Simulação e implementação de uma rede wi-fi Mesh em microcontroladores ESP32

Abstract

Resumo : O presente trabalho realizou uma pesquisa experimental a respeito do desempenho de uma rede Wi-Fi Mesh visando aplicações para internet das coisas, utilizando, para isso, ambientes simulados em software OMNet++ e testes práticos realizados com microcontroladores ESP32. Tanto a simulação quanto a prática foram realizadas em um cenário interno residencial. Na etapa de simulação foram contabilizados os efeitos de multicaminho e ruído através de um modelo de desvanecimento Log Normal Shadowing, além das características de rádio frequência dos microcontroladores escolhidos. Foram realizados múltiplos testes, com diferentes taxas de transferência de dados, protocolos de transporte e disposição física. As métricas analisadas foram a taxa efetiva de bits (Throughput), latência, medida na forma de RTT (Round-Trip-Time) e ICMP, e taxa de perda de pacotes. Para a implementação nos microcontroladores, foi utilizada a rede ESP-WIFI-MESH desenvolvida pela empresa Espressif Systems. Os resultados mostraram um desempenho similar entre a simulação e a prática com relação à taxa de dados e perda de pacotes. A latência se mostrou maior nos microcontroladores, quando comparada à simulação, em até 15 vezes. A maior taxa de transferência foi obtida no teste prático com protocolo UDP e banda HT40 no padrão 802.11n , chegando em 692 kbps para uma conexão uplink. Porém, a taxa de perda com protocolo UDP chegou a 74%, enquanto em conexões TCP a perda foi nula. A rede Wi-Fi Mesh é, portanto, uma alternativa de comunicação de alta taxa de transferência para dispositivos embarcados, se comparada com redes usualmente utilizadas para sistemas IoT (Internet of Things), como Thread, Zigbee e BLE

Abstract : In this work an experimental research was conducted about the performance of a Wi-Fi Mesh network with internet of things applications in mind, using, for this, simulated environments in OMNet++ software and practical tests with ESP32 microcontrollers. Both simulation and tests were conducted in an internal residential scenario. In the simulation section, effects of multipath and noise were taken into account using the Log Normal Shadowing model of fading channel and the radiofrequency characteristics of the microcontrollers. Multiple tests were made with different data rates, transportation protocols and physical displacement of the nodes. The analysed metrics were throughput, latency, measured in the form of RTT (Round-Trip-Time) and ICMP requests, and packet loss ratio. For the implementation in the microcontrollers, the ESP-WIFI-MESH network developed by Espressif Systems was used. The results showed a similar performance between the simulation and practice regarding the throughput and packet loss ratio. The latency was higher in the microcontrollers up to 15 times when compared to the simulation results. The biggest throughput obtained in the practical tests was reached with the UDP protocol and HT40 band of the 802.11n standard, reaching up to 692 kbps for uplink. In contrast, the packet loss ratio with UDP reached 74%, while with TCP connections the packet loss was null. The Wi-Fi Mesh network is a high throughput alternative for wireless communication in embedded systems, when compared to other frequently used IoT networks like Thread, Zigbee and BLE