Ortam ve Hava Şartlarının Alınan Sinyal Gücüne Etkisinin İncelenmesi

Transkript

1 Orta ve Hava Şartlarının Alınan Sinyal Gücüne Etkisinin İncelenesi Uğur Bekçibaşı 1, Kubilay Taşdelen 2 1 Süleyan Deirel Üniversitesi, ElektronikHaberleşe Mühendisliği Bölüü, Isparta 2 Süleyan Deirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Isparta ugur@u.edu.tr, kubilaytasdelen@sdu.edu.tr Özet: Enerji verililiğinin büyük öne arz ettiği uygulaalarda kullanılacak işleci, denetleyici ve radyo haberleşe birilerinin seçii de öne kazanaktadır. Enerjinin kısıtlı olası nedeni ile sınırlandırılan haberleşe güçleri ise uygulaaların çalışa alanını kısıtlaakta ve haberleşe sinyallerinin bulunulan ortadan ve hava şartlarından büyük oranda etkilenesine sebep olaktadır. Yapılan bu çalışada, CC110L radyo haberleşe entegresi MSP430 ikro denetleyicisi üzerinde çalıştırılakta ve hava şartlarının, alınan sinyal gücüne farklı esafelerde gösterdiği etkiler sunulaktadır. Çalışada uzaklıkgüç göstergesinin grafiği çıkartılış, ardından hava şartlarının etkisi sonuçlara yansıtılıştır. Alınan sinyal gücü ile konu saptaa tekniği kullanılarak farklı hava ve orta şartlarındaki konu saptaa hataları ve tolerans değerleri sunuluştur. Anahtar Sözcükler: Mikro denetleyici, Alınan Sinyal Gücü, Konu Saptaa. Effect of Received Signal Strength of the Surroundings and Air Conditions Abstract: Processor to be used in applications where energy efficiency is of great iportance, is iportant to the selection of the controller and the radio counication units. Because of the liited powers of counication in energy constrained applications, and counication signals which liits the work area greatly affected by weather conditions and cause the current environent. In this study, CC110L radio counication IC on the MSP430 icrocontroller operated and weather conditions, affect the received signal power at different distances are shown. The study distancepower indicator reoved fro the chart, and then the results reflected the effect of weather conditions. Position detection technique with the power of the received signal in different weather and environental conditions, and tolerance values of position detection errors is presented. Keywords: Microcontroller, Received signal strength indicator (RSSI), Location Estiation 1. Giriş MSP430 ikro denetleyicisi Texas Instruent firasının ürettiği çok düşük güç tüketiiyle ön plana çıkan, Von Neuann iarisinde, 16 Bit RISC yapısına sahiptir. İçerisinde I2C, SPI, USART, ADC gibi bir çok odülü barındıraktadır. Çok düşük güç gereksinii ve yeterli perforansı ile günüüz uygulaalarında sıklıkla tercih edilektedir. Tercih edilen uygulaalar arasında yakın alan iletişii (NFC) [nfc], akıllı led aydınlata sisteleri [led], avidiş (bluetooth) eşleşe sisteleri [bluetooth] gibi öncü teknolojiler vardır.

2 Orta etkileşili olarak bilgi toplayabilen, bilgiyi kolektif bir şekilde değerlendirebilen ve gerektiğinde bilgiye dayalı olarak orta üzerinde değişiklikler yapılabilen Kablosuz Algılayıcı Ağlar konusu içinde de sp430 ikro denetleyici ailesi sıklıkla yer bulaktadır. Enerji verililiğinin en öneli konu olduğu kablosuz algılayıcı ağlar yapısında çok düşük enerji ihtiyacına sahip ikro denetleyiciler ve iletişii sağlayabilecek kadar güçlü radyo haberleşe birileri tercih edilektedir. Yapılan çalışada ikro denetleyici setini dış dünya ile konuşturan CC110L radyo haberleşe entegresi tercih ediliştir. CC110L Texas Instruent firasının ürettiği 315/433/868/915 MHz ISM/SRD bantlarında çalışabilen, çok düşük güç tüketii ile kablosuz güvenlik ve alar sistelerinde sıklıkla tercih edilen bir entegredir. Mikro denetleyici ve radyo haberleşe entegresi ile oluşturulan iki özdeş yapı farklı orta, güç, esafe ve hava şartlarında çalıştırılıp radyo haberleşesine olan etkiler inceleniştir. Alınan sinyal gücü göstergesinin İngilizce kısaltası olan RSSi, donanı değişiine karşı iyi bir çözü önerektedir. Pratikte, RSSi değişi ölçüü bir iktar gürültü içerektedir [47]. Bu gürültü, iletişi ünitesi yayılıının gerçek ortada, yüksek düzeyde düzensiz yayıla eğilili olasından dolayı oluşaktadır. Örnek olarak iletişi ünitesi yayılıı asfalt üzerinde çien üzerindekinden farklı olaktadır. Duvarlar, ev eşyası gibi fiziksel engeller ise iletişi ünitesi dalgalarını yansıtır veya eer. Bunun sonucunda, sinyal gücü ile uzaklık tahininde, diğer etotlardan elde edilen ölçüler kadar kesin sonuçlar elde edileeektedir. Şekil 1 de verilen RSSi yöntei, çalışalarla ilgi kazansa da, öneli olan iletişi ünitesi yayılıının fiziksel analizine dikkat edilesidir. Böylece düğülerin iletişi ünitesi kalibrasyonlarının iyi olası seviyesinde başarı oranı artacaktır [46]. Bildirinin ikinci bölüünde çalışanın ateatik kısını oluşturan gelen sinyal gücü yöntei ve hava şartlarının haberleşeye olan etkisi, üçüncü bölüde çalışada kullanılan ateryal ve yönte, dördüncü bölüde ise sonuçlar sunulaktadır. 2. Gelen Sinyal Gücü Yöntei Kablosuz her biri, iletişi ünitesi bileşenine sahiptir ve konu belirlee için en uygun çözüdür [46]. Sorun, iletişi ünitesi bileşeninin ağ içerisinde konu belirleeye nasıl yardıcı olabileceğidir. Teoride iletişi ünitesi sinyalinin gücü, sinyal kaynağından uzaklığın karesi ile doğru orantılı olarak azalaktadır. Bunun sonucu olarak, düğüün uzaklığının hesaplaası için vericiden gelen sinyalin gücünü işleyebilesi gerekektedir. Şekil 1. RSSi Konulaa Tekniği Alıcı değişkenleri: Farklı radyo alıcıları farklı duyarlılığa sahiptir. Anten yönlendiresi: Verici ve alıcı antenlerinin yönleri değiştiğinde RSSi

3 değeride değişie uğrar. Her antenin tekdüze olayan bir yayılı şablonu vardır. Atosferik Şartlar: Aynı göndere gücüne sahip sinyal örnekleri atosferik şartlardan dolayı küçük sapalar gösterebilir. Tipik olarak atosfer şartları, sinyal üzerinde bir etkiye sahiptir. Bununla birlikte yağur sinyali öneli ölçüde etkileyebilir. Özellikle alınan sinyal gücüne bağlı radyo teelli düğüler arası esafe ölçüünde, daha düşük doğrulukta ve güvenirlikte sonuçlar ortaya çıkaktadır. Bu hatalar çevresel hatalar ve cihaz hataları olarak iki gruba ayrılabilir. Çevresel hatalar kablosuz haberleşe kanalından dolayı ortaya çıkar. Bunlar çoklu yol (ulti path), gölgelee etkileri (shadowing) ve diğer radyo kaynaklarından gelen girişilerdir. Cihaz hataları genellikle kalibrasyonsal hatalarıdır. Burada en öneli konu cihaz içi farklılıklara ve güç kaynağının zayıflaasına rağen yayın gücünün sabit tutulasıdır. Çevresel hatalar da iki grupta incelenebilir. Zaana bağlı hızlı değişilerden kaynaklanan hatalar ve statik çevresel etkenlere bağlı hatalardır. Birinci hata turu insanların hareket etelerinden, sinyale karışan gürültüden ve girişiden kaynaklanır. Bu çoğunlukla gauss gürültüsü olarak odellenebilir. Bu tür hatalar çoklu RSSi ölçülerinin ortalaası alınarak öneli ölçüde azaltılabilir. İkinci tur hatalar çoklu yol ve gölgelee gibi değişen çevresel etkenlerden dolayı ortaya çıkan hatalardır. Çevresel yerleşi, önceden biliniyorsa belirsiz olacağından, bu hata rastgele olarak odellenelidir. Burada belirtilenler çevresel hataları göz önüne alaktadır; fakat birçok diğer faktörlerde hesaba katılalıdır. Bunlar çoğunlukla radyoların kalibrasyon hatalarıdır. Aynı türdeki düğüler arasındaki farklar kadar anten yönlendireleri de göz önüne alınalıdır. Güç kaynağı voltajı ve gönderilen radyo gücünün göz önünde bulundurulası gerekir. RSSi teelli bir doğru konulaa sistei oluşturak için kablosuz kanal paraetreleri ve diğer bozucu etkenler ükün olduğu kadar doğru odellenelidir. Bütün bu faktörler RSSi ölçülerinde geniş bir rastlantısal etken aralığına sebep olur. Böylece ölçüün tahin edileez olasına yol acar. 2.1 Hava Şartlarının Etkisi Günüüz kablosuz haberleşe sistelerinde kapsaa alanı ve konu saptaası ile ilgili verilerin oluşturulası için sistein dinaik enzili ve elektroanyetik dalganın yayılı kaybının bilinesi gereklidir. Dinaik enzil, gerçek dünyada üretici tarafından belirlenen, bilgisayar benzeti ortaında ise kullanıcının belirlediği, sistein alıcı verici arasındaki haberleşe kanalında siste işlerliğini kaybeteden çalışabileceği en yüksek değerdir. Süreç için deki kayıplarda, dinaik enzildeki kaybın belirleniş olan değeridir ve db ölçü birii cinsinden ifade edilir. Yayılı kaybı ise haberleşe sinyalinin alıcıya giderken izlediği yolda uğradığı enerji kaybıdır ve bulunulan orta ile doğrudan bağlantılıdır [49,20,50]. Yayılı odelinin teeli olarak serbest uzay kaybı belirleniştir. Serbest uzay kaybı, alıcı ve verici üniteler arasında herhangi bir engelin bulunadığı hattır. Fakat bu hat, alıcıverici üniteler arası doğrudan görüşe sahip olsa da çeşitli bileşenlere göre değişkenlik gösterektedir. Forül 1 de serbest uzay kaybının forüllü veriliştir [51]. L fsl =10log( 4πd )2 (1) L fsl =32,4520logd20logf Serbest uzay kayıp forülünde f Mhz olarak alıcıverici arasında kullanılan frekansı, d k cinsinden arasındaki uzaklığı belirtektedir [52]. Serbest uzay kaybı ideal şartlar için yaklaşık bir değer verektedir [51]. Daha net

4 bilgiler için alıcıverici bileşenlerinin eklendiği serbest uzay yayılı odeli beniseniştir [53]. Forül 2 de serbest uzay yayılı odelinin forüllü veriliştir [54]. P G G λ PL (db)=10log =10log[ L] (2) 2 t t r fs 2 2 p r (4π) d Serbest uzay yayılı odel forülünde Lfsl yayılı kaybı olarak tanılanakta; Pt verici gücü, Pr alıcı gücü, Gt verici anten kazancı, Gr alıcı anten kazancı, L yayılıdan bağısız siste kaybı (L 1) ve λ ise etre cinsinden dalga boyunu tesil etektedir. Zaan içinde yapılan çalışalarda kablosuz birilerin laboratuvar kullanıı artış ve genel olarak alıcıverici arasından doğrudan görüş hattının olduğu ortalarda yol kaybı hesaplaaları için KeenanMotley ile Logaritik Uzaklık odelleri beniseniştir [48,54]. KeenanMotley (KM) odelinde yol kaybı, db cinsin den, serbest uzay yol kaybına doğrusal bir faktörün eklenesiyle bulunakta ve deneysel olarak saptanaktadır. Lineer Yol Zayıflaa Modeli olarak bilinen KM Modeli Forül 3 de veriliştir. PL KM [db]=pl fs +a.d (3) Modelde d k cinsinden uzaklığı, PLfs serbest uzay kaybını ve a lineer zayıflaa katsayısını belirtektedir. LogaritikUzaklık odelinde ise; he bina dışı he de bina içi iletişi ünitesi kanallarında, gerek teorik gerekse de ölçüe dayalı yayılı odellerinden alınan ortalaa işaretin uzaklıkla azaldığı gösteriliştir. Çözü olarak, belirli bir alıcıverici uzaklığı için ortalaa yol kaybı katsayısı belirlenektedir. Forül 4 de logaritikuzaklık odelinin eşitliği veriliştir [55]. d PL(d)=PL(d 0)+10.n.log( ) d 0 (4) Burada n yol kaybının uzaklıkla değiştiğini belirten yol kayıp katsayısıdır ve değeri yayılı ortaına bağlıdır. d0 vericiye yakın alanda ölçülerin yapıldığı referans uzaklıktır yani d vericisi ile alıcı arasındaki uzaklıktır. Denkledeki üst çizgiler, d nin belli bir değeri için verilen ükün olan tü yol kayıplarının ortalaalarını belirtektedir. Forül 5 de Friis eşitliği veriliştir [57]. RSSi (db) =(10.η.log(d)+A) (5) Denklede η yol kayıp katsayısını, d etre biriinden uzaklığı, A ise forülde referans olarak alınacak 1 etredeki zayıflaa iktarını belirtektedir. Çalışada kullanılan Friis eşitliği; üçlü çapa yönteinde yol kaybının açık hava ve direk görüş şartlarında ulaştığı 2 değeri standart alınıştır. Önerilen ölçü referans çapa yönteinde ise; η değeri önce referans alınan düğüden olan uzaklıkla belirleniş; ardından yerine konarak, gelen RSSi değerinin gerçek esafesi saptanıştır. Sunulan tü bu çözüler gerçek dünya üzerindeki gerçek zaanlı değişiklikleri odelleyeeektedir. Hava şartları gibi birçok değişkene bağlı olarak yayılı kaybının gerçek zaanlı olarak hesaplanası oldukça zor ve işle gücü gerektiren bir eyledir. Kablosuz biriler gibi enerji tasarruf zorunluluğu gereği kısıtlanan güç ve perforans ile yayılı kaybının gerçek zaanlı tespiti ve konuun saptanası ükün olaaaktadır. Kullanılan bileşenlerin enerji tasarrufuna yönelik konu saptaaları için üretici firalar önceden laboratuvar ortaında belirleniş statik şablonlar oluşturuşlardır. Aşağıdaki örnek

5 çizelgelerde Benkic ve arkadaşlarının statik esafe şablonları veriliştir [56]. Çizelge 1 : CC2420 Statik Mesafe Şablonu Uzaklı k () RSSi (db) Standa rt Sapa Çizelge 2 : MRF24J40 Statik Mesafe Şablonu Uza klık () RS Si (db ) Sta nda rt Sap a Çizelge 3 : Zena Statik Mesafe Şablonu Uzaklık () RSSi (db) Standart Sapa Çizelge 1 de Crossbow firasının kablosuz algılayıcı ağ düğüü olan MicaZ serisi ürününün CC2420 entegresi içeren RF kati [57], Çizelge 2 de Microchip firasının Zigbee odülü [58], çizelge 3 da ise Zena firasının Zigbee odül ölçüleri veriliştir[59]. Çizelgelerden de anlaşılacağı gibi üreticilerin, antenlerin, içinde bulunulan ortaın, ortadaki etkileyici faktörlerin farkları nedeni ile ölçüler farklı olaktadır. 3. Materyal ve Yönte 4. Sonuç ve Öneriler 5. Kaynaklar [20] N. Patwari, A. O. Hero, Using proxiity and quantized RSS for sensor localization in wireless networks, in: Proceedings of the 2nd ACM international conference on Wireless sensor networks and applications WSNA 03, ACM Press, New York, New York, USA, 2003, p. 20. [46] J. Liberti, T. Rappaport, A geoetrically based odel for line ofsight ultipath radio channels, in: Proceedings of Vehicular Technology Conference VTC, volue 2, IEEE, pp [47] M. P. Clark, Radio Propagation, Syste Range, Reliability and Availability, in: Wireless Access Networks: Fixed Wireless Access and WLL Networks Design and Operation, 2000, pp [48] T. S. Rappaport, Wireless Counications : Principles and Practice, [49] K. Benkic, M. Malajner, P. Planinsic, Z. Cucej, Using RSSI value for distance estiation in wireless sensor networks based on ZigBee, in: th International Conference on Systes, Signals and Iage Processing, IEEE, 2008, pp [50] T. Instruents, CC2420, [51] Microchip, MRF24J40 Data Sheet, [52] ZENA Wireless Network Analyzer User s Guide, [53] K. Whitehouse, D. Culler, Calibration as paraeter estiation in sensor networks, in: Proceedings of the 1st ACM interna tional workshop on Wireless sensor networks and applications WSNA 02, ACM Press, New York, New York, USA, 2002, p. 59. [54] Motley,A. J., Keenan, J.M. (1990), Radio coverage in buildings, Bell Syste Technical Journal (BTSJ), vol. 8, London, 1924 [55] T. S. Rappaport, Wireless Counications : Principles and Practice [56] K. Benkic, M. Malajner, P. Planinsic, and Z. Cucej, Using RSSI value for distance estiation in wireless sensor networks based on ZigBee, in th International Conference on Systes, Signals and Iage Processing, 2008, pp [57] X. Wang, O. Bischoff, R. Laur, and S. Paul, Procedia Cheistry Localization in

6 Wireless Adhoc Sensor Networks using Multilateration with RSSI for Logistic Applications,PROCHE, vol. 1, no. 1, pp , [nfc] [bluetooth] [led]