assim como uma tabela e um gráfico relacionando a distância d (Km), a frequência f (GHz) com o raio mínimo r (m), ou seja, a altura mínima que as antenas devem estar para não sofrerem interferência, segue ilustrado abaixo: 06
FREQUÊNCIA (MHz) DISTÂNCIA (m) RAIO (m) 0,1 0,5 1 10 100 200 300 400 500 1000 2000 3000 6000 10000 0,0559 0,125 0,17677 0,559 1,76772 2,49993 3,06177 3,53543 3,95273 5,59001 7,90546 9,68217 13,6927 17,6772 Distância (m) x Raio de Fresnel (m) 12 10 Raio de Fresnel (m) 8 6 4 2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Distância (m) Frequência 2,4 Ghz 07
LINK BUDGET O Link Budget é o cálculo final de potência em todo o percurso entre um equipamento e outro. Ele é um calculo que avalia toda a perda de sinal desde o equipamento transmissor até o equipamento receptor. Este cálculo deve ser realizado em duas vias, ou seja, de um equipamento A para um equipamento B e de um equipamento B para um equipamento A que possuam um link de comunicação em visada conforme visto no capítulo Zona de Fresnel. O resultado do cálculo do Link Budget nos informa o MAPL (Maximum Allowed Path Loss - Perda Máxima Permitida no Caminho). Este parâmetro nos informa qual o LQI restante para que ainda haja Link de comunicação. O MAPL é calculado da seguinte forma: MAPL = Ptx At_Cabo_Tx + G_Ant_Tx L + G_Ant_Rx At_Cabo_Rx - S_Rx Onde todos os parâmetros devem ser inseridos em db, dbi ou dbm, sendo o resultado do MAPL expresso em db. Abaixo segue o significado de cada um dos parâmetros: Ptx - Potência de transmissão do equipamento A; At_Cabo_Tx - Atenuação do cabo do equipamento A; G_Ant_Tx - Ganho da antena do equipamento A; L - Atenuação do sinal no espaço livre; G_Ant_Rx - Ganho da antena do equipamento B; At_Cabo_Rx - Atenuação do cabo do equipamento B; S_Rx - Sensibilidade de recepção do equipamento B. Após calcular o MAPL do equipamento A para o equipamento B, deve-se refazer o mesmo cálculo, porém do equipamento B para o equipamento A. Ao obter os dois resultados, deve-se pegar o menor valor entre eles e realizar a seguinte análise para os equipamentos que operem com o protocolo IEEE 802.15.4 na faixa de 2,4 GHz: MENOR MAPL QUALIDADE ÍCONE 0 db <= MAPL Sem conexão 0 db < MAPL <= 10 db Ruim 10 db < MAPL <= 20 db Regular 20 db < MAPL <= 30 db Bom 30 db < MAPL <= 40 db Muito Bom 40 db < MAPL Ótimo 08
TESTES REALIZADOS TESTE REALIZADO UTILIZANDO ANTENA OMINIDIRECIONAL Para realização dos testes foram utilizados um Fieldlogger (mestre da rede Modbus) conectado a interface RS485 dos AirGates com endereço Modbus 1 e 9, onde o AirGate- Modbus com endereço 1 possuía um link de comunicação com outro AirGate-Modbus com endereço 2 e o AirGate-Modbus com endereço 9 possuía um link de comunicação com um RHT-Air com endereço 10, conforme pode ser visualizado na figura do capítulo Topologia de rede dos equipamentos. Esse Fieldlogger tinha o papel de monitorar o LQI entre os dois links criados a uma distância de 1143 metros: Link 1: Caminho entre Address 1 e Address 2; Link 2: Caminho entre Address 9 e Address 10. AMBIENTE DE REALIZAÇÃO DO TESTE Conforme pode ser visualizado na figura abaixo, havia um link de comunicação de 1143 metros entre o alto do morro na saca de uma residência (aproximadamente 40 metros de altura) e o alto de um prédio de 12 andares (aproximadamente 30 metros de altura), o que poríamos considerar uma zona de visada, ou Zona de Fresnel livre, conforme pode ser visto no capítulo Cálculo de Zona de Fresnel do ambiente de realização do teste. Entretanto, conforme pode ser visualizado na figura abaixo, existem alguns obstáculos não diretos que estão dentro do raio de Fresnel, e podem interferir atenuando o sinal. Supondo que eles abrangem menos de 20% da Zona de Fresnel, podemos supor que a atenuação será suficientemente baixa para não causar perda de link de comunicação. 09
A atenuação causada por esses obstáculos será discutida no capítulo Resultados obtidos após a realização do teste. Possíveis interferências para a Zona de Fresnel TOPOLOGIA DE REDE DOS EQUIPAMENTOS CÁLCULO DA ZONA DE FRENELL DO AMBIENTE DE REALIZAÇÃO DO TESTE O que significa que ambas antenas devem ficar a pelo menos 5,96 metros de altura acima de qualquer obstáculo que possa estar no meio do caminho entre as duas. 10
CÁLCULO DO LINK BUDGET DOS PARES DE EQUIPAMENTOS Atenuação do sinal no espaço livre: L = 32,4 + 20*log( MHz) + 20*log(1,14 Km) = 101,14 db. Perda Máxima Permitida no Caminho entre Address 1 e Address 2: MAPL_Addr1_to_Addr2 = 20 dbm 0 db + 2 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 18,86 db; MAPL_Addr2_to_Addr1 = 20 dbm 0 db + 2 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 18,86 db; Isso nos permite identificar, antes mesmo de colocar os equipamentos em campo, que ao obedecer a Zona de Fresnel do cálculo anterior, o link entre o Address 1 e o Address 2 deve ficar próximo de 18,86 db, sendo o link Regular Perda Máxima Permitida no Caminho entre Address 9 e Address 10: MAPL_Addr9_to_Addr10 = 20 dbm 0 db + 2 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 18,86 db; MAPL_Addr10_to_Addr9 = 14 dbm 0 db + 2 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 12,86 db; Isso nos permite identificar, antes mesmo de colocar os equipamentos em campo, que ao obedecer a Zona de Fresnel do cálculo anterior, o link entre o Address 9 e o Address 10 deve ficar próximo de 12,86 db, sendo o link Regular RESULTADOS OBTIDOS APÓS A REALIZAÇÃO DO TESTE Conforme pode ser observado no gráfico abaixo, o qual informa o LQI de recepção de cada um dos equipamentos em teste durante o período de 16 horas e 24 minutos a 18 horas e 19 minutos (aproximadamente 2 horas de duração), sempre houve link de comunicação, não havendo perdas no sinal. Os LQI lidos obtiveram uma variação relativamente estável, variando em no máximo 6 db, como pode ser observado nas informações que seguem na tabela abaixo do gráfico. 11
LQI DO LINK SINAL MÍNIMO SINAL MÉDIO SINAL MÁXIMO VARIAÇÃO MÁXIMA STATUS DO PIOR CASO ÍCONE DO STATUS Addr1_to_Addr2-96 dbm -93,14 dbm -90 dbm 6 db Ruim Addr2_to_Addr1-98 dbm -94,69 dbm -92 dbm 6 db Addr9_to_Addr10-91 dbm -88,50 dbm -87 dbm 4 db Addr10_to_Addr9-97 dbm -95,33 dbm -93 dbm 4 db Ruim Ruim Ruim Apesar do LQI ter estado ruim em ambos os links de comunicação, não houve perda do sinal, o que significa que os equipamentos se mantiveram operantes durante a realização do teste. Entretanto, no pior dos casos (LQI de -98 dbm), houve uma margem de apenas 2 db para a perda do link de comunicação, o que é uma área de risco, pois qualquer evento externo, como por exemplo uma chuva forte, pode fazer perder o link de comunicação. A partir dos resultados expostos, é possível realizar um comparativo com os cálculos de enlace realizados no capítulo Cálculo do Link Budget dos pares de equipamentos. Para relacionar o MAPL de cada link com o LQI de cada Link, é necessário converter o MAPL para a potência de recepção expressa no equipamento receptor. Para isso, deve-se somar o MAPL a 100 dbm que representa o LQI mínimo de recepção. Estes dados seguem relacionados na tabela abaixo: LQI DO LINK MAPL DO LINK MAPL CONVERTIDO PARA LQI LQI MÉDIO DIFERENÇA ENTRE LQI MÉDIO E MAPL STATUS Addr1_to_Addr2 18,86 db -81,14 dbm Addr2_to_Addr1 18,86 db -81,14 dbm Addr9_to_Addr10 18,86 db -81,14 dbm Addr10_to_Addr9 12,86 db -87,14 dbm -93,14 dbm -12 db -94,69 dbm -13,55 db -88,50 dbm -7,36 db -95,33 dbm -8,17 db Os resultados expressos nessa tabela demonstram que o LQI Médio real ficou entre 7,36 db e 13,55 db pior que o LQI teórico calculado. Isso pode ser explicado devido ao fato do ambiente não apresentar uma Zona de Fresnel Livre perfeita. 12
TESTE REALIZADO UTILIZANDO ANTENA DE GRADE NO AIRGATE-MODBUS PAI DO ARGATE-MODBUS E SETORIAL NO AIRGATE-MODBUS PAI DO RHT-AIR Para realização dos testes foram utilizados um Fieldlogger (mestre da rede Modbus) conectado a interface RS485 dos AirGates com endereço Modbus 1 e 9, onde o AirGate- Modbus com endereço 1 possuía um link de comunicação com outro AirGate-Modbus com endereço 2 e o AirGate-Modbus com endereço 9 possuía um link de comunicação com um RHT-Air com endereço 10, conforme pode ser visualizado na figura do capítulo Topologia de rede de equipamentos. Esse Fieldlogger tinha o papel de monitorar o LQI entre os dois links criados a uma distância de 1143 metros: Link 1: Caminho entre Address 1 e Address 2; Link 2: Caminho entre Address 9 e Address 10. AMBIENTE DE REALIZAÇÃO DO TESTE Conforme pode ser visualizado na figura abaixo, havia um link de comunicação de 1143 metros entre o alto do morro na saca de uma residência (aproximadamente 40 metros de altura) e o alto de um prédio de 12 andares (aproximadamente 30 metros de altura), o que poríamos considerar uma zona de visada, ou Zona de Fresnel livre, conforme pode ser visto no capítulo Cálculo da Zona de Fresnell do ambiente de realização do teste. Entretanto, conforme pode ser visualizado na figura abaixo, existem alguns obstáculos não diretos que estão dentro do raio de Fresnel, e podem interferir atenuando o sinal. Supondo que eles abrangem menos de 20% da Zona de Fresnel, podemos supor que a atenuação será suficientemente baixa para não causar perda de link de comunicação. A atenuação causada por esses obstáculos será discutida no capítulo Resultados obtidos após a realização do teste. 13
Possível interferências para a Zona de Fresnel TOPOLOGIA DE REDE DOS EQUIPAMENTOS CÁLCULO DA ZONA DE FRESNELL DO AMBIENTE DE REALIZAÇÃO DO TESTE O que significa que ambas antenas devem ficar a pelo menos 5,96 metros de altura acima de qualquer obstáculo que possa estar no meio do caminho entre as duas. CÁLCULO DO LINK BUDGET DOS PARES DE EQUIPAMENTOS Atenuação do sinal no espaço livre: L = 32,4 + 20*log( MHz) + 20*log(1,14 Km) = 101,14 db. 14
Perda Máxima Permitida no Caminho entre Address 1 e Address 2: MAPL_Addr1_to_Addr2 = 20 dbm (10*0,62) db + 20 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 30,66 db; MAPL_Addr1_to_Addr2 = 20 dbm (10*0,62) db + 20 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 30,66 db; Isso nos permite identificar, antes mesmo de colocar os equipamentos em campo, que ao obedecer a Zona de Fresnel do cálculo anterior, o.ink entre o Address 1 e o Address 2 deve ficar próximo de 30,66 db, sendo o link Muito Bom. Perda Máxima Permitida no Caminho entre Address 9 e Address 10: MAPL_Addr1_to_Addr2 = 20 dbm (5*0,62) db + 12 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 25,76 db; MAPL_Addr1_to_Addr2 = 14 dbm 0dB + 2 dbi 101,14 db + 12 dbi (5*0,62) db - (-96 dbm) = 19,76 db; Isso nos permite identificar, antes mesmo de colocar os equipamentos em campo, que ao obedecer a Zona de Fresnel do cálculo anterior, o link entre o Address 9 e o Address 10 deve ficar próximo de 19,76 db, sendo o link Regular. RESULTADOS OBTIDOS APÓS A REALIZAÇÃO DO TESTE Conforme pode ser observado no gráfico abaixo, o qual informa o LQI de recepção de cada um dos equipamentos em teste durante o período de 9 horas e 0 minutos a 11 horas e 24 minutos (aproximadamente 2 horas e 24 minutos de duração), sempre houve link de comunicação, não havendo perdas no sinal. Os LQI lidos obtiveram uma variação relativamente estável, variando em no máximo 2 db, como pode ser observado nas informações que seguem na tabela abaixo do gráfico. 15
LQI DO LINK SINAL MÍNIMO SINAL MÉDIO SINAL MÁXIMO VARIAÇÃO MÁXIMA STATUS DO PIOR CASO ÍCONE DO STATUS Addr1_to_Addr2-81 dbm -80,14 dbm -79 dbm 2dB Regular Addr2_to_Addr1-81 dbm -80,81 dbm -80 dbm 1 db Regular Addr9_to_Addr10-84 dbm -63,32 dbm -83 dbm 1 db Regular Addr10_to_Addr9-90 dbm -89,53 dbm -89 dbm 1dB Ruim Apesar de o LQI ter estado regular em 3 dos links e ruim em um deles, devido ao fato do RHT-Air operar com uma potência menor de transmissão, não houve perda do sinal, o que significa que os equipamentos se mantiveram operantes durante a realização do teste. Além disso, no pior dos casos (LQI de -90 dbm), há uma margem de 10 db para a perda do link de comunicação, o que é uma área de baixo risco, pois poucos eventos externos, como por exemplo uma chuva muito forte, pode fazer perder o link de comunicação. A partir dos resultados expostos, é possível realizar um comparativo com os cálculos de enlace realizados no capítulo Cálculo do Link Budget dos pares de equipamentos. Para relacionar o MAPL de cada link com o LQI de cada Link, é necessário converter o MAPL para a potência de recepção expressa no equipamento receptor. Para isso, deve-se somar o MAPL a 100 dbm que representa o LQI mínimo de recepção. Estes dados seguem relacionados na tabela abaixo: LQI DO LINK MAPL DO LINK MAPL CONVERTIDO PARA LQI LQI MÉDIO DIFERENÇA ENTRE LQI MÉDIO E MAPL STATUS Addr1_to_Addr2 30,66 db -69,34 dbm -80,14 dbm -10,8 db Addr2_to_Addr1 30,66 db -69,34 dbm -80,81 dbm -1,47 db Addr9_to_Addr10 25,76 db -74,24 dbm -83,32 dbm -9,08 db Addr10_to_Addr9 19,76 db -80,24 dbm -89,53 dbm -9,29 db Os resultados expressos nessa tabela demonstram que o LQI Médio real ficou entre 9,08 db e 11,47 db pior que o LQI teórico calculado. Isso pode ser explicado devido ao fato do ambiente não apresentar uma Zona de Fresnel Livre perfeita. 16
TESTE REALIZADO UTILIZANDO ANTENA SETORIAL NO AIRGATE-MODBUS PAI DO ARGATE-MODBUS E GRADE NO AIRGATE-MODBUS PAI DO RHT-AIR Para realização dos testes foram utilizados um Fieldlogger (mestre da rede Modbus) conectado a interface RS485 dos AirGates com endereço Modbus 1 e 9, onde o AirGate- Modbus com endereço 1 possuía um link de comunicação com outro AirGate-Modbus com endereço 2 e o AirGate-Modbus com endereço 9 possuía um link de comunicação com um RHT-Air com endereço 10, conforme pode ser visualizado na figura do capítulo Topologia de rede de equipamentos. Esse Fieldlogger tinha o papel de monitorar o LQI entre os dois links criados a uma distância de 1143 metros: Link 1: Caminho entre Address 1 e Address 2; Link 2: Caminho entre Address 9 e Address 10. AMBIENTE DE REALIZAÇÃO DO TESTE Conforme pode ser visualizado na figura abaixo, havia um link de comunicação de 1143 metros entre o alto do morro na saca de uma residência (aproximadamente 40 metros de altura) e o alto de um prédio de 12 andares (aproximadamente 30 metros de altura), o que poríamos considerar uma zona de visada, ou Zona de Fresnel livre, conforme pode ser visto no capítulo Cálculo da Zona de Fresnell do ambiente de realização do teste. Entretanto, conforme pode ser visualizado na figura abaixo, existem alguns obstáculos não diretos que estão dentro do raio de Fresnel, e podem interferir atenuando o sinal. Supondo que eles abrangem menos de 20% da Zona de Fresnel, podemos supor que a atenuação será suficientemente baixa para não causar perda de link de comunicação. A atenuação causada por esses obstáculos será discutida no capítulo Resultados obtidos após a realização do teste. 17
Possível interferências para a Zona de Fresnel TOPOLOGIA DE REDE DOS EQUIPAMENTOS CÁLCULO DA ZONA DE FRESNELL DO AMBIENTE DE REALIZAÇÃO DO TESTE O que significa que ambas antenas devem ficar a pelo menos 5,96 metros de altura acima de qualquer obstáculo que possa estar no meio do caminho entre as duas. CÁLCULO DO LINK BUDGET DOS PARES DE EQUIPAMENTOS Atenuação do sinal no espaço livre: L = 32,4 + 20*log( MHz) + 20*log(1,14 Km) = 101,14 db. 18
Perda Máxima Permitida no Caminho entre Address 1 e Address 2: MAPL_Addr1_to_Addr2 = 20 dbm (5*0,62) db + 12 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 25,76 db; MAPL_Addr1_to_Addr2 = 20 dbm (5*0,62) db + 12 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 25,76 db; Isso nos permite identificar, antes mesmo de colocar os equipamentos em campo, que ao obedecer a Zona de Fresnel do cálculo anterior, o link entre o Address 1 e o Address 2 deve ficar próximo de 25,76dB, sendo o link Bom. Perda Máxima Permitida no Caminho entre Address 9 e Address 10: MAPL_Addr1_to_Addr2 = 20 dbm (10*0,62) db + 20 dbi 101,14 db + 2 dbi 0dB - (-96 dbm) = 30,66 db; MAPL_Addr1_to_Addr2 = 14 dbm 0dB + 2 dbi 101,14 db + 20 dbi (10*0,62) db - (-96 dbm) = 24,66 db; Isso nos permite identificar, antes mesmo de colocar os equipamentos em campo, que ao obedecer a Zona de Fresnel do cálculo anterior, o link entre o Address 9 e o Address 10 deve ficar próximo de 24,66 db, sendo o link Bom RESULTADOS OBTIDOS APÓS A REALIZAÇÃO DO TESTE Conforme pode ser observado no gráfico abaixo, o qual informa o LQI de recepção de cada um dos equipamentos em teste durante o período de 21 horas e 50 minutos a 7 horas e 26 minutos (aproximadamente 10 horas e 29 minutos de duração), sempre houve link de comunicação, não havendo perdas no sinal. Os LQI lidos obtiveram uma variação relativamente estável, variando em no máximo 4 db, como pode ser observado nas informações que seguem na tabela abaixo do gráfico. 19
LQI DO LINK SINAL MÍNIMO SINAL MÉDIO SINAL MÁXIMO VARIAÇÃO MÁXIMA STATUS DO PIOR CASO ÍCONE DO STATUS Addr1_to_Addr2-87 dbm -86,27 dbm -83 dbm 4 db Regular Addr2_to_Addr1-89 dbm -88,19 dbm -86 dbm 3 db Regular Addr9_to_Addr10-75 dbm -73,13 dbm -73 dbm 2 db Bom Addr10_to_Addr9-81 dbm -79,25 dbm -79 dbm 2 db Regular Apesar de o LQI ter estado regular em 3 dos links e bom em um deles, não houve perda do sinal, o que significa que os equipamentos se mantiveram operantes durante a realização do teste. Além disso, no pior dos casos (LQI de -89 dbm), há uma margem de 11 db para a perda do link de comunicação, o que é uma área de baixo risco, pois poucos eventos externo, como por exemplo uma chuva muito forte, pode fazer perder o link de comunicação. A partir dos resultados expostos, é possível realizar um comparativo com os cálculos de enlace realizados no capítulo Cálculo do Link Budget dos pares de equipamentos. Para relacionar o MAPL de cada link com o LQI de cada Link, é necessário converter o MAPL para a potência de recepção expressa no equipamento receptor. Para isso, deve-se somar o MAPL a 100 dbm que representa o LQI mínimo de recepção. Estes dados seguem relacionados na tabela abaixo: LQI DO LINK MAPL DO LINK MAPL CONVERTIDO PARA LQI LQI MÉDIO DIFERENÇA ENTRE LQI MÉDIO E MAPL STATUS Addr1_to_Addr2 25,76 db -74,24 dbm -86,27 dbm -12,03 db Addr2_to_Addr1 25,76 db -74,24 dbm -88,19 dbm -13,95 db Addr9_to_Addr10 30,66 db -69,34 dbm -73,13 dbm -3,79 db Addr10_to_Addr9 24,66 db -75,34 dbm -79,25 dbm -3,91 db Os resultados expressos nessa tabela demonstram que o LQI Médio real ficou entre 3,91 db e 13,95 db pior que o LQI teórico calculado. Isso pode ser explicado devido ao fato do ambiente não apresentar uma Zona de Fresnel Livre perfeita. 20
COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS Após analisar os diferentes testes realizados, é possível obter a tabela abaixo, a qual compara os diferentes tipos de antenas utilizados com os diferentes tipos de equipamentos. ANTENA UTILIZADA LQI MÉDIO Addr1_to_Addr2 LQI MÉDIO Addr2_to_Addr1 LQI MÉDIO Addr9_to_Addr10 LQI MÉDIO Addr10_to_Addr9 2 dbi -93,14 dbm -94,69 dbm -88,50 dbm -95,33 dbm 12 dbi -86,27 dbm -88,19 dbm -83,32 dbm -89,53 dbm 20 dbi -80,14 dbm -80,81 dbm -73,13 dbm -79,25 dbm Analisando a tabela acima, é possível concluir que a antena de 20 dbi apresenta uma relação de ganho de 13 db a 16,08 db com relação a antena de 2 dbi, enquanto a antena de 12 dbi apresenta uma relação de ganho de 5,8 db a 6,87 db com relação a antena de 2 dbi. Levando em consideração que o cabo utilizado na antena de 20 dbi possui uma atenuação de 6,2 db, sem o cabo, o ganho da antena ficaria entre 19,2 db e 22,08 db, ou seja, bem próximo aos 20 dbi especificados pela Aquário. Enquanto que a antena de 12 dbi, que possui um cabo com atenuação de 3,1 db, possuiria sem o cabo, um ganho de 8,9 db a 9,97 db, ou seja, de 2 db a 3 db abaixo do especificado pela Aquário. Isso indica que a antena mais adequada para uso em situações ponto a ponto de visada em longa distância é a MM_2420. Além disso, o ideal para a instalação dos equipamentos seria colocar uma antena MM_2420 em cada lado do link, tornando-o mais estável com melhor relação sinal ruído. 21
CONCLUSÃO Conforme pode ser visto na análise apresentada neste documento, independente do tipo de antena, ambos os equipamentos AirGate-Modbus e RHT-Air operaram com sucesso durante toda a realização dos testes. Entretanto, um ganho de sinal foi constatado com o uso de diferentes antenas, o que indica que é recomendável a avaliação e utilização de antenas direcionais em casos de aplicações ponto a ponto em longas distâncias. Além disso, é importante salientar que as orientações de instalação devem ser seguidas de acordo com o manual de cada antena, visto que cada uma possui características diferenciadas, o que interfere diretamente no ganho ou perda de sinal. Sendo assim, todas as informações contidas neste documento devem ser levadas em consideração para a obtenção de um bom link de comunicação. 22
NOTA Este documento possui caráter meramente informativo, o qual busca ilustrar testes realizados com diferentes tipos de antenas em diferentes situações de ambiente. Levando em consideração que o meio sem fio pode sofrer interferência por inúmeros fatores, a Novus não garante que os mesmos resultados serão obtidos em outros cenários. Todos os equipamentos sem fio da Novus estão homologados segundo resoluções da Anatel para operar apenas com a antena AR00357W0119N. Além disso, a Novus não comercializa outras antenas, tais como a MM_2412_S60 e a MM_2420 (comercializadas pela empresa Aquário). Portanto, o uso dos equipamentos da Novus com diferentes tipos de antena deve ser verificado junto com o fabricante da antena e seguir as resoluções da Anatel para atender o nível máximo de potência conforme potência de transmissão do equipamento e ganho da antena. RELATÓRIO DE TESTE DE DIFERENTES ANTENAS E EQUIPAMENTOS PARA O PROTOCOLO NOVUS IEEE 802.15.4 AUTOR: Giuliano Guarese DESCRIÇÃO: Teste realizado para validar os equipamentos AirGate- Modbus e RHT-Air em suas distâncias limites de operação e verificar os benefícios de diferentes tipos de antena. 23