REDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO – UMA ANÁLISE DE DESEMPENHO

Omar C. Branquinho branquinho@puc-campinas.edu.br

Norma Reggiani nreggiani@puc-campinas.edu.br

Augusto G. Andreollo guto.andreollo@gmail.com

PUC-Campinas

Abstract The WLAN technology comes presenting an explosion of applications in the area of access to the Internet in public places, corporations and domestic use. Recently new devices are presented to connect any type of application to the data network using wireless technology, extending the use of this technology. This article goes to present the advantages and disadvantages of this standard with experimental results for performance analysis in environments with low coverage and interference.

Resumo A tecnologia WLAN vem apresentando uma explosão de aplicação na área de acesso à Internet em locais públicos, corporações e uso doméstico. Recentemente estão sendo disponibilizados dispositivos que permitem colocar em rede sem fio qualquer tipo de aplicação, ampliando o escopo de utilização desta tecnologia. O artigo apresenta as vantagens e desvantagens deste padrão com resultados experimentais para análise de desempenho em ambientes com baixa cobertura e interferências. Palavras chaves: WLAN, WiFi, Wireless Communication, Desempenho WLAN, Planejamento WLAN. 1 INTRODUÇÃO As redes sem fio estão invadindo todos os espaços e não será diferente no ambiente de automação de processo. Neste artigo são apresentados resultados da avaliação de desempenho da rede WiFi apontando suas características. A utilização desta rede em ambientes industriais para automação e controle de processos pode trazer muitas vantagens, porém deve ser avaliada adequadamente para que as fragilidades de tais redes não afetem as aplicações.

A utilização de redes sem fio depende fortemente do ambiente e das exigências dos processos. Assim, a implantação de redes sem fio atende a requisitos diferentes daqueles exigidos por redes cabeadas. Entender estas diferenças é essencial para o sucesso da implantação de redes sem fio.

Existem várias soluções sem fio atualmente disponíveis no mercado que naturalmente serão utilizadas para controle de processos. A utilização destas soluções em rede depende de vários aspectos para que esta integração seja eficaz. Neste artigo serão apresentados vários aspectos que devem ser considerado na decisão de utilizar uma ou outra tecnologia. Maior ênfase será dada à tecnologia WiFi pela sua grande penetração e baixo custo. Hoje existem dispositivos que permitem que processos sejam colocados em rede utilizando redes sem fio.

Este artigo está organizado da seguinte forma: na seção 2 é feita uma apresentação das tecnologias sem fio atuais e sua classificação. A compreensão do papel de cada tecnologia é importante para uma análise mais abrangente da aplicação de cada uma. Na seção 3 é feita uma breve apresentação sobre as faixas de freqüência utilizadas pelas redes WLAN. A discussão principal trata de bandas não licenciadas. Na seção 4 são apresentados resultados práticos de medidas de interferência na banda de 2,4 GHz. Na seção 5 é detalhado o padrão 802.11, que vem sendo disponibilizado em grande escala identificado pela sigla WiFi (Wireless Fidelity). Na seção 6 são apresentados os principais modelos de propagação. A análise procura tipificar as características de diversos ambientes. Na seção 7 é apresentado um estudo de cobertura de redes WiFi analisando a eficiência da rede em função da taxa de transmissão. As aplicações que possuem critérios rígidos quanto ao desempenho da rede podem sofrer forte degradação. Na seção 8 é apresentado um

experimento onde se utiliza a rede 802.11 para controle através de um módulo WiFi próprio para controle de processos. A seção 9 apresenta a conclusão do trabalho. 2 TECNOLOGIAS SEM FIO As soluções sem fio foram surgindo para atender vários requisitos. Uma forma simples de classificar tais sistemas é avaliando o tipo de ligação necessária entre os elementos: ponto-a-ponto ou ponto multi-ponto. Para cada tipo as exigências de projeto e concepção de sistema são diferentes. A ligação ponto-a-ponto, como o próprio nome diz, tem por objetivo a interligação de dois pontos sem a necessidade de atender requisitos de alteração do local como é o caso de sistemas com mobilidade. Já a ligação ponto multi-ponto tem por objetivo atender ou cobrir uma certa área. Neste artigo são tratados principalmente redes ponto-multi-ponto. A Figura 1 mostra uma classificação dos sistemas sem fio.

Figura 1 – Padrões globais de rede sem fio A classificação apresentada pela figura guarda equivalência com a área de cobertura pretendida por cada sistema. Observar no lado esquerdo da figura a designação do grupo do IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) que trata cada tipo de rede. Os padrões do lado direito são propostos pela ETSI (European Telecommunications Standards Institute). No mundo da Internet a identificação destes grupos é importante, pois endereça padrões consolidados que levam a economia de escala nos equipamentos. Somente os padrões do IEEE serão tratados neste artigo.

Os sistemas WPAN (Wireless Personal Area Network) se caracterizam pela cobertura de pequenas áreas com raio de 10 metros em média e os dispositivos se comunicam diretamente entre si. Este tipo de rede é denominado “ad-hoc” e está mostrada na Figura 2. Observar a inexistência de um elemento central para conexão à rede cabeada. Qualquer dispositivo pode estar conectado à rede cabeada e servir de ponto de conexão. Estas redes são utilizadas principalmente para conexão entre dispositivos como, por exemplo, impressoras, PDA (Personal Digital Assistents), celulares e periféricos diversos. A rede mais conhecida deste padrão é identificada pelo nome Bluetooth e equipa atualmente vários dispositivos. Esta rede possui baixa taxa de transferência de dados, se comparada com outras redes sem fio, ficando com taxa abaixo de 600 kbps. Vários dispositivos podem ser colocados para compartilhar a rede [STALLINGS].

Figura 2 – Rede sem fio Ad-Hoc

As redes WLAN (Wireless Local Area Network) atendem principalmente ambientes internos e cobre áreas com raio típico de 100 metros. O padrão mais difundido é o 802.11, que também é conhecido como WiFi (Wireless Fidelity). Este padrão será detalhado neste artigo.

As redes WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) atendem áreas metropolitanas com raio de mais de 1 km. O padrão 802.16 está em vias de ser disponibilizado e promete uma revolução no acesso banda larga. Este tipo de tecnologia permite tanto o transporte do tráfego de dados concentrados quanto o acesso de usuários. Existem tecnologias já disponíveis, porém proprietárias [Canopy]. O padrão 802.16d, também identificado pela sigla WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), está em processo de fabricação sendo esperada a disponibilização de produtos para a segunda metade de 2005.

As redes WWAN (Wireless Wide Area Network) atendem grandes áreas de cobertura, como por exemplo, sistemas móveis. Também para este tipo de sistema o IEEE propõem o padrão 802.20, que ainda está em desenvolvimento.

A tecnologia mais adequada para automação de processos é a WLAN, que pode ser entendida como a Ethernet sem fio. Esta foi a primeira designação deste tipo de tecnologia. Para automação industrial existe um esforço para padronizar a Ethernet, devidamente adaptada às necessidades deste tipo de aplicação. O que se pode esperar é uma padronização da tecnologia WLAN para este papel em processos cujo cabeamento não pode ser utilizado. Aliás, esta é uma observação a ser feita, ou seja, nas aplicações onde seja possível o cabeamento deve-se dar preferência sempre a esta tecnologia. A tecnologia sem fio somente deve ser utilizada em aplicações que efetivamente não seja possível o uso do cabeamento. O risco da incerteza de desempenho da tecnologia sem fio deve ser devidamente avaliado antes de utilizar esta tecnologia.

O restante deste artigo trata da tecnologia WLAN especificada pelo padrão 802.11. 3 FAIXAS DE FREQÜÊNCIA O espectro eletromagnético é um recurso escasso e deve ser bem utilizado. As faixas de freqüência são loteadas para as diversas aplicações pela ANATEL. Uma forma de classificar as faixas de freqüência diz respeito à necessidade ou não de licença para operação. As faixas de freqüência autorizadas para o uso de WLAN não necessitam de licença [RESOLUÇÃO 365]. As bandas sem necessidade de licença, onde operam as WLAN, são denominadas bandas ISM (Industrial Scientifical and Medical). Nestas faixas podem operar sistemas que operem com tecnologia de espalhamento espectral ou OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [RESOLUÇÃO 397]. A Figura 3 identifica as faixas onde operam os principais sistemas sem fio.

Figura 3 – Faixas de Freqüência As WLAN operam na banda de 2,4 GHz ou na banda de 5 GHz. O foco deste trabalho é na banda de 2,4 GHz, onde operam as redes WLAN padrão 11b e 11g. A Figura 4 mostra a canalização da banda de 2,4 GHz identificando os 11 canais possíveis de serem utilizados.

Figura 4 – Canalização WLAN na faixa de 2,4 GHz

Pela Figura 4 é possível observar que somente são possíveis três canais em operação simultânea em um mesmo ambiente (1,6,11) sem que haja interferência. O planejamento para redes com mais de três APs (Access Points) deve ser feito levando-se em consideração este fato. 4 INTERFERÊNCIA A resolução 365 [RES365] trata de sistemas de radiação restrita estabelecendo os requisitos para operação de dispositivos, em especial na faixa de freqüência de 2,4 a 2,4835 GHz. A utilização desta faixa não requer autorização, fato que levou ao aparecimento de várias aplicações nesta faixa. Este fato torna esta faixa problemática em função da interferência de outros dispositivos. Um exemplo deste tipo de problema é o forno de microondas. Para avaliar o efeito deste dispositivo foram realizadas medições utilizando um analisador de espectro. Esta análise é de fundamental importância quando se pretende instalar redes WLAN. Esta atividade faz parte das ações denominadas site survey, que investiga todas as condições do ambiente para disponibilização de redes WLAN. As medidas aqui apresentadas foram realizadas na praça de alimentação da PUC-Campinas. Para efeito de comparação a Figura 5 mostra o espectro de uma WLAN sem interferência.

Figura 5 – Espectro de uma WLAN sem interferência Ao avaliar o espectro com o analisador de espectro na direção de algumas cantinas, que utilizavam microondas, foi constatada interferência que degrada o desempenho da rede PWLAN. Constatou-se que a principal fonte de interferência era gerada por aparelhos de microondas presentes nas cantinas da praça de alimentação.

A Figura 6 mostra o espectro com interferência de um microondas.

Figura 6 – Espectro de uma WLAN com interferência

Outros dispositivos operando nesta faixa de freqüência também afetam o desempenho de redes WLAN tais como: telefone sem fio operando na faixa de 2,4 GHz, equipamentos Bluetooth, etc. Existem equipamentos industriais que também geram espúrias nesta faixa de freqüência. Neste caso é indispensável uma avaliação do espectro eletromagnético no local onde se pretende instalar redes WLAN. 5 PADRÃO 802.11 A rede WLAN deve atender usuários que esperam receber serviços e capacidades comparáveis com redes LAN (Local Area Network). Além desta expectativa também a mobilidade é uma característica esperada.

O padrão 802.11 [802.11] especifica a camada Física e a camada de Controle de Acesso ao Meio (MAC – Medium Access Control). A MAC suporta o método de função coordenada distribuída, DCF (Distributed Coordination Function) e o método de função coordenada central ou pontual, PCF (Point Coordination Function). O DCF atende a tráfego assíncrono, enquanto no PCF a decisão de transmitir é centralizada no AP e foi pensado para tráfego síncrono. O PCF não está disponível em boa parte das atuais WLANs. A Figura 7 mostra a pilha de protocolo e a topologia da rede WLAN.

Figura 7 – Pilha de protocolo de redes WLAN modo infraestruturado

As camadas MAC e PHY (Physical Layer) são divididas em sub-camadas de gerenciamento, controle e convergência [802.11]. O AP é análogo a uma estação-base na rede de comunicação celular [CROW], provê uma área de cobertura integrando as EWs, permitindo a comunicação entre elas, além de prover interface para Internet.

São encontradas duas configurações básicas: infraestruturada, com a presença do AP, e adhoc, com conexão peer-to-peer entre as EWs. Para as redes infraestruturadas existem basicamente duas arquiteturas de APs, a Fat e a Thin . Na arquitetura tradicional, conhecida por Fat, o AP concentra todas as funções implementadas no padrão 802.11 e outras funções de inteligência da rede como: segurança, gerenciamento e desempenho, conforme ilustra a Figura 8. Não existe, portanto, um elemento central de gerência e controle dos APs. Os Switches utilizados no DS (Distribution System) na arquitetura Fat não possuem qualquer função de comunicação entre APs [802.11].

Access Point

DS

LLCMACPHY

Figura 8 – Arquitetura Fat

Já na arquitetura Thin existe uma distribuição das funções com um elemento central de gerência e

controle. No AP se concentram as funções básicas da 802.11, principalmente de interface aérea. As demais funções são providas por um elemento central, tais como autenticação, autorização e segurança. A rede Thin avaliada [BRANQUINHO1] possui uma característica adicional que é a

divisão da camada PHY e de Enlace, sendo que a MAC passa a ser também centralizada como mostrado na Figura 9. Nesta figura o Hub somente possui a função de encaminhamento dos pacotes, sendo o protocolo de comunicação entre os APs e a Wireless Switch (WS) proprietária.

DS

Wireless Switch

Hub

Access Ports

LLC MAC

PHY

Figura 9 – Arquitetura Thin com MAC centralizada

Nesta arquitetura o AP passa a implementar somente a camada física do padrão 802.11b. As funções de MAC e LLC (Logical Link Control) e as outras funções de gerência e controle são centralizadas no WS [SYMBOL]. Para diferenciar o AP tradicional deste novo elemento, que implementa somente a camada PHY, este último é denominado Access Port (APo). 6 PROPAGAÇÃO Neste item são apresentados os principais modelos de propagação utilizados para predição de sinal em redes WLAN. Tais redes possuem seu desempenho fortemente dependente da posição dos usuários e seu desempenho varia fortemente em função disto [BRANQUINHO2]. Rede WLAN empregada em ambiente público (PWLAN) com dispositivos portáteis e móveis requer ainda mais cuidado na avaliação de desempenho. Para dimensionamento de redes WLAN nestas condições são necessárias ferramentas de avaliação de cobertura que atendam aos requisitos deste tipo de aplicação. Neste artigo é apresentado um modelo para avaliação de intensidade de sinal em ambientes internos que leva em consideração vários fatores normalmente não considerados em outros modelos.

A tentativa de encontrar um modelo adequado para representar a propagação em ambientes interiores tem sido um desafio para os engenheiros de radiofreqüência. Para determinação dos modelos sempre foram necessárias medidas para validação dos modelos. Para propagação em interiores de edificações esta tentativa tem esbarrado na grande variedade deste tipo de ambiente onde todos os objetos no interior das edificações alteram o ambiente de propagação.

A medida de sinal para validação de modelos sempre foi uma tarefa trabalhosa requerendo equipamentos sofisticados. Atualmente as redes WLAN possuem a possibilidade de medição de intensidade de sinal como uma componente de gerência do sistema. Esta possibilidade abre uma condição de realização de medidas que subsidiem a predição de cobertura. 6.1 Modelos de Propagação Testes realizados em redes sem fio funcionando no modo infra-estruturado mostram que existem dois fatores que influenciam na potência de recepção de um determinado nó da rede: atenuação de sinal devido à distância e variações aleatórias provocadas pelo ambiente. A atenuação também vai variar com a mobilidade do nó, ou seja, dependendo de onde o nó se encontra a atenuação vai variar.

A atenuação é a diminuição de potência de sinal de comunicação entre um nó da rede e seu access point (AP), que ocorre principalmente devido ao aumento da distância entre eles. Por isso, os cálculos de atenuação em canais de redes sem fio são inversamente proporcionais à distância que

separa os nós considerados. Ruídos são inerentes ao processo de transmissão e dependem fortemente do ruído térmico do receptor.

A propagação indoor depende das características do edifício e dos materiais que existem dentro de cada ambiente [RAPPAPORT1][LOON]. O sinal que é recebido é resultado da interferência dos sinais que percorrem vários percursos devido à reflexão, refração e difração em todos os objetos e estruturas do edifício como paredes, portas e janelas. Existem alguns modelos de propagação para descrição da atenuação do sinal como o modelo de espaço livre, modelo de dois raios e modelo de shadowing [RAPPAPORT2]. Existe um modelo de propagação [SARKAR][TARNG] no qual são considerados fatores relativos à atenuação do pavimento e das paredes. Os valores destes fatores podem ser obtidos em tabelas, e deste modo são valores padrões. Outro modelo é o exponencial [SKLAR], onde os percursos gerados por reflexão se tornam cada vez mais longos. Todos os modelos citados são modelos empíricos ou estatísticos.

6.2 Modelo do Espaço Livre O primeiro fenômeno de propagação a ser analisado é a atenuação sofrida pelo sinal no espaço livre. A melhor analogia é imaginar uma esfera que vai se expandindo e com isto diminuindo a potência por metro quadrado. Este modelo é denominado de espaço livre, pois não existe a interferência de nenhum obstáculo ou superfície. O modelo de espaço livre pressupõe uma condição ideal da propagação onde há somente um caminho entre o transmissor e o receptor. Na medida em que a onda se afasta da antena isotrópica, na forma de uma esfera que se expande, existe uma diminuição da potência por unidade de área. Considerando um sistema de transmissão com potência de transmissão Pt, ganhos das antenas de transmissão e recepção Gt e Gr respectivamente, a potência recebida pode ser determinada pela expressão:

LdGGPdP rtt

r 2

2

)4()(

πλ= (1)

Onde L é um fator de ajuste que pode ser considerado igual a 1 para uma análise simples da atenuação em espaço livre e d é a distância do ponto considerado à antena. O fator L que poderia representar aspectos importantes na predição de intensidade de sinal raramente é utilizado e é tratado como um valor fixo para toda a simulação. Este modelo está implementado no software de simulação NS (Network Simulator) [NS]. 6.3 Modelo de Dois Raios Neste modelo considera-se que além da linha de visada o sinal recebido é composto também por uma outra componente devido à reflexão do sinal na superfície da Terra. A interferência destes dois sinais gera uma potência que sofre uma atenuação mais acentuada com a distância do que o modelo de propagação no espaço livre:

LdhhGGPdP rtrtt

r 4

22

)( = (2)

Onde ht e hr são as alturas da antena de transmissão e de recepção respectivamente. O fator L novamente não é normalmente utilizado.

O modelo de dois raios não é apropriado para regiões próximas da estação base em função das interferências causadas pelos caminhos construtivos e destrutivos. Define-se assim uma distância na qual é utilizada a atenuação no espaço livre, denominada distância de cross-over, dc, dado pela expressão:

λπ rt

chhd 4= (3)

Quando a distância d, é menor do que dc, utiliza-se o modelo de cálculo de propagação do

espaço livre. Já quando d > dc, utiliza-se o modelo de cálculo de propagação de dois raios e quando d = dc, o resultado dos dois modelos é o mesmo. Este modelo está implementado no software de simulação NS (Network Simulator) [NS]. 6.4 Modelo de Shadowing Os modelos de dois raios e de espaço livre tratam a potência recebida como uma função determinística que depende diretamente da distância entre os nós, uma vez que todos os outros

fatores são constantes. Para o modelo de shadowing a potência do sinal recebido é composto por duas partes: determinística e aleatória. A parte determinística está relacionada diretamente com a distância, prevendo alguns tipos de valores de perda de percurso. A outra parte varia aleatoriamente representada por uma variável aleatória com distribuição log-normal. A primeira parte faz a predição da potência recebida média a uma certa distância “d”, sendo definida como Pr(d). Utiliza uma distância de referência, definida como “do”. Então vai existir uma relação entre a potência recebida a uma distância “do” e a potência recebida a uma distância “d”. O valor Pr(do) é calculado utilizando o modelo de propagação de espaço livre. A relação entre as duas potências é:

β

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

or

or

dd

dPdP

)()( (4)

Onde β é o expoente de perda de percurso [RAPPAPORT2] e depende do tipo de ambiente [WOERNER]. A tabela abaixo mostra β para dois ambientes [NS]:

Tabela 1 Valores do expoente de perda de percurso, β, para alguns ambientes

Ambiente Β Outdoors Espaço Livre 2 Área urbana 2,7 a 5 Indoor Linha de Visada 1,6 a 1,8 Obstruído 4 a 6

A perda de percurso é medido em dB:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

odBor

r

dd

dPdP log10

)()( β (5)

Onde Pr(d) é obtido em média. A segunda parte do modelo de shadowing vai refletir a variação da potencia recebida a uma certa distância. Esta variação é representada por uma variável aleatória, log-normal. Esta distribuição é uma gaussiana em dB. Assim, o modelo de Shadowing é composto por duas partes, como na expressão abaixo:

dBodBor

r Xdd

dPdP +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡log10

)()( β (6)

Onde o XdB é uma variável aleatória log-normal com média zero e desvio padrão que pode variar, dependendo do ambiente [RAPPAPORT2]. Este modelo é denominado log-normal shadowing. O modelo shadowing tende a ser mais realista, permitindo ajustar o valor de perda de percurso, β, e valores de desvio padrão da função Gaussiana. A próxima tabela mostra os valores do desvio padrão que representam [NS].

TABELA 2 Valores do desvio padrão para diferentes ambientes Ambiente σdB (dB) Externo 4 a 12 Escritório, divisão compacta 7 Escritório, divisão leve 9,6 Fábrica, linha de visada 3 a 6 Fábrica, obstruído 6,8

Com isso, este modelo é mais apropriado para simulações de mobilidade do que os modelos de espaço livre e dois raios. Este modelo está implementado no software de simulação NS (Network Simulator) [NS]. 6.5 Aplicação dos modelos Neste item os modelos apresentados nos itens anteriores são exemplificados utilizando valores típicos. Isto permite que seja possível avaliar a cobertura dos ambientes desde um modelo simples dado pelo espaço livre até modelos complexos como shadowing. Para efeito de exemplo seja uma WLAN com potência de 100 [mW] e antena do AP com ganho de 12 dBi e antena da estação sem fio

com ganho de 2 dBi. O AP está a uma altura de 4 [m] e a estação sem fio a uma altura de 1,2 [m]. A uma distância de 1 (m) foi medida uma potência de –40 dBm. O apêndice apresenta a unidade decibel e suas relações com valores lineares.

Aplicando-se as expressões observa-se que o modelo do espaço livre é bastante otimista e o modelo de dois raios mais pessimista. Já para a expressão (5) existe a possibilidade de ajustar o fator β em função do ambiente. A Tabela 3 mostra os resultados para o cálculo da potência de recepção a 100 [m].

Tabela 3 – Potência recebida a 100 [m]

Modelo Pr [dBm] Espaço Livre -46 Dois Raios -64

Indoor obstruído - β=6 -130 Pela tabela pode-se verificar que o modelo do espaço livre é muito otimista não sendo recomendado para predição de cobertura indoor. O modelo de dois raios é um pouco mais pessimista, mas ainda apresenta um valor bastante alto para a potência recebida. Já o modelo representado pela expressão 5 apresenta uma grande atenuação. A utilização do modelo de shadowing permite a inserção de uma aleatoriedade do valor da potência recebida. Esta incerteza é fruto da variação do meio podendo ser diferente em função do local [BRANQUINHO3][BRANQUINHO4]. A escolha do modelo mais adequado depende do ambiente e da percepção por parte do projetista do tipo de ambiente. A predição de cobertura é uma parte importante no planejamento de redes WLAN e deve ser feito em função do local. 7 EFICIÊNCIA DA REDE WLAN

As redes WLAN possibilitam operação em quatro taxas de transmissão na camada física, estabelecendo regiões de cobertura para cada taxa como mostrado na Figura 3 de forma hipotética através de círculos concêntricos. Como observado na Figura 10, existem 4 áreas ao redor do AP para as quais ocorre o decaimento da taxa de transmissão em função da atenuação do sinal.

AP A1 A2

A3 A4

Figura 10 – Áreas de variação da taxa de transmissão

Em [PROXIM] estão disponíveis dados práticos sobre redes WLAN disponível no mercado. Estes dados estão sumarizados para ambiente semi-aberto na Tabela 4. O ambiente semi-aberto seria o mais adequado para representar redes PWLAN, como no caso de uma praça de alimentação de um shopping.

Tabela 4 Especificações WLAN

Ambiente semi-aberto

Taxa [Mbps] Sens [dBm] r [m] a [m2] % 11 -82 50 7850 19 5,5 -87 70 7536 18 2 -91 90 10048 24

1 -94 115 16093 39

Para verificar a anomalia, considera-se o par FH1-WH1 transmitindo com uma taxa de 11 Mbps, ou seja localizado em A1 e o par FH2-WH2 transmitindo a 1 Mbps (localizado em A4). Pode-se também considerar outras opções (nas áreas A2 e A3). Se as duas estações estiverem em A1 não é possível observar a anomalia.

Assim, na Figura 11 o throughput para a combinação de estações em áreas diferentes (e conseqüentemente taxas de transmissão diferente), sendo perceptível o efeito da anomalia [HEUSSE], já que a estação de 11Mbps está sempre com menor throughput [BRANQUINHO5][BRANQUINHO6]. Este resultado é um efeito direto da anomalia e da eficiência mais baixa quando uma estação opera a 11 Mbps.

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

A1-A4 A1-A3 A1-A2

Área Localizada

Thro

ughp

ut

Valor Médio

Estação de11MbpsEstação mais lenta

Figura 11 – Throughput

8 IMPLEMENTAÇÀO Esta seção apresenta uma implementação utilizando rede WLAN para integrar dispositivos eletrônicos diversos a sistemas de controle (inteligentes ou não) através de redes de computação sem fio seguindo o padrão 802.11b da IEEE [ANDREOLLO]. Procura-se demonstrar maneiras de integrar tanto genericamente quanto fornecer exemplos de uma implementação através do componente Digi Connect Wi-ME, da Digi Inc. [DIGI1]. O trabalho se baseia no projeto desenvolvido na PUC-Campinas para criar um sistema de medição de intensidade de sinal de redes sem fio. O sistema de controle é implementado através da própria rede sem fio, com o auxílio de dispositivos especialmente desenhados para este fim, ou seja, a integração de dispositivos eletrônicos a redes de comunicação sem fio. Para tanto é utilizado um módulo chamado “Digi Connect Wi-ME” da Digi, Inc.

O projeto desenvolvido tem, como dito anteriormente, o objetivo de controlar um sistema de medições autônomo (um robô) através da própria rede sem fio, cujo sinal ele está medindo. Para isso, utilizamos o modulo Digi Connect Wi-ME, da Digi Inc. Este pode ser observado na Figura 12.

Figura 12 – Modulo Digi Connect Wi-ME [DIGI1]

A Figura 13 apresenta o kit de integração da Digi com o módulo Wi-ME.

Figura 13 - Kit de Integração.

O diagrama em blocos do sistema está apresentado na Figura 14.

Software em Java

Request RCI (XML over

HTTP-post)

Digi Connect Wi-ME

Demultiplexação Placas de controle dos motores

Rede sem fio 802.11b

Fig. 14 - Diagrama de blocos do sistema de controle. Ressalta-se que para estes (e outros) fins de integração, é desejável sempre ter a rede sem fio operando no modo Infra-estrutura (ao contrário de ad-hoc), pois assim pode-se garantir que todos os dispositivos estão em uma mesma rede unificada e centralizada, ao invés de estarem em várias redes fragmentadas e talvez isoladas.

Para o controle do robô, foi desenvolvido um software na linguagem Java, principalmente devido a grande independência quanto à plataforma de execução. Também, o programa foi construído de maneira bem modular, gerando um código que pode ser facilmente reusado em outros sistemas de integração, controle e automatização de tarefas.

O controle do modulo da Digi propriamente dito é feito através de uma interface proprietária deste, chamada Remote Command Interface (RCI)[DIGI2]. Esta interface utiliza seqüências de dados em XML enviadas para o modulo através de uma requisição POST a seu servidor HTTP interno, direcionada a determinada URL. A comunicação com esta interface é realizada através de pedaços de código extraídos de exemplos incluídos no kit de integração do módulo[DIGI3].

O código se divide em duas instâncias distintas: uma de interface gráfica (que pode ser facilmente substituída por qualquer outra interface desejada), e outra de linha de execução, que cuida de uma fila de comandos a serem executados, e que é a principal responsável pelo sistema de automação propriamente dito. Apesar do sistema não estar totalmente completo ainda, no estágio atual já é possível adicionar vários comandos a uma fila, e fazer com que ela seja executada em um passo só. O próximo passo é gerar um sistema de scripting, onde pode-se preparar um arquivo com uma fila de comandos previamente estipulados, e passá-la diretamente para o sistema de controle para ser executada. A Figura 15 mostra a interface do sistema no atual nível de desenvolvimento.

Figura 15 – Interface gráfica do sistema de controle O sistema de medição consiste em um robô com quatro motores de passo, cada um deles controlado através de uma placa com dois pinos de dados: direção (sentido de rotação) e passo (um passo por pulso). Também, o modulo da Digi tem até 5 pinos GPIO[DIGI4] (General Purpose I/O), que podem ser utilizados tanto para entrada quanto para saída de dados. A configuração final destes pinos é mostrada na Tabela 5:

TABELA 5 Disposição dos pinos de controle

Pino Função 1 Clock 2 Select 1 3 Select 2 4 Direção 5 Enable

O circuito consta dois demultiplexadores, selecionados pelos pinos 2 e 3 do modulo: um deles demultiplexa os comandos de direção, e o outro demultiplexa o sinal “enable”, que através de um AND com o pino de clock gera os pulsos para dar os passos dos motores. O diagrama de blocos lógicos do circuito demultiplexador é ilustrado na Figura 16.

Figura 16 – Circuito demultiplexador O circuito tem quatro saídas de dois pinos que são ligadas diretamente às placas de controle dos

motores. O circuito é alimentado pelas baterias de 12 v do robô, e sua tensão é controlada por um simples regulador LM 7805.

Através deste projeto, foi estabelecida uma forma para integração, controle e automação de dispositivos através de redes sem fio que seguem o padrão 802.11b da IEEE.

Outro exemplo é a integração de dispositivos de medida de qualidade de energia elétrica em rede. Esta aplicação pode ser feita utilizando uma AP, caso o medidor tenha interface Ethernet. Porém, existe uma grande parte dos dispositivos que possuem interface RS232 com protocolo ModBus [MODBUS]. A Figura 17 mostra o equipamento ION 7500 que faz medidas de qualidade de energia elétrica. Este equipamento possui uma interface RS232 e deve ser integrado em rede.

Figura 17 – Medidor ION 7500 Para este tipo integração pode-se utilizar um conversor RS232/Ethernet [ESC710]. Porém, nem sempre está disponível próximo ao medidor uma conexão cabeada. Para estas situações a solução é uma interface RS232/WiFi. Um exemplo deste tipo de interface é o INT 500WI [INT500WI], apresentado na Figura 18.

Figura 18 – Interface RS232/WiFi 9 CONCLUSÃO Este artigo fez um apanhando geral sobre redes sem fio, mais especificamente redes WLAN. O padrão 802.11 está se impondo como a única solução para redes locais sem fio. A utilização deste tipo de rede tem aumentado de forma exponencial nos últimos tempos e tende a ser utilizada em todos os tipos de ambiente, inclusive o industrial. As redes WLAN se diferenciam substancialmente das redes cabeadas possuindo peculiaridades que devem ser adequadamente equacionadas. Pode-se citar a questão da incerteza da atenuação do meio em função dos obstáculos. Isto implica numa variação do desempenho se o planejamento não for feito de forma adequada. A utilização de modelos de propagação torna-se importante como ferramenta de planejamento. A demonstração da utilização de redes WLAN no controle de processos pode ser vista com o surgimento de dispositivos de conexão como o Digi Connect WiME da DIGI. A utilização deste tipo de dispositivo é facilitada pelo emprego do kit de integração, como demonstrado no artigo. Redes WLAN permitem grande flexibilidade e as taxas de operação estão crescendo a cada dia. Porém, o emprego desta tecnologia somente se justifica em situações onde a solução cabeada não pode ser empregada, como por exemplo, para aplicações com mobilidade.

APÊNDICE - DECIBEL Relação dB para a escala linear:

)log(10 lineardB ValorValor = (A1) Potência absoluta em dBm:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=mWPP Watt

dBm 1log10 (A2)

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à INTEL pela utilização do laboratório Wireless Competence Network (WCN) instalado no Instituto de Computação da UNICAMP e à INTEGRAL Sistemas pelo fornecimento de documentação técnica. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [802.11] IEEE Std 802.11 Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. ANSI/IEEE Std 802.11, Information technology, 1999 Edition. [802.11B] IEEE Std 802.11b-1999. Supplement to ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition. [ANDREOLLO] A. G. Andreollo e O. C. Branquinho Automatização de dispositivos através de redes sem fio 802.11b. Submetido para o XXII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES –SBrT’05, 04-08 DE SETEMBRO DE 2005, CAMPINAS, SP. [BRANQUINHO1] O. C. Branquinho, C. Correa, N. L. S. da Fonseca, “Avaliação de Redes WLAN 802.11b com Arquiteturas Fat e Thin”, XXI SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES - SBT’04, 06 - 09 DE SETEMBRO DE 2004, BELÉM – PA. [BRANQUINHO2] O. C. Branquinho, N. Reggiani, A. G. Andreollo Modelo de Propagação Shadowing Modificado para Ambiente Interno para Redes PWLAN em 2,4GHz. Submetido para o XXII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES –SBrT’05, 04-08 DE SETEMBRO DE 2005, CAMPINAS, SP. [BRANQUINHO3] O. C. Branquinho, N. Reggiani, L. F. da Silva. Avaliação de Desempenho de redes PWLAN 802.11 em Ambientes com Alta Variabilidade. XXI SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES - SBT’04, 06 - 09 DE SETEMBRO DE 2004, BELÉM – PA.. [BRANQUINHO4] O. C. Branquinho, N. Reggiani, L. F. da Silva.Parameter S4 to Analyze the WLAN Variability. International Workshop on Telecommunications, Santa Rita do Sapucaí, MG, Setembro/2004. [BRANQUINHO5] Omar Carvalho Branquinho, Norma Reggiani, Claudemir E. Corrêa, Débora Meyhofer Ferreira WLAN 802.11 MAC ANOMALY MITIGATION USING SNR TO CONTROL BACKOFF CONTENTION WINDOW. International Microwave Optical Conference - IMOC 2005. Brasília julho de 2005. [BRANQUINHO6] O. C. Branquinho, N. Reggiani, C. E. Corrêa, D. M. Ferreira2Estratégia para Minimização da Anomalia da MAC de Rede WLAN 802.11b Utilizando a SNR para Controle da Janela de Contenção. Submetido para o XXII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES –SBrT’05, 04-08 DE SETEMBRO DE 2005, CAMPINAS, SP. [CANOPY] www.motorola.com/canopy [CROW] Crow, Brian e Widjaja, Indra; Prescott, Sakai. IEEE802.11 Wireless Local Area Networks, IEEE Communications Magazine, September 1997. [HEUSSE] Heusse, Martin e Rousseau, Franck; Berger-Sabbatel, Gilles; Duda, Andrzej. Performance Anomaly of 802.11b, IEEE INFOCOM 2003. [HANDBOOK] B. O`Hara and Al Petrick, IEEE 802.11 Handbook - A Designer`s Companion. IEEE Press. 2001. [JULIANA] Juliana Freitag, Nelson L. S. da Fonseca, O. C. Branquinho, Differentiation of Services in Network 802.11 on Degradation of the Transmission Rate, 5th Wireless Communication Workshop and Mobile Computing – WCSF 2003, São Lourenço, MG, 27 a 30 de Outubro de 2003. Atheros Communications, Inc “Methodology for Testing Wireless LAN Performance”, 2003. [LOON] L.J.W. van Loon, Mobile in-Home UHF Radio Propagation for Short-Range Devices, IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 41, n. 2, April (1999). [NORUEGA] http://www.uninett.no/wlan/throughput.html - acessado em 27 de maio de 2005 [NS] Manual do Network Simulator NS - http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [PROXIM] http://www.proxim.com/products/wifi/ap/ap600/index.html - acessado em 25 de maio de 2005 [RAPPAPORT1]T.S.Rappaport e S.Sandhu, Radio-Wave Propagation for Emerging Wirelles Personal-Communications Systems. IEEE Communications Society - htttp://www.comsoc.org/pubs. [RAPPAPORT2] T. S. Rappaport, Wireless Communications – Principles and Practice. Prentice Hall, 1996. [RES365] www.anatel.gov.br/resolucoes [SARKAR] T. K. Sarkar, K. Ji, K. Kim, A. Medouri e M. Salazar-Palma, A Survey of Various Propagation Models for Mobile Communication, IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 45, n. 3, June 2003. [SKLAR] B. Sklar, Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication System. Part I: Characterization, IEEE Communications Magazine, pag. 90, July (1997). [STALLINGS] STALLINGS, William. Wireless Communications and Networks. Prentice Hall. 2002. [SYMBOL] www.symbol.com

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