Iteckne Jose Ulises FS-CG

DIRECTIVOSFr. Faustino Corchuelo Alfaro, O.P.Rector Fr. Guillermo León Villa Hincapié, O.P.Vicerrector Académico Fr. Fernando Cajicá Gamboa, O.P.Decano División de Ingenierías y ArquitecturaFr. José Rodrigo Arias Duque, O.P.Vicerrector Administrativo-Financiero

COMITÉ CIENTÍFICOYudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.D.Universidad Santo Tomás, Bucaramanga, Colombia

Miguel Eugenio Arias Flórez, Ph.DUniversidad Santo TomásBogotá, Colombia

Jairo Claret Puente Brugés, Ph.DUniversidad Santo Tomás, Bucaramanga, Colombia

Gabriel Ordonez Plata, Ph.DUniversidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombia

Homero Ortega Boada, Ph.DUniversidad Industrial de SantanderMinisterio TICColombia

Héctor Esteban González, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, España

Juan Carlos Guerri CebolledaUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, España

EDITORLuis Ómar Sarmiento Álvarez, M.Sc, PhD(c)

Coordinadora editorialLizeth Johanna Alvarado Rueda, M.Sc.

COMITÉ EDITORIALLuis Ómar Sarmiento Álvarez, M.Sc. Universidad Santo Tomás, Bucaramanga, Colombia

Hernando Alberto Camargo García, Ph.D.Universidad Santo Tomás, Bucaramanga, Colombia

Gilma Granados Oliveros, Ph.DUniversidad Santo Tomás, Bucaramanga, Colombia

Alberto González Salvador, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, España

José Millet Roig, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, España

Oscar Elías Herrera Bedoya, Ph.DUniversidad Piloto de ColombiaBogotá, Colombia

CORRECCIÓN ORTOGRÁFICA Y DE ESTILOCiro Antonio Rozo Gauta

PRODUCCIÓN CREATIVADepartamento de Publicaciones Directora Dpto. PublicacionesC.P. Luz Marina Manrique Cáceres Diseño y DiagramaciónPub. Luis Alberto Barbosa Jaime

IMPRESIÓNDistrigraf

PERIODICIDADSemestral© Universidad Santo TomásISSN 1692 - 1798

La revista ITECKNE ha sido aceptata en los siguientes índices bibliografi cos y bases bibliografi cas:• Índice Bibliográfico Nacional - PUBLINDEX• Sistema regional de información en línea para revistas científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal. - LATINDEX• EBSCO Publishing• Índice Actualidad Iberoamericana - CIT

Cadaartículoesresponsabilidaddesuautorynoreflejalaposicióndelarevista.SeautorizalareproduccióndelosartículossiempreycuandosecitealautorylarevistaIteckne.Agradecemoselenvíodeunacopiadelareproducciónaestadirección:UniversidadSantoTomás,FacultadesdeIngeniería.

Carrera 18 No. 9-27 Servicio al Cliente Iteckne Teléfono: + 57 7 6800801 Ext. 1411- 1421 Fax: 6800801 Ext. 1346 E-mail: [email protected] - [email protected]

Bucaramanga - Santander

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Bucaramanga - Santander

ContenidoRevista ITECKNE Vol 9 Nº 2 julio - diciembre de 2012

Editorial...........................................................................................................................................................................5Luis Ómar Sarmiento Álvarez

ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de ColombiaPerformance analysis of the IEEE802.11 for the conectivity of rural zones in Colombia..........................................7Óscar Gualdrón González,Ricardo Andrés Díaz Suárez

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications Analysis about behavior of the Throughput in LAN networks under technology Power Line Communications........22Juan Carlos Vesga Ferreira, Gerardo Granados Acuña

Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en redes IEEE 802.11- Caso de Estudio Red QRD..........................................................................................................................................33Evelio Astaiza Hoyos, Diego Fernando Salgado Castro, Héctor F. Bermúdez Orozco

Arquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-avancedFunctional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks...................40Diego Fernando Rueda Pepinosa, Zoila Inés Ramos Rodríguez

Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de XML para la definición de XPDL 2.2 en objective c para iosMultilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard.......................52Daniel Iván Meza Lara, Óscar Elías Herrera Bedoya, Leidy Andrea Ruiz Rodríguez

Medida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la informaciónde fase de una rejilla radialSimultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phase information of a radial grid..........................................................................................................................................62Luis Alejandro Galindo Vega, Jaime Enrique Meneses Fonseca, Camilo Andrés Ramírez Prieto, Jaime Guillermo Barrero Pérez

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la producción de metano a partir del bagazo de fique.........................................................................................................................................72Liliana del Pilar Castro Molano, Humberto Escalante Hernández, Carolina Guzmán Luna

La revista ITECKNE es una publicación de la División de Ingenierías de la Universidad Santo Tomás, Seccional de Bucaramanga, integrada por las Facultades de Ingeniería de Telecomunicaciones, Ingeniería Mecatrónica, Ingeniería Industrial y Química Ambiental. Actualmente la Revista está indexada en el Índice Bibliográfico Nacional Publindex y en el Sistema Regional de Información en Línea para Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal LATINDEX, y ha sido aceptada en el sistema de bases de datos de EBSCO (Fuen-te Académica). Su objetivo es la divulgación de los resultados científicos y tecnológicos de las investigaciones que se realizan en su seno, y en otras universidades a nivel nacional e internacional. La revista cuenta con la participación de diversos investigadores nacionales e in-ternacionales, por esta razón recibe contribuciones en idiomas Español e Inglés. La revista ITECKNE está dirigida a estudiantes, docentes e investigadores interesados en las áreas en las que se inscribe cada una de las publicaciones. La revista aceptará preferiblemente artículos de investigación e innovación con un alto nivel de calidad, y también aceptará artículos cortos y reportes de caso.

Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinyl Acetate and ester acrylic to obtain recovered leatherEvaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-poliméricaDe vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de cuero.................................................................................78Danny Guillermo Cañas Rojas, Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc, Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas.....................................................................85Computational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López Montoya, César Nieto Londoño, Mauricio Giraldo Orozco

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisiónal Estado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery: Review for the actualtecnology.......................................................................................................................................................................95José Ulises Castellanos, Carlos Alberto Guerrero Fajardo, Fabio Emiro Sierra Vargas

Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head position control to be used in optical microscopy..................................................................................................................................................106Paula Andrea Ortiz Valencia, Lorena Cardona Rendón

Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula MamariaDecision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion..................................................118Duván Alberto Gómez Betancur, John Willian Branch Bedoya

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas FinitosCoupled tanks system temperature control using finite automata...........................................................................128Nathalie Cañón Forero, Jenny Gutiérrez Calderón, Óscar Avilés Sánchez, Diego Rodríguez Mora, Darío Amaya Hurtado

Instrucciones a los autores Revista ITECKNE..........................................................................................................135Instructions to the authors, ITECKNE Journal..........................................................................................................138

EditorialLa revista ITECKNE, innovación e Investigación en Ingeniería, hace

parte de la Red Colombiana de Revistas de Ingeniería (RRCI). Dicha red, se ha consolidado paulatinamente como un espacio de socialización, dis-cusión y formación orientada a la profesionalización de los editores de re-vistas de ingeniería en Colombia. Así mismo, constituye un organismo de cooperación científica, académica y de investigación entre responsables de la gestión editorial, con el propósito de mejorar la calidad científica y editorial de las publicaciones en el área de ingeniería. En la búsqueda de formalización de espacios de discusión, apertura de nuevas posibilidades de participación e intercambio de los miembros y estructuración de las temáticas de interés de los editores, la Red organizó el Primer Workshop - Actualidad y retos en las publicaciones seriadas de CT+I, con el ánimo de conocer y compartir las experiencias de los editores, investigadores, docentes y comunidad en relación con las publicaciones seriadas de CT+I y los retos a las cuales se verán avocadas en el futuro próximo.

Son múltiples los aportes del Workshop a la labor editorial. Por ejem-plo, la Dra. Ángela Bonilla, del Grupo Apropiación Social del Conocimiento de PUBLINDEX, nos informó cómo las instituciones de educación superior privadas lideran la producción de revistas indexadas en PUBLINDEX des-de al año 2009. Sin duda, esto da fe de la alta calidad editorial que se maneja en las IES privadas. Resalta también en su presentación, dentro de los ajustes a la nueva política de PUBLINDEX, la incorporación de las TIC en la administración y producción de revistas especializadas de CT+I, y la promoción de la cultura Open Access (OA) entre las revistas cientí-ficas nacionales y su inclusión en bases de datos de acceso abierto y en repositorios. En ese sentido la revista ITECKNE, está terminando la implementación del sistema Open Journal System (OJS) para su puesta en marcha a partir del próximo año. Adicionalmente, a partir de este nú-mero, la revista cuenta con un ISSN digital como forma de incorporación al sistema OA.

Finalmente, la Dra. Bonilla hizo dos alusiones que merecen ser anali-zadas. La primera, referente al nuevo modelo de clasificación de Publin-dex, para que una revista se posicione o se mantenga en categoría B2 o superior debe estar asociada a los Sistemas de Indexación y Resumen (SIRES). Para ello, PUBLINDEX ha reconocido y analizado 83 SIRES, de los cuales, 3 son Índices Bibliográficos Generalistas de Citaciones (IBGC), 19 son Índices Bibliográficos (IB) y 61 son Bases Bibliográficas con Co-mité de Selección (BBCS). En este sentido, se debe agregar una nueva función a los editores de revistas: revisar los requerimientos para ingreso y permanencia en dichos SIRES. Esto implica que la labor editorial con-tinúa al menos tres años después de publicado cada número, ya que el Factor de Impacto de Revistas, uno de los indicadores empleados por algunos SIRES, analiza el promedio de citas que reciben los documentos

de una revista en una ventana de tiempo de dos años anteriores al año de publicación. La segunda, son las sugerencias para fortalecer el impac-to de las publicaciones científicas nacionales, entre las que sobresalen, “cuidar de la calidad en los resultados más que la cantidad; escribir en va-rios idiomas; fortalecer los comités de árbitros; cuidar la autonomía de los comités científicos, editoriales, árbitros, para garantizar la calidad en la producción de la revista; publicar artículos en colaboración con investiga-dores nacionales e internacionales, utilizar bibliografía los más reciente posible nacional e internacional; reconocer el trabajo de otros investiga-dores locales y regionales.” Por fortuna, la mayoría de estas sugerencias hacen parte de las políticas editoriales de la Revista ITECKNE.

ECOPETROL se hizo presente en el Workshop, y de un lado, compar-tió su enfoque para la divulgación técnico-científica como mecanismo de protección para el aseguramiento del conocimiento científico desde tres escenarios clásicos: publicación de artículos o libros, presentación de ponencias en congresos y simposios, y elaboración de memorias des-criptivas de patentes. Es un enfoque que debería ser tenido en cuenta, especialmente por los grupos de investigación y sus respectivas universi-dades, sin dejar de lado que uno de los propósitos de las universidades es la construcción y socialización de conocimiento social. Por otro lado, Ecopetrol presentó su revista &NNOVA, una revista que permite la difu-sión del conocimiento científico con el objetivo de llegar a audiencias no especializadas, con lo cual no sólo fortalece la visibilidad de sus artícu-los, sino que permite aumentar el impacto social del contenidos de sus publicaciones, y, “hacer comprensible lo complejo” como diría Estanislao Zuleta.

De la presentación de Thomson Reuters, pueden sacarse dos conclu-siones importantes. La primera, que las Universidades deben generar una política respecto a cómo deben citar sus investigadores el nombre de la Universidad, ya que se presentó el caso de una universidad colom-biana citada por sus investigadores con más de 30 nombres diferentes, situación que afecta su índice de impacto. La segunda, que las revistas pueden permitir y en algunos casos propiciar las autocitaciones de sus artículos siempre y cuando no superen el 20%, de donde resulta una la-bor más para el editor y su equipo de trabajo: verificar que las autocitacio-nes no superen dicho límite.

Sin duda alguna, el Primer Workshop, fue un rotundo éxito, y aunado

a otras estrategias como la de COLCIENCIAS sobre capacitación en el sis-tema OJS, permitirán al equipo editorial de la Revista ITECKNE, no sólo mejorar la calidad científica y la visibilidad sino fortalecer el impacto de nuestras publicaciones.

Luis Omar Sarmiento Álvarez, [email protected]

Editor

Recibido: 03/08/2012/ Aceptado:06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21

Resumen— Dentro de este artículo se presenta las ca-racterísticas de desempeño del estándar IEEE802.11 en enlaces punto a punto de largo alcance sobre emplaza-mientos rurales en Colombia. Para explicar este desem-peño primero se realiza una descripción detallada del comportamiento de la capa física y MAC en el desplie-gue de redes de largo alcance, esto se realiza mediante análisis de la regulación existente para la máxima po-tencia isotrópica radiada equivalente en la banda ISM, las pérdidas por propagación, el nivel de recepción de los radios Wi-Fi comerciales, la tasa de error de frame y considerando como los parámetros DIFS, Slottime y AC-KTimeout que hacen parte del control de acceso al me-dio e inciden en la implementación de radio enlaces de varios kilómetros. Posteriormente a partir de unos mo-delos teóricos presentes en la literatura y uno propuesto por los autores se calcula el throughput UDP saturado unidireccional y bidireccional en función de la distancia consideradas las diferentes velocidades de transmisión; después con un par de prototipos de comunicación Wi-Fi autónomos alimentados con energía fotovoltaica dise-ñados y construidos en laboratorio, se realizan un grupo de medidas experimentales de throughput UDP satura-do en enlaces punto-punto entre Bucaramanga y empla-zamientos rurales circundantes a su área metropolitana en el rango de distancias de 0-10.4km, las mediciones se realizaron con el generador de tráfico IPERF enviando paquetes UDP de forma unidireccional y bidireccional, posteriormente las mediciones realizadas se comparan con los obtenidos de forma teórica.

Palabras clave— IEEE802.11, largo alcance, Física, MAC, Modelo, Throughput, Iperf.

Abstract— In this paper, we present the performan-ce characteristics of IEEE802.11 standard in point to point reaching over rural sites in Colombia. To explain this performance is first should be carried out a detai-led description of the behavior of the physical and MAC layer in the deployment of long-range networks, this is done by analyzing the existing regulation for maximum equivalent isotropic radiated power in the ISM band, the

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia

Óscar Gualdrón GonzálezPh. D en Física, Université Laval Canada

Docente Tiempo Completo, Director Grupo CPS, Universidad Industrial de Santander UIS

Bucaramanga, [email protected]

Ricardo Andrés Díaz SuárezMIE en Ingeniería electrónica,

Universidad Industrial de Santander Docente Medio Tiempo, Investigador Grupo GITI,

Universidad Cooperativa de Colombia UCCBucaramanga, Colombia

[email protected]

propagation losses, the reception level of commercial Wi-Fi radios, the frame error rate and considering the parameters DIFS, and ACKTimeout SLOTTIME that are part of medium access control affect the implementa-tion of radio links of several kilometers. Following from this theoretical models in the literature and one propo-sed by the authors calculate the saturated throughput UDP unidirectional and bidirectional function of the distance considering the different transmission speeds; After a couple of prototype autonomous Wi-Fi commu-nication photovoltaic powered laboratory designed and built, a group performed experimental measurements of saturated UDP throughput in point to point links bet-ween Bucaramanga and rural sites surrounding metro-politan area in the range of 0-10.4 km distances, measu-rements are performed using the iperf traffic generator sending UDP packets of unidirectional and bidirectional, then the measurements are compared with those obtai-ned theoretically.

Keywords— IEEE802.11, long distance, MAC, Physics, Model, Throughput, iperf.

INTRODUCCIÓN

En algunas zonas rurales del mundo que hacen parte de países subdesarrollados como Colombia se carece de soluciones tecnológicas que permitan tener conectividad con el resto del mundo, como resultado estas regiones se encuentran en algunos casos marginadas y des-protegidas, lo cual permite que abunde el anal-fabetismo, se carezca de buenos mecanismos de salubridad pública, no exista prevención re-mota contra posibles desastres naturales, estos y otros factores disminuyen sustancialmente la calidad de vida y el posible desarrollo de estos emplazamientos. Los gobiernos de estos paí-

Performance analysis of t he IEEE802.11 for the conectivity of rural zones in Colombia

ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 218

ses tratan de mitigar esa situación al generar proyectos que permitan tener conectividad en estos emplazamientos e incentivan programas donde se ofrecen las TIC, como un mecanismo para fortalecer y gestionar las iniciativas que permitan mejorar la calidad de vida en estas comunidades. [1][2][3][4][5]

Los inconvenientes para ofrecer conectivi-dad en zonas rurales están determinados por las limitaciones económicas, las severas condi-ciones ambientales, el costo de los equipos de comunicación, la carencia de infraestructura, los costos de licencia en la banda del espec-tro electromagnético, la carencia de un buen suministro eléctrico, el mantenimiento de los equipos y los costos que imponen los ISP (pro-veedores de servicio de internet) para acceder al backbone.[1][3][6]

Considerado lo anterior se necesitan tecno-logías de comunicación con buenas prestacio-nes y de bajo costo, que permitan disminuir la brecha digital y contribuir al desarrollo de es-tos emplazamientos al conectarlos con el resto del mundo.

En el mercado existen diferentes tecnoló-gicas de comunicación que permiten ofrecer conectividad en zonas rurales se encuentran: VSAT (Very Small Aperture Terminal), CDMA450 (Code Division Multiple Access), DECT (Digital Cordless Phone System), HFC (Hibrid Fiber Co-axial Networks), Redes PLC (Power Line Com-munications), EV-DO (Evolution-Data Optimi-zed), GPRS (General Packet Radio Service) y Wi-Fi (Wireless Fidelity). A partir de las carac-terísticas de desempeño y costo algunos estu-dios consideran a Wi-Fi como una de las mejo-res alternativas para la conectividad de zonas rurales. [7][8]

Debido a la masificación en el uso de ra-dios Wi-Fi su costo ha disminuido considera-blemente, además, si se considera que estos operan en la banda ISM (Industrial, científica y médica), sus velocidades de transmisión máxi-ma es de 11Mbps en IEEE802.11b, 54Mbps para IEEE802.11a/g y de 300Mbps para IEEE802.11n esto suponiendo canal de 40MHz y MIMO de 2x2. Esta tecnología permite ofre-cer soluciones de conectividad de banda an-cha, además, si se incorpora que al realizar va-riaciones en los tiempos definidos en la capa

MAC (CSMA/CA) y física definidos en el están-dar o modificado el control de acceso al medio (TDMA) se puede utilizar para desplegar redes de área extensa con buenas prestaciones, es-tos aspectos descritos presentan a WiFi como una de las mejores opciones para ofrecer co-nectividad en zonas rurales. Esto ha incentiva-do en los últimos años varias iniciativas tanto en grupos de investigación como en empresas al desarrollo de equipos que utilizan la capa física de WiFi con modificaciones en el control de acceso al medio o con protocolos propieta-rios para conectar emplazamientos rurales.

En la actualidad existen algunas medicio-nes experimentales de throughput sobre el es-tándar IEEE802.11 en algunas zonas rurales de la Amazonia Peruana (1-50km) [6] y en em-plazamientos rurales en Europa 10-300km [9][10][11], además existen estudios de desem-peño en redes de largo alcance considerado el emulador de canal (SR5500) para diferentes distancias en el intervalo de (0-100km) [6][12][13].

En la primera sección de este artículo se es-pecifican algunas características del estándar IEEE802.11 el cual está diseñado y optimizado para redes de área local, en la segunda sec-ción se especifica algunas características del desempeño de este estándar sobre una red de largo alcance que presenta un análisis de los límites que impone la capa física consideradas la PIRE, las pérdidas por propagación, nivel de señal recibida en el radio Wi-Fi y la tasa de error de frames, después se presenta el desempe-ño que impone la capa MAC en función de los parámetros DIFS, Slottime y ACKTimeout que hacen parte del estándar. En la tercera sección se presentan modelos teóricos para el cálculo del throughput UDP unidireccional y bidireccio-nal sobre enlaces punto a punto IEEE802.11 de largo alcance, realizando el análisis cuando el flujo del tráfico es unidireccional y bidirec-cional además se propone un modelo para el cálculo del throughput basado en una máquina de estados que representa la función de coor-dinación distribuida en función de la distancia y se compara con el modelo propuesto por J. Simo [6]; en la cuarta sección se presenta un grupo de medidas experimentales del through-put sobre enlaces punto a punto de largo al-

9Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz

cance en zonas rurales circundantes al área metropolitana de Bucaramanga en el rango de 0-10.4km, estas medidas se realizaron con el generador de tráfico iperf, los nodos Wi-Fi se le configuraron los parámetros analizados en la MAC sobre el controlador del radio para mejorar el desempeño en cuanto al throughput sobre enlaces de largo alcance.

II. CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA FÍSICA y MAC DEL IEEE802.11

A. Capa física IEEE 802.11

El estándar IEEE802.11b define en su capa física la técnica de modulación de espectro en-sanchado por secuencia directa de alta tasa HR/DSSS define velocidades de transmisión, 1, 2 y 5.5Mbps con modulaciones DBPSK, DQPSK, CCK respectivamente. El control de acceso del canal lo realiza a través del sensa-do de portadora. [14][15]En el estándar IEEE 802.11g en su capa física define la multiplexa-ción por división de frecuencias ortogonales OFDM para el envío de datos, la cual fracciona el canal en un número de subcanales ortogo-nales los cuales deben ser usados en parale-lo para aumentar la transferencia de datos, utiliza un ancho de banda de 20MHz que se encuentra ocupado por 52 portadoras. Para la transmisión de la información, el estándar IEEE802.11g define las modulaciones 16QAM y 64QAM para 36 y 54Mbps respectivamente. El control para acceder al canal y evaluar si este está libre combina un umbral mínimo de energía con la capacidad de detectar una se-ñal Wi-Fi válida. [14][15]

B. Capa MAC IEEE802.11

La capa MAC del estándar IEEE 802.11 define dos modos para su funcionamiento el primero llamado PCF (Point Coodination Function) y segundo DCF (Distributed Coordi-nation Function), aunque en los radios Wi-Fi comerciales el más implementado es el distri-buido el cual será analizado a continuación.

La función de coordinación distribuida DCF utiliza el protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) para coordinar la forma en que varias estaciones acceden al canal de comunicación. Cuando

una estación desea transmitir un paquete en modo DCF, primero debe activar el mecanismo CS (Carrier Sense) para determinar si hay otra estación que transmite Si encuentra el canal libre durante un intervalo de tiempo DIFS (DCF Interframe Space) o EIFS (Extended Inter Fra-me Space), lo cual depende si la estación es-tuvo involucrada en su anterior transmisión en una colisión, inicializa la etapa de contención o algoritmo backoff el cual se encuentra dividido en ranuras. El número de ranuras se seleccio-na de forma pseudo aleatoria de una distribu-ción uniforme a partir del intervalo de valores. [0,CWmin] Cada vez que la estación transmisora considera el canal libre CS/CCA (Carrier Sen-se/Clear Channel Assessment), decrementa un slot. Si encuentra el canal ocupado la esta-ción congela el algoritmo backoff hasta que en-cuentre el canal libre durante un DIFS. Cuando el número de ranuras llega a cero la estación comienza a transmitir. Al terminar la transmi-sión la estación transmisora espera un ACK que será enviado desde la estación receptora en el caso que no ocurra el arribo de un ACK durante un intervalo de tiempo ACKTimeout se considera que existió una colisión (las estacio-nes no logran diferenciar una colisión de una pérdida de paquete). La estación transmisora dobla la ventana de contención y selecciona el número de ranuras de forma pseudo aleatoria a partir del intervalo [0,2i CWmin] dondei especi-fica el número de retransmisiones en el caso que existan más colisiones en otras etapas de contención, si el paquete llega al máximo de retransmisiones este paquete se descarta.[15]

En la Fig. 1. se muestra un esquema para una transacción de un paquete con el IEEE802.11.

Fig. 1. TRANSACCIÓN DE UN PAQUETE DE DATOS CON EL ESTÁNDAR IEEE802.11

Fuente: Estándar IEEE 802.11 [15]


C. Desempeño de la capa física del IEEE802.11 sobre redes de largo alcance.

El desempeño de la capa física sobre redes de largo alcance se explica en función de los límites que impone el nivel de sensitividad en la recep-ción de los radios WiFi comerciales y la máxima PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente). Después se introduce la presencia de FER (Fra-me error rate) debida a la relación RSS (Receive signal Strength) y el nivel de ruido SNR (Signal to Noise ratio).

El límite que impone la capa física del IEEE802.11 para enlaces punto a punto de largo alcance está relacionado con la máxima PIRE la cual está regulada en cada país, el nivel de sen-sitividad que impone el radio para cada tipo de modulación y las pérdidas presentes por propaga-ción.

En el caso de Colombia la regulación que exis-te en la implementación de radio enlaces punto a punto en la banda de 2.4GHz es una adaptación de la FCC, sección 15.247 (Regulations for Low Power, Non-Licensed Transmitters). La FCC impo-ne una restricción de 30dBm de potencia trans-mitida con una antena de 6dBi PIRE; además por cada 3dBi adicionales de ganancia en la antena la potencia del transmisor se debe reducir en 1dBm.[4][16]

Para predecir las pérdidas por propagación y determinar el nivel de señal recibida en el receptor se puede determinar a partir la ecuación de Friis considerado un margen de desvanecimiento. Este margen se origina en problemas de alineación, pérdidas en los conectores, cables, orografía del terreno, fenómenos meteorológicos como lluvia o nubosidad y la atenuación por árboles, un valor de desvanecimiento adecuado permite asegurar la estabilidad del radio enlace en el tiempo, as-pecto fundamental para conectar emplazamien-tos distantes en varios kilometros. Otro modelo más apropiado para el cálculo de las pérdidas por propagación sobre este tipo de emplazamientos es el (ITM Irregular Terrain Model/ Longley Rice), el cual considera los fenómenos de reflexión y diffracción sobre la topografia del terreno. [17][18][19]

En la Fig. 2 se presenta los límites de distancia en función de la ganancia de las antenas para un enlace punto a punto en la banda 2.4GHz según

la FCC 15.247. Para el cálculo de las pérdidas por propagación se consideró el modelo de Friis con margen de desvanecimiento de 20dB y el umbral de recepción se tomó de las especificaciones del radio XR2 (Se considera este radio por su bajo ni-vel de sensitividad) para cada velocidad de trans-misión [6] [20] [21].

Fig. 2. LÍMITE DE DISTANCIA ESTÁNDAR IEEE802.11 CONSIDERNADO EL NIVEL DE SENSITIVIDAD DEL RADIO XR2

Fuente: Autor del proyecto

FER (FRAME ERROR RATE) en el IEEE802.11 para enlaces de largo alcance.

Las variaciones en las pérdidas de frames en enlaces de largo alcance se pueden clasificar en dos patrones o categorías de pérdidas. La prime-ra de ellas es del tipo burst (generados principal-mente por interferencias externas) y la segunda se atribuye a pérdidas residuales. [13]

Los enlaces IEEE802.11 en áreas rurales, por lo general, presentan bajo nivel de interferencias y, por lo tanto, las pérdidas tipo burst son des-preciables en estos sitios. Además si la relación señal ruido se encuentra en el margen donde el BER <1e-5 se puede considerar que las pérdidas residuales son despreciables.

Características del FER vs. SNR en enlaces IEEE 802.11 de largo alcance.

A continuación se presentan las característi-cas del FER:• La dependencia del FER (frame error rate) con

respecto a la relación señal a ruido es muy cer-cana a su valor teórico para el IEEE802.11b/g. En el estándar IEEE 802.11b/g existe una pe-queña ventana donde si el SNR se encuentra entre 4 a 6 dB, el BER es aproximadamente


del 100%, y por encima de esta ventana la tasa de error es menor que el 1%.[22][23]

• La FER no depende directamente de la distan-cia entre los nodos, solamente de la relación señal a ruido. [22][23][24]

• Existe una definitiva dependencia entre el FER y cada velocidad de transmisión.[22][23]

Considerando el modelo de la capa física del IEEE802.11b presentado en [25][26] y definiendo un nivel de ruido térmico de -101.7dBm con un an-cho de canal de 20MHz, se calcula el número de paquetes recibidos en función del RSS (Received Signal Strength) para las diferentes velocidades de transmisión, mediante una MPDU (MAC protocol data unit) de 1094 bites, enviando 200 paquetes en broadcast, bajo un canal AWGN (Additive White Gaussian Noise). En la Fig. 3 se presenta el número de los paquetes recibidos comparado con el nivel de señal recibida para las velocidades de transmi-sión del estándar IEEE802.11b.Fig. 3. PAQUETES RECIBIDOS VS. EL NIVEL DE SEÑAL RECIBIDA CONSIDE-

RANDO UN NIVEL DE RUIDO DE -101.7DBM.

Fuente: Autor del proyecto.

Como se puede apreciar en la Fig. 3 la venta-na de vulnerabilidad varía entre 4 y 5 dB para los cuales el FER puede variar de 1-100% como se expresó en las características de FER lo cual no depende de la longitud del enlace si no del nivel de señal recibida.

D. Desempeño de la capa MAC del IEEE802.11 para enlaces de largo alcance.

El desempeño de la capa MAC del IEEE802.11 sobre enlaces de largo alcance está expresado en función de algunos tiempos que definen el

mecanismo de acceso al medio y que llevan im-plícitamente el tiempo.

La capa MAC no impone restricciones al lí-mite de distancia existente entre los nodos de una manera explícita, pero si algunos de sus parámetros lo llevan de manera implícitamente como son el DIFS, Slottime, ACKtimeout, aun-que en la versión más reciente del estándar se define que el máximo AirPropagationTime (dos veces el tiempo de propagación) es de, 1μs es decir. El estándar está diseñado para una red de área local, aunque en dicha versión del es-tándar se introduce el parámetro coverage class permite incrementar el valor de AirPropagation-Time a 93μs lo que permitiría concebirlo para una distancia de km.[15][21]

A continuación se presentan los parámetros más incidentes que expresan características del control de acceso al medio del estándar IEEE802.11 sobre redes de largo alcance.

ACKTimeout: Es el intervalo de tiempo que una estación transmisora debe esperar para re-cibir un ACK que confirma que la transmisión fue exitosa. Si no se recibe una confirmación dentro de ese intervalo de tiempo la estación transmi-sora considera que la transmisión fue fallida y vuelve a invocar el algoritmo backoff para reali-zar otra transmisión. Para enlaces de larga dis-tancia si el valor del ACKTimeout es menor que dos veces el tiempo de propagación se generan retransmisiones innecesarias debido a que este expira, por lo tanto, el valor de ACKTimeout>2δ para utilizar el canal de transmisión de una ma-nera más conveniente de acuerdo a la distan-cia.[4][15][21]

DIFS: Es el tiempo durante el cual una esta-ción debe sensar el canal libre antes de progra-mar una nueva transmisión o reactivar la cuenta regresiva de la ventana de contención. Para un enlace de largo alcance la estación transmisora puede determinar que el canal está libre he ini-cializar el algoritmo de backoff sin estarlo debido a los tiempos de propagación, por lo tanto, este parámetro deberá ser incrementado por lo menos en un Round trip time; además se puede garanti-zar que las estaciones que comparten el medio no colisionen con los ACK en el caso de que existan más de dos estaciones. [4][15][21]

Slottime: Este parámetro incide directamente sobre la probabilidad de colisión entre las esta-


ciones que comparten el medio. Este parámetro está definido dentro del estándar de tal forma que las estaciones que desean acceder al medio pueden colisionar si transmiten en un mismo slot, es decir, si una estación se encuentra en un slot previo puede determinar que la otra estación ha accedido al medio y evitar la colisión. Para consi-derar cómo el Slottime define la probabilidad de la colisión en función de la distancia deberemos considerar el intervalo de vulnerabilidad el cual es el periodo de tiempo durante el cual pueden ocu-rrir colisiones. Esto se debe a que la transmisión y recepción no son mecanismos instantáneos, es decir, éstos dependen del tiempo de propagación de la señal electromagnética entre las estaciones, el tiempo implementado en los mecanismos CS/CCA y el tiempo en que la capa física cambia de modo recepción y comienza a transmitir el primer símbolo. El intervalo de vulnerabilidad se descri-be con el siguiente ejemplo; cuando una estación comienza a transmitir datos, éstos no podrán ser detectados por las otras estaciones de manera instantánea por lo tanto pueden considerar que el canal está libre y comenzar a transmitir y/o gene-rar colisiones. Las estaciones solamente podrán determinar que el canal está ocupado después de un determinado tiempo el cual debe ser, por lo menos, el periodo de vulnerabilidad.[4][15][21][27]

Periodo de vulnerabilidad es igual a la suma de: • El tiempo que le toma a la estación trans-

misora evaluar el canal y de notificar ese estado a la capa MAC.

• El tiempo que tarda una estación destino cam-biar de estado recepción al de transmisión.

• El tiempo de propagación.Cuando se utiliza el Slottime definido en el es-

tándar 20 y 9μs para IEEE802.11b/g respectiva-mente, al incrementar la distancia el intervalo de vulnerabilidad aumenta debido número de slots que encajan dentro del tiempo de propagación, es decir, la probabilidad de colisión entre las estacio-nes aumenta. [4][15][21]

Si se considera el valor del Slottime de tal for-ma que sea igual al intervalo de vulnerabilidad (slottime ≈2δ) las estaciones colisionarían sola-mente si transmiten en un mismo slot como se puede apreciar en la Fig. 4, por lo tanto, los retar-dos y paquetes perdidos disminuyen.

Fig. 4. EL VALOR DEL SLOTTIME ES MAYOR O IGUAL A DOS

VECES EL TIEMPO DE PROPAGACIÓN

Fuente: Adaptado por los autores de [6] [21] [28]

Si el valor del Slottime es menor pero compara-ble con el intervalo de vulnerabilidad (slottime≈δ) las estaciones podrán colisionar si transmiten en slots contiguos, el enlace pierde la simetría como se puede ver en la Fig. 5, el throughput se maximi-za pero aumentan los retardos y los paquetes per-didos. Para un valor de slottime<δ se incrementa el intervalo de vulnerabilidad el número de coli-siones aumenta, los retardos se incrementan y el throughput disminuye.Fig. 5. EL VALOR DEL SLOTTIME ES CERCANO AL TIEMPO DE PRO-

PAGACIÓN


E. Modelos para calcular el throughput

Para calcular el throughput UDP unidireccional sobre el IEEE802.11 en función de la distancia se basan en modelos propuestos para redes de área local [29][30]. Para calcular el máximo throughput UDP unidireccional (TRUDPU) se utiliza la siguiente expresión:


Donde LPaquete_UDP se refiere al tamaño del pa-quete UDP.

La TTrans_UDP se considera como el tiempo que transcurre una transacción UDP sobre el estándar IEEE802.11, el envío de un paquete UDP se des-cribe en la Fig. 6.

Fig. 6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA TRANSACCIÓN UDP SOBRE IEEE802.11


Primero la estación transmisora verifica que el canal se encuentre libre durante un TDIFS para inicializar la ventana de contención, la cual se dis-minuye hasta que la ventana llega a cero la esta-ción. Se procede luego a enviar el paquete UDP y cuando la estación llamada receptora lo recibe espera un tiempo TSIFS para confirmar el arribo del paquete con un ACK_MAC. [103]

El tiempo para transmitir un segmento UDP so-bre el estándar IEEE802.11b/g considerados los tiempos de propagación está dado por la siguien-te expresión:

Cada uno de los tiempos que hacen parte de la ecuación (2) se describirán a continuación.

El tiempo TDIFS espacio intertrama de DCF se presenta a continuación la siguiente expresión.

Para calcular el tiempo que transcurre en la etapa contención Tw_contención se considera que el canal de comunicación se encuentra libre de interferencias y el nivel de señal recibida se en-cuentra por encima del nivel de sensibilidad en el receptor que se define para cada velocidad de transmisión, es decir, el BER=0 (Bit error rate), por lo tanto, se considera un canal de comuni-cación ideal, el FER=0, es decir, las transmisio-nes son exitosas, por lo tanto la variable pseudo aleatoria con distribución uniforme de la ventana de contención es seleccionada del intervalo de

(0,CWmin) donde el tiempo promedio de la ven-tana de contención está dado por la siguiente expresión.

Para el cálculo del tiempo que transcurre al enviar un paquete de datos TDatos_UDP utilizamos la siguiente expresión.

Para el IEEE802.11b.El T802.11_ACK es el tiempo que transcurre para

que la estación receptora envíe un ACK.

δ Se refiere al tiempo que tarda en viajar la se-ñal electromagnética entre las dos estaciones.

Al utilizar el estándar IEEE802.11g TDatos_UDP y T802.11_ACK se convierte en la ecuación 7 y 8.

Con la ecuación (1), considerado un paque-te UDP de 1440bites y utilizado el estándar IEEE802.11b a 11Mbps, un canal de comunica-ción ideal, es decir, el BER=0 y que los tempo-rizadores del ACK no expiran y los demás pará-metros tomados de la Tabla II, en la Fig. 6 se presenta el throughput UDP unidireccional en un enlace punto a punto, estos resultados se pueden comparar con las medidas obtenidas con el emulador de canal Spirent 5500 [12][31].


TABLA IIValores para los parámetros en el modelo UDP Unidireccional

Parámetro Definición Valor 802.11b

Valor 802.11g Unidad

CW_min

Tamaño de la ventana contienda

mínima31 15 Slots

TSlottimeTiempo asignado

al slot. 20 9 µs

Tw_contención

Tiempo promedio de la ventana

contienda.310 67 µs

TDIFS Tiempo DIFS 50 28 µs

TSIFS Tiempo SIFS 10 10 µs

TPreambuloDuración PLCP

Largo/Corto 192 /96 20 µs

LMPDU_frame

SERVICE+ MAC+ SNAP/LLC+ IP+

UDP+ DATOS+ FCS

28+8+ 20+8+

1440+0 =1504

28+8+ 20+8+

1440+4 =1508

Bites

RTasaTasa de Transmisión

Capa física1, 2,

5.5,11.

6, 9, 12, 18, 24,36, 48,54

Mbps

RBasicTasa de transmisión

capa física ACK. 1, 2 6, 9, 12,18, 24

Mbps

TSignal_EXT Extensión de Señal - 6 µs

L802.11_ACKLongitud del frame

802.11 Ack 14 14 Bites

NDBPS

Número de data bits por símbolo para

OFDM.-

216, 192 144, 96 72, 48 36, 24.

Bits


Fig. 7. THROUGHPUT UDP UNIDIRECCIONAL ESTÁNDAR

IEEE802.11B A 11MBPS


Este mismo análisis se puede utilizar para cal-cular el throughput UDP unidireccional con los pro-tocolos que realizan una mejor utilización del canal de comunicación, como son el protocolo bursting donde elimina el llamado consecutivo al algoritmo backoff y fastframing el cual concatena tramas para aumentar el tamaño de la MPDU.

Para el cálculo del throughput UDP satura-do Bidireccional se puede utilizar el modelo de Bianchi (El cual se basa en la cadena bidimen-sional de Markov) siempre que se considere que el slottime≥2δ para garantizar que las estaciones puedan colisionar solamente si transmiten en un mismo slot.

A continuación en la Fig. 8 se presenta el throughput UDP Bidireccional para un el enlace punto a punto N=2 con el modelo de Bianchi [32] considerado slottime=2δ, no se desprecia que la colisión entre dos estaciones genera que la esta-ción tenga que esperar TSIFS más el TACKTimeout=2δ para evitar que el temporizador de ACK expire, este modelo define un BER=0 (esto significa que el nivel de recepción siempre se encuentra mayor que el nivel de sensitividad del receptor para la respectiva velocidad de transmisión), una MPDU de 1500bites. El resultado de throughput Bidirec-cional en un enlace punto a punto se presenta en la Fig. 8. [32][33]

Fig. 8. THROUGHPUT UDP BIDIRECCIONAL ESTÁNDAR IEEE802.11B A 1, 2, 5.5 Y 11MBPS.


Cuando el valor de slottime<2δ el modelo de Bianchi [32] y Tinnirello [33] se invalida y debe considerar el modelo propuesto por J. Simo [21] que permite predecir el throughput UDP en redes de largo alcance su modelo identifica la ocurrencia de las colisiones a partir del intervalo de vulnerabi-lidad donde una estación puede colisionar con la transmisión de otra estación debido a que ésta no puede escuchar el arribo del paquete proveniente de la otra estación. Para calcular la probabilidad que al menos una estación transmita en un slot se toma parte del modelo de Bianchi mientras que


para determinar la probabilidad de que ocurra una colisión en otro slot se toma el modelo J. Simo [21] el cual lo calcula a partir del intervalo de vulnera-bilidad que se genera por el número de slottime(s) que transcurren sin percibir la transmisión de otra estación.

Analizadas las características que presenta el modelo J. Simo [21] en cuanto al BER=0 se cons-truyó el modelo “CPS” como aproximación para el cálculo del throughput UDP saturado Bidimensional en enlace punto a punto IEEE802.11 este modelo se obtuvo a partir de la máquina de estados que se presenta en la Fig. 9 en la cual se define el tiempo de colisión, de una transmisión exitosa y la ventana donde ocurre una colisión.

A partir de esta máquina de estados se determi-na el tiempo de transmisión exitosa y el tiempo de colisión considerado el algoritmo backoff el cual ge-nera un retardo que depende del estado del canal ya sea que se encuentre libre u ocupado y el núme-ro de retransmisiones generadas por las colisiones, los anteriores tiempos se utilizan en la evaluación del throughput en el enlace de comunicación.

Fig. 9. MÁQUINA DE ESTADOS DCF

Fuente: Adaptado de Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wire-less Local Area Network Protocol [34] y A Finite State Model for IEEE 802.11 Wireless LAN MAC DCF [35]

Para diferenciar en cuáles casos se llega al estado de transmisión exitosa y en cuáles ocurre una colisión se toman consideraciones presenta-das en el modelo J. Simo en la definición intervalo del IV (intervalo de vulnerabilidad), para definir el intervalo de colisión (IC), definido como el inter-valo de tiempo durante el cual la estaciones STA y STB, que hacen parte del enlace punto a punto, pueden colisionar cuando transmitan asumiendo que STA tiene una ventana CWa y CWb STB tiene una ventana, con un valor de Slottime fijo. Para una mejor comprensión, considérese el siguiente ejemplo. Dos estaciones STA y STB intentan trans-mitir de manera simultánea. La ventana seleccio-nada de forma pseudo aleatoria para STA es CWa y para STB es CWb. La estación que tenga la me-nor ventana de contención transmite, pero debido a la distancia entre ellas, la otra estación no de-tecta con su mecanismo CC/CCA que el canal se encuentra ocupado. Si se supone que STA tiene la menor ventana, sólo podrá colisionar con STB cuando la ventana de contención llegue a cero debido a que no percibe la transmisión de STA, lo cual se puede calcular a partir del número de Slottime(s) que transcurren en el tiempo de pro-pagación y el tiempo que tarda el mecanismo CCA en determinar que el canal se encuentra ocupado, IC=δ+CCATime. También se puede calcular el nú-mero de slots dentro de los cuales puede ocurrir una colisión el cual se nombra como ICN (Inter-valo de colisión normalizado), este se encuentra expresado en la siguiente ecuación:

Considerado que la ventana de contención se encuentra ranurada el intervalo de colisión se aproxima a un valor entero, el intervalo de colisión es la mitad del intervalo de vulnerabilidad defini-do por J. Simo [21].

Conocido el número de slots que puede trans-currir antes que alguna estación determine que el canal se encuentra ocupado debido a la distancia presente entre estas dos estaciones y con el valor de las ventanas de contención CWa, CWbse deter-mina la ocurrencia de colisión. De acuerdo a lo anterior se considera que una colisión existe si:


Para calcular el throughput en un enlace pun-to a punto a partir de una secuencia de estados que describa el envío de cada paquete se debe determinar a partir del cociente entre la cantidad de paquetes enviados por las dos estaciones mul-tiplicado por el tamaño promedio de los paquetes entre el tiempo que transcurre para realizar el en-vío de estos.

El throughput UDP Bidireccional saturado () lo podemos calcular a partir del cociente entre el número de los paquetes enviados por las dos estaciones y el tiempo promedio que transcurre en enviarlos considerando el número de intentos NI el cual depende del número de colisiones, en la siguiente ecuación se presenta una expresión para el cálculo de esta métrica de red.

Ecuación (12):

El promedio para el tiempo una transmisión exitosa y la de una colisión considerado que la es-tación transmite se expresa en la ecuación 13 y 14 respectivamente. [6][21][32][33]

Donde:

Como las expresiones (13) y (14) no dependen de i y se considera que el tamaño del paquete UDP es el mismo para cada transmisión la ecua-ción (12) se reescribe de la siguiente forma:

Ecuación (16):

Donde:

Define el tiempo promedio de la ventana de contención para los paquetes enviados por las dos estaciones TWR(i),1 para ST1 (Estación 1) y TWK(i),2 para ST2 (Estación 2) la cual depende de la ocurrencia de colisión según (11) y el número de retransmisiones de ST1 y ST2. La función min permite decir cuál de las dos estaciones genera el evento de una transmisión exitosa o la ocurrencia de una colisión entre las dos estaciones.

La ventana de contención ranurada es entera y se selecciona de forma pseudo aleatoria a partir de una distribución uniforme como se presente en las siguientes expresiones.

Los estados para la estación 1 y 2 se definen a partir de las variables aleatorias R(i) y K(i) respec-tivamente, estas dependen del estado transmi-sión, es decir, backoff=0, el canal ocupado o bussy donde congela el contador de backoff por sensar que el canal se encuentra ocupado, el estado de colisión dobla la ventana de contención debido, el estado de reinicio de la ventana de contención por transmisión exitosa o pérdida de paquete se logra cuando llega al número máximo de retransmisio-nes, los valores que pueden tomar las variables aleatorias se expresan a continuación.

Donde NR es el número máximo de retrans-misiones en el estándar IEEE802.11b/g es 7 y 4 cuando se utiliza el servicio Request to send RTS / Clear to send CTS.

A continuación en la Fig. 10, se presenta una comparación de la predicción del throughput UDP saturado bidireccional que presenta el modelo de J. Simo y el modelo CPS para un enlace punto a punto considerando los valores definidos en la Ta-bla II, un tamaño de paquete UDP de 1000bites y para distancias entre 0 a 100Km.

Fig. 10. COMPARACIÓN DEL MODELO DE J. SIMO CON EL MODELO CPS



III. MEDICIONES DE throughput

Para las mediciones experimentales de through-put se diseñó un grupo de prototipos Wi-Fi autóno-mos alimentados con energía fotovoltaica, los cuales se presentan en la Fig. 11, los cuales se utilizaron para las pruebas de laboratorio y en campo abierto.

Fig. 11. PROTOTIPOS DE NODO WI-FI AUTÓNOMO ALIMENTADO CON PANELES FOTOVOLTAICOS

Fuente: Autor

Cada enlace punto a punto se realizó con las motherboards Soekris NET4801-48 y ALIX2D2 en las cuales se le instaló el sistema operativo Linux Voyage y el driver MADWIFI. Cada uno de los nodos utiliza el radio EXTREMErange2 (chipset atheros AR5414). En la Tabla III se dan las especificaciones de las características técnicas del hardware utiliza-do para la construcción de cada uno de los nodos que hacen parte del enlace de comunicación.

TABLA III

Hardware utilizado para las pruebas

Dispositivo Referencia Características

Motherboard 1 ALIX2D2

CPU: 500 MHz, AMD Geode LX800DRAM: 256 MB DDR (on board )Storage: CompactFlash socket2 miniPCIFirmware: Award tinyBIOS

Motherboard 2 Soekris net4801-48

CPU: 233 MHz, AMD Geode SC1100SDRAM: 128 Mbyte (on board)Storage: CompactFlash1 Mini-PCI socket

Radios Ubiquiti (XR2) Chipset atheros AR5414 32-bit mini-PCI Type IIIA

Sistema Operativo Linux Voyage Version 0.6.2

Driver MADWIFImadwifi-modules-2.6.30-voyage_0.9.4~rc2-1+7.0-1_i386.deb

Antenas HG2424 24 dBi

Cable LMR400 2 metros


Para las pruebas de laboratorio se uso un ca-ble coaxial para emular las pérdidas por propaga-ción en el enlace punto a punto considerando las distancias 0, 5, 10Km.

Para cada nodo de comunicación se le ajusta-ron los tiempos de la capa MAC para mejorar el desempeño sobre redes de largo alcance, los pa-rámetros modificados son el tiempo ACKtimeout el cual se incremento 2δ como se aprecia en la ecuación (23) y el slottime se aumentó en δ ver ecuación (24) de tal forma que el throughput bi-direccional sea cercano al máximo, todo estos pa-rámetros se ajustaron con el driver de MADWIFI el cual sirve como controlador sobre el chip Atheros AR5414 que hace parte del radio XR2.

Donde Slottimestd es el tiempo que se define en el estándar IEEE802.11b/g para un slot.

Las mediciones del throughput UDP en cada uno de los enlaces punto a punto IEEE802.11b/g reali-zados en laboratorio y en campo abierto se utilizó el generador de tráfico IPERF [36], cada prueba tuvo una duración de 180 segundos. Para los resultados de las pruebas realizadas en laboratorio se le intro-dujeron por software los retardos por propagación.

Para las pruebas de campo abierto se seleccio-naron diferentes puntos en Bucaramanga y zonas circundantes al área metropolitana (zonas rurales) en los que se disponía de seguridad para los equi-pos de medición y los nodos Wi-Fi autónomos duran-te la permanencia de las pruebas.

TABLA IV

Sitios seleccionados para las pruebas de campo

Nodo Latitud Longitud Altura (m)

A 7° 8’26.09”N 73° 7’17.87”O 991

B 7° 8’21.0”N 73° 7’16.1”O 990

C 7° 7’59.81”N 73° 7’17.08”O 1000

D 7° 7’39.90”N 73° 7’15.80”O 998

E 7° 6’14.4”N 73° 5’10.5”O 1293

F 7° 9’24.50”N 73° 9’43.40”O 1060

G 7° 4’55.5”N 73°11’48.7”O 1358

H 7° 8’28.4”N 73° 7’23.1”O 975

I 07°07’14.4”N 73°04’37.4”O 1565



En la figura 12 se presenta la ubicación de cada uno de los emplazamientos seleccionados.Fig. 12. SITIOS SELECCIONADOS PARA LOS ENLACES DE COMUNICACIÓN


A continuación en la Tabla V se describe los di-ferentes enlaces punto a punto construido en cam-po abierto y su respectiva configuración del ACKTi-meout y el slottime.

TABLA V

Enlaces de comunicación establecidos en campo

Enlaces Distancia (km)

Slottime (ms) Acktimeout (ms)11g 11b

A-B 0.16 9 20 48

B-C 0.65 9 20 48

D-E 4.674 23 34 75

E-F 10.212 43 54 116

B-I 5.01 25 36 79

G-H 10.46 43 54 116


En la Fig. 13 se presentan los resultados de las pruebas de throughput realizadas en campo abierto comparado con los valores obtenidos con el modelo teórico y las pruebas realizadas en labo-ratorio para cada una de las diferentes distancias.

En la Fig. 13 se puede apreciar que las prue-bas de throughput UDP unidireccional en campo abierto se aproximan al modelo teórico y al valor obtenido en las pruebas de laboratorio, aunque se puede apreciar un discrepancia en las medi-das obtenidas para la distancia de 5.01Km esto se debe a que en este lugar funcionan unos sis-temas de comunicación que operan en la banda de 2.4GHz el cual se encuentra en el rango de fre-cuencias donde opera nuestro sistema de comu-nicación. En la Fig. 14 se presenta las mediciones del espectro en el rango de frecuencias 2412 a 2484 MHz, al analizar el espectro se puede apre-

ciar la existencia de interferencia en el canal de comunicación, lo cual aumentó el número de pa-quetes medidos, esta medición se realizó sobre en el punto I de la Fig. 12.

Fig. 13. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL IEEE802.11B


Fig. 14. MEDICIÓN DEL ESPECTRO EN LA BANDA DE 2.4GHZ


A continuación en la Fig. 15 se presenta el throughput UDP con la técnica bursting que se puede utilizar sobre el radio XR2.

Fig. 15. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL BURSTING IEEE802.11B



En la Fig. 16 se presenta las mediciones de throughput UDP Bidireccional y el valor obtenido con el modelo teórico “CPS” propuesto. En la Fig. 16 se puede apreciar que el modelo permite pre-decir el throughput UDP que se obtuvo en el cam-po abierto.

Fig. 16. PRUEBAS DE CAMPO UDP BIDIRECCIONAL IEEE802.11B


CONCLUSIONES

Se realizó e implementó una metodología para caracterizar el desempeño del estándar IEEE802.11 en un radio enlace de largo alcan-ce, Donde se logró determinar el throughput UDP máximo que se puede obtener de acuerdo a la dis-tancia presente entre las estaciones.

Los radios Wi-Fi modificados los parámetros de su control de acceso al medio se presentan como una solución de conectividad de bajo costo que permite ofrecer banda ancha en enlaces de largo alcance lo cual es fundamental para las zo-nas rurales de la geografía colombiana.

Para predecir el throughput saturado bidimen-sional se propuso, implementó y validó un modelo “CPS” para el envío de paquetes UDP sobre DCF en redes punto a punto sobre enlaces de largo al-cance.

En los enlaces de comunicación en los que se encontraba presente interferencia disminuyó con-siderablemente el throughput comparado con el valor teórico esperado.

Se encontró asimetria en el flujo de datos cuando se realizaron mediciones del throughput UDP Bidireccional en cada uno de los enlaces punto a punto.

AGRADECIMIENTOS

Se le reconocen las contribuciones a Ing. C. A. Bravo y al Ing. V. A. Colmenares, Ing. L. M. Meza, Ing. J. D. Moreno, por la contribución y apoyo en la construcción de los prototipos WiFi autónomos y la realización de las pruebas en laboratorio y en campo abierto.

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Recibido: 02/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32

Resumen— El rendimiento es sin duda uno de los as-pectos de mayor interés dentro del análisis global en las redes LAN, considerado el efecto que produce sobre el usuario final. El rendimiento puede ser definido según diversos puntos de vista, lo que permite incorporar otras formas de evaluación según el objeto de interés en par-ticular. Básicamente, los parámetros más comunes para evaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utili-zación del canal y diversas medidas de retardo.

Throughput, es la capacidad de un enlace de trans-portar información útil. En otras palabras, representa “la cantidad de información útil que puede transmitirse por unidad de tiempo”. Este puede variar en una misma conexión de red según el protocolo usado para la trans-misión (TCP o UDP) y el tipo de datos de tráfico (HTTP, FTPy otros).

Un objetivo muy importante al analizar el through-put se encuentra relacionado con la calidad del servicio (QoS / Quality of Service) en la red, la cual juega un pa-pel importante a la hora de evaluar la eficiencia de una red centrada en aplicaciones sensibles al tiempo, tales como: video y audio, entre otras.

Desde el punto de vista tecnológico, el hacer uso de la red eléctrica como medio físico de transmisión ha sido considerado como una excelente alternativa en la prestación de servicios de interconexión de última milla. El uso de adaptadores de red basados en PLC facilita el diseño de redes LAN y comunicaciones de banda ancha a través de la red eléctrica, al convirtir cualquier toma-corriente en un punto de conexión para el usuario, sin la necesidad de cableados adicionales a los existentes.

Este artículo presenta un análisis experimental so-bre el comportamiento del Throughput en redes LAN so-bre PLC, bajo el uso de adaptadores de red soportados con el estándar HomePlug 1.0.

Palabras clave— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, Modelo estadístico

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line

CommunicationsAnalysis about behavior of the Throughput in LAN networks under

technology Power Line Communications

Juan Carlos Vesga FerreiraM. Sc. en Telecomunicaciones,

Universidad Pontificia BolivarianaDocente Auxiliar ECBTI- UNAD

[email protected]

Gerardo Granados AcuñaEsp. en Telecomunicaciones,

Universidad Autónoma de BucaramangaDocente Auxiliar ECBTI- UNAD

[email protected]

Abstract— The performance is without doubt one of the aspects of greatest interest within the overall analysis in LANS, considering the effect that it produces on the end user. The performance can be defined according to va-rious points of view, allowing to incorporate other forms of evaluation depending on the object of interest in par-ticular. Basically, the most common parameters for eva-luating the performance of a network are: Throughput, use of the channel and various measures of delay.

Throughput, is defined as the capacity of a link to ca-rry useful information. In other words, represents “the amount of useful information that can be transmitted per unit of time”. It may vary in the same network con-nection depending on the protocol used for the trans-mission (TCP or UDP) and the data type of traffic (HTTP, FTP, etc. ).

One of the most important objectives to analyze the throughput is related to the quality of service (QoS / Quality of Service) on the network, which plays an im-portant role in assessing the efficiency of a network cen-tered in time-sensitive applications, such as: video and audio, among others.

From a technological point of view, making use of the Power network as physical environment of transmission has been considered as an excellent alternative in the provision of interconnection services of last mile. The use of network adapters based on PLC facilitate the de-sign of LANS and broadband communications through the Power network, converting any wall socket in a con-nection point for the user, without the need for additio-nal wiring to the existing ones.

This article presents an experimental analysis on the behavior of the throughput in LANs on PLC, under the use of network adapters supported with the standard HomePlug 1.0.

Keywords— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, Statis-tic Model

23Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados

I. INTRODUCCIÓN

La red eléctrica representa un medio hostil para la transferencia de datos debido a que no ha sido diseñada para transmitir información. PLC al ser una tecnología emergente se enfrenta a varios inconvenientes tales como: niveles excesivos de ruido, la atenuación de la señal a las frecuencias de interés, discontinuidades en la impedancia ca-racterística del canal y efecto multipath [1], entre otros aspectos; que afecta considerablemente su óptimo desempeño. Además, es muy difícil obte-ner un modelo significativo de este canal, debido a la constante conexión y desconexión de dispo-sitivos.

Una de las principales características de la tec-nología PLC bajo el estándar HomePlug 1.0 [2] es el uso de OFDM como técnica de modulación [3], la cual implementa un esquema de transmisión adaptativa, que analiza las condiciones del canal acorde con la relación SNR presente en el medio en un momento dado. Esto juega un papel muy importante a la hora de analizar el comportamien-to de la tecnología PLC durante el desarrollo del experimento.

La red PLC está sujeta a limitaciones relaciona-das con la tecnología utilizada. Estas limitaciones hacen referencia a la velocidad de transmisión, la cual en la mayoría de los casos, no corresponde a la tasa esperada, debido a que la red PLC traba-ja bajo el uso de un medio compartido, donde el ancho de banda entre los usuarios disminuye a medida que aumenta la cantidad de estaciones activas en la red PLC. Las estaciones que forman parte de la red PLC deben estar en la misma fase de la red eléctrica [4], [5].

El rendimiento, es uno de los aspectos de ma-yor interés dentro del análisis global en las redes LAN, debido al efecto que produce sobre el usua-rio final. Puede ser definido según diversos puntos de vista, permitiendo con ello incorporar otras for-mas de evaluación dependiendo del objeto de in-terés en particular. Básicamente, los parámetros más comunes para evaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utilización del canal, Jitter y RTT, entre otros [6]. Aquí el tema de investigación está centrado en el Throughput.

Throughput, es la capacidad de un enlace de transportar información útil. Representa la can-tidad de información útil que puede transmitirse

por unidad de tiempo. Puede variar en una misma conexión de red según el protocolo usado para la transmisión y el tipo de datos de tráfico, entre otros factores [2]. La expresión matemática que por definición describe este parámetro es:

LM: Longitud total del mensaje

LC: Bits de control del mensajeTM: Tiempo de transmisión del mensajeTACC: Tiempo de acceso al medio

La mayoría de los métodos empleados para las mediciones se caracterizan por hacer evaluacio-nes de la conexión entre hosts enviando algún pa-trón de tráfico para luego realizar su evaluación. Las mediciones se repiten varias veces y luego se promedian para obtener una mejor aproximación.

Para el desarrollo del experimento se hará uso de adaptadores Ethernet-PLC con el fin de deter-minar la variación del Throughput en la red LAN según: el tamaño del paquete, el número de es-taciones activas en la red y la distancia en metros entre el PC-Cliente y el PC Servidor.

II. CLASIFICACIÓN y SELECCIÓN DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

Un aspecto fundamental en el diseño de expe-rimentos es decidir cuáles pruebas o tratamien-tos se van a ejecutar en el proceso y la cantidad de repeticiones de cada una, de manera que se obtenga la máxima información al mínimo costo sobre el objeto de estudio.

Un diseño experimental, es algo más que un conjunto de condiciones de prueba: es una se-cuencia de etapas o actividades que deben rea-lizarse para cumplir con éxito los objetivos que se persiguen. Actualmente, existen diversos tipos de diseños experimentales en donde cada uno de ellos permite estudiar situaciones que ocurren en la vida práctica, ajustándose a las necesida-des del investigador. Se debe saber cómo elegir el más adecuado para cada problema.

El tipo de diseño experimental seleccionado es el factorial, cuyo objetivo consiste en estudiar el efecto de varios factores sobre una o varias res-puestas (Throughput). Es decir, se busca estudiar

24 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32

la relación entre los factores y la respuesta, con la finalidad de comprender mejor cómo es la re-lación y generar conocimiento que permita tomar acciones y decisiones que mejoren el desempeño del proceso [7].

Para estudiar la manera cómo influye cada fac-tor sobre la variable de interés, es necesario elegir al menos dos niveles de prueba para cada uno de ellos. Con el diseño factorial completo se ejecutan aleatoriamente en el proceso todas las posibles combinaciones que pueden formarse con los ni-veles seleccionados.

Un diseño de experimentos factorial o arreglo factorial es el conjunto de puntos experimentales o tratamientos que pueden formarse y considera todas las posibles combinaciones de los niveles por el número de factores [7]. Los factores son aquellas variables que se investigan en el expe-rimento, con relación a la forma como afectan a la(s) variable(s) de respuesta. Los niveles son aquellos valores que puede tomar cada uno de los factores. Por ejemplo, con k=2 factores, y cada factor con dos niveles de prueba, se forma el di-seño factorial de 2x2=22 que consiste de cuatro combinaciones o puntos experimentales.

Para esta investigación se consideraron tres factores: tamaño del paquete, número de PC ac-tivos en la red y distancia entre el PC (Cliente) y el Servidor. Cada factor presenta un número especí-fico de niveles cuantitativos acorde con la Tabla I.

TABLA I

FACTORES VS. NIVELES

Factor Descripción No. Niveles

1 Tamaño del paquete 6

2 Número de host 6

3 Distancia 4

Fuente: Los Autores

En virtud de lo anterior, corresponde a un di-seño factorial de 6x4x6=144 combinaciones de tratamientos o puntos experimentales. El número de replicaciones del experimento es de cinco (5), por lo tanto, se tomaron 720 mediciones por cada variable respuesta.

Cada uno de los métodos de diseño experi-mental recomienda el uso de una técnica estadís-tica para el análisis e interpretación de los datos. En el caso particular del diseño factorial, la téc-nica sugerida es el análisis de varianza [8]. En

estadística, el análisis de la varianza (ANOVA, se-gún terminología inglesa) es una colección de mo-delos estadísticos, en los cuales la varianza está particionada en ciertos componentes debidos a diferentes variables explicativas [9].

El nombre de análisis de varianza (ANOVA) viene del hecho que se utilizan coeficientes de varianzas para probar la hipótesis de igualdad de medias. La idea general de esta técnica es se-parar la variación total en las partes con la que contribuye cada fuente de variación en el expe-rimento [7], [9]. El análisis de varianza, permite identificar si las muestras tomadas en diferentes situaciones llamadas “factores” o “tratamientos”, influyen significativamente desde un punto de vis-ta estadístico sobre la variable respuesta. Desde este punto se vista, se establecen hipótesis sobre el comportamiento de los factores y al final se aceptan o rechazan según los resultados arroja-dos por el ANOVA [9]-[11].

El uso del análisis de varianza no obedece a rea-lizar comparaciones por capricho o para descubrir lo evidente. La comparación de tratamientos surge como una necesidad en la lógica de pretender to-mar una decisión, en la solución de un problema o como paso importante para el mejor entendimien-to de un proceso [7]. En el contexto de un proble-ma de investigación surge la necesidad de realizar alguna comparación de tratamientos con el fin de elegir la mejor alternativa o tener una mejor com-prensión del comportamiento de la variable de inte-rés en cada uno de los distintos tratamientos.

La estrategia normalmente se basa en obte-ner una muestra representativa de mediciones de cada uno de los tratamientos, y con base en las medias y varianzas muestrales construir un mode-lo estadístico que describa el comportamiento de esta comparación [8]-[10]. El modelo estadístico describe el comportamiento de la variable obser-vada y en cada diseño incorpora un término adi-cional por cada factor. El modelo es una manera de expresar matemáticamente todo lo que se su-pone puede influir sobre la variable de repuesta en un diseño dado [7].

El objetivo del ANOVA es determinar si ciertas variables pueden explicar una parte significativa de la variación, la variación aleatoria es pequeña frente a la variación explicable o determinista. Al finalizar el experimento, se busca identificar si uno o más factores afectaron a la variable respuesta, y


con ello establecer una relación de causalidad, y sentar las bases para el modelo empírico de pre-dicción.

III. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

En la actualidad, existen diferentes herra-mientas software que permiten realizar medicio-nes sobre una red. La mayoría de herramientas opera mediante configuraciones cliente/servi-dor, al enviar paquetes de un host a otro, ge-nerar situaciones de tráfico controladas y alea-torias y permitir variar el tipo de protocolo de transmisión, TCP o UDP, el tamaño del paquete, y en algunas ocasiones la tasa de transferencia.

Entre las herramientas software más utilizadas se encuentran: Chariot, MGEN, Iperf, SmokePing, TTCP, entre otras. Sin embargo, tenidas en cuenta las características y su uso constante en situacio-nes que requieren evaluar el rendimiento de una red, se utilizará Iperf como herramienta software para la medición del Throughput y otros paráme-tros relacionados con retardos propios de la red LAN sobre PLC bajo el estándar HomePlug 1.0.

Iperf es una herramienta diseñada para me-dir el rendimiento del ancho de banda vía TCP y UDP. Iperf reporta throughput, retardo (delay), Jitter (variación del retardo) y pérdidas de data-gramas, que permite manipular diversos pará-metros del tráfico generado [12].

Para establecer una comunicación entre dos equipos, uno de ellos debe configurase como servidor y otro como cliente. El experimento con-siste en conectar diversos equipos de cómputo, haciendo uso de adaptadores PLC-ethernet se-parados entre sí a una distancia conocida. Iperf generará tráfico desde cada uno de los PC hacia el Servidor acorde con la configuración de pará-metros establecida [13].

Fig. 1. ESQUEMA DE CONEXIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LA RED PLC CON FINES EXPERIMENTALES

Fuente: Los Autores

La Figura 1, muestra una topología bus utili-zada para la implementación de la red PLC y la

forma de conexión de cada uno de los equipos. Como dato adicional para el experimento, los adaptadores se ubicaron dentro del mismo circui-to (fase) eléctrico.

Tal como se mencionó anteriormente, se con-sideraron para el desarrollo del experimento tres factores: tamaño del paquete, número de PC acti-vos en la red y distancia entre el PC (Cliente) y el Servidor. Los valores establecidos para cada uno de los factores son: • Tamaño del Paquete: 64,128,256,512,

1024,1500 bytes• Número de PC activos en la red: 1,2,4,6,8,10

(se toma 10 como límite según especificacio-nes del fabricante)

• Distancia entre PC-Cliente y Servidor: 5m,10m,20m,30m

Con referencia a la distancia, se utilizaron valo-res dentro del rango de distancias en una vivienda promedio.

Los adaptadores PLC utilizados corresponden al modelo NETGEAR XE102 Wall-Plugged Ethernet Bridge que operan bajo el estándar Homeplug 1.0 y cumplen con las siguientes especificaciones téc-nicas, tabla II:

TABLA II

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ADAPTADORES USADOS

Característica Valor

Protocol/Standards:

HomePlug 1.0 specification, IEEE 802.3 10/100 Ethernet (10Mbps) and IEEE 802.3u

Fast Ethernet Compliant

14Mbps

Interconecta hasta 10 Plug IP’s

Modulation Support: OFDM , DQPSK, DBPSK and ROBO

Frequency Band: 4.3 Mhz to 20.9 Mhz band

Quality of Service:

Soporta (FEC)

4 niveles de prioridad de paquetes en forma aleatoria

Uso de algoritmos adaptativos bajo el uso de CSMA/CA

Maneja encapsulamiento de paquetes

Baja Latencia, Alto Throughput y Jitter ajustable

Security Support: Uso del algoritmo DES a 56bits para encriptación

Hardware: Potencia Mínima (4.5 watts)

LED Indicators:

1 x Power LED

1 x Powerline Activity Status LED

1 x Ethernet Link/Activity Status LED

Fuente: los autores


Dadas las condiciones experimentales descri-tas se considera que las cinco replicaciones del experimento son suficiente garantía para medir los efectos principales y las interacciones.

IV. MODELO ESTADÍSTICO y ANÁLISIS DE VARIANZA PARA THROUGHPUT

En un diseño factorial de tres factores (axbxc)se supone que el comportamiento de la respuesta Y puede describirse mediante el modelo de efec-tos dado por:

En donde: a=Tamaños del paqueteb=distancias entre estacionesc=Número de estaciones o host en la red PLCn=Número de réplicas del experimentoYijkl= Throughput para un tamaño de paquete

(i) a una distancia entre estaciones (j), con un número de estaciones en la red PLC (k), para la replicación (l).μ=Media general del Throughput independien-

te de cualquiera de los factores considerados en el experimento.

Ai= Efecto del tamaño del paquete (i)Bj= Efecto de la distancia entre estaciones (j)Ck= Efecto del número de estaciones (k) (AB)ij= Efecto de la interacción entre los facto-

res Tamaño del Paquete y Distancia entre host(AC)ik= Efecto de la interacción entre los facto-

res Tamaño del paquete y Número de host (BC)jk= Efecto de la interacción entre los facto-

res Distancia entre Host y Número de host(ABC)ijk= Efecto de la interacción de los tres fac-

toresεijkl= Error aleatorioEl estudio factorial de tres factores (A,B,C) per-

mite investigar los efectos: A,B,C,AB,AC,BC y ABC; donde el nivel de desglose o detalle con el que pueden estudiarse depende del número de nive-les utilizado en cada factor. Para el caso particu-lar, se tienen siete efectos de interés sin conside-rar desglose y con ellos se pueden plantear siete

hipótesis nulas(Ho) y cada una apareada con una hipótesis alternativa (HA). El ANOVA para probar cada una de estas hipótesis se ilustra en la Tabla III.

Las hipótesis de interés para los tres factores del modelo anterior y sus interacciones son:

Ho: Efecto A = 0, HA: Efecto A ≠ 0

Ho: Efecto B = 0, HA: Efecto B ≠ 0

Ho: Efecto C = 0, HA: Efecto C ≠ 0

Ho: Efecto AB= 0, HA: Efecto AB ≠ 0

Ho: Efecto AC = 0, HA: Efecto AC ≠ 0

Ho: Efecto BC = 0, HA: Efecto BC ≠ 0

Ho: Efecto ABC = 0, HA: Efecto ABC ≠ 0Para casos en los que todos los factores del

experimento son fijos, es posible formular y probar fácilmente hipótesis acerca de los efectos princi-pales y las interacciones. Para el caso de modelos de efectos fijos, los test para probar las hipótesis sobre cada efecto principal y las interacciones se pueden construir al dividir el CM correspondiente del efecto o la interacción por el CME Los grados de libertad para cada efecto principal son los ni-veles del factor menos uno y el número de grados de libertad para una interacción es el producto del número de grados de libertad asociados con los componentes individuales de esta.

Resumen del ProcedimientoVariable dependiente: ThroughputFactores:

• Distancia entre estaciones• Número de host o estaciones activas en la red

PLC• Tamaño del Paquete

Número de muestras experimentales: 720

V. VALIDEZ DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE

La validez de los resultados obtenidos en cualquier análisis de varianza queda supedita-da a que los supuestos del modelo se cumplan. Estos supuestos del modelo de ANOVA son: nor-malidad, varianza constante (igual varianza de los tratamientos) e independencia. Esto es, la respuesta (Y) debe tener una distribución nor-mal, con la misma varianza en cada tratamiento


y las mediciones deben ser independientes. Es-tos supuestos sobre (Y) se traducen en supues-tos sobre el término error (ε) en los diferentes modelos. A continuación se realiza el análisis para cada uno de los tres supuestos:

Supuesto de Varianza Constante. Una forma de verificar el supuesto de varianza constante (o que los tratamientos tienen la misma varian-za) es graficar los valores estimados contra los residuos (Ŷij vs εij). Generalmente, Ŷij va en el eje X (horizontal) y los residuos en el eje vertical.

Fig. 2. VALORES RESIDUALES VS. VALORES ESTIMADOS PARA THROUGHPUT

Fuente: Los Autores

En la Figura 2 donde se relacionan los va-lores residuales contra los valores estimados, se observa una ligera violación al supuesto de varianza constante, debido a una semejanza al patrón tipo “corneta” que adoptan los residuos a medida que el valor estimado va en aumen-to. Sin embargo, esta violación no es tan fuerte como para generar un impacto significativo en el momento de emitir conclusiones sobre el mo-delo propuesto.

Debe tenerse en cuenta en la interpretación de esta Gráfica que aunque existan diferencias pequeñas, estadísticamente no se consideran como diferencias significativas. Adicionalmente, deben tomarse en cuenta la cantidad de obser-vaciones realizadas en cada uno de los facto-res, ya que este hecho puede llegar a impactar en la dispersión aparente de cada tratamiento.

Supuesto de NormalidadUn procedimiento para verificar el supuesto

de normalidad de los residuos, consiste en gra-ficar los residuos en una gráfica de probabilidad normal, la cual se incluye en la mayoría de los programas estadísticos.

FIG. 3. VALORES RESIDUALES DE THROUGHPUT EN PAPEL ORDINARIO

Fuente: los autores

En la figura anterior, correspondiente a la grá-fica de probabilidad, se observa el cumplimiento del supuesto de normalidad de los residuos, debi-do a que estos se encuentran ajustados sobre la recta graficados en papel ordinario.

Supuesto de Independencia El supuesto de independencia en los residuos

puede verificarse si se grafica el orden en que se tomó un dato contra el residuo correspondiente.

Fig. 4. RESIDUOS SEGÚN EL ORDEN EN LA TOMA DE LOS DATOS

Fuente: los autores

En la Figura 4, en donde se ilustra la relación entre los valores residuales y el orden en el que fueron tomados los datos experimentalmente se observa el cumplimiento del supuesto de inde-pendencia donde los valores residuales se en-cuentran distribuidos de manera aleatoria sobre la horizontal.

VI. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS EFECTOS ACTIVOS

A través del uso del software estadístico Stat-graphics, se realizó un análisis multifactorial de la varianza para Throughput, el cual realiza varios tests y gráficos para determinar qué factores tie-nen un efecto estadísticamente significativo en el Throughput como variable de salida.


En la Tabla III se muestra el resultado del aná-lisis de Varianza correspondiente al Throughput:

TABLA IIIANOVA COMPLETO PARA THROUGHPUT

Fuente de Variación

Suma de Cuadrad

(SC)Gr. Lib (C.M) Cociente

(Fo) p-Valor

A: Tamaño del paquete 502,750 5 100,550 15873,65 0,00

B: Distancia 0,220 3 0,0731 11,551 0,00

C: No. Host 984,718 5 196,943 31091,13 0,00

Interacción AxB 0,138 15 0,0091 1,450 0,11

Interacción AxC 384,542 25 15,3816 2428,279 0,00

Interacción BxC 0,103 15 0,0068 1,0869 0,36

Interacción AxBxC 0,210 75 0,0028 0,4426 1,00

Error 3,649 576 0,0063

TOTAL 1876,330 719

Fuente: los autores

Al efecto cuyo p-value sea menor al valor es-pecificado para α, se declara estadísticamente significativo o se dice que está activo. Es decir, aquellos valores donde p-value<0,05.

El análisis ANOVA descompone la variabilidad de throughput en las contribuciones debidas a va-rios factores. Puesto que se ha elegido la suma de cuadrados Tipo III (valor por defecto), se ha medido la contribución de cada factor y eliminado los efectos del resto de los factores. Los p-value comprueban la importancia estadística de cada uno de los factores. Dado que según el análisis de varianza existen cuatro efectos con p-values in-feriores a 0,05 (A,B,C yAC), estos factores tienen efecto estadísticamente significativo en through-put para un 95,0% de confianza para los cuales la hipótesis Ho se rechaza.

Por otro lado, los efectos que no influyen esta-dísticamente en el modelo (AB, BC y ABC), se po-dría considerar el eliminarlos y enviat sus efectos sobre el modelo al término del error (ε). Es muy im-portante tener en cuenta que la única interacción significativa estadísticamente entre los factores fue la correspondiente a la interacción AC, la cual corresponde a la interacción entre los factores Ta-maño del Paquete y Número de host o estaciones existentes en la red PLC.

Fig. 5. INTERACCIÓN ENTRE DISTANCIA Y HOST

Fuente: Statgraphics Plus 5.1

En la Figura 5 se evidencia de manera visual una muy poca importancia de la interacción entre la dis-tancia y el número de host existente en la red, con-sideradas las distancias a las cuales se efectuó el experimento (5m, 10m, 20m, 30m) debido a que las líneas se encuentran paralelas entre sí. Por otro lado, debido a que la pendiente de las rectas es muy cer-cana a cero, quiere decir que la influencia del factor distancia sobre el valor del Throughput es muy bajo.

Fig. 6. INTERACCIÓN ENTRE TAMAÑO DEL PAQUETE Y HOST


En la Figura 6 se evidencia un efecto conside-rable en la interacción de los factores, tamaño del paquete y número de estaciones, debido al aspec-to quebrado de las líneas. Por otro lado, debido a la pendiente de las rectas puede afirmarse que el Throughput tiende a estabilizarse alrededor de 1Mbps a medida que aumenta el tamaño del paque-te y el número de estaciones; y, que la mayor influen-cia sobre la variable salida depende del número de estaciones que se encuentren activas en la red PLC.

Fig. 7. INTERACCIÓN ENTRE TAMAÑO DEL PAQUETE – DISTANCIA



En la Figura 7 se evidencia una muy poca im-portancia de la interacción entre el tamaño del pa-quete y la distancia entre estaciones, ya que las líneas se encuentran casi paralelas entre sí. Sin embargo, debido a que la pendiente de las rec-tas tiende a aumentar considerablemente a me-dida que aumenta el tamaño del paquete, refleja la fuerte influencia del tamaño del paquete como factor importante sobre el valor del Throughput.

VII. ANÁLISIS DE MEDIAS

Rechazada la hipótesis nula en un análisis de varianza, es necesario ir al detalle y ver cuáles tratamientos son diferentes. Cuando se acepta la hipótesis nula Ho : μ1 = μ2= ... = μk = μ, el objetivo del experimento está cubierto y la conclusión es que los tratamientos son iguales. Si por el contrario se rechaza Ho y, por consiguiente, se acepta la hipó-tesis alternativa HA : μi ≠ μj para algún i ≠ j, es ne-cesario investigar cuáles tratamientos resultaron diferentes o cuáles tratamientos provocan la dife-rencia, donde el gráfico de medias y los gráficos de interacción ayudarán a interpretar los efectos significativos que el análisis de varianza no logro especificar satisfactoriamente.

El método utilizado para el análisis de medias fue el método Tukey, considerado como el más co-múnmente utilizado en la comparación de pares de medias de tratamientos, el cual consiste en comparar las diferencias entre medias muestra-les con el valor crítico dado por:

Donde se obtiene del análisis ANOVA, en función del cuadrado medio del error y n es el número de observaciones por tratamiento, k es el número de tratamientos, N-k es igual a los grados de libertad para el error, α es el nivel de sig-nificancia prefijado y el estadístico qα(k,N-k) son puntos porcentuales de la distribución del rango estudentizado, que se pueden obtener en tablas.

Se declaran “significativamente diferentes” los pares de medias cuya diferencia muestral en va-lor absoluto sea mayor que Tα. A diferencia de los métodos LSD y Duncan, el método de Tukey traba-ja con un error α muy cercano al declarado por el experimentador. Cuando se hace uso del método de Tukey (HSD), hay un 5,0% de riesgo de conside-rar uno o más pares como significativamente dife-rentes cuando su diferencia real es igual a cero.

Según el tamaño del PaqueteTABLA IV

MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL TAMAÑO DEL PAQUETE

Nivel Frec Media Error Estándar

Límite Inferior

Límite Superior

64 120 0,2834 0,007265 0,269164 0,297703

128 120 0,5598 0,007265 0,545539 0,574078

256 120 0,8878 0,007265 0,873547 0,902086

512 120 1,4783 0,007265 1,46403 1,49257

1024 120 2,2072 0,007265 2,19299 2,22153

1500 120 2,5604 0,007265 2,54615 2,57469


Cuando se rechaza Ho mediante el ANOVA, y se concluye que no hay igualdad entre medias po-blacionales de los tratamientos, pero no se tiene información específica sobre cuáles tratamientos son diferentes entre sí, el análisis de medias per-mite hacer una comparación visual y estadística de las medias de los tratamientos. A continuación se muestran los resultados de medias por míni-mos cuadrados para Throughput, con un Intervalo de confianza del 95% en relación con cada uno de los factores.

Fig. 8. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN EL FACTOR TAMAÑO DEL PAQUETE


Según la DistanciaTABLA V

MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN LA DISTANCIA ENTRE ESTACIONES


Límite Inferior

Límite Superior

5 180 1,35766 0,00593 1,346 1,36931

10 180 1,32958 0,00593 1,31793 1,34123

20 180 1,31893 0,00593 1,30728 1,33058

30 180 1,31185 0,00593 1,3002 1,3235



Fig. 9. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN EL FACTOR DISTANCIA


Según el número de HostTABLA VI.

MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL NÚMERO DEL HOST


Límite Inferior

Límite Superior

1 120 3,7085 0,00726 3,69423 3,72277

2 120 1,85292 0,00726 1,83865 1,86719

4 120 0,9282 0,00726 0,913939 0,942478

6 120 0,6159 0,00726 0,60163 0,63017

8 120 0,4831 0,00726 0,468922 0,497461

10 120 0,38831 0,00726 0,374047 0,402586


Fig. 10. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN EL FACTOR NÚMERO DE HOST


Frecuencia Total: 720Media Total: 1,32951En las figuras anteriores se ilustra el valor del

Throughput medio por cada nivel según el factor analizado. También se presenta el error estándar de cada media, el cual corresponde a una medida de variabilidad en la muestra. Las dos columnas de la derecha muestran los intervalos para cada una de las medias con un 95% de confianza. Se-gún el análisis de medias, los mejores promedios se obtuvieron a medida que el tamaño del paque-te aumentó y la cantidad de host existentes en la red era reducido. La distancia entre los host no

reflejo efectos significativos en el comportamien-to del Throughput, lo cual es coherente con los re-sultados obtenidos previamente.

VIII. CONCLUSIONES

La implementación de redes PLC no debe ser considerada como un reemplazo de las tecnolo-gías existentes, sino como una solución comple-mentaria que trabaja en conjunto con otras tec-nologías de acceso. PLC ofrece una instalación simple y rápida en donde solo es necesario co-nectar un adaptador o MÓDEM PLC, convirtiendo cualquier toma de corriente en un punto de acce-so a la red; lo que permite la transmisión simultá-nea de voz, datos y video sobre un mismo medio; se origina la prestación de múltiples servicios: acceso a Internet de Banda Ancha, telefonía lo-cal con protocolo de IP, aplicaciones multimedia (videoconferencia, televisión interactiva, vídeo y audio bajo demanda, juegos en red), entre otros servicios.

Un diseño experimental es una secuencia de etapas o actividades que deben realizarse para cumplir con éxito los objetivos que se persiguen. En vista de lo anterior y para óptimo desarrollo del presente estudio, fue seleccionado el tipo facto-rial, cuyo objetivo consiste en estudiar el efecto de varios factores sobre una o varias respuestas (Throughput). Para el caso particular se imple-mentó un diseño factorial de 6x4x6=144 combi-naciones de tratamientos o puntos experimenta-les, con tres factores de tipo cuantitativo (tamaño del paquete, número de estaciones activas en la red y la distancia en metros entre el PC-Cliente y el PC Servidor), el cual respondió satisfactoriamen-te a cada una de las necesidades en el proceso de investigación. El número de replicas del expe-rimento fue cinco (5), las cuales se consideraron suficiente garantía para medir los efectos princi-pales y las interacciones, para un total de 720 me-diciones de la variable respuesta.

En todo modelo, es importante saber combi-nar parámetros, variables, relaciones funciona-les y restricciones que formen los componentes que desarrollan la función objetivo. El análisis de varianza (ANOVA) permitió descomponer la varia-bilidad de Throughput en cada una de las contri-buciones por factor, bajo un nivel de confianza del 95,0%. El análisis de varianza identificó cua-


tro efectos estadísticamente significativos ( ). La única interacción significativa estadísticamente entre los factores fue la interacción AC, la cual corresponde a la interacción entre los factores Ta-maño del Paquete y Número de host o estaciones existentes en la red PLC.

Según el análisis de medias, los mejores pro-medios se obtuvieron a medida que el tamaño del paquete aumentaba y la cantidad de host existen-tes en la red era reducido. La distancia entre los host no reflejó efectos significativos en el compor-tamiento del Throughput a las distancias en las cuáles se desarrolló el experimento (5m, 10m, 20m, 30m) y que encajan dentro de una vivienda promedio. Por otro lado, se observó un efecto con-siderable en la interacción de los factores tamaño del paquete y número de estaciones, debido al as-pecto quebrado de las líneas. Según la pendiente de las rectas en los gráficos de interacción se pue-de decir que el Throughput tiende a estabilizarse alrededor de 1Mbps a medida que aumenta el tamaño del paquete y el número de estaciones, donde se evidenció que la mayor influencia sobre la variable salida depende del número de estacio-nes que se encuentren activas en la red PLC.

La validez de los resultados obtenidos en cual-quier análisis de varianza queda supeditada a que los supuestos del modelo (normalidad, varianza contante e independencia) se cumplan. En el caso particular, bajo el uso de gráficos de residuos se pudo comprobar los supuestos del modelo pro-puesto para el Throughput, cumplen a satisfac-ción con cada uno de los supuestos, y se garan-tiza con ello que los resultados del experimento obedecen a una muestra aleatoria de distribución normal con media cero y varianza constante.

Aunque existen herramientas de predicción que se encuentran disponibles comercialmente, su costo es muy elevado, lo cual limita su adqui-sición y aplicación en el entorno regional. Algunos ejemplos son: WinProp, SitePlanner, CINDOOR; sin embargo, el uso de Iperf como herramienta software de libre distribución permitió realizar di-versas pruebas sobre el entorno de red basado en PLC, las cuales arrojaron resultados bastante interesantes; y brindaroo las herramientas para la definición del modelo empírico de predicción y la forma de interacción entre diversos factores in-mersos en el proceso de comunicación.

La intención final de este estudio es estable-cer las bases para evaluar el comportamiento del Jitter, el cual se encuentra directamente relacio-nado con el rendimiento de la red PLC implemen-tada, y considera la influencia de cada uno de los siguientes factores: el número de estaciones activas en la red, la distancia entre ellas y el ta-maño del paquete; bajo las condiciones de la red eléctrica existentes en ambientes corporativos y residenciales. Sin embargo, es importante consi-derar que los resultados obtenidos pueden estar sujetos a modificaciones y ajustes posteriores de-bido al grado de sensibilidad de los instrumentos utilizados para realizar la medición y las condicio-nes existentes en la red en el momento de llevar a cabo el experimento.

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Abstract— This paper evaluates the performance of fractal or self-similar traffic models in IEEE 802.11 networks. This study is focused on the “Quindio Región Digital” (QRD) network. Performance evaluation of the traffic models is performed in three stages. In the first stage, we obtain the statistical characteristics of the current traffic on the QRD network. In the second sta-ge, the most suitable traffic models are selected for the current characteristics of the QRD network such as out-of-saturation operation and management of heteroge-neous traffic. In the third stage, we define a performan-ce metric that is used to evaluate the traffic patterns through simulation.

Keywords— QRD, WLAN, MAC, time slot, contention win-dow, self-similarity, traffic, correlation, goodness of fit test, snnifer.

I. INTRODUCTION

In the recent years, wireless networks have be-come popular for the design of access networks due to their potential benefits with respect to wi-red networks. Since the standard IEEE 802.11 has been widely accepted for the design of these net-works, a detailed study of this standard provides useful tools to design and plan proper networks, and to meet user requirements with respect to in-formation management and services.

Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case

for the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en

redes IEEE 802.11 - Caso de Estudio Red QRD

Evelio Astaiza Hoyos PhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones

Universidad de Vigo-España MsC. Ingeniería, área de telecomunicaciones,

Universidad del CaucaProfesor Asistente - Universidad del Quindío.

Investigador grupo [email protected]@unicauca.edu.co

Héctor F. Bermúdez Orozco PhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones,

Universidad de Vigo-España MsC Electrónica y Telecomunicaciones,


Investigador grupo [email protected]

[email protected]

Diego Fernando Salgado CastroIngeniero Electrónico

Universidad del QuindíoGrupo GITUQ

[email protected]

This paper presents the performance eva-luation of one popular method to model WLAN 802.11networks. This model takes into account an exponential backoff protocol under non-satura-ted stations and heterogeneous-traffic-flow condi-tions to compute the throughput of the distribu-ted coordination function (DCF) for basic access. Therefore, this model is suitable for the analysis of traffic frames in a real network. In this paper, the performance of this model is compared using ac-tual data from the “Quindío Región Digital” (QRD) network.

The model under analysis assumes that the pro-babilities of packet collision of a packet is constant and independent on the state and station regard-less the number of retransmissions. This assump-tion, validated through simulations, shows high-ac-curate results even when the number of stations in the wireless LAN is greater than 10.

This paper is organized as follows. Section 2 defines the two medium access mechanisms used in DCF, basic mechanism and RTS/CTS (Request to send/Clear to send) mechanism, as well as a combination of both. Section 3 shows the results and statistics obtained for a real traffic in the QRD


network. Sections 4 and 5 include the performan-ce evaluation of the model under study, which take into account real conditions such as non-saturated stations and heterogeneous traffic. Section 6 pre-sents the simulation results that verify the perfor-mance of this model on the QRD network. Finally, Section 7 summarizes the results and discusses the performance of the model on real network data.

II. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION 802.11

This section presents an overview of the dis-tributed coordination function (DCF) described by the IEEE 802.11 protocol. A detailed description is included in [6], [7], [8], [10] and [15].

A station with a new packet to be transmit-ted senses the channel activity. If the channel is found inactive during a period of time equal to the distributed interframe space (DIFS), the sta-tion transmits. Otherwise, if the channel is found busy (immediately or during the DIFS), the station continuously senses the channel until it is found inactive during a DIFS. From this viewpoint, the station generates a random backoff interval be-fore transmitting (i.e., performs an anti-collision protocol) to minimize the probability of collision within the packets transmitted by other stations. In addition, to avoid channel break, a station must wait for a random backoff time between two con-secutive transmissions of a new packet even if the channel is found inactive during a DIFS. To impro-ve efficiency, DCF uses a discrete backoff scale. The time following an inactive DIFS is sliced and a station can transmit only at beginning of each slot time. The size of the slot time “σ” is set equal to the time required by each station to detect the transmission of a packet from any other station.

TABLE ISlot Time (ranura de tiempo), valores máximos y mínimos de la ventana de contienda para las tres especificaciones PHY del estándar 802.11: Frecuency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Direct Sequence Spread

Spectrum (DSSS), and Infrared (IR).

PHy Slot Time (σ) CWmin CWmax

FHSS 50 µs 16 1024

DSSS 20 µs 32 1024

IR 8 µs 64 1024

As shown in Table I, the size of the slot time “σ” depends on the physical layer, and it represents the propagation delay involved in switching from a reception state to transmission state (i.e., RX-TX time) as well as the time to signal to the MAC layer

about the channel state (i.e., to detect a busy time). DCF adopts an exponential backoff behavior, in which the backoff time for each packet transmission is chosen to be uniform in the range (0,W-1), whe-re W is called contention window, and this window depends on the number of failed transmission for a given packet. In the first transmission attempt, W is set to be equal to the minimum contention window (CWmin). After each failed transmission, W is dou-bled until reach its maximum value CWmax = 2mCW-min. The values for CWmin and CWmax are reported in the final version of the standard [15]. The backoff time counter is stopped when a transmission is de-tected over the channel, and it is resumed when the channel is found inactive again for more than one DIFS. The station transmits when the backoff coun-ter reaches zero. Fig. 1 depicts this operation.

Since CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) is not based on the station ca-pabilities to detect a collision by listening to their own transmissions, an affirmative acknowledge (ACK) is transmitted by target station to signal a successful packet reception. ACK is transmitted immediately following the packet reception, and this time inter-val is called short interframe space (SIFS). As long as the SIFS (in addition to the propagation delay) is shorter than a DIFS, none station is capable of de-tecting channel inactivity during a DIFS until the end of an ACK. If the transmitting station does not recei-ve any acknowledge for a certain ACK waiting time, or a different transmission packet is detected over the channel, the transmission of packets is restarted according to the predefined backoff rules. The pre-vious two-way transmission approach is called basic access mechanism. DCF defines an additional and optional four-way transmission approach. This me-chanism is called RTS/CTS, which is shown in Fig. 2.

Fig.1. BASIC ACCESS MECHANISM

Source: P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997.

35Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD Network - Astaiza, Bermúdez, Salgado

Fig. 2. RTS/CTS MECHANISM


The station that requires a packet transmis-sion must wait until the channel is found inactive during a DIFS, following the backoff rules explai-ned above. Then, instead of transmitting the data packet, a preliminary short frame, called “request to send” (RTS), is transmitted. When the target station detects a RTS frame, it responses, after a SIFS, by sending a “clear to send” (CTS) frame. A station is allowed to transmit only if a CTS frame is received properly.

RTS and CTS frames carry out information about the length of the packet to be transmitted. This information can be read by any other listening transmitters, which update the network allocation vector (NAV) that stores information about the pe-riod of time when the channel is busy.

RTS/CTS mechanism is efficient in terms of system performance since it reduces the length of the frames involved in a contention process. In fact, even assuming perfect channel detection by each station, collision may occur when two or more packets are transmitted on the same slot time. If the two transmission stations employ a RTS/CTS mechanism, a collision is produced only in the RTS frame. However, this issue can be de-tected quickly by all transmission stations due to the lack of a CTS frame [5].

III. ACQUISITION OF A REAL TRAFFIC

This section shows the data obtained from a real traffic in the QRD network, and the statistics performed on this data.

A. Capture of traffic in the QRD network and statistics estimation

A protocol analyzer was used to capture infor-mation about packets [12]. This information is

grouped according to the arrival time and length of each packet. In this way, histograms and good-ness of fit tests are used to estimate the statistics that characterize the traffic and features of the QRD network.

B. Identification of the distribution function

The methodology of goodness of fit test propo-sed by Kolmogorov-Smirnov [11] is used to deter-mine the distribution functions for the arrival-pac-ket time and packet length. As a result of this test, the distribution function for the arrival-packet time is found to be exponential, this is shown in Fig. 3. With respect to the packet length (or equivalently, the average service time), the distribution function is uniform, this is shown in Fig. 4.

Fig. 3. EXPONENTIAL DISTRIBUTION FOR THE ARRIVAL-PACKET TIME ON JANUARY 26, 2011.

Source: Author of the project

Fig. 4. UNIFORM DISTRIBUTION FOR THE PACKET LENGTH


IV. THROUGHPUT FOR THE REAL TRAFFIC AND SELF-SIMILAR MODEL

A. Throughput for the real traffic

From the QRD data, the time mean average of the packets is 0.0076 seconds, which suggests that the actual offered traffic is λk = 7.6ms.


Fig. 4 shows an uniform distribution for the length of the payload bits in the packets. The mean value is 1452.76 bytes, i.e., Lk = 1452.76 bytes. Hence, the throughput in Mbps against the number of network stations is shown in Fig. 7. From this figure, it is possible to determine the maximum throughput of a network with different number of terminals by dividing this value by the number of terminals. Thus, if packets with an ave-rage length of 1452.76 bytes are transmitted to any rate such as 1, 2, 11 or 54 Mbps, the maxi-mum throughput is 90 kbps, this is shown in Fig. 5. Asumming 20 terminals for the QRD network, the effective transmitsion rate by terminal are 4.5 kbps. This result is very accurate due to this analy-sis takes into account the time involved in solving collisions.

Fig. 5. THROUGHPUT IN THE QRD NETWORK AS A FUNCTION OF THE NUMBER OF STATIONS


B. Throughput for the self-similar model

A study about the self-similarity on aggregated traffic using the Hurst parameter for a wireless network close to the QRD network is presented in [4]. The degree of self-similarity is obtained for the QRD network from the arithmetic summation of the degree of self-similarity for each frame inde-pendently. In other words, the Hurst parameter is obtained separately for the data frame, the control frame, and the management frame, and those va-lues are finally added together to obtain the Hurst parameter for the aggregated traffic.

In [1], [2], [3], [9], [13] and [14], the self-similar traffic for WLAN networks is modeled through an M / G / ∞ queue.• Definition 1 [2]

A random process X(t),t∈R is called H-sssi if it is self-similar with a parameter H, and it has sta-tionary increments.• Lemma 1 [2]

It is assumed that X(t),t∈R is a non-degnera-tive process H-sssi with an inifity variance. Then, 0 < H ≤ 1, X(0) = 0 and the covariance is defined by

If X(t) is a non-degenerated process H-sssi with finite dispersion, then 0 < H ≤ 1. During simulation of the traffic, the range 0.5 < H < 1 is particularly interesting since the process H-sssi X(t) with H < 0 cannot be measured, and it belongs to a patholo-gical case. While the case H > 1 is forbidden since the stationary condition in this process is cumu-lative. In practice, the range 0 < H ≤ 0.5 can be excluded because this cumulative process is ca-lled short range dependence (SRD). For practical purposes only the range 0.5 < H < 1 is relevant. In this range, the correlation factor for the cumulati-ve process Y(t):

has the following form:

C. M / G / ∞ Queue

The M / G / ∞ process is defined as follows. The discrete-time M / G / ∞ queue is modeled with slot time “σ” as time interval. All Poisson-type ar-rivals within the slot time are used for service be-fore the beginning of the next slot, where W(s=k), k=1,2,..., is the probability density function (pdf) of the service time S given in slot-time “σ” units. For this system, it is known that the pdf of the queue length is a Poisson distribution at the end of each slot time with mean λ = λo*M[s], where λo is the average number of arrivals when the system is at the state 0 in the M / G / ∞ queue. However, the next queue lengths at the end of the slot time are correlated with autocorrelation function r(k) = P(S > k. Hence, if this queue-length process is used to generate the arrivals for the analyzed system, the next arrival process A is obtained from the marginal distribution of A, which is a discrete-time Poisson process with parameter λ for each slot


time, and P(S > k) is the autocorrelation function. In practice, it is necessary to obtain the autocor-relation function r(k), which could be used to com-pute the distribution required for the service time. In particular,

Whatever P(S>O) = 1 and r(0) = 1, by definition, M[S] = 1 / [1-r(1)]. Then, for the long-range depen-dence (LRD),

Where α = r(1) = 1 – M[S]. As a result, the arri-val process is and asymptotic self-similar process with Hurts exponent H = 1 – β / 2.

Since the M / G / ∞ queue describes only a discrete-time arrival process, the next step is the generation of isolated arrival times. This proce-dure is obtained by grouping arrivals of K≥1 slot times followed each other, and strong distribution over all intervals of length to = σk seconds.

Let N be the number of arrivals within k slot ti-mes. Since N is a Poisson process, the assignment of each arrival inside the interval corresponds to a uniform distribution (the distribution of interval ti-mes between arrivals is still non-exponential).

The offered traffic obtained from (3) and (5) in terms of the autocorrelation function r(k), where k is the average time of a packet on backoff state taking into account the collisions described abo-ve, is given by

Since

then

where k is Waverage or the average time of a pac-ket on backoff state. Since this process is uniform, and the contention window is 256, this average time is 128. H is the Hurst parameter. To find the most suitable Hurst parameter that matches the real traffic model, the throughput is varied in the range 0.5<H<1. According to this value, it is possible to determine if the self-similar model is the best description for the real traffic in an IEEE

802.11 network. The variations of the H parame-ter are shown in Fig. 6.

r(k) is the same ρk, i.e., the offered traffic, which is replaced in the throughput Sk(n):

Up to this point, all parameters are replaced to solve the above equation except the Hurst para-meter, which is varied to determine the degree of self-similarity in the model, and so to obtain the features of a real traffic.

Self-similar models takes Hurst parameter va-lues within the range 0.5<H<1, where a value of H close to 1 corresponds to strong self-similarity. From Fig. 6, the Hurst parameter that better des-cribes the real traffic is H = 0.61, which suggests that the model has a low degree of self-similarity. Therefore, self-similar models are not able to des-cribe effectively the real traffic in wireless WLAN networks.

Fig. 6. EFFECT OF THE HURST PARAMETER ON THE THROUGHPUT


V. RESULTS

The graphical results for the model under study for the QRD network (a WLAN IEEE 802.11g net-work) as well as the real traffic are shown in Fig. 7. This figure allows us to establish that the model describes the real traffic in the QRD network. In this figure, throughput for the real traffic is shown in red and the throughput for the self-similar mo-del in blue.

From this figure, we can say that the model des-cribes from good way the conditions of real traffic.


To support this claim, a numerical analysis based on correlation provides more accurate information than a graphical analysis. Correlation results for the self-similar model and the real traffic on the QRD network.

Correlation coefficient for the real traffic and the self-similar model:

0.941Since the correlation coefficient is close to one,

it is concluded that the model provide a strong co-rrelation with the real data.

The previous results allow us to conclude that the model describes the features of IEEE 802.11 network traffic. Fig. 7. THROUGHPUT FOR THE SELF-SIMILAR MODEL, AND REAL TRAFFIC.


VI. CONCLUSIONS

In this paper, the one popular traffic models for IEEE 802.11 wireless networks was evaluated. The model is based on self-similar theory, defi-ning a simple but powerful model that captures all characteristics of the medium access control (MAC). It is important to highlight that this model depends exclusively on the distribution of packet arrivals obtained for the QRD network. The self-similarity of the traffic turns out relevant once the random process becomes similar at different sca-les, but this model (self-similar model) is no lon-ger popular due to the mathematical complexity and the complex estimation of the self-similarity degree from the Hurst parameter. To estimate this self-similarity degree, it is necessary to determine the Hurst parameter separately for each frame, and then to obtain a unified Hurst parameter that

provides an estimation of the self-similarity de-gree for the actual traffic. Independently on the differences between both models, it is possible to conclude that the actual traffic in the WLAN QRD network is well described by a self-similar model. Under the assumptions about a memoryless Pois-son process for the arrival time and the probabi-lity of packet collision independently on the pre-vious state, it was possible to obtain a simulated throughput that matches the throughput obtained from a real traffic.

The most important reason why the model was selected for this study is the ability of this model to describe real conditions in non-saturated net-works and heterogeneous traffic, i.e., streaming and elastic flows. Hence, it was feasible to per-form a comparison under normal conditions, and these simulation results are close to real data.

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[14] Arcadio Reyes Lecuona, (2001) “MODELADO DE TRÁ-FICO DECLIENTES WWW” universidad de Málaga

[15] P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Ac-cess Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifica-tions, November 1997


Resumen— La televisión digital móvil sobre el protocolo de Internet (Mobile IPTV) requiere que las redes de mó-viles provean los recursos y los mecanismos necesarios para garantizar la calidad en los contenidos entregados a los usuarios. Las características técnicas de las tecno-logías de banda ancha móvil LTE y LTE-Advanced las per-filan como las redes capaces para soportar el desplie-gue de Mobile IPTV. Por consiguiente, en este trabajo se ha realizado el análisis de las redes LTE y LTE-Advanced con el fin de proponer una arquitectura funcional para orientar la implementación del servicio de Mobile IPTV.

Palabras clave— Arquitectura funcional; Long Term Evolution (LTE); LTE-Advanced; Mobile IPTV; Subsistema Multimedia IP (IMS); Servicio de Multidifusión y Difusión Multimedia (MBMS).

Abstract— Mobile digital television over IP networks (Mobile IPTV) requires that mobile networks provide the resources and mechanism necessary to guarantee the quality of content delivered to users. The technical characteristics of mobile broadband technologies LTE and LTE-Advanced will permit to be the networks able to support the deployment of Mobile IPTV. Therefore, in this study we have done an analysis of the LTE and LTE-Advanced networks in order to propose functional architecture to guide the implementation of the Mobile IPTV service.

Keywords— Mobile IPTV; IP Multimedia Subsystem (IMS); Long Term Evolution (LTE); LTE-Advanced; Multi-cast/Broadcast Multimedia Service (MBMS); Functional Architecture.

I. INTRODUCCIÓN

El crecimiento del número de usuarios, la mul-tiplicidad de dispositivos para acceder a la red y la demanda de nuevos servicios y aplicaciones generan un aumento considerable en el tráfico de datos que circula por la redes móviles y causan

Functional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks

Arquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-Avanced

Diego Fernando Rueda PepinosaMSc(c) en Ingeniería – Telecomunicaciones

Universidad Nacional de ColombiaInvestigador del Grupo de GITUN.

Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia

[email protected]

Zoila Inés Ramos RodríguezPhD.(c) en Ingeniería - Telecomunicaciones, Universidad de

Telecomunicaciones e Informática de Moscú. Profesor Asociado, Líder del Grupo GITUN. Universidad Nacional de Colombia.

Bogotá, [email protected]

problemas de congestión y la degradación en la calidad de los servicios ofrecidos [1] [2]. Según el estudio realizado en [2], para el año 2016 el tráfico de datos móviles llegará a más 10.8 Exab-ytes por mes, del cual el 70% será generado por flujos de video. Es por tanto que las redes móviles están al borde de una tercera fase de evolución en la cual el tráfico de datos móviles será dominado principalmente por contenidos de video y que se requerirán nuevas formas de optimizar la red para evitar la saturación de la misma [3]. La estima-ción del incremento de este tipo de tráfico es uno de los principales impulsores para la adopción de los nuevos estándares de banda ancha móvil LTE (Long Term Evolution) y LTE-Advanced (LTE-A) [3].

Bajo este escenario uno de los servicios más exigentes en términos de consumo de recursos será la Mobile IPTV puesto que requiere de una red de alta velocidad, baja tasa de error y bajo retardo para permitir la reproducción en tiempo real del contenido seleccionado por el usuario [4]. En consecuencia, el despliegue de sistemas LTE marcará el inicio de una nueva era en las comuni-caciones móviles que permitirá a los operadores contar con una plataforma global para soportar las próximas generaciones de servicios con la ca-lidad requerida por cada uno de ellos [5].

Las características técnicas de las redes LTE/ LTE-A las perfilan como las tecnologías capaces de soportar el despliegue de la Mobile IPTV toda vez que se constituyen en la evolución de las redes de 3G, con en un núcleo de red completamente IP (All-IP), capaces de ofrecer altas velocidades de

41Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos

acceso, mejorar la eficiencia espectral, reducir el retardo y de diferenciar los flujos de tráfico [6] [7]. Por lo tanto, es necesario contar con una arquitec-tura que permita orientar la implementación del servicio Mobile IPTV sobre este tipo de redes y en donde se garantice la calidad de los contenidos entregados a los usuarios y la adecuada gestión del servicio.

Este artículo está organizado de la siguiente manera: en la parte II se encuentran los traba-jos relacionados con la temática tratada en esta investigación, en la parte III se revisan los princi-pales aspectos para el despliegue del servicio de Mobile IPTV, seguidamente, en la parte IV se ana-liza y propone una arquitectura funcional para la implementación de Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A, y por último, en la parte V, se presentan las conclusiones obtenidas con el desarrollo de este trabajo de investigación.

II. ANTECEDENTES

Entre los trabajos relacionados con esta inves-tigación se pueden citar inicialmente a [8] y [9], donde los autores realizan la revisión y compara-ción de las arquitecturas funcionales recomenda-das por la Unión Internacional de las Telecomu-nicaciones (UIT) para la entrega de servicios de IPTV. Las arquitecturas presentadas por la UIT en [10] son tres y tienen como referencia a las Redes de Nueva Generación (NGN, Next Generation Net-works) [11].

La primera arquitectura fue definida para el despliegue de IPTV sobre redes que no son NGN (Non-NGN IPTV), la segunda presenta una arqui-tectura basada en NGN sin la inclusión del Sub-sistema Multimedia IP (IMS, IP Multimeda Subsys-tem) (NGN non-IMS IPTV) [12] y la tercera se basa en la implementación de IPTV en NGN con su componente de IMS (NGN-IMS IPTV) [13]. De estas arquitecturas, la más estudiada ha sido la arquitectura NGN-IMS IPTV.

Los autores de [14], [15] y [16] consideran al IMS como un elemento indispensable para el con-trol en las sesiones, el lanzamiento del servicio y los mecanismos autenticación, autorización y con-tabilidad (AAA, Authentication, Authorization, and Accounting) así como para la aplicación de polí-ticas, control de admisión y gestión de recursos.

Dichos trabajos están orientados hacia la imple-mentación de IPTV en entornos NGN.

En [17] se realiza un estudio de la señaliza-ción para la prestación de servicios de video so-bre redes LTE integrando el IMS junto al servicio de MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Ser-vice) [18]. El IMS se implementa para controlar las sesiones, proporcionar la admisión a la red y el control de políticas, mientras que el MBMS se utiliza para la entrega de contenido multimedia a través de portadoras de multidifusión y difusión a múltiples usuarios dentro de la misma zona de cobertura [17]. Sin embargo, no se consideró la inclusión de una entidad de gestión del servicio.

En consecuencia, los trabajos encontrados en la literatura se diferencian de esta investigación puesto que aquí se propone y analiza una arqui-tectura funcional para orientar la implementación del servicio Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A con el objetivo de garantizar la calidad de los con-tenidos entregados a los usuarios y la adecuada gestión del servicio.

III. CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE SERVICIOS

DE Mobile IPTV

A. Definición de Mobile IPTV

En las redes móviles la IPTV se enmarca bajo el concepto de Mobile IPTV, que se define como una tecnología capaz de permitir a los usuarios la transmisión y recepción de tráfico multimedia que incluyen señales de televisión, video, audio, texto e imágenes por medio de redes cableadas o inalámbricas basadas en el IP con QoS, QoE, seguridad, movilidad e interactividad [19]. Con Mobile IPTV los usuarios pueden disfrutar de la televisión digital (TD) y los servicios relacionados en cualquier lugar, a cualquier hora y sobre cual-quier dispositivo, inclusive mientras están en mo-vimiento [20].

Cabe señalar, que la IPTV es diferente de las soluciones de televisión sobre Internet, debido a que esta última permite a los usuarios ver videos o canales de televisión en un entorno del mejor esfuerzo, mientras que en los sistemas de IPTV es requisito que el servicio y la red sean debida-mente gestionados y controlados para asegurar la calidad en los contenidos entregados [21] [22].


La implementación de la IPTV está definida por una cadena de valor conformada por el pro-veedor de contenidos, el proveedor del servicio, el operador de red y el usuario final [23]. En este contexto, el material audiovisual generado por el proveedor de contenidos es multiplexado con otros contenidos multimedia y aplicaciones interactivas, para posteriormente ser transmiti-do por la red IP del operador de red [24]. Del lado del usuario, este debe disponer de un dis-positivo que le permita la recepción y decodifi-cación de los canales de TD y ejecución de las aplicaciones interactivas [24].

B. Clasificación de los servicios de IPTV

La UIT clasifica a los servicios de IPTV en tres categorías: básicos, selectivos mejorados, e interactivos [25]. Los servicios básicos están conformados por canales de audio, canales de audio y video (A/V), y canales de A/V con datos. Estos se emiten por difusión y pueden ser en alta definición (HD, High Definition) o en defini-ción estándar (SD, Standar Definition) [25].

Los servicios selectivos mejorados abar-can la difusión de video cercano a la demanda (Near VoD, Near Video on Demand), el VoD real (Real VoD), la guía de programación electrónica (EPG, Electronic Program Guide), la grabadora de vídeo personal (PVR, Personal Video Recor-der), entre otros. Esta categoría ofrece servi-cios de IPTV más avanzados que los servicios básicos puesto que están destinados a mejorar la comodidad del usuario y a proporcionar una amplia gama de contenidos A/V que pueden ser seleccionados por usuario según sus preferen-cias [25].

Finalmente, se tienen los servicios inte-ractivos de IPTV como: T-information (noticias, tiempo, tráfico, y otros), T-commerce (compras, subastas, y transacciones bancarias, entre otros), T-communication (correo, video telé-fono, mensajería y demás), T-entertainment (juegos, blog, etc.), y T-learning (educación primaria, intermedia, secundaria y superior) [25]. Estos servicios requieren de un canal de comunicaciones bidireccional para que el usuario pueda interactuar con los contenidos multimedia mediante las aplicaciones interac-tivas de forma tal que puedan personalizar el contenido que desean ver.

C. Retos para la implementación de Mobile IPTV.

La implementación de sistemas de Mobile IPTV debe superar varios desafíos antes que los servicios asociados sean ampliamente desplega-dos y utilizados. Entre los retos más importantes que deben ser abordados por parte de los provee-dores del servicio y los operadores de red están: • Propagación en el enlace inalámbrico: se pre-

sentan errores en la transmisión, shadowing, fading, reflexiones temporales, interferencias y obstáculos que causan una reducción en el nivel de potencia de recepción y aumento en la pérdida de paquetes de ráfagas lo que afec-ta calidad de la recepción de contenidos de IPTV [26].

• Velocidad de transmisión de datos del enlace inalámbrico: el incremento en el tráfico de da-tos móviles limita la capacidad de la red para mantener la tasa de datos mínima para la en-trega de servicios de IPTV [26].

• QoS y QoS: los parámetros de desempeño de la red como velocidad de transmisión, re-tardo, jitter y pérdida de paquetes deben ser mantenidos dentro de los niveles aceptables para el despliegue de sistemas de IPTV [4].

• Cobertura del servicio: la dificultad para im-plementar una red móvil que cubra todas las áreas geográficas puede conllevar como solu-ción la habilitación del handover vertical entre redes heterogéneas cada una de las cuales tiene recursos diferentes que pueden afectar el manejo de los flujos asociados a la IPTV [26].

• Multiplicidad de equipos de usuario (UE, User Equipment): en el mercado existen distin-tos equipos para acceder al servicio de IPTV como TV, computadores, smartphones y ta-blets, que ofrecen capacidades diferentes en procesamiento, almacenamiento, tamaño y resolución de pantalla lo que impacta directa-mente en la visualización de los contenidos e interfaces de usuario [26].

• Retardo de inicio de reproducción de conte-nidos: se genera por el tiempo que tardan los equipos de los usuarios en unirse a la red, el tiempo de llenado del buffer de los UE re-ceptores, y el tiempo de decodificación de los contenidos de A/V. Esta característica afecta


la experiencia de los usuarios en el uso de servicios de IPTV [27][28].

• Tiempo de conmutación de canal (zapping time): impide que el cambio de canal sea rá-pido y ágil. Corresponde al tiempo necesario para recibir una trama que permita comenzar el proceso de decodificación del nuevo canal y se debe al retardo introducido por el protocolo de multicast, al retardo en el buffer y el retar-do de decodificación [28].

• Mercados de consumo: Existe la posibilidad de la baja demanda por parte de los consumi-dores debido a la visualización de la IPTV en pantallas pequeñas, por ello se requiere de un modelo de negocio con servicios de IPTV innovadores e interfaces de usuario atracti-vas [26].

Regulación y normatividad: la regulación exis-tente para el despliegue de Mobile IPTV es escasa y aun no se tiene una normatividad clara al res-pecto toda vez que se trata de un servicio novedo-so y que aun no ha sido ampliamente desplegado.

D. Capas de la arquitectura

La arquitectura funcional para la implementa-ción de Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A que se propone está orientada a garantizar la calidad de los contenidos entregados a los usuarios y la adecuada gestión del servicio. La arquitectura se basa en capas, las cuales cumplen con funciones bien definidas y ofrecen servicios entre sí. En la Fig. 1 se presenta la arquitectura funcional de alto nivel.

Fig. 1. ARQUITECTURA FUNCIONAL DE ALTO NIVEL

Fuente: autores del proyecto

1) Capa de Acceso: corresponde a la Red de Acceso por Radio Terrestre Universal - Evoluciona-da (E-UTRAN, Evolved - Universal Terrestrial Radio Access Network) de las redes LTE/LTEA. La E-

UTRAN está compuesta por una malla de nodos B evolucionados (eNB), los cuales son una especie de estaciones base distribuidas a lo largo del área de cobertura de red. Un eNB define una celda y servirá a múltiples UE que se encuentren en su zona de influencia. Pero un UE sólo puede estar conectado a un único eNB al tiempo [27].

La arquitectura de protocolos de la red E-UTRAN se da tanto para el plano de control como para el plano de usuario. En el Plano de Control (CP, Control Plane) está el protocolo NAS (Non-Access Stratum) y el protocolo para el Control de Recursos de Radio (RRC, Radio Resource Control) tal y como se muestra en la Fig. 2 [30]. El protoco-lo NAS comunica al UE con la Entidad de Gestión de la Movilidad (MME, Mobility Management Enti-ty) y se usa en el enganche de los UE a la red, en la autenticación, en la gestión de las portadoras del EPC y en el manejo de la movilidad [31]. Entre tanto, el protocolo RRC es usado para la difusión de información, la búsqueda (paging) de UE, el es-tablecimiento y mantenimiento de las portadoras de radio, la gestión de la conexión RRC, la trasfe-rencia del contexto de UE durante el handover y para los reportes de medidas como la Información de la Calidad del Canal (CQI, Channel Quality Infor-mation) desde el UE [32].

Fig. 2. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE CONTROL

Fuente: [30].

El Plano de Usuario (UP, User Plane) la capa de acceso consta de la pila de protocolos presentada en la Fig. 3 como: Protocolo de Convergencia de Paquetes de Datos (PDCP, Packet Data Conver-gence Protocol), Control del Enlace de Radio (RLC, Radio Link Control), Control de Acceso al Medio (MAC, Media Access Control) y física (PHY) [30]. El protocolo PDCP permite la compresión de los encabezados IP basada en la Compresión de En-cabezados Robusta (ROCH, Robust Header Com-pression), el cifrado y la protección de la integri-


dad de los datos transmitidos [33]. La subcapa RLC tiene a cargo la segmentación y concatena-ción de los paquetes de datos, y el manejo de las retransmisiones mediante Solicitudes de Repeti-ción Automática (ARQ, Automatic Repeat reQuest) [34]. Por su parte, la subcapa MAC se encarga del manejo de las retransmisiones ARQ Hibridas (HARQ, Hybrid ARQ), del mapeo entre los canales lógicos y de transporte, de la programación del tráfico de los enlaces ascendente y descendente, de la multiplexación de los UE, de la identificación del servicios MBMS y de las selección del formato de transporte [35].

Fig. 3. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE USUARIO

Fuente: [30]

La capa PHY es la responsable de la protección de datos de los errores del canal mediante el uso de esquemas de Modulación y Codificación Adap-tativas (AMC, Adaptative Modulation and Coding) según las condiciones del medio de transmisión. También mantiene las frecuencias y el tiempo de sincronización, realiza mediciones de las caracte-rísticas del canal de radio y su respectivo informe a las capas superiores, ejecuta funciones de pro-cesamiento de radio frecuencia (RF) incluida con-figuración de antenas, modulación, demodulación y transmisión por diversidad [30]. En la Tabla I se resumen las principales características de la capa PHY para las redes LTE/LTE-A.

TABLA ICARACTERÍSTICAS DE LA CAPA PHY EN LAS REDES LTE/LTE-A

Características LTE LTE-A

Esquema de acceso UL SC-FDMA

DL OFDMA

Ancho de banda de RF 20 MHz 100 MHz

Tasa de bits pico DL 300 Mbps 1 Gbps

UL 75 Mbps 500 Mbps

Modulación QPSK, 16QAM, 64QAM

Multiplexación espacial MIMO

Fuente: autores del artículo

2) Capa de Transporte: está conformada por el núcleo de paquetes evolucionado (EPC, Evolved Packet System) de las redes LTE/LTE-A, el cual proporciona al sistema de IPTV un núcleo All-IP, con las capacidades de ofrecer calidad del servi-cio y acceso desde cualquier lugar y dispositivo incluso si el usuario esta en movimiento.

Las principales funciones de esta capa son la gestión la movilidad de los UE (en el momento del handover dentro de la misma red o en el handover vertical), el acceso a diferentes servicios ofrecidos por el proveedor (voz, video y datos), la conexión a sistemas 3GPP y aquellos que no lo son, la conec-tividad IPv4/IPv6, la administración de las políti-cas de QoS y de carga, y los mecanismos para la oferta de servicios MBMS [30].

Los elementos de red que integran al EPC son la entidad de gestión de la movilidad (MME), la puerta de enlace del servicio (S-GW, Serving Gateway), la puerta de enlace a la red de pa-quetes de datos (PDN-GW, Packet Data Network Gateway), la entidad encargada de las políticas y reglas de carga (PCRF, Policy and Charging Rules Function) y los elementos para ofrecer servicios de MBMS [30].

3) Capa de Control: tiene como base al núcleo del IMS [37] que otorga así a la arquitectura de IPTV el registro de usuarios y mecanismos AAA, la gestión de las suscripciones, la centralización de los perfiles del usuario, flexibilidad en las políticas del usuario, la personalización de servicio, la ges-tión de sesiones, enrutamiento, el lanzamiento de servicios, numeración, interacción con los facili-tadores de servicio NGN (presencia, mensajería, gestión de grupos, y otros), movilidad, calidad de servicio, control de portadoras y una solución uni-ficada de tasación y facturación [15].

Además, la inclusión de IMS en la arquitectura aporta en la adaptación de los flujos de la IPTV a los recursos de la red y a las capacidades de los UE. De este modo los usuarios pueden acceder al servicio de IPTV desde cualquier lugar, a cualquier hora y sobre cualquier dispositivo, inclusive mien-tras están en movimiento. El IMS también permi-te el control flexible del servicio de IPTV debido al que el manejo de sesiones se basa en el Pro-tocolo de Inicio de Sesión (SIP, Session Initiation Protocol) [15]. Otro escenario para los servicios de IPTV basados en IMS está en traspaso de las se-siones entre diferentes dispositivos con lo cual el


usuario podrá continuar observando el contenido así cambie de UE.

La capa de control está constituida por las en-tidades para el control de sesiones de llamada (CSCF, Call Session Control Funtion), y se utilizan para el establecimiento de las sesiones multime-dia entre los usuarios y para preparar la entrega de los servicios solicitados según las caracterís-ticas de la sesión del usuario [15]. Dichas ca-racterísticas como el perfil de usuario, políticas, suscripciones, preferencias, entre otros, se alma-cenan en el servidor de suscripción local (HSS, Home Subscription Server).

4) Capa de servicios y aplicaciones: Entre sus objetivos están almacenar y adquirir los diferentes contenidos de A/V, formar la parrilla de programa-ción, integrar las aplicaciones interactivas con los canales de televisión, emitir y controlar los flujos del servicio de IPTV, y atender el diálogo de control de reproducción de contenidos (iniciar, pausar, detener, avanzar y retroceder) y de interactividad con las aplicaciones [38].

Los principales componentes de esta capa son las entidades para el descubrimiento servicios (SDF, Service Selection Function) y la selección de servicios (SSF, Service Selection Function), la enti-dad para el control del servicio de IPTV (SCF, Ser-vice Control Funtion) y la entidad encargada de la entregar (MDF, Media Delivery funtion) y contro-lar (MCF, Media Control Funtion) los contenidos multimedia.

5) Capa de gestión: proporciona funciones de gestión y comunicaciones para la operación, ad-ministración y mantenimiento de la red móvil y el

aprovisionamiento del servicio de IPTV. Dentro de las funciones de la gestión de red se considera la gestión de la configuración y activos del servicio; la gestión de eventos con el objetivo de asegurar su correcto funcionamiento y ayudar a prever inci-dencias futuras; la gestión de incidentes que afec-ten la calidad del servicio y su restauración en el menor tiempo posible; la gestión de problemas y errores frecuentes que degradan la calidad del servicio; el monitoreo del desempeño a nivel de red; la gestión de la seguridad al tomar acciones apropiadas para prevenir accesos no autorizados a la red; y el control de cambios para la provisión, cese o modificación de la capacidad de la red para el soporte de los servicios [39].

Por su parte, la gestión del servicio se relacio-na con los aspectos contractuales de los servicios ofrecidos a los clientes. Entre sus tareas están la atención al usuario y gestión de las solicitudes que realicen; la interacción y negociación con pro-veedores de servicios; el mantenimiento de los acuerdos de nivel de servicio y del portafolio de servicios [39].

6) Proveedor de Contenidos: es la entidad pro-pietaria de los contenidos o es la poseedora de la licencia para vender los activos de los mismos. Su función es la producción y entrega de conteni-dos los cuales pueden ser videos, audios, datos, texto y aplicaciones interactivas. Forman parte de los proveedores de contenidos los programadores de canales de TV satelitales o terrestres, los pro-ductores de programas de TV, las bases de datos de contenidos (series y películas), las empresas de desarrollo de software y otros proveedores de contenido [12].

Fig. 4. ARQUITECTURA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE MOBILE IPTV SOBRE REDES LTE/LTE-A

Fuente: autores del aríiculo


E. Descripción detallada de la arquitectura

Los principales componentes de la arquitectu-ra propuesta para la implementación del servicio de IPTV sobre redes LTE/LTE-A se muestran en detalle en la Fig. 4 y se describen a continuación.

1) Equipos de usuario (UE): realizan la identi-ficación de los usuarios, la decodificación de los contenidos, despliegue de las imágenes, repro-ducción del audio y ejecución de las aplicacio-nes interactivas que conforman los servicios de IPTV. El UE contiene el módulo de identificación de suscriptor universal (USIM, Universal Subs-criber Identity Module) con la información de autenticación para acceder a la red. Del mismo modo, el UE monitorea el rendimiento del canal de radio y transmite al eNB la CQI, soporta la in-terfaz de radio LTE/LTE-A para el enlace ascen-dente y descendente, y se encarga de mapear el tráfico del enlace ascendente en las clases de tráfico [40].

2) Nodos B evolucionados (eNB): realizan múltiples funciones en el CP como la gestión de recursos de radio (RRM, Radio Resource Manage-ment), incluido el control de las portadoras de ra-dio, el control de admisión a los recursos de radio, la gestión de la movilidad (MM, Mobility Manage-ment) y la planificación del enlace ascendente y descendente. Adicionalmente en el UP el eNB se encarga de la compresión de encabezado IP y ci-frado de flujo de datos de usuario; de la selección de la MME; del renvío de datos desde el UE hacia la S-GW; de la programación y transmisión de in-formación de búsqueda (paging) originada desde la MME y de la información de operación y mante-nimiento [30].

3) Entidad de gestión de la movilidad (MME): es el elemento esencial para el control de acceso al EPC de las redes LTE/LTE-A. El MME se encarga de la señalización NAS para soportar la movilidad de los UE (handover dentro de la red LTE o hando-ver vertical) y los procedimientos para la gestión de las sesiones (establecer y mantener la conec-tividad IP entre el UE y el PDN GW), del mismo modo provee la seguridad a la señalización NAS. El MME también se encarga de la autenticación de los usuarios (mediante la interacción con el HSS), de la gestión de los perfiles de suscripción y de la conectividad a los servicios mediante la selección del S-GW y del PDN-GW para un UE al

iniciar la conexión o mantener la conectividad en movilidad de los UE [30].

4) Puerta de enlace de servicio (S-GW): Su principal función es la gestión y la conmutación de los paquetes de datos del usuario. El S-GW ac-túa como soporte de la movilidad en el plano de usuario durante los handover entre eNB de la mis-ma red y como soporte para la movilidad entre la red LTE y otras tecnologías 3GPP. En el estado de reposo de los UE, el S-GW termina la ruta de da-tos del enlace descendente y activa la búsqueda cuando llegan datos para el UE. El S-GW gestiona y almacena los contextos de los UE, por ejemplo, los parámetros del servicio de la portadora IP y la información de enrutamiento de la red interna. Además, efectúa la marcación de paquetes a ni-vel de transporte en el enlace descenderte y as-cendente, monitorea los datos y los recolecta para propósitos de contabilidad y de carga al usuario, y realiza la interceptación de comunicaciones legal [30].

5) Puerta de enlace de la red de paquetes de datos (PDN-GW): proporciona conectividad IP de los UE hacia las redes de paquetes de datos ex-ternas y servicios siendo el punto de entrada y salida del tráfico para el UE. Un UE puede tener una conectividad simultánea con más de un PDN-GW para acceder a múltiples redes de paquetes de datos. El PDN-GW lleva a cabo la asignación de direcciones IP, la aplicación de políticas, el filtrado de paquetes para cada usuario, el soporte de car-ga, la marcación paquetes a nivel de transporte en el enlace descenderte, la interceptación legal y la detección de paquetes. Otra función clave de la PDN-GW es la de apoyar la movilidad de usuarios en cualquier caso del handover [30].

6) Función de políticas y reglas de carga (PCRF): es el elemento de red responsable de asignación y definición de las reglas de políticas y control de carga (PCC, Policy and Charging Con-trol). Este componente lleva a cabo las decisiones sobre cómo manejar el servicio en términos de QoS, además ofrece información al PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) ubicado en el PDN-GW, o si es necesario al BBERF (Bearer Binding and Event Reporting Function) localizado en el S-GW para el establecimiento de las portado-ras y las políticas adecuadas a los flujos del ser-vicio según los requisitos de desempeño [41]. Las portadoras y políticas permiten que la red pueda


identificar los flujos de paquetes asociados a un servicio para dar el tratamiento preferente y con ello garantizar los recursos necesarios para man-tener la calidad en el servicio.

Es de tener en cuenta que el PCRF únicamente aplica las reglas PCC a los flujos de servicios de unidifusión y no a los multidifusión y difusión [41], razón por la cual en entornos de IPTV los servicios que serán beneficiados por las reglas definidas en el PCRF son los servicios de VoD los cuales se ma-nejarán diferenciadamente del resto de servicios conforme las reglas así lo definan.

7) Servidor de suscripción local (HSS): Es una base de datos que almacena todos los datos de los usuarios y registra la ubicación del usuario en la red. El HSS almacena el perfil del suscriptor el cual contiene información sobre los servicios que pueden ser utilizados por el usuario según lo con-tratado son el proveedor del servicio (paquetes de datos, servicios de IPTV, telefonía, roaming, etc.). Además almacena los vectores de autenticación y las claves de seguridad para cada UE [40].

8) Proxy-CSCF (P-CSCF): Es un servidor SIP que actúa como la puerta de entrada al sub-sistema IMS desde la red LTE/LTE-A. Los principales ob-jetivos del P-CSCF son garantizar la señalización entre la red y los suscriptores y la asignación de los recursos para los flujos multimedia por medio de la interacción con el subsistema de control de admisión y recursos (RACS) [37]. En la arquitectu-ra el P-CSCF se conecta con el PCRF para la asig-nación de las reglas PCC a los flujos de servicios asociados a la IPTV. Por tanto, a través del P-CSCF, el IMS puede controlar la operación de la capa de transporte que para este caso corresponde a los servicios portadores del EPS.

9) Serving-CSCF (S-CSCF): Es la principal enti-dad de control dentro del IMS puesto que actúa como servidor de registro SIP (SIP Registrer). Este componente procesa los registros de los usuarios y almacena su ubicación actual, también es el res-ponsable de la autenticación de los usuarios y la gestión de las sesiones. Las políticas del suscrip-tor almacenadas en el HSS controlan las operacio-nes realizadas por el S-CSCF para un suscriptor en particular [37].

10) Interrogating-CSCF (I-CSCF): Es un servidor SIP que actúa como puerta de entrada de la se-ñalización SIP proveniente de redes externas por

ejemplo la consulta a los servidores de nombres de dominios (DNS). El I-CSCF consulta al HSS para descubrir el S-CSCF apropiado para el usuario. [37].

11) Entidad de descubrimiento y selección de servicios (SDF/SSF): El SDF brinda la información que se requiere para que un UE pueda identificar los servicios de IPTV disponibles (descubrimiento de servicios personalizados). En la arquitectura uno o varios SSF pueden utilizarse para propor-cionar la información del servicio y las preferen-cias de los usuarios para que con ello los servicios puedan ser seleccionados por los usuarios [15].

12) Entidad para el control del servicio de IPTV (SCF): Maneja las solicitudes y la ejecución de ser-vicio, además controla las sesiones para todos los servicios de IPTV. Las tareas generales de un SCF son el inicio de sesión y control de los servicios de IPTV; la interacción con el núcleo IMS y el S-CSCF para recibir, validar y realizar peticiones de servi-cios de IPTV realizadas por los usuarios; la auto-rización del servicio y validación de las peticiones del contenido seleccionado por el usuario con base a la información de su perfil; la selección de las funciones relevantes de control/entrega de los contenidos de IPTV; la personalización de la ex-periencia del usuario y el control del crédito [15].

13) Entidad multimedia de IPTV (MDF/MCF): Desempeña funciones para la entrega y el con-trol de los contenidos multimedia asociados a la IPTV. Las funciones del MDF son el manejo de la entrega de los flujos multimedia usando el Proto-colo de Tiempo Real (RTP, Real Time Protocol); el almacenamiento de los contenidos multimedia e información del servicio; el procesamiento, codifi-cación y decodificación de contenidos multimedia en varios formatos y la protección de contenido [15].

Entre tanto, las principales actividades realiza-das por el MCF son la selección de los servidores de MDF; la transmisión de los contenidos por las redes de transporte y el control del activo en la entrega de los contenidos; la aplicación de políti-cas para la distribución y gestión de contenidos; el mapeo de la identificación del contenido y su ubi-cación en el MDF; la interacción con el UE median-te el uso de comandos RTSP para la reproducción del contenido; la recopilación de información esta-dística sobre el uso del servicio y la generación de información de facturación [15].


14) Servicio de multidifusión y difusión multi-media (MBMS): En las redes LTE/LTE-A el servicio MBMS ofrece un modo de distribución punto-mul-tipunto como una alternativa valiosa a la unidifu-sión cuando un gran número de usuarios acceden simultáneamente al mismo contenido. Por ejem-plo, durante la transmisión en vivo de un progra-ma de televisión muchos flujos serian enviados individualmente con el mismo contenido a los usuarios. Pero con la multidifusión se toma venta-ja de las cualidades inherentes de la difusión en las redes inalámbricas, puesto que permite enviar el mismo contenido una sola vez a igual número de usuarios [42]. En este escenario, la multidifu-sión hace más eficiente el uso del espectro y redu-ce los costos por bit [42].

La activación del servicio MBMS se logra con la inclusión de un mínimo de elementos como el Centro de Servicios de Multidifusión/Difusión (BM-CS, Broadcast/Multicast Service Center), la puerta de enlace del MBMS (MBMS-GW, MBMS Gateway) y la Entidad de Coordinación de multidi-fusión para múltiple celdas (MCE, Multi-cell/multi-cast Coordinating Entity). Gráficamente, en la Fig. 5 se puede observar la interconexión de dichos elementos en la red LTE/LTE-A.

Fig. 5 ARQUITECTURA LÓGICA DEL SERVICIO MBMS

Fuente: [30]

El MB-SC se encarga de la programación de un servicio MBMS, del anuncio del servicio a los UE; de la autorización de usuarios, de la asignación de portadoras de identificación del servicio, y la inicialización y terminación de las portadoras de

recursos de MBMS. El MB-SC puede ser el punto de contacto directo con el proveedor del servicio. Entre tanto, la MBMS-GW permite enviar los pa-quetes IP de multidifusión a todos los eNB que for-man parte de servicio MBMS, también realiza el control de la señalización de las sesiones MBMS hacia la red E-UTRAN usando una interfaz a la en-tidad MME.

Finalmente la entidad MCE, que corresponde a una función lógica y puede residir en otro ele-mento de la red como en un eNB, realiza el con-trol de admisión, la asignación de los recursos de radio en toda la red de multidifusión/ difusión de frecuencia única (MBSFN, Multimedia Broadcast Multicast Service Single Frequency Network), de la señalización del control de la sesión, y toma de-cisiones sobre la configuración de los enlaces de radio [30].

Gestión de la calidad de servicio en redes LTE/LTE-A

Los sistemas LTE/LTE-A proporcionan a los UE un servicio de conectividad IP a las redes de pa-quetes externas como por ejemplo a Internet o a una Intranet corporativas. El servicio de conecti-vidad IP se denomina conexión PDN y se caracte-riza por una dirección IP única a través de la cual el UE opera en la red externa. Las redes externas se identifican mediante una etiqueta denominada Access Point Name (APN). De esta forma para el establecimiento de una conexión PDN entre un UE y una red externa se utiliza el parámetro APN para determinar una PND-GW o varias PND-GW que ofrecen los servicios solicitados por el usuario. Un UE puede establecer múltiples conexiones PDN simultáneas [43].

El servicio de conectividad IP de las redes LTE/LTE-A soporta calidad de servicio (QoS). De esta forma, el trato que reciben los paquetes IP de una determinada conexión PDN puede adaptarse a las necesidades de transmisión de los servicios a los que accede el usuario en aspectos como veloci-dad de transmisión, retardo y tasa de pérdidas de paquetes. En este contexto, es importante tener en cuenta que a través de las redes LTE/LTE-A se pueden proporcionar servicios de diferente índole que no requieren los mismos recursos de trans-misión. Por tanto, la adaptación de la QoS de las conexiones PDN a las características de los ser-vicios permite que la red LTE/LTE-A proporcione una buena experiencia de uso a los usuarios a la


vez que posibilita una gestión eficiente de los re-cursos de transmisión puesto que se reservan los recursos estrictamente necesarios para satisfacer los objetivos de calidad de servicio [43].

La forma de gestionar la calidad de servicio en las redes LTE/LTE-A se estructura en torno a la definición de lo que se denomina servicio por-tador EPS (EPS Bearer Service). Un servicio por-tador EPS realiza la transferencia de paquetes IP que tienen asociados unos parámetros de QoS y la plantilla TFT (Trafic Flow Template), que es uti-lizada para seleccionar el flujo de paquetes IP al que debe proveerse QoS. En este sentido, todos los paquetes IP asociados a un determinado ser-vicio portador EPS reciben el mismo trato de QoS en la red [43].

La activación, modificación y desactivación de los servicios portadores EPS se controla desde las redes LTE/LTE-A con base a los datos de subscrip-ción del usuario y/o a las políticas de uso recibi-das desde el sistema PCC. Para los sistemas de IPTV esta característica es determinante para ga-rantizar los recursos necesarios y con ello brindar la QoS manteniendo los parámetros de desempe-ño dentro de los niveles aceptables. Los procedi-mientos principales relacionados con la gestión de sesiones son [43]:

1) Procedimiento de registro (Network Attach): A través de este procedimiento se establece el servicio de conectividad IP que ofrece la red LTE/LTE-A. Existen diferentes variantes del procedi-miento de registro en función de si la red de acce-so utilizada es E-UTRAN o cualquiera de las otras redes de acceso alternativas 3GPP y no 3GPP con-templadas.

2) Procedimiento de petición de servicio (Servi-ce Request): El modelo de servicio ofrecido por las redes LTE/LTE-A permite que un usuario en modo ocupado (sin una conexión a E-UTRAN) manten-ga abiertos los servicios portadores EPS en la red troncal. Este procedimiento permite una reactiva-ción rápida del plano de usuario cuando el termi-nal pasa de ocupado a conectado.

3) Petición de conexión PDN solicitada por el terminal (UE Requested PDN Connectivity): Las re-des LTE/LTE-A permiten que el UE inicie el proceso de establecimiento una conexión PDN adicional a la conexión PDN establecida en el proceso de re-gistro.

4) Activación, modificación y desactivación de los servicios portadores EPS dedicados (EPS Bea-rer Activation/Modification/Deactivation): La ges-tión de los servicios portadores EPS dedicados es uno de los pilares de la gestión de sesiones en la red LTE. La activación y modificación de estos ser-vicios puede estar vinculada al control dinámico de QoS ofrecido por el subsistema PCC.

5) Modificación del servicio portador solicita-da por el terminal (UE requested bearer resource modification): Este procedimiento permite que el terminal pueda solicitar cambios en los servicios portadores que le ofrece la red. Los cambios pue-den ser a nivel de los parámetros de QoS como en los filtros de paquetes que determina la composi-ción del tráfico agregado en un servicio portador. Si la solicitud de modificación realizada por un UE es aceptada por la red, ésta procede a iniciar los mecanismos pertinentes de activación, modifica-ción y/o desactivación de los servicios portadores EPS (el control sigue teniéndolo la red, pero en este caso, atendiendo a una petición proveniente del UE).

IV. CONCLUSIONES

Las características técnicas de las redes LTE/ LTE-A las perfilan como las tecnologías capaces de soportar el despliegue de la Mobile IPTV toda vez que se constituyen en la evolución de las re-des de 3G, con en un núcleo de red All-IP, capaces de ofrecer altas velocidades de acceso, mejorar la eficiencia espectral, reducir el retardo y proporcio-nar calidad del servicio.

La adecuada gestión de mecanismos y políti-cas de calidad de servicio permitirán que la red LTE/LTE-A pueda identificar los flujos de paquetes asociados a un servicio para dar el tratamiento preferente y con ello garantizar los recursos ne-cesarios con el propósito que los parámetros de desempeño de la red estén dentro de los niveles aceptables para la entrega de servicios de Mobile IPTV.

La arquitectura propuesta para la implementa-ción de servicio de Mobile IPTV en redes LTE/LTE-A se basa en el uso del IMS como componente esencial para el control de sesiones, el lanzamien-to del servicio, mecanismos AAA, la aplicación de políticas, el control de admisión y la gestión de recursos. También se plantea la inclusión del ser-


vicio de multidifusión y difusión de multimedia (NMBS) de as redes LTE/ LTE-A para lograr optimi-zar el uso del espectro radioeléctrico y de ancho de banda, logrando con ello ampliar la cobertura de usuarios del servicios básicos de Mobile IPTV.

TRABAJOS FUTUROS

La arquitectura propuesta permitirá la defini-ción de un modelo de red LTE en el cual se simu-lará el tráfico generado por un servicio de Mobile IPTV con el objetivo de evaluar los principales pa-rámetros de desempeño de la red ante distintas configuraciones.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo presentó los resultados parciales de la de tesis de Maestría en Ingeniería – Teleco-municaciones: Marco de Referencia Técnico para el Despliegue del Servicio de IPTV sobre Redes Móviles LTE (Long Term Evolution) con Calidad de Servicio (QoS), la cual es desarrollada en el Grupo de Investigación en Teleinformática de la Universi-dad Nacional de Colombia – GITUN.

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Resumen— En este trabajo se expone la implemen-tación de estructuras de datos en el desarrollo de un parseador que permite la interpretación de archivos XPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) en su versión 2.2, mediante multilistas. Junto con el metamodelo propio del XPDL se busca solucionar una problemáti-ca en la interpretación del esquema XML, permitiendo un correcto almacenamiento de los elementos bajo el lenguaje Objective C para iOS, con el cual se pretende innovar en el campo de las plataformas móviles que hacen uso del lenguaje estándar BPMN (BusinessPro-cessModeling Notation) para la representación de pro-cesos de negocio y que generan el XPDL. El objetivo principal de un XPDL es describir la información del flujo de datos del proceso mediante un esquema XML (Extensible MarkupLanguage).

Palabras clave— BPMN, GDataXML, Objective C, Par-ser, Procesos de Negocio, XPDL.

Abstract— With the creation of the standard langua-ge BPMN(Business Process Modeling Notation) used to represent business processes, the XPDL(XML Pro-cess Definition Language) is generated, which descri-bes the data flow information of the process using a XML(Extensible Markup Language) schema. This docu-ment shows the implementation of data structures on the development of a parser which allows the interpre-tation of XPDL files in the 2.2 version; using together multi-lists and the XPDL meta-model, the interpreta-tion of the XML schema problematic is pretended to be solved, allowing a correct storage of the elements. As an additional contribution, the development of the functional parser is made under the Objective C lan-

Multilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard

Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de XML para la definición de XPDL 2.2

en objective c para iOS

Daniel Iván Meza LaraIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia

Joven Investigador Grupo InnovaTIC, Universidad Piloto de Colombia

[email protected]

Leidy Andrea Ruiz RodríguezIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia


[email protected]

Óscar Elías Herrera BedoyaDoctor en Telecomunicaciones,

Universidad Politécnica de ValenciaDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC,

Universidad Piloto de [email protected]

guage for iOS, which is pretended to innovate in the mobile platform field.

Keywords— BPMN, GDataXML, Objective C, Parser, Bu-siness Process, XPDL.

I. INTRODUCCIÓN

En este artículo, se presenta un modelo para la implementación de estructuras de datos com-plejas que faciliten la generación de documentos XPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) [1], los cuales son generados de forma organizada por medio de un esquema conceptual definido por el metamodelo propio.

Con la apropiación del esquema conceptual se componen las jerarquías del XML (Extensible MarkupLanguage)[2], que basado en el-estándar XPDL 2.2, contiene la representación de los ele-mentos propios del modelado de procesos de ne-gocio bajo el lenguaje BPMN (Business Process-ModelingNotation)[3] cuya representación gráfica del ejemplo de un proceso se muestra en la Fig. 1.

La representación de los procesos de negocio por medio del BPMN dentro de un modelador, muestra la unión entre los objetos y las relaciones entre ellos de forma gráfica, a partir de esto se genera el XPDL en el cual se guarda, por medio

53Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de xml para la definición de xpdl 2.2 en objective c para ios - Meza, Ruiz, Herrera

de un esquema XML, todas las características pro-pias del proceso. (Ver Tabla I).

Fig. 1 EJEMPLO DE LA REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN PROCESO EN NOTACIÓN BPMN

Para la definición de los tipos de datos e in-clusión de cada elemento del BPMN dentro del esquema XML, se realiza un modelo preliminar que valide los elementos básicos del BPMN; la abstracción del modelo conceptual define de manera general cada elemento de flujo que pue-da presentarse dentro del proceso diagramado; posteriormente se realiza la ampliación y defini-ción de los tipos de objetos creando así un me-tamodelo.

El metamodelo generado contiene todos los elementos de flujo usados para la representación del BPMN, según cada elemento, se definen sus atributos propios y las relaciones entre objetos [4].

Con la conceptualización del esquema XML y según cada elemento propio del metamodelo [5] se construyen las estructuras de datos denomi-nadas multilistas que, al ser implementadas al esquema, buscan de forma sencilla acceder a los elementos y sus respectivos atributos; las multilis-tas se encargan de guardar las características de los objetos y sus atributos.

Las relaciones entre los objetos van de la mano con nodos establecidos para cada objeto, los cuales se encargan de enlazar los elementos padres (contenedores), por ejemplo los Pools, y los nodos hijo (contenido), por ejemplo, los Lanes, de esta manera se asegura que el XPDL creado cumpla con el estándar 2.2 y el esquema XML de-finido previamente; con esto se asegura que cada elemento incluido dentro del estándar BPMN, des-de un Pool hasta un elemento DataStore, cree un nodo índice propio y se conecte al elemento próxi-mo para construir la jerarquía del XPDL.

Como la estructura de XPDL se crea a partir del esquema XML, se deduce que en la platafor-

ma iOS la interpretación del archivo del XPDL 2.2 no tiene problema al iniciar el parseo del proce-so, por esta razón, al iniciar la implementación de dicho parseador se analiza sobre qué tipos de parsers pueden ser implementados en Objective C[6]. Para la creación del parser se toma como punto de partida el esquema XML definido para el estándar XPDL 2.2.

El analizador sintáctico que realiza el parseo, tanto de escritura como de lectura del documento con extensión XPDL usa el API para Google XML de uso exclusivo para Objective C denominado GDataXML[7], el cual permite el manejo de archi-vos de forma dinámica y sin alterar el rendimiento de la memoria en el dispositivo, lo cual es impor-tante al desarrollar aplicaciones para dispositivos móviles de Apple [8].

Para concluir con la implementación del par-seador se realizan pruebas tanto del rendimien-to y consumo de procesos dentro del dispositivo como de la ejecución del parseador XPDL.

II. ESQUEMA CONCEPTUAL XPDL

El lenguaje estándar XPDL fue desarrollado por WfMC (Workflow Management Coallition) [9] en 2001, cuyo objetivo principal es almacenar y modificar las características del diagrama del pro-ceso, dicho lenguaje permite por un lado leer y editar los procesos y por el otro ejecuta el modelo en un compilador de XPDL en una suite BPM [10].

A. Modelo preliminar BPMN

Tomando como base la diagramación del BPMN y la especificación actual del lenguaje XPDL, definida por WfMC para su nueva versión 2.2, se propone un esquema conceptual básico que especifica qué entidades y relaciones existen al momento de realizar la creación del XPDL.

Como primera instancia se tienen en cuenta todos los elementos que contiene el BPMN como notación (ver Fig. 2), de estos se parte un modelo inicial, dicho modelo abstrae de manera general, los elementos diagramados por medio del esque-ma BPD (Business ProcessDiagram)[11].

Obtenida la abstracción de los elementos usa-dos en el BPMN y establecidas relaciones entre ellos, el paso siguiente es crear el diagrama con-ceptual (ver Fig. 3), el cual conllevará a la creación del metamodelo propio del XPDL.


El modelo conceptual contiene, además de los elementos definidos del BPMN, el tipo de relacio-nes que se establecen entre los objetos, crean-do así un paquete llamado BPD, el cual mantiene cada elemento en un contenedor interno (Packa-ge); dependiendo de los elementos se establece una relación de acuerdo a cuantos elementos po-drían existir dentro del contenedor interno, para el caso de los Swimlanes, siempre iniciará en uno y no estará limitada la creación de elementos, por otro lado, para el elemento WorkFlowProcesses, la creación está limitada a uno, ya que solamente en un proceso diagramado habrá un flujo de eventos.

Fig. 2 MODELO PRELIMINAR BPMN

Fig. 3 DEFINICIÓN DEL MODELO CONCEPTUAL PARA XPDL

La definición del paquete permite la especifi-cación de un número de atributos de definición de elementos, los cuales serán aplicados en defini-ción de procesos individuales contenidos dentro del paquete.

A partir de la anterior definición del modelo conceptual del XPDL y mediante una abstracción profunda sobre cada elemento, se establece el metamodelo, en el cual se definen de manera in-dividual las relaciones entre cada tipo de objetos.

B. Metamodelo XPDL

El metamodelo [12] identifica las entidades y atributos para el intercambio, o almacenamiento del modelo de procesos, establece una serie de reglas de herencia para asociar una delimitación del proceso individual con definiciones de entida-des por especificación de participantes, los cua-les se establecen en el nivel de paquetes en vez del nivel de definición individual de procesos (ver Fig. 4).

Fig. 4 METAMODELO XPDL

La estructura jerárquica del metamodelo per-mite generar de manera estructurada la creación del parseador; posterior al anterior análisis se hace una representación gráfica y comparación entre dos lenguajes BPMN y XPDL.

III. IMPLEMENTACIÓN DEL parser

El lenguaje XPDL y BPMN son muy similares, se organizan en forma de organigrama [13], una for-ma simple de ver sus similitudes es mostrar gráfi-camente (ver Tabla I) elementos específicos en el código XPDL que representa un objeto gráfico en el proceso.


Tomando como ejemplo el XPDL generado por BizAgiModeler®, se muestra en la Tabla 1.

TABLA I REPRESENTACIÓN DE UN BPMN EN LENGUAJE XPDL. GENERADO POR

BIZAGI.

Conocido el modo de interpretación que le da el lenguaje Objective C al esquema XML y con un amplio conocimiento en la creación de métodos que abstraen la información presen-tada en los archivos XML, se debe programar de manera lógica la búsqueda de elementos internos y sus atributos, esto se logra median-te la implementación de un parser o analizador sintáctico que actúe de manera dual, ya que el parser debe interpretar y crear un archivo XPDL según el estándar en su versión 2.2.

El proceso para iniciar el parser XML, requie-re de la entrada de un archivo, el cual contiene el valor de cada elemento individual definido.

A. Definición de Parser

En iOS no existe propiamente un marco re-ferente a las definiciones XML como XML Docu-ments para aplicaciones ejecutadas en OSX [14], por tal razón es primordial crear un parseador pro-pio para la definición del XPDL; dado que existen diferentes librerías que permiten realizar el par-seo, se elabora una comparación entre estas, de igual manera se evalúa su rendimiento una vez

estén implementadas sobre el lenguaje Objective C(ver Fig. 9).

Un parser o analizador sintáctico lee el docu-mento XML y comprueba que esté bien escrito, adicionalmente puede ser usado para verificar su estructura[15].

Este parser puede ser de tipo SAX(Simple API for XML) o de tipo DOM(DocumentObjectModel), tal como se determina en [16]:• SAX: Parser en el cual el código es notificado

conforme se avanza dentro del árbol XML, y el programador se encarga de mantener en mente el estado y la construcción de cual-quier objeto que se quiera conservar mientras el parser avanza dentro del archivo.

• DOM: Parser que lee todo el documento y construye en memoria una representación en la que se puede hacer un query para saber la información dentro de distintos elementos.

Los parsers que analizamos en este trabajo y que se definen [16] son los siguientes:• NSXMLParser: Es un parser SAX incluido por

defecto con el iPhone SDK.• libxml2: Es una librería de código abierto que

se incluye por defecto con el iPhone SDK. Las librerías soportan el procesamiento de par-sers SAX y DOM. Es capaz de hacer parser a los datos a medida que son leídos.

• TouchXML: Es un parser DOM de estilo NSXML. Solo se pueden realizar lecturas de archivos.

• TBXML: Es un parser DOM ligero diseñado para ser tan rápido como sea posible mien-tras se consume lo mínimo de recursos de memoria. Salva tiempo porque no realiza va-lidaciones, no soporta XPath y solo se puede realizar lectura de archivos XML.

• GDataXML: Parser DOM de estilo NSXML, de-sarrollado por Google, que permite la manipu-lación sencilla de objetos dentro del XML.

Como la estructura del XPDL se crea a partir de un modelo XML, se deduce que sus nodos je-rárquicos son inalterables, así se hace más fácil la representación de cada elemento como objeto en el lenguaje de programación. De ante mano se sabe que cualquier lenguaje debe soportar la es-tructura del lenguaje XML, por ello inicialmente la interpretación del documento XPDL con la ayuda


de cualquiera de las librerías anteriores no fue un problema en el caso de la plataforma iOS, ya que iOS internamente maneja un archivo PList[17], que contiene una estructura propia XML, el cual representa cada elemento de la aplicación como un objeto.

B. Selección del parser.

Para la selección del parser se generaron una serie de pruebas, primero se decide que debe hacer el parser en una parte específica del do-cumento, por ejemplo, una compuerta, como un objeto en el XPDL.

Dentro de las pruebas realizadas se observa que entre más complejos son los archivos, los par-ser SAX no pueden ser utilizados, ya que se nece-sita leer el documento completamente para sólo buscar un elemento específico.

Ya que el parser de tipo SAX, no permite reali-zar búsquedas internas en el documento, se de-cide optar por un parser de tipo DOM, el cual es más ágil en la búsqueda de elementos y consume menos recursos, además accede a un nodo espe-cifico del árbol en el XPDL.

De los parsers de tipo DOM se descartan Tou-chXML y TBXML, ya que estos no permiten la es-critura de archivos XML y no son útiles para la im-plementación del diagramador.

Al implementar GDataXML, se observa que este parser incorpora libxml2 por defecto y permi-te realizar tanto la lectura como la escritura de ar-chivos XPDL, así como la búsqueda de elementos que se necesiten dentro del archivo.

Consideradas estas características y las Tablas en las que se hicieron las pruebas de velocidad (ver Fig. 8), se toma la decisión de usar el parser GDataXML de tipo DOM, ya que su tiempo de pro-ceso es mejor que la mayoría y además permite la escritura y lectura de archivos XML.

C. Parser XPDL con GDataXML.

Dentro de las clases del parser GDataXML, se encuentran implementados métodos que retor-nan elementos o atributos abstraídos del XPDL.

GdataXML provee dos interfaces, una de ellas es GDataXMLNode que contiene métodos priva-dos, los cuales obtienen los nodos del árbol que se genera al leer el archivo XPDL. Otra interface importante es GDataXMLElement que no sólo per-

mite crear una instancia que tiene la capacidad de navegar dentro de un tag (padre) o un grupo de tags permitiendo así la abstracción de atributos propios del nodo padre, sino que también permite crear y modificar un nuevo elemento dentro del XPDL.

Previo al parser, se crean las clases con atri-butos que representan cada elemento del BPMN, (ver Tabla 1), para esto fue necesario entender el metamodelo del XPDL (ver Fig. 4).

La primera labor del parseador es el manejo de la lectura e interpretación de un documento XPDL, para esto, se crea una clase que contiene el parser y se implementa el método que carga el archivo XPDL.

Para estar más seguros de los elementos que maneja el lenguaje XPDL, se crea un diccionario de datos, el cual contiene la definición de los obje-tos del lenguaje XPDL 2.2; posteriormente se defi-ne el XPath [18], este es el encargado de recorrer el árbol jerárquico del documento XPDL, que per-mite el despliegue de la ruta del objeto a parsear y accede a la información de los nodos atributos definidos en dicho documento.

Para realizar el recorrido de cada objeto den-tro del documento, se crea un elemento propio del parser, el cual por medio de ciclos, abstrae el valor de los atributos tanto del padre como de los hijos en cada nivel del XPDL. Dentro de esta clase se instancian los objetos (color azul) y sus atributos (color negro), que se usan en la repre-sentación gráfica del proceso. La siguiente figura describe el proceso de lectura que realiza el par-ser para la abstracción de atributos, de acuerdo al metamodelo del elemento Pool. (Ver Fig. 5).

Fig. 5. PROCESO DE LECTURA DEL PARSER PARA LA GENERACIÓN DEL POOL.


Posterior a la abstracción de los objetos y sus atributos, estos se almacenan dentro de un arre-glo que guarda al elemento hijo, este elemento se introduce en otra lista que representa al nodo pa-dre, creando así una lista doblemente enlazada. (Ver Fig. 6).

Fig. 6 ESTRUCTURA LISTA DOBLEMENTE ENLAZADA PARA EL NODO POOLS.

IV. IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS MULTILISTAS

De acuerdo con la jerarquía de nodos del XPDL y sus respectivos atributos, se realiza un análisis sobre qué tipo de estructura se adaptaría mejor al momento de parsear el documento XPDL.

Como primera instancia se opta por implemen-tar árboles de datos, dado que la jerarquía del XML está desarrollada por esta estructura y esto permitiría una fácil abstracción y creación de los objetos.

Con la implementación de los árboles y me-diante métodos de conservación para los nodos, en la lectura del documento XPDL no hubo pro-blema alguno. Mientras que en la creación de un nuevo documento, el esquema se creaba con no-dos vacíos, es decir, si en el proceso se establecía la creación de un Pool y ningún Lane, el método de generación que recorría el árbol de jerarquías le cargaba al elemento Pool un contenedor Lanes con su respectivo nodo Lane sin que dicho ele-mento hubiera sido creado; dicho de otro modo,

si el nodo es o no un espacio vacío, se toma como nodo significativo, de tal manera que no se cum-plía con el estándar del XPDL en su versión 2.2.

Observado lo anterior se decidió por optar por otro tipo de estructura, que concluya con la implementación de listas dobles o multilistas en-lazadas, que conectadas entre sí por medio del atributo id de cada elemento, permiten una fácil interpretación de los objetos y una apropiada eje-cución de los procesos.

Con la adopción de multilistas, el método de búsqueda permite acceder a la información de manera ordenada a través de campos claves, en este caso los nodos ID. Las multilistas permiten llegar a un registro por diferentes caminos. El ca-mino lo determina el campo clave sobre el cual se realice la búsqueda [19].

A. Creación de Multilistas

En la Fig. 6 se muestra de manera general, una matriz de objetos Pools, la cual representa la lista doblemente enlazada, esta tiene el objeto POOLS como padre, que contiene a POOL como hijo, que, a su vez, contiene a LANES, al igual que POOLS, LANES tiene el objeto LANE como hijo; que genera así una jerarquía de objetos. Cada hijo está en-cabezado por un ID, el cual es heredado por el padre, que permite la fácil búsqueda, el acceso a dicho objeto y sus respectivos atributos.

Para lograr el parseo en la multilista, el pri-mer elemento que se crea es el Pool, dado que es el contenedor de flujo del proceso; la multilista denominada POOLS tiene un nodo principal que la identifica llamado IDPool, este será el nodo conector de los elementos que están contenidos dentro del Pool.

De igual manera para el caso de los LANES, el nodo principal está dado por el IDPool, pero para la identificación del objeto se crea un nodo secun-dario denominado IDLane, el cual permite tener acceso a los atributos de este elemento.

Cada elemento, además, está conectado a otra multilista denominada NODEGRAPHICSIN-FOS, que contiene información referente al tama-ño, la posición de los elementos y se referencia con el ID de cada elemento creado.

Para lograr la creación del parser, inicialmente se evalúa la estructura propia del lenguaje están-dar XPDL con niveles propios del lenguaje en su


versión 2.2, la cual, agrupa objetos de manera in-dividual con sus atributos, coordenadas y demás especificaciones.

B. Estructuración del XPDL

Tomado como referencia y observada la crea-ción del archivo XPDL generado por BizAgiMode-ler® [20], cabe resaltar que la estructura generada no contiene un orden legible para el programador, ya que ordena los elementos por su posición, es decir, captura el valor de la coordenada X y genera los elementos de manera descendente.

Se realizaron documentos ejemplo de XPDL con cada tipo de elemento de BPMN, en los cua-les se observaba la jerarquía y la validez del do-cumento XPDL creados por el modelador BizAgi-Modeler; como resultado se obtuvo el árbol de jerarquías del proceso con sus elementos y atribu-tos (ver Tabla II).

En el siguiente ejemplo se toma el elemento de evento inicio, que bajo el estándar gráfico BPMN se representa por un círculo y su estructura en XPDL (ver Tabla II).

Tabla IIEstructura XPDL evento inicio

<WorkflowProcesses> <WorkflowProcess Id=”66”Name=”Proceso principal”> <Description /> <ActivitySets /> <Activities> <Activity Id=”3f” Name=””> <Event> <StartEvent Trigger=”None” /> </Event> <NodeGraphicsInfos> <NodeGraphicsInfo ToolId=”BizMobile”Height=”30” Width=”30”> <Coordinates XCoordinate=”55” YCoordinate=”130” /> </NodeGraphicsInfo> </NodeGraphicsInfos> </Activity> </Activities> </WorkflowProcess></WorkflowProcesses>

Según los aspectos funcionales anteriormen-te descritos, el paso siguiente es la codificación y creación del parseador XPDL.

V. CONFIGURACIÓN DEL parser EN objective c

El proyecto el cual contiene el parseador del XPDL, se crea en el entorno de desarrollo (IDE) de Objective C, llamado Xcode [21] en su versión 4.3.3.

En la configuración general del proyecto se rea-lizan ciertas modificaciones para que el parsea-dor funcione correctamente, en este punto entra Libxml2, una librería que se importa en la clase .h del parseador y llama dependencias propias del XML que permite la manipulación de los árboles, nodos y validación de los demás elementos del documento de XML.

Para la validación del documento utilizamos XPath [22], que por medio de los array, ayuda a fragmentar el documento XPDL dependiendo de la división de los tags (ver Fig. 7).

Los nodos que son abstraídos por el XPath, se pueden manipular como elementos individuales según la posición del Array; también es posible modificar el archivo XML y mantener las versiones de modificación.

Fig. 7 DECLARACIÓN DEL XPATH PARA EL ELEMENTO POOL.

NSArray *elementosPools = [docnodesForXPath:@”//fb:Pools/fb:Pool”namespaces:nserror:nil];

VI. RESULTADOS OBTENIDOS

Previo a la implementación del parseador y su ejecución, se realiza una interpretación completa de un archivo XML para seleccionar de acuerdo a las velocidades, qué tipo de parser se va a utilizar para la implementación con el lenguaje estándar XPDL 2.2.

A continuación se muestran las pruebas que se realizaron para la selección del parser:

A. Pruebas para la selección del parser

Dado que es primordial medir la velocidad con que el dispositivo móvil ejecuta los procesos en una aplicación, para este caso la primera prueba de selección se basa en la medición de la veloci-dad de los diferentes parsers.

Las figuras que se muestran a continuación dan a conocer cómo interactúan los distintos par-sers dentro del dispositivo y el tiempo (tomado en segundos) que les toma incluir la información de un archivo XML de 900KB de prueba, que contie-ne las mejores canciones en iTunes[19].

La evaluación se realiza con 10 ejecuciones de las cuales se observan los resultados para tomar


los datos y así generar las tablas de comparación; en la Fig. 8 se muestran los datos de los parsers.

Como primera instancia se observa la veloci-dad del parser (ver Fig. 8), de la cual se concluye que el mejor parser es TBXML, dado que tardó menos tiempo en parsear el archivo.

Fig. 8 VELOCIDAD EN SEGUNDOS DEL PARSER. PARA IPOD TOUCH 4G

En la segunda prueba se realizó una medición del uso de memoria por cada tipo de parser (ver Fig. 9), en esta se concluye que el parser que me-nos recursos de memoria consumió fue Libxml2 de tipo SAX.

Tomados como punto de partida estos datos, se realiza un análisis sobre qué tipo de parser implementar; en este punto se tuvo en cuenta la estabilidad del parser GDataXML y se evaluó la importancia que este parser le da a la lectura y creación de un archivo XPDL.

Fig. 9 USO DE MEMORIA EN MB PARA IPOD TOUCH 4G

A partir de esto, se genera una serie de prue-bas en las que inicialmente se establece qué operaciones debe hacer el parser, por ejemplo, abstraer información de una parte específica del documento, como es el caso de un elemento Acti-vity dentro del XPDL.

B. Pruebas de la ejecución del parser dentro de Objective C.

En estas pruebas se evaluaron diferentes ar-chivos XPDL variables en su tamaño; observado su comportamiento se obtuvo la siguiente Gráfica (ver Fig. 10), en donde se muestra el tiempo que tardó cada archivo en realizar el parseo, recorrer la multilistas y guardar los objetos dentro docu-mento del XPDL.

FIG. 10 PRUEBA DE ARCHIVOS CON EL PARSER XPDL.

Se concluye así, que sin importar el tipo de XPDL el parseador se ejecutará correctamente; la variabilidad del tiempo de ejecución depende del tamaño del archivo y de la cantidad de elementos BPMN contenidos en él.

C. Pruebas físicas de fugas

Estas pruebas se encargan de hacer un reco-rrido general en los métodos para buscar varia-bles que permanezcan en ejecución y muestran su ubicación. En la Fig. 11 se muestran los Bytes vs. Tiempo de ejecución, en la cual las barras re-presentan las variables que quedan en ejecución después de cerrar una escena.

Fig. 11 PRUEBAS DE FUGAS

D. Pruebas físicas de hilos de ejecución.

En estas pruebas se verifica la cantidad de hi-los que se ejecutan durante la ejecución normal del programa. (Ver Fig. 12).

Fig. 12 PRUEBAS DE HILOS DE EJECUCIÓN


VII. CONCLUSIÓN y TRABAJO FUTURO

En esta investigación se plantea una solución para la representación de elementos del BPMN 2.0 [24] recopilados dentro de un archivo creado bajo el lenguaje estándar XPDL en su versión 2.2, que por medio de la implementación de estructu-ras de datos llamadas multilistas, permite alma-cenar de manera sencilla y eficiente los valores de cada elemento contenidos dentro del documento XPDL.

Dado que estas estructuras son únicas y com-plejas, se percibe la necesidad de incorporar un

parser que haga de moderador entre los obje-tos del BPMN y el lenguaje XPDL.

El procedimiento más relevante de la investiga-ción fue la creación del parser, ya que, dentro de Objective C, no se ha implementado la generación de este tipo de estructuras. Con GDataXML, se soluciona este inconveniente y facilita la lectura y escritura del archivo de diagramación del XPDL.

Con la realización de esta investigación se abordan temáticas poco desarrolladas tanto en el ámbito organizacional como en la parte de imple-mentación y desarrollo para dispositivos móviles.

Para comprobar la eficiencia del parseador, se realizaron una serie de pruebas, en donde se compararon archivos de distinto tamaño, los cua-les contenían diferente tipo de información. Como resultados obtenidos, se observó la eficiencia y el rendimiento del dispositivo realizando el parseo de los archivos (ver Fig. 10); se concluye que el parseador se ejecutará de forma exitosa siempre y cuando el XPDL esté estructurado de manera correcta y sin importar el tamaño del documento. Por otro lado, para probar la resistencia del dis-positivo en el momento de la ejecución del par-seador, se realizaron pruebas físicas, donde se puede comprobar la cantidad de datos que son procesados (ver Fig. 12) y la cantidad de memoria utilizada por la aplicación desde el inicio del par-seo (ver Fig. 11).

Como resultado satisfactorio, se realizó la inserción y validación del parseador dentro del proyecto de grado denominado Aplicación en en-tornos móvil para el modelamiento de procesos de negocio [25], en el cual se implementó el par-seador de XPDL, permitiendo así, mediante una interfaz amigable, la creación, modificación y

modelamiento de procesos de negocio dentro del dispositivo móvil de forma exitosa, innovando en el campo del desarrollo de aplicaciones móviles para la gestión de procesos.

Lo anterior permite apoyar la búsqueda de nuevas tecnologías y soluciones a problemáticas propias de los negocios, e incorporar mejoras en la realización y gestión de procesos desde su planteamiento que pasa por su distribución a cada uno de los miembros del grupo de trabajo y finaliza con la ejecución del proceso, beneficia a las personas participes de este, incluido, por su-puesto, el usuario final.

De igual forma, y como trabajo futuro, se pue-den realizar implementaciones que mejoren el desempeño de la presente implementación en el ámbito del desarrollo de software y optimización de código y la capacidad de auto generar código para el parseador basado en el esquema y las re-glas propias de una estructura XSD.

REFERENCIAS

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[25] D. Meza, L. Ruiz. Aplicación en entornos móvil para el modelamiento de procesos de negocio. Universidad Piloto de Colombia. Julio 2012.


Resumen— En este artículo se presenta una estrategia que permite determinar de forma simultánea la posi-ción y orientación de un objeto en el plano. El método consiste en analizar un sistema de franjas radiales ad-herido al objeto y por medio de procesamiento digital de imágenes determinar su fase. Este proceso requiere determinar con precisión subpixel las coordenadas del centro y el eje radial de las franjas. Se emplea el méto-do de la Transformada de Fourier y se realiza la trans-formación de coordenadas rectangulares a radiales se puede calcular la fase y el centro del sistema de franjas. De esta manera, la fase del sistema de franjas radiales se utiliza como elemento codificador para la medida de posiciones angulares y posiciones del objeto en el plano. Evaluaciones experimentales demuestran que la técnica desarrollada tiene precisión sub-pixel al evaluar desplazamientos y rotaciones de un objeto en el plano. Se evalúa el error introducido en el cálculo de posición angular y desplazamiento del objeto. El estudio de la in-fluencia de los parámetros del sistema de franjas radia-les permitió establecer que el tamaño y la cantidad de franjas son factores determinantes para que el método presente un mínimo error.

Palabras clave— Extracción de fase, metrología óptica, Procesamiento Digital de Imágenes.

Abstract— This paper presents a strategy that allows to determine the position and orientation of an object in a plane. The method consists of analyzing a system of radial fringes adhered to the object and by means of a di-gital image process to determine its phase. This process requires the coordinates of the center with sub-pixel ac-curacy and the radial axis of the fringes. Using the Fou-rier transform method and performing a transformation of coordinate systems from rectangular coordinate into

Simultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phase information of a radial grid

Medida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la información

de fase de una rejilla radial

Luis Alejandro Galindo VegaEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de Santander


Jaime Enrique Meneses FonsecaPh. D. SciencesPourL’ingenieur

Profesor Titular, Investigador Grupo GOTS, Universidad Industrial de Santander UIS


Camilo Andrés Ramírez PrietoEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de Santander


Jaime Guillermo Barrero PérezIngeniero Electricista,

Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo CEMOS,

Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombia

[email protected]

radial, it can be calculated the phase of fringe system and the center of the radial fringes. Thus, the phase of the radial fringes is used as an encoder for measuring angular positions and spatial positions of the object in the plane. Experimental evaluations show that the te-chnique developed has sub-pixel accuracy in evaluating displacements and rotations of an object in the plane. It is evaluated the error introduced in the calculation of an-gular position and displacement of the object. The study of the influence of system parameters of radial fringes let to establish that the size and number of fringes are determining factors for the present method in order to reduce the error.

Keywords— Phase extraction, optical metrology, Digital Image Processing.

I. INTRODUCCIÓN

Varias aplicaciones industriales tienen la ne-cesidad de determinar con precisión el despla-zamiento y rotación de un objeto en el plano, por lo que se requiere de equipos sofisticados que cumplan dicha función. Como no se conoce un dispositivo en el mercado que lleve a cabo las dos medidas de forma simultánea, se tienen que adaptar varios dispositivos lo que eleva su costo de implementación. Encoders, potenciómetros li-neales, sensores inductivos y sensores laser son los instrumentos más utilizados para tal fin, algu-nos de ellos limitados en resolución y en rango de medida.

63Medida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la información de fase de una rejilla radial - Galindo, Ramírez, Meneses, Barrero

En la línea investigativa de metrología ópti-ca del grupo de Óptica y Tratamiento de señales GOTS de la Universidad Industrial de Santander, se han realizado investigaciones conjuntas con el grupo de Óptica de L’Institute FEMTO – ST de Besançon – Francia con el fin de determinar un sistema de posicionamiento global que permita generar un dispositivo de Reconstrucción Tridi-mensional (R3D) portátil. Los resultados obteni-dos muestran que una mira o rejilla con franjas paralelas en coordenadas cartesianas permite obtener la posición de un cuerpo en el espacio, a precisión subpixel [1], [2]. Un análisis matemá-tico previo permite determinar que un sistema de franjas radiales puede ser usado para medir rota-ciones y traslaciones de un objeto en el plano. [3]

La técnica desarrollada en este trabajo consis-te en adquirir una imagen de un sistema de fran-jas radiales o rejilla radial; mediante un algoritmo computacional de procesamiento de imágenes se determinan las coordenadas del centro de la re-jilla en el plano. La extracción de su fase geomé-trica permite reportar la orientación angular de la rejilla radial.

Pruebas de laboratorio validan el método, en el que se estudia el desempeño del algoritmo para determinar el error introducido en el cálculo de posición angular y desplazamientos en 2D para rejillas radiales con diferentes parámetros.

II. SISTEMA DE FRANJAS RADIALES

Un sistema de franjas radiales corresponde a una distribución en la que los puntos de igual intensidad generan un patrón de líneas rectas radiales que provienen de un centro común. De esta manera, al extraer valores de intensidad de puntos ubicados a igual distancia del centro se obtiene un perfil periódico. Matemáticamente el sistema se expresa en coordenadas polares (r, θ) por:

donde: ɑ0 (r,θ) es el fondo continuo, ɑ1 (r,θ) es el contraste, (2π⁄Pθ )*θ representa la fase, siendo el paso angular medido en grados y es la más-cara que define la región con franjas en la ima-gen. Como se muestra en la Fig. 1, las franjas se

encuentran entre un radio menor y uno mayor, y posee dos sectores angulares sin franjas.

La fase del sistema de franjas radiales corres-ponde al argumento la función coseno de (1), se caracteriza por tener un comportamiento lineal en función de la variable θy no depende de r, tenien-do la misma distribución espacial de un sistema de franjas rectangulares en coordenadas carte-sianas.

FIG. 1. SISTEMA DE FRANJAS RADIALES O REJILLA RADIAL

A. Cálculo de la fase de un sistema de franjas radiales.

Con la información contenida en la fase del sis-tema de franjas radiales es posible determinar su orientación y posición en el plano. Aunque en la li-teratura se encuentra poca información acerca de un método directo para extraer la fase a este tipo de distribuciones, se plantea la estrategia de ha-cer un cambio de coordenadas, de tal manera que el sistema de franjas radiales se comporte como un sistema de franjas rectangulares. El cambio de coordenadas rectangulares a polares implica cal-cular correctamente la ubicación del centro de la rejilla radial. De esta manera, la imagen final con la transformación de coordenadas posee franjas paralelas, de la cual es posible extraer la fase empleándose métodos conocidos como la Trans-formada de Fourier [4], corrimiento de fase [5], Fourier con ventana [6],[7-8] y Transformación de Wavelet [9], entre otros.

B. Cálculo del centro

Haciendo uso de las propiedades de la trans-formada de Fourier, es posible determinar las


coordenadas del centro de la rejilla radial con alta precisión [10]. • Desplazamiento en el dominio espacial: aa

transformada de Fourier de una función des-plazada presenta un término de fase lineal que depende del desplazamiento.

Simetría para señales real y par: La transfor-mada de Fourier de una función par es netamente real.

FIG. 2. IMAGEN EMPLEADA PARA VALIDAR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDA DEL CENTRO

La Fig. 2 muestra la imagen de un rectángulo con ruido adicionado. Se observa que su centro no coincide con el centro de la imagen. La Fig.3 muestra la fase de la transformada de Fourier, calculada mediante la función arcotangente. Se observa que debido a la función arcotangente, la fase está limitada entre ±π. Si se eliminan las discontinuidades al adicionar valores enteros de 2π se obtiene una fase lineal, cuya pendiente es función del corrimiento del centro del rectángulo con respecto al centro de la imagen. Determina-da la pendiente y según (3) se puede calcular el corrimiento xo y yo. Este valor es empleado para reposicionar la figura y verificar si su parte imagi-naria es cero. Debido a la influencia del ruido se desarrolló un procedimiento iterativo que estima

el corrimiento y minimiza el contenido frecuencial de la parte imaginaria. La Fig.4 muestra la trayec-toria seguida por el algoritmo en la estimación del centro después de varias iteraciones.

FIG. 3. FASE DE LA TRANSFORMADA DE FOURIER DE LA IMAGEN DE LA FIG. 2

Para el caso de la imagen del rectángulo, el centro teórico fue (232,287) y el procedimiento encontró (232.096,286.963).

FIG. 4. TRAYECTORIA SEGUIDA POR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDA DEL CENTRO

C. Conversión de sistemas de coordenadas

Las ecuaciones (4) y (5) muestran la conver-sión de sistemas coordenados rectangulares a polares, siendo y las coordenadas del centro de la rejilla radial, calculadas por el procedimiento indi-cado anteriormente.


Al realizar este procedimiento se obtiene que cada punto del plano rectangular tiene un punto equivalente en el plano polar y forma un patrón de franjas, como el que se muestra en la Fig. 6.

FIG.5. CONVERSIÓN DE SISTEMAS COORDENADOS

FIG. 6. SISTEMA DE FRANJAS TRANSFORMADO

D. Extracción de la fase

Haciendo uso del método de la Transformada de Fourier [4] para sistemas rectangulares, se ex-trae l a fa s e d el sistema de franjas transforma-do. La distribución en intensidad de un sistema de franjas rectangular se muestra en la Fig. 7.

FIG. 7. PERFIL SINUSOIDAL DEL SISTEMA DE FRANJAS RECTANGULARES

FIG. 8. TRANSFORMADA DE FOURIER

FIG. 9. FILTRO PASA-BANDAS

FIG. 10. COMPONENTE TF FILTRADA

FIG. 11. COMPONENTES REAL E IMAGINARIA

FIG. 12. FASE CONTINUA

Realizada la transformada de Fourier se en-cuentran tres lóbulos, Fig. 8, uno central debido a la TF de la componente continua y dos lóbulos laterales ubicados en ±f0,f0=1 ⁄ Pθ, correspondiente a la TF de A(x,y) cos(φ(x,y)).

Un filtro pasa-banda permite filtrar un lóbulo lateral, Fig. 9. Al aplicar la Transformada inversa de Fourier al contenido frecuencial filtrado Fig. 10, se obtiene una distribución compleja como se observa en la Fig. 11. La fase de este complejo


corresponde a la fase geométrica del sistema de franjas rectangulares y la amplitud corresponde al contraste de las franjas. Para obtener la fase del complejo se emplea la función arcotangente, la cual está limitada en el rango de [-π, π]; la fase presenta discontinuidades en las transiciones ± π que ocurren en las líneas centrales de las franjas negras de la Fig. 5. Para eliminar dichas discon-tinuidades tradicionalmente se adicionan valores de 2πN, siendo N una función entera en escalón apropiada para eliminar las discontinuidades. Este procedimiento de convertir la fase discontinua en continua es llamado “Unwrappingalgorithm” [11]. La Fig. 12 muestra la fase continua obtenida des-pués de eliminar las discontinuidades.

El procedimiento anterior es aplicado a la ima-gen mostrada en la Fig. 6. La Fig. 13 muestra la fase obtenida y la Fig. 14, la fase del sistema de franjas radiales obtenida al realizar la transforma-ción de coordenadas inversas: radiales a rectan-gulares definidas por (6) y (7).

FIG. 13. FASE OBTENIDA DEL MÉTODO DE LA TRANSFORMADA DE FOU-RIER APLICADO A LA IMAGEN DE LA FIG. 6

FIG. 14. FASE DEL SISTEMA DE FRANJAS RADIALES DE LA FIG. 5

III MEDIDA DE LA ORIENTACIÓN y POSICIÓN EN EL PLANO

Una vez obtenida la distribución de fase se procede a emplearla para establecer la posición angular y espacial de la rejilla radial. La rejilla radial ha sido diseñada mediante dos sectores angulares con franjas ubicadas entre dos radios, uno interno menor y otro externo. Las regiones externas son eliminadas por la máscara. Cada sector angular posee, para el caso de la Fig. 1, 28 franjas negras y 27 franjas blancas. Según la fun-ción cosenoidal que define las franjas, el centro de una franja blanca debe tener un valor de fase 2πN, donde N es un número entero. Y el centro de una franja negra debe tener un valor impar de π y ubicarse en una discontinuidad de la fase dis-continua. La máscara empleada en la rejilla radial hace que el sistema tenga simetría con respecto al centro y se pueda emplear el procedimiento in-dicado en la sección IIB. De esta manera se puede estimar el centro con precisión subpixel mediante la distribución simétrica de las franjas. El centro calculado permite hacer el seguimiento del des-plazamiento espacial en el plano introducido a la rejilla.

FIG. 15. PROCESO PARA EL CÁLCULO DE FASE DEL SISTEMA DE FRANJAS RADIALES.


La posición angular de la rejilla es determina-da buscando la fase correspondiente a la franja blanca que se ubica en el centro de cada sector angular. Así, como hay 27 franjas blancas para la rejilla de la Fig. 2, la franja central posee una fase de 26π, asignado cero a la primera franja blanca. A partir de los radios máximo y mínimo, y conociendo el número de discontinuidades que corresponde al número de franjas en cada sector, se puede calcular para cada sector las posiciones interpoladas que poseen el valor de fase de la franjas central. Esta interpolación de-fine una línea radial que pasa por el centro de la franja central de cada sector, identificadas por las líneas azul y roja en la Fig. 15, y al ser in-terpoladas poseen precisión subpixel. Al rotar la rejilla radial, el algoritmo desarrollado determina las posiciones angulares de cada línea central en cada sector y al compararlas secuencialmente sus valores, se puede determinar el valor de la rotación introducido.

IV VERIFICACION EXPERIMENTAL

Para determinar la precisión del método, se hicieron pruebas de laboratorio en las que se usaron platinas mecánicas de rotación y trasla-

ción que sirvieron como referencia teórica de los desplazamientos; se compararon los resultados obtenidos y se determinó el error del método. También se evaluó la influencia en la precisión para diferentes parámetros de la rejilla radial, como tamaño y paso angular.

El montaje que se llevó a cabo para la evalua-ción del método constó de un sistema de rota-ción y traslación con una precisión de un minuto arco y 10 µm, respectivamente. La rejilla radial se ubicó sobre una superficie plana adherida al sistema de traslación y rotación. Las imágenes fueron adquiridas por una cámara CCD de 640 x 480 pixeles y focal 12mm, ubicada a 90cm de la rejilla. En una cuadrícula milimetrada se deter-minó que un pixel equivale a 754.15µm sobre la rejilla radial.

Para evaluar traslación se desplazó manual-mente la rejilla a intervalos de 100 µm. Para cada posición se adquirieron 50 imágenes. La posición inicial se asumió como punto de refe-rencia del desplazamiento.

La Fig. 16 muestra las coordenadas del cen-tro para 5 traslaciones realizadas; cada posición tiene graficada las 50 coordenadas del centro de la rejilla radial.

En la Fig. 16 se observa que cada eje posee un tamaño máximo de un pixel: el sistema estima traslaciones al interior de un pixel, lo cual verifica la precisión subpixel del método de medida. FIG. 16. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA 6 POSICIONES.

Al adquirir 50 imágenes en cada posición se encuentra que el centro calculado presenta una desviación cercana a 0.0025 pixeles, que corres-ponde a 1.88 µm sobre el objeto, como se puede observar en la Fig. 17.


FIG. 17. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA UNA POSICIÓN

A. Influenciadeltamañoynúmerodefranjasenelcálculodelcentro.

Con el fin de establecer la influencia del paso y tamaño de la rejilla en el error, se utilizaron rejillas radiales de 24, 16 y 12 franjas en cada sector an-gular, para rejillas de igual tamaño. FIG. 18. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL

PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS

FIG. 19. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFE-RENTE NÚMERO DE FRANJAS

La Fig. 18 muestra el error medido como la di-ferencia entre la posición esperada y la posición calculada con el método, para cada rejilla en fun-ción del desplazamiento introducido. La Fig. 19 muestra la desviación estándar del error medido para cada rejilla. Se concluye que para rejillas de igual tamaño hay una relación inversa entre el número de franjas y el error introducido: a menor número de franjas mayor error.FIG. 20. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL

PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO

FIG. 21. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO

El tamaño es otra variable importante en el procedimiento. Para tal fin se evaluó el error in-troducido por el algoritmo para rejillas radiales de 10, 16 y 20 cm de diámetro.

De igual forma, las curvas de error en función del desplazamiento y la desviación estándar del error en función del tamaño de la rejilla, las Fig.20 y Fig.21, indican que a mayor tamaño de rejilla menor error se comete en el cálculo del centro.


La evaluación en rotación se hizo con despla-zamientos angulares de un grado, adquiriendo 50 imágenes para cada posición.FIG. 22. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DE

LA REJILLA PARA 6 POSICIONES ANGULARES.

En la Fig. 22, cada punto representa el ángulo de orientación de la rejilla radial para las diferen-tes desplazamientos angulares, empleando la po-sición angular de un sector con franjas.

Según la resolución de la imagen el ángulo mí-nimo que se puede medir a precisión pixel es de 0.08952 grados que corresponde a:

donde 640 es el número de pixeles horizon-tales de la imagen. Al adquirir 50 imágenes para una posición y calcular el ángulo de orientación de la rejilla este presenta una desviación de 0.004 grados,Fig. 23.FIG. 23. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DE

LA REJILLA PARA UNA POSICIÓN ANGULAR

De esta forma se demuestra que el método tie-ne precisión subpixel, es decir, el método puede

medir rotaciones inferiores al límite de rotación que se puede medir con la cámara.

B. Influencia del tamaño y número de franjas en el cálculo de orientación angular de la rejilla.

Se construyeron rejillas con 12, 16 y 20 fran-jas, con las que se evaluó la diferencia entre valor teórico y experimental de las posiciones angula-res.

FIG. 24. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y EXPERIMENTAL PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS


De igual forma, se evaluaron los errores en función de las diferentes posiciones angulares y la desviación estándar para cada rejilla, Fig. 24 y Fig. 25. Se demuestra que para una rejilla radial con mayor número de franjas el error en el cálculo de orientación es menor.


FIG. 26. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y EXPERIMENTAL PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO.


De igual forma se evaluó el comportamiento del tamaño de la rejilla para igual número de fran-jas. Como era de esperarse el error en el cálculo del ángulo de orientación de la rejilla radial es me-nor, cuando el tamaño es mayor, Fig. 26 y Fig. 27.

V. CONCLUSION

En el presente artículo se presenta un método para medir la posición y rotación de un objeto en el plano. El procedimiento emplea un procesamien-to digital de imágenes sobre una rejilla con fran-jas distribuidas radialmente. El procesamiento se basa en la extracción de la fase del sistema de franjas radial, con el método de la transformada de Fourier. El cálculo de la fase se realiza al hacer una transformación de sistemas coordenados y determinar el centro a partir de la información de fase de la imagen simétrica de la rejilla. Las eva-luaciones experimentales demuestran que el mé-

todo permite medir desplazamientos y rotaciones a valores inferiores a los definidos por el pixelado realizado por la cámara CCD. También se demues-tra que rejillas de tamaño grande y mayor número de franjas introducen menor error en el cálculo de desplazamientos y rotaciones. La etapa siguiente de la investigación consiste en realizar la evalua-ción experimental del método propuesto con otro sistema que mida rotaciones y/o traslaciones de precisiones conocidas.

AGRADECIMIENTOS

La investigación fue apoyada por la Vicerrecto-ría de Investigaciones y Extensión de la Universi-dad Industrial de Santander, Colombia (Proyecto No. 5184: Posicionamiento global de alta resolu-ción a campo extendido por visión estéreo: Aplica-ciones en metrología óptica).

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Abstract— The aim of this work was to evaluate the effect of par-ticle size of fique`s bagasse (FB) on anaerobic biodegradation and biogas production, by means of co-digestion of this lignoce-llulosic substrate using both bovine ruminal fluid and pig manure as inoculums. Anaerobic reactors were incubated by 8 days. Re-ducing sugar, Volatile Fatty Acid (VFA) and methane productions were measured using three different bagasse particle diameter; 5 mm (bagasse´s natural size), 2.36 mm and 0.85 mm. Reduc-tion of bagasse particle size increased reducing sugars forma-tion and improved substrate mass transfer to microbial inocu-lums. At minor particle size it was favored hydrolytic step and VFA production. Natural particle sizes of bagasse were more difficult to biodegrade than lower ones. In this sense, methane concen-tration was increased 19% when 0.8 mm particle size was used. Anaerobic fermentation processes were carried out at 25°C and 39°C. Methane production at 25°C, show that these microbial consortia are able to resist temperature changes and transform all products on anaerobic digestion process.

Keywords— Anaerobic digestion, Biogas, Fique´s bagasse, Lig-nocellulosic waste, Mechanical treatment.

Resumen— El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto del tamaño de partículas del bagazo de fique sobre la producción de biogás empleando como inóculo una mezcla de líquido rumi-nal con lodo estiércol de cerdo. Los reactores anaerobios fueron incubados durante ocho días. Como variables de respuesta se cuantificó la concentración de azúcares reductores totales, áci-dos grasos volátiles y producción de metano, usando tres tama-ños diferentes de partícula 5mm (Estado natural del bagazo de fique), 2.36mm y 0.85mm. Durante la fermentación se observó que la reducción del tamaño de partícula del bagazo, incrementó la formación de azúcares reductores, mejorando la transferen-cia de masa entre el inóculo y el sustrato. El menor tamaño de partícula favoreció la etapa hidrolítica y la producción de ácidos grasos. El bagazo de fique en su estado natural dificulta la biode-gradación anaerobia de éste sustrato. En este sentido, la concen-tración de metano se incrementó un 19% cuando el bagazo se

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la

producción de metano a partir del bagazo de fique

Liliana del Pilar Castro MolanoIngeniera Química PhD, Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad San Buenaventura

Cartagena, [email protected]

Carolina Guzmán LunaBacterióloga PhD, Universidad Industrial de Santander

Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombia

[email protected]

Humberto Escalante HernándezIngeniero Químico PhD Industrial de Santander


[email protected]

redujo a 0.8 mm. Los procesos de fermentación anaerobia fueron llevados a cabo a 25°C y a 39°C. La producción de metano a 25°C, demostró que los consorcios microbianos presentes en la mezcla de líquido ruminal y lodo estiércol de cerdo son capaces de resistir los cambios de temperatura y la transformación de to-dos los productos del proceso de digestión anaerobia.

Palabras clave— Digestión anaeróbica, Biogás, Bagazo de caña de Fique, Residuos lignocelulósicos, Tratamiento mecá-nico.

I. INTRODUCTION

Fique´s bagasse (FB) is an agricultural by-pro-duct obtained during natural fiber process produc-tion, composed by cellulose, hemicellulose, lignin, lipids and proteins [1]. According to its composi-tion, bagasse is considered an important lignoce-llulosic biomass source [2]. Lignocellulosic wastes are suitable substrates for anaerobic digestion process because of its carbon source [3]. Ligno-cellulosic biomass digestibility is limited by factors such as cellulose cristallinity, polymerization de-gree, moisture content, superficial area and lignin content. However, high lignin content in bagasse li-mits hydrolytic step and bioconversion system [4].

Anaerobic biodegradation of lignocellulosic substrates requires microbial consortia with high hydrolytic and methanogenic activities. Bovine ru-minal fluid, active anaerobic sludge, bovine and pig manure have been previously used as biolo-gical matrices for anaerobic digestion [5]. A co-

73Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante

digestion process mixes different inoculums or microbial consortia to improve the anaerobic di-gestion process. Co-digestion enhances nutrient equilibrium, dilutes toxic components and allows a synergic effect in microorganisms to increase hydrolytic activity [6]. Use of sisal pulp and fish wastes co-digestion increases methane produc-tion from 54 to 94% in comparison with other inoculums [7]. Bovine Ruminal Fluid (BRF) is an excellent inoculum for lignocellulosic substrate digestion, because its high cellulosic activity. In addition, if BRF is mixed with methanogenic inocu-lum, significant biogas yield are achieved [8]. Mu-nicipal waste solids mixed with bovine manure or wastewater sludge, increase in almost 20% biogas yields [9]. Temperature is a physical variable that affect microorganism growth and therefore biolo-gical reaction rates. Biological reactions (20- 40 °C) for methane production from organic matter require more energy than conventional chemical reactions [10].

Pre-treatment processes are designed to de-crease cellulose polymerization grade, weak lig-nin bonds with carbohydrates and increase par-ticle superficial area. This process improves mass transfer process between inoculums and substra-te. These processes increase cellulose bioavaila-bility for enzyme biodegradation to monosacchari-des. It has been proposed substrate pretreatment based on caustic and/or acid wash, heating and size particle reduction [11].

On the other hand, there is an inverse relation-ship between substrate particle size and methane yield [12]. For example, size reduction in tomato wastes increases yield values in 23% [13]. Whit sisal residues, hydrolytic activity improves signi-ficantly with particle size reduction, generating increasing in methane yields from 0.18 to 0.22 CH4/kg SV [14]. In starch degradation, the best yield value was obtained at substrate particle size of 0.35 mm [15].

In Colombia, fique´s industry produces 20,800 kg of residual wastes (bagasse and juice) per see-ded hectare; these are delivered to grounds and water streams causing environmental pollution problems [16].

A possible solution of fique´s bagasse environ-mental pollution problem is the utilization as subs-trate for biogas production. However, its high lig-nin content requires a specific treatment. For this

reason, the aim of this research was to evaluate the effect of fique’s bagasse particle size and tem-perature on methane production during anaerobic biodegradation of this substrate.

II. MATERIALS AND METHODS

A. Substrate

Fique´s Bagasse was obtained as a sub-pro-duct during natural fiber process production from Fique Industry. Bagasse samples were conser-ved in cooled containers during transportation and analysis. FB was sun dried at environmental conditions for 36 hours. Natural particle size dia-meter of FB was 5 mm. During pretreatment, FB was ground in a Willey-Mil’s equipment to achieve particle size diameter of 0.85 and 2.36 mm. Di-fferent parameters such as: pH, lignin, cellulose, hemicelluloses and Acid Detergent Fiber (ADF) content, Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS) were determined according to Standard Methods for Examination of Water and Wastewater [17].

B. Inoculas

Bovine Ruminal Fluid (RF) from urban slaughter-house and Pig Manure (PM) from municipal pig farms were used as inoculums for digestion in a 1:1 ratio v/v. Inoculum composition used in anae-robic digesters is presented in Table I.

TABLE IINOCULUM CHARACTERIZATION (RF-PM)

Parameter RF-PM

pH 8

TS (%) 43.7

VS (%) 23.6

Alkalinity (mgCaCO3/L)Volatile Fatty Acid – VFA (mg/L)

31007200

C. Experimental Design

Anaerobic fermentation experiments were car-ried out using fique´s bagasse with particle sizes of 5, 2.36 and 0.85 mm. Reactors were incubat-ed for 8 days at 25 and 39 ± 2°C containing an operational volume of 350 ml. Hydrolytic activity, pH, VFA and methane percentage were considered as response variables. Total Reducing Sugar (TRS) concentration was determined according to Dinitrosalicylic Acid Method – DNS, using a GENESYS 20 Thermo Spectronics Spectropho-tometer [18]. VFA concentration was quantified by


titration method [19]. Methane percentage was determined with a PGD-IR (model Status Scientific Controls) infrared gas detector.

Experimental results were analyzed with Stat-Graphics plus 5.1, StatPoint Inc. (Virginia, EE.UU) Software. The Fisher’s test (F) was used to verify data statistical significance between results.

III. RESULTS AND DISCUSSION

According to the Fique’s bagasse characteris-tics, this substrate is considered a lignocellulosic waste, for this reason the results are compared with another investigations where this type of ma-trix is evaluated.

A. Effect of mechanical treatment on FB ligno-cellulosic structure.

In Table II, pH, TS and VS values from FB is not affected by particle size diameter reduction. TS and VS concentrations from FB were suitable for start-up anaerobic digestion process according with other studies [20]. Additionally, lignin content is decreased proportionally with reduction of was-te particle size. These results suggest that smaller size particles improve mass transfer between ino-culums and substrate. On the other hand, reduc-tion of particle size decreases ADF concentration and improve FB digestibility.

TABLE IICOMPOSITION OF THE FIQUE’S BAGASSE

Parameter FB 5mm FB 2.36 mm FB 0.85 mm

pH 4 4 4

TS(%) 93.1 92 92.7

VS(%) 89.2 88.8 88.6

Cellulose(%) 41.8 23.4 18.7

Hemicellulose(%) 22.1 24.8 27.1

Lignin(%) 16.6 15.5 6.81

ADF(%) 64.6 44.8 44.7

B. Efecto of temperature and mechanical treatment on hydrolytic stage

In Fig. 1, it is observed that smaller particle size increase TRS concentration. Hydrolytic activ-ity, defined as total reducing sugar consumption rate, was only observed until day 4.

Hydrolytic activity for particles size of 0.85, 2.36 and 5 mm at 39 ºC were 1.93, 1.04 and 0.96 (mg/ml TRS/d), respectively. Experiments carried out at 25 ºC achieved hydrolytic activity of 1.55,

1.20 and 0.87, respectively, at the same particle size. These results indicate that mechanical treat-ment improves strongly the hydrolytic activity of microbial consortia at the initial stage. This effect can be attributed because the increase of the su-perficial area at smaller particle size, allowing a better interaction between substrate and inocu-lums [21], [22]. These results are correlated with changes on lignocelullosic structure during FB mechanical treatment (see Table I). On the other hand, temperature affects hydrolytic activity being higher at 39 °C than at 25°C; because enzymat-ic activity of microorganisms present an optimal temperature of 37°C ± 2°C [23].

Fig. 1. EFFECT OF PARTICLE SIZE AND TEMPERATURE (25°C Y 39°C) DURING HYDROLYTIC STAGE OF FB ANAEROBIC DIGESTION.

C. Effect of temperature and mechanical treatment on VFA production.

Fig. 2 and 3 show that during Anaerobic Diges-tion of Fique´s Bagasse (ADFB), pH values were maintained in a range between 7 and 8.5. These pH range favor growth and metabolic activity of mi-crobial consortia. The biological behavior can be related to VFA variations. Size particle reduction increases hydrolytic activity, producing increases


in VFA concentrations. VFA produced during aci-dogenic stage were no affected with temperature variations. However, VFA consumption rate was faster at 39°C.

Fig. 2. EFFECT OF PARTICLE SIZE ON PH VARIATIONS AND VFA PRODUC-TION AT 25 ºC DURING ADFB


D. Effect of temperature and mechanical treatment on methane production during FB anaerobic biodigestion.

Fig. 4 shows that it is possible bioreactor start-ups for anaerobic biodigestion using 3 different FB particle sizes (5, 2.36 and 0.85 mm) at 25 and 39ºC. These results can be explained in terms of equilibrium between methanogenic bacteria, acid consumer bacteria and inoculum adaptation to FB substrate. Higher methane production was obtained with smaller FB particle size. At 25 ºC, best results of methane production were achieved at 8th day. At 39 ºC, the higher value was achieved at 4th day.Fig. 4 EFFECT OF PARTICLE SIZE AND TEMPERATURE (25°C Y 39°C) ON

METHANE PRODUCTION DURING ADFB

In Fig. 5 are depicted statistical analyses of FB particle size effect on methane production at two different temperatures. The probability function (P) of Fisher test was 0.0004 and 0.0046 for methane production at 25°C and 39°C, respecti-vely showing that there are significant differences between each experiment (IC 95%).


Fig. 5. STATISTICAL ANALYSES OF FB PARTICLE SIZE EFFECT ON ADFB

Finally, these results are according to stu-dies carried out by Palmowski and Müller. These authors have demonstrated that reduction in par-ticle sizes improves anaerobic digestion of subs-trate, due to increases in superficial areas of avai-lable substrates for microbial metabolism [24].

IV. CONCLUSIONS

Particle-size reduction has been the most com-monly used factor to describe the increase in subs-trate surface area resulting from a pre-treatment [25]. Pretreatment proved to be suitable for appli-

cations at full-scale biogas plants, increasing the methane yield of fique´s bagasse by up to 19%.

Reduction of FB particle size affects the ligno-cellulosic structure, probably by cellulose crystalli-nity decrease, improving mass transfer substrate/inoculums. Mechanical treatment influenced on everyone of anaerobic digestion stage, because hydrolytic activity are higher at smaller FB particle sizes, and produced higher VFA values and metha-ne yields.

Additionally, mixture of bovine ruminal fluid and pig manure were able to degrade and adapt to this lignocellulosic substrate (Fique`s Bagasse) working efficiently at mild temperature conditions.

ACKNOWLEDGEMENTS

Authors wish to thank financial support by De-partamento Administrativo de Ciencia Tecnología e Innovación, Ministerio de Agricultura y Desarro-llo Rural and Vicerrectoria de Investigación y Ex-tensión - Universidad Industrial de Santander. Te-chnical support from C. Vargas and C. Zambrano is also hardly recognized.

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Resumen— El trabajo presenta el desarrollo de un dis-eño experimental que permitió evaluar las condiciones de operación del proceso de obtención de láminas de cuero recuperado con aglomerante. Para llevarlo a cabo se hicieron pruebas preliminares de obtención del ma-terial, para seleccionar las variables del proceso que más afectaban las condiciones finales de la lámina de cuero recuperado. Seguidamente, se realizó un diseño de experimentos tipo 2k, en donde k=4 variables, cor-respondiendo a: porcentaje en peso de agua, relación másica de aglomerante / cuero, presión y temperatura de curado. Se procedió a la obtención del material y su posterior caracterización, midiendo resistencia a la tensión, porcentaje de compresibilidad, resistencia al desgarre y porcentaje de absorción de agua. Como resultado se obtuvo que los factores principales que optimizan, las variables de respuesta en los niveles es-tudiados son: la temperatura de curado en el nivel bajo y la cantidad de aglomerante en el nivel alto, mientras que para el porcentaje de absorción de agua también fue significativo la cantidad de agua agregada durante el proceso. Se compararon las características del ma-terial obtenido, con las de las plantillas para zapatos y se obtuvieron resultados superiores de resistencia al desgarre, porcentaje de compresibilidad y porcentaje de absorción de agua. Por último se concluyó que a través de la implementación del proceso de reciclaje de cuero sugerido en el trabajo, se obtuvieron láminas de cuero recuperado, cuyas propiedades permitirían tener apli-cación industrial.

Palabras clave— cuero recuperado, desechos sólidos, caracterización de materiales.

Abstract— This paper presents the development of an experimental design that evaluated the operating condi-

tions of the process to obtain binded recovered leather sheets. Preliminary tests were performed to obtain the material, and to select the process variables that affect-ed the most the bonded leather sheet final properties. Then, an experimental design type 2k was run, where k = 4 variables corresponding to the percentage by weight of water mass ratio of binder leather, pressure, and curing temperature. The obtained material was char-acterized by tensile test, percentage compressibility, tear strength, and water absorption percentage. The result showed that the main factors that optimize the response variables in the levels studied were: the curing temperature in the low value and the amount of binder in the high level, whereas for the water absorption rate was also significant amount of water added during the process. The properties of the material obtained were compared to commercial shoe insoles and the results were superior on: tear resistance, compressibility and percentage rate of water absorption. Finally, it was con-cluded that through the implementation of the recycling process suggested, recovered leather sheets properties would allow industrial application.

Keywords— Solid waste, recovered leather, materials characterization.

I. INTRODUCTION

The tanning process consists on transformfing animal skin in leather, being mineral-tanning the most efficient in reducing processing time [1]. In each of the leather tanning phases is generated an appreciable amount of solid waste that usu-ally ends up in landfills. Currently the landfill in

Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinyl acetate and ester

acrylic to obtain recovered leather

Danny Guillermo Cañas RojasB.Sc Chemical Engineering, UIS

[email protected]

Mario Álvarez Cifuentes, Ph. DProffessor, Chemical Engineering, UIS

[email protected]

Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.ScAssistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTA

[email protected]

Evaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-polimérica de vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de

cuero

79EVALUATION OF OPERATING AND MIXING CONDITIONS OF A POLYMER DISPERSION CO-VINYL ACETATE AND ESTER ACRYLIC TO OBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz

Bucaramanga takes in approximately 800 Tn of garbage per day, of which 2% comes from leather waste resulting in about 480 tons per month [2].

In 2010, the Colombian leather industry had growth in production and total sales for shoes of 14.2% and 16.3% respectively over 2009. In 2010, according to DANE, leather goods experienced a growth of 17.4% in production and 13.2% in sales, while exports and imports registered growth of 22% and 26%. The leather manufacturing industry experienced growth in 2010 compared to 2009, production and sales, with 10.5% and 10.7%, re-spectively. On the other hand, leather imports in 2010 amounted to 7% over the previous year [3].

It is shown then that the volume of leather thrown into Carrasco landfill is considerable and according to production projection, said volume will increase. This paper presents an alternative for obtaining a fibrous material from leather solid waste which could be used by the leather goods industry.

II. LITERATURE REVIEW

Different studies have been carried out seek-ing the development, with different purposes, of leather solid waste. FRIEDMAN [4] patented a rather simple method that worked by superposing small glued leather disks onto another until form-ing a solid cilinder which could be sliced to form leather strips. Woodruff [5] filed for a patent for the manufacture of artificial leather through “the use of fibrous material in an aqueous rubber dis-persions of the nature of latex as raw materials”. BEVAN [6] patented a method of forming a leaher sheet from leather fibers consisting of a series of steps in which is a tangle of fibers is exposed to a liquid high pressure jets on its surface which causes the fibers to be even more entangled forming, then a fibrous surface. However, the lat-ter three authors did not report any performance values. YANIK et al [7] studied the performance of leather waste pyrolysis obtainning carbon residues, which were used for activated carbon. Kindlein et al. [8] obtained leather sheets from bound layers of leather scrap using hot melt tech-niques. Moreover, DIMITER [9] patented a process that pulverized and mixed leather fiber with a mol-ten resin of vinyl ethyl acetate, in a ratio of 25% by weight, obtainning recovered leather sheets

with high impact resistance, electrical stability and permeability. HENKE [10] mixed leather fibers with a binder dissolved in a solvent, using a rein-forced mesh between fibers and a polyvinyl chlo-ride paste obtaining a recycled extruded leather sheet with flexibility and tensile strength similar to those of real leather. DA FONTE et al [11] crushed waste leather and aminoplast resins mixed with a proportion of 30 to 40% by weight using catalysts and carrying out curing over a hot press. ADDIE and FALLS [12] obtained recycled leather sheets following the methodology by DA FONTE using, during mixing, 20% by weight of binder and adding water to the process without the use of catalysts.

The most common binders used to bind leath-er and textile fibers are designed based on acrylic monomers [13], which can be polymerized with other organic and inorganic ingredients to form a latex film which gives properties such as adhesion and stability to the fibers mixed with said binder.

Other types of adhesives, such as PVC used for laminated panels [14] are based on urea and formaldehyde whose application was introduced in 1937 as an adhesive paper [15]. For this case-study, it was used a binder of vinyl acetate and acrylic ester, because the acrylic adhesives are soluble in water [13] and the monomers vinyl acetate have low flaming points, which facilitate handling, being the premium main material for ad-hesives [14].

It is shown that the intention of reusing waste from tanning and leather prodcution are not iso-lated even for products other than those proposed in this case.

Methodology To determine the operating conditions of mix-

ing and pressing leather solid waste with a binder from an experimental design, preliminary tests were performed to select the design variables. Then a 2k type experimental design was per-formed [17], where k=4 variables corresponding to: percentage by weight of water, mass ratio of binder / leather (during mixing), pressure, and curing temperature (during pressing). Two levels were taken for the design variables: high and low. The result of said design yielded 16 scenarios. Then the material was obtainned according to the design and subsequent characterization by mea-suring stress, percentage of compressibility, tear

80 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84

and percentage of water absorption. Additionally, it was conducted a preliminary economic analysis of cost per unit area of recycled leather. Figure 1 shows the methodology for this study.

Fig. 1. METHODOLOGY STEPS

There were carried out the 16 scenarios and a replica of each. Particles were ground to a size of 2 mm, then they were mixed with water and binder and were cured for 15 minutes. Table I shows the high and low values for the used variables. To se-lect these values, it was taken into account values reported in the literature review. Preliminary tests showed results that allowed selection of the levels for the design of the experiment.

TABLE IRANGES OF PROCESS VARIABLES USED

Variable High level (+1) Low level (-1)

Pressure 150 Kg f/cm² 100 Kg f/cm²

Temperature 80 °C 70 °C

% binder /leather 3/7 2/8

% by weight of water 25 15

To characterize the obtained samples, a Shi-madzu ® universal testing machine was used. The machine was equipped with a load cell of 1 kN for tensile tests and for the compression test it was equipped with a 100 kN cell. The tests were done according to standards ASTM D1610-01, D6015-10, D2209-00, ASTM D2212 and ASTM D2213. Table II shows the geometric notation design of experiments.

Data statistical analysis was performed using STATGRAPHICS CENTURION 16.

TABLE IIGEOMETRIC NOTATION

Scenario P T % binder / leather % by weight of water

1 -1 -1 -1 -1

2 +1 -1 -1 -1

3 -1 +1 -1 -1

4 +1 +1 -1 -1

5 -1 -1 +1 -1

6 +1 -1 +1 -1

7 -1 +1 +1 -1

8 +1 +1 +1 -1

9 -1 -1 -1 +1

10 +1 -1 -1 +1

11 -1 +1 -1 +1

12 +1 +1 -1 +1

13 -1 -1 +1 +1

14 +1 -1 +1 +1

15 -1 +1 +1 +1

16 +1 +1 +1 +1

Results In Figures 2, 3, 4, and 5 the circles represent

experimental data, the diamonds represent data from the replicas and triangles represent data from verification tests 2, 5 and 9, according to the values shown in Table 2. The dotted line in Figures 2, 3, 4 and 5 corresponds to the average values of each of the tests performed on the material used in the preparation of insoles.

Figure 2 shows that the third test showed the highest tensile strength value with 5.57 MPa and a low percentage of error between duplicates.

Fig 2. TENSILE TESTS RESULTS

Figure 3 shows that the maximum tear resis-tance was exhibited by samples 2, 9 and 10, with a value of 694 N exhibited by sample number 10.


Fig. 3. SLIT TEAR RESISTANCE TEST RESULTS

Figure 4 shows that the percentage of com-pressibility obtained for the samples was about 10%, which is below 18.5% obtained for commer-cial insoles.

Fig. 4. PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY RESULTS

Figure 5 shows that the tests 9 and 10 report the lowest percentage of water absorption with a 16 and 17% respectively and with the least error between duplicates. When compared with the re-ported value of the material used in the manufac-ture of insoles, it was observed that lower values were obtained.

Fig. 5. PERCENTAGE OF WATER ABSORPTION RESULTS

DiscussionIn figure 2 is shown, as a solid line, the avera-

ge results of tensile strength reported by ADDIE AND FALLS [12]. Said values are above for those obtained in this work. However, when comparing the values of tear resistance, Figure 3 shows that values were higher than those reported by the same authors.

SILVA [19] after characterizing 86 samples of safety footwear leather, obtained an average tensile strength quite high compared with those obtained in this work, but he also reported tear resistance values consistent with those repor-ted in figure 3.

Concerning the percentage of water absorp-tion is desirable it is minimal. According to [17], citing 2396 NTC, insoles footwear must meet a percentage of maximum water absorption of 50 ± 2%. The values shown in Figure 4 show that it meets said standard.

A Pareto analysis shows the effect of process variables and their influence on it. For example, in the Pareto diagram of Figure 6, it is apprecia-ted the amount of binder added to the process is significant on the samples tensile strength, The best combination is obtained by keeping pressure, temperature and water amount at a low level and the relationship binder / leather at a high level.

Fig. 6. PARETO ANALYSIS FOR TENSILE STRENGHT

It is seen in the Pareto chart in Figure 7 how tear strength depends significantly on the rela-tionship binder / leather. This allows assessing the best mixing arrangement for maintaining the same conditions reported for maximum ten-sile strength under levels studied.


Fig. 7. PARETO ANALYSIS FOR TEAR STRENGHT

Figure 8 shows the Pareto analysis for the per-centage of compressibility test, being temperature the main cause of the variation. For the percent-age of compressibility, the best arragment corre-sponds when the four variables are in low level be-cause it requires the least material deformation.

Fig. 8. PARETO ANALYSIS FOR PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY

Pareto diagram in Figure 9 shows the variables that cause effect on the percentage of water ab-sorption. It is appreciated that this depends on the pressure and temperature in their low level and the amount of binder and water in their high one.

Fig. 9. PARETO ANALYSIS FOR WATER ABSORPTION

The summary of the best combinations found are shown in Table III

TABLE IIIOPTIMAL VALUES OF VARIABLES USED

Variable Pressure (Kg / cm2)

Temp (°C)

% binder / leather

% by weight of

water

Tensile 100 70 3 / 7 15

Tear Strenght 100 70 3 / 7 15

% Compressi-bility 100 70 2 / 8 15

% water absorp-tion 100 70 3 / 7 25

Finally, a preliminary estimate of costs for re-covered leather sheets was made for production of 1 Tons per day. This was done in order to as-sess the process economic viability. There were considered initial invesment cost, direct costs of manufacturing and fixed manufacturing costs [16] for the first year of production.

For initial investment were estimated only equipment, whereas for manufacturing direct costs were included raw materials, industrial ser-vices, supplies, labor, maintenance and repair. For fixed manufacturing costs were considered the depreciation of equipment, insurance and taxes. Table IV shows the estimated costs in Colombian Pesos.

TABLE 4TOTAL COSTS FOR THE FIRST YEAR IN PRODUCTION

Total cost of production (thousands $)

Initial invesment 53.000

Manufacturing direct costs 1.079.350

Fixed manufacturing costs 6.996

Total ($) 1.139.346

Dividing the total cost by the annual produc-tion, it yields a value of $10,100 per sheet of 1.5 m2. When compared to the cost of an insole sheet, which oscilates around $ 7,000 for the same di-mensions, it is evident that the proposed process for recycling leather is not viable economically, but it is technically and environmentally. Howev-er, comparing with the cost of recovered leather sheet placed in Bucaramanga, which has a cost of $ 48,000 per 1.5 m2 [18], the process turns out economically viable. Additionally, there will be a reduction in costs, not quantified in this study, associated with the reduction of space in landfills, waste transportation and disposal.


CONCLUSIONS

The temperature and relation binder / leather bear a significant influence over response varia-bles, during pressing and mixed respectively.

The most significant factor on the four 4 res-ponse variables, based on the levels studied du-ring the pressing stage, corresponds to the curing temperature in the low level (70° C).

The values obtained for the percentage of com-pressibility and percentage of water absorption are low compared with values obtained for com-mercial insoles. This gives flexibility to manipulate the weight percentage of water during mixing. That is, if one wants to choose a combination where one gets the best response variables within the studied levels, it becomes a cost / benefit where the amount of water, although it was raised at a low level for tensile strength, tear and percentage of compressibility, can work at a high level, becau-se the increase in process water reduces the mi-xing time. This should be reflected in the reduction of the mixer power consumption.

The pressure should be maintained at low le-vel, the temperature in the low level and the re-lationship binder / leather in the high level, since this appears to produce no significant effect on the percentage of compressibility.

It was thought initially that recovered leather sheets would exceed tear strength, percentage of compressibility and the percentage of water absorption, compared with the same properties of commercial insoles. However, if the final pro-duct does not require reaching values of tensile strength, the material obtained with the proposed method has the ability to replace it.

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[21] Entrevista telefónica: Polímeros y derivados. León, Gto. México. 20


Resumen— El flujo a través de membranas porosas es de vital importancia en el entendimiento de diversos fenómenos industriales y biológicos. y recientemente ha crecido el interés de su estudio para aplicaciones de transferencia de calor mejorada y a escalas peque-ñas. Antes de involucrar la transferencia de calor en las membranas se hace un estudio hidrodinámico para ayudar a su caracterización. En el presente artículo se presenta el estudio realizado al comportamiento de la presión y perfiles de velocidad asociados al flujo de un fluido incompresible a través de una membrana porosa en diferentes condiciones de empaquetamiento. Con el fin de establecer una base comparativa adecuada, la membrana porosa es representada mediante un empa-quetamiento de esferas en arreglo triangular desfasado. Los resultados obtenidos mediante el software de cFD Fluent mostraron una gran influencia de la distribución espacial de las esferas en el canal sobre la caída de presión. Desde el punto de vista de patrones de flujo, se observó una interacción fuerte entre los flujos aguas abajo de cada esfera. En la última capa de esferas, se presenta un desprendimiento de vórtices influenciado tanto por el tamaño de la esfera, como por el número de esferas empleado para representar la membrana.

Palabras clave— Factor de empaquetamiento CFD membranas porosas

Abstract— In the present article, study of the behavior of flow profiles and pressure associated with the flow of an incompressible fluid across a porous media with different packing conditions is shown. For practical purpose, the porous media was modeled as a stagge-red packed bed of spheres. The simulation was made in CFD software Fluent. Results showed a great influence of the sphere diameter in the pressure drop. Regarding streaklines, there was found to be a strong interaction between the flows of each sphere downstream. A vortex detachment influenced both by the sphere size and the

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas

Computational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López Montoya

Ingeniera Mecánica, Universidad Pontifica Bolivariana Investigador auxiliar Grupo de Energía y Termodinámica,

Universidad Pontificia BolivarianaMedellín, Colombia

[email protected]

Mauricio Giraldo OrozcoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana

Docente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica, Universidad Pontificia Bolivariana

Medellín, [email protected]

César Nieto LondoñoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana

Docente e Investigador Grupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial,


[email protected]

number of spheres was present in the last layer of the bank of spheres.

Keywords— CFD Porous media

I. INTRODUCCIÓN

La tecnología de micro-sistemas (MST por sus siglas en inglés) se ha desarrollado a pasos agi-gantados desde hace varias décadas. El objetivo es incrementar la capacidad de estos dispositivos y aumentar su potencia, lo cual conlleva a grandes cantidades de calor que necesitan ser extraídas para garantizar el correcto funcionamiento de los dispositivos. Más concretamente se ha trabajado en intercambiadores de calor del tamaño nece-sario para poder implementarlos en los MST. Los micro-intercambiadores de calor ofrecen muchas ventajas sobre sus semejantes a escalas mayo-res, la transferencia de calor por unidad de área es mucho mayor, su desempeño global también es superior y debido a su tamaño son más econó-micos, entre otras [1]-[2]. Debido a la reducción de espacio por el cambio de escala, se han imple-mentado micro-canales como medio para que se lleve a cabo el intercambio de calor. Pero dichas geometrías tienen asociadas una gran caída de presión debido a los diámetros hidráulicos tan pe-queños, además a estas escalas las condiciones superficiales toman mayor importancia sobre los patrones de flujo y transferencia de calor. Como alternativa a los micro-canales se propone utilizar membranas porosas [3]-[4].


Debido a la naturaleza de su geometría, las membranas ofrecen un espacio propicio para el intercambio de calor entre dos fluidos. De hecho existen trabajos previos donde se utilizaron medios porosos para aplicaciones de enfriamiento y trans-ferencia de calor. Lage et al. realizaron un estudio con matrices porosas de aluminio comprimidas para caracterizarlas térmica e hidráulicamente en-focando su uso en micro-intercambiadores de calor [5]. Por su parte Jiang et al. realizaron un estudio teórico y experimental comparativo entre un mi-crointercambiador de calor con canales (MCHE) y un micro-intercambiador de calor con medio poro-so (MPHE) donde llegaron a la conclusión de que desde el punto de vista de transferencia de calor el MPHE tiene mejor desempeño pero en términos termohidráulicos , el mejor desempeño fue para el MCHE con canales profundos [6]. Estudios con enfoques más específicos en el tema se pueden encontrar en la literatura tal como el de Trebotich y Miller, que presentaron un nuevo método de si-mulación para aplicaciones en microfluídica que involucran fenómenos de transporte de partículas coloidales a escala micrométrica [7]. Tomado en cuenta lo anterior, se hace necesario evaluar con detenimiento el comportamiento hidrodinámico de membranas porosas, e involucrar tanto los compor-tamientos puramente cinéticos, como las caídas de presión asociadas, con el fin de aprovechar ade-cuadamente las ventajas evidenciadas experimen-talmente en cuanto a la transferencia de calor [6].

Este trabajo se concentra en el comportamiento de los campos de velocidades y las caídas de pre-sión que suceden en una membrana. Con el fin de presentar parámetros comparativos adecuados, la membrana es simulada como un sistema de esfe-ras en arreglo triangular, particularmente dos con-figuraciones diferentes espaciales y tres diámetros diferentes, los cuales son evaluados desde los pun-tos de vista ya mencionados. El trabajo inicia con una descripción del medio poroso empleado para las simulaciones computacionales, seguido de una breve descripción de los modelos matemáticos y las condiciones de frontera necesarias. Finalmen-te, se presentan los resultados de la simulación y las conclusiones del trabajo.

II. MEDIO POROSO COMPUTACIONAL

Generalmente los materiales porosos presen-tan estructuras aleatorias [8], pero dado que es

difícil establecer una estructura aleatoria repre-sentativa y, más aún, cambiar sus parámetros, para este estudio se optó por la utilización de arre-glos triangulares desfasados de esferas, como el mostrado en la Fig. 1. La sección transversal del canal donde se encuentra el arreglo de esferas es de 0.01 m2.

Fig. 1. ARREGLO TRIANGULAR DE ESFERAS

Se emplearon dos configuraciones diferentes de arreglos, las cuales se diferenciaron por la se-paración entre esferas, tanto adyacentes como tangentes, de la cara que enfrenta al flujo. En la Fig. 2 se muestran a modo ilustrativo los espacia-mientos para el arreglo de esferas de 15mm de diámetro, las medidas de los espaciamientos es-tán en milímetros. Para ambas configuraciones el volumen total ocupado por el arreglo se mantuvo constante. Igualmente, para ver la influencia del tamaño de la esfera se trabajó con arreglos de es-feras de 15, 18 y 32mm de diámetro.

En la Tabla I se muestran los factores de em-paquetamiento (espacio ocupado/ espacio total) para las diferentes configuraciones tomando como referencia un volumen total de 100.000mm3, que sería el volumen del cubo tomado como base para crear el arreglo de esferas.

TABLA IFACTOR DE EMPAQUETAMIENTO

D15 D18 D32

Conf 1 40.82% 37.56% 39.46%

Conf 2 44,53% 34,51% 39.46%

Estrictamente un medio poroso común no pre-senta la uniformidad ni la simetría que se obtiene con la geometría utilizada, pero tradicionalmente se han utilizado empaquetamientos de esferas y cilindros para estudiar el flujo a través de medios porosos de forma teórica y numérica con resulta-dos aceptables que han sido validados con mon-tajes experimentales [9]-[11].

87Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto

Fig. 2. CONFIGURACIONES 1 Y 2 CON ESFERAS DE 15, 18 Y 32MM DE DIÁMETRO RESPECTIVAMENTE

III. ECUACIONES GOBERNANTES y CONDICIONES DE FRONTERA

El comportamiento de fluidos newtonianos está gobernado por las ecuaciones de Navier-Stokes. Para el estudio fluido-dinámico del flujo a través de los arreglos de esferas, se requiere la utilización de un modelo en 3D constituido por las ecuaciones de continuidad y de cantidad de movimiento lineal, las cuales se muestran a conti-nuación para fluidos newtonianos incompresibles:

Donde υ, P, μ y ρ corresponden a la velocidad, presión, viscosidad dinámica y densidad, respecti-vamente. Además, se considera que el fluido es de propiedades constantes, incompresible, con flujo isotérmico y se encuentra en estado estacionario. La longitud característica mínima del arreglo de esferas es suficientemente grande para conside-rar una condición de no deslizamiento sobre las paredes [12]. Por el extremo de entrada se tiene un flujo con una velocidad U y por el extremo de salida del canal se tiene un flujo con presión at-mosférica.

A. Mallado

Para la construcción de la malla se utilizó la he-rramienta de mallado de Ansys 12.1. La geometría

de la malla se construyó con elementos tetraédri-cos. Debido a la complejidad de la geometría, al tamaño de los canales formados por el espacio entre esferas y que los mayores gradientes de velocidad se encuentran en las paredes, fue ne-cesario reforzar la malla alrededor de las esferas. Para esto se utilizó un sizing (función que regula el tamaño de malla) con elementos de 0,001m, que refinó la malla alrededor de las esferas. Como es evidente, dos esferas presentan un solo punto de contacto, lo cual puede generar problemas al mo-mento de contacto, por lo tanto, se optó por dejar un pequeño espacio entre las esferas para llevar a cabo las simulaciones. La configuración de una malla típica implementada en el arreglo triangular de esferas está compuesta por 3243702 elemen-tos tetraédricos y 639034 nodos.

La malla se puede ver en la Fig. 3.Fig. 3. CORTE LONGITUDINAL DE MALLA TÍPICA PARA EL CANAL Y ARRE-

GLO DE ESFERAS

B. Método de solución

La estrategia utilizada comúnmente para la si-mulación del flujo en medios porosos implica la


adición de un término asociado a la porosidad en la ecuación de momentum. Si bien esta forma permite una correcta aproximación a la caída de presión y otros comportamientos relevantes, no permite visualizar campos de flujo, e inclusive, en algunos casos, es difícil establecer los pará-metros adecuados para diferentes membranas. Por lo tanto, este trabajo pretende simular di-rectamente el flujo en diferentes configuración de una membrana simulada, empleando las ecuaciones mostradas en la sección III. Dichas ecuaciones fueron resueltas para un régimen laminar estacionario mediante el método de vo-lúmenes finitos (FVM por sus siglas en inglés) implementado en el software AnsysFluent. FVM involucra la discretización e integración de las ecuaciones gobernantes sobre el dominio del control de volumen. Para este caso, el dominio de solución fue un canal horizontal de 0,4 m de longitud y de sección transversal cuadrada de 0,01m de lado, en cuyo centro se encontraba el arreglo de esferas. La longitud del canal es sufi-ciente para permitir un flujo laminar totalmente desarrollado (8 diámetros hidráulicos aproxima-damente).

El algoritmo que utiliza Fluent para resolver las ecuaciones en volúmenes finitos es el méto-do semi-implicito para acoplar las ecuaciones de presión (SIMPLE -semi-implicit method for pres-sure-linked equations- por sus siglas en inglés). En el esquema SIMPLE se utiliza una ecuación adicional a las anteriormente mencionadas que sirve de enlace entre la velocidad y la presión, ya que en la ecuación de continuidad no apa-rece la variable presión de forma explícita. En forma general, el procedimiento del algoritmo SIMPLE consiste en un proceso iterativo donde se comienza por suponer unos valores iniciales para los campos de velocidad y presión, luego se resuelve el conjunto de ecuaciones discreti-zadas y se utiliza una ecuación de corrección. Este proceso se repite hasta que converja la solución [13]. El software Ansys Fluent tiene predeterminado el esquema de discretización UPWIND, el cual consiste en la discretización de los términos diferenciales de las ecuaciones que se van a resolver, de forma que el valor de la variable en un nodo determinado es función únicamente de los valores de dicha variable en el nodo situado justo aguas arriba.

IV. RESULTADOS

Para las simulaciones llevadas a cabo en el software Fluent, se trabajó con agua como flui-do de trabajo con dos diferentes velocidades de entrada. Se realizaron simulaciones para ambas configuraciones de arreglos y tres diferentes ta-maños de esferas. El número de Reynolds para el canal con el medio poroso en medio se calculó con las siguientes ecuaciones [14]:

Donde V es la velocidad perpendicular a la superficie de la membrana porosa, K es la per-meabilidad y √ es la viscosidad cinemática. Para calcular las propiedades del fluido se tomó como referencia una temperatura de 25°C. Para una columna de esferas empaquetadas de diámetro d, y de porosidad φ, Ergun propuso la siguiente correlación para calcular su permeabilidad K;

A su vez, la porosidad de un medio poroso ubi-cado en medio de un canal cerrado se puede cal-cular como [15]:

Donde Ap representa el área ocupada por el fluido (área sombreada en la Fig. 4) y A, el área total de la sección transversal.

Fig. 4. DISTRIBUCIÓN DE ÁREAS EN LA SECCIÓN TRANSVERAL DEL ARREGLO

En la Tabla II se muestran para las diferentes configuraciones y diámetros, su porosidad, per-meabilidad y el número de Reynolds para cada una de las velocidades de entrada. El valor de la


velocidad para el Re1 es de 0,001m/s y para el Re2 es de 0,072m/s.

TABLA IICARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES MEDIOS POROSOS

Porosidad Permeabilidad [m2]

Re1@

0,001m/s

Re 2@

0,072m/s

D15 1 0,184 14 x 10-9 0,13 9,54

D15 2 0,179 13 x 10-9 0,13 9,04

D18 1 0,238 35 x 10-9 0,25 18

D18 2 0,242 37 x 10-9 0,26 18,55

D32 1 0,157 81 x 10-10 0,21 15,45

D32 2 0,156 80 x 10-10 0,21 15,33

Los resultados obtenidos para la caída de pre-sión medida entre la entrada del canal y su salida, se pueden ver en la Fig. 5.

Como era de esperarse, para una misma confi-guración, a mayor número de Reynolds mayor caí-da de presión se tiene a través de la membrana.

Fig. 5. RESULTADOS DE LA CAÍDA DE PRESIÓN PARA LOS DIFERENTES DIÁMETROS Y CONFIGURACIONES


La mayor caída de presión se presentó con el arreglo de menor diámetro de esferas. Aunque el volumen total se mantenga constante, la configu-ración del espaciamiento entre esferas también influye en la caída de presión, y como se puede ver en las gráficas, la configuración dos que tiene menor espaciamiento, generó una menor caída de presión. Excepto para el caso de las esferas de diámetro 32mm, donde sucedió el caso contrario. Ya que al reducir el espacio entre esferas para la configuración dos, se dejó mayor espacio entre el arreglo de esferas y el canal por donde el fluido encontró menor resistencia al fluir (y aunque se acercaron más las esferas entre sí, no se creó su-ficiente espacio para adicionar más esferas).

Otro factor interesante en lo relacionado a las caídas de presión, se refiere a la relación entre el valor de dicha caída y el diámetro. Por ejemplo, en el caso de la configuración uno con los Reynolds entre 7 y 15, un incremento de 3mm, equivalen-temente a solo el 20%, representa una reducción del 27.2%. Más aún, cuando el diámetro se incre-menta un 113% (de 15mm a 32mm) la caída de presión se reduce en 58.5%.

Cabe resaltar que el arreglo con las esferas de mayor diámetro tuvo un comportamiento inverso al de las otros dos. Al conservarse el mismo volu-men total, esto hizo que las esferas de diámetro de 32mm dejaran muchos espacios libres en los extremos del arreglo haciendo que el flujo pudiera desviarse fácilmente por ahí y así evitar cruzar a través del medio poroso, esto también pudo ha-ber sido la causa del por qué la configuración uno (con esferas de diámetro de 32mm) presentara menor caída de presión que la configuración dos, diferente a los otros dos casos.

Un contorno típico de presión para la geometría del problema es mostrado en la Fig. 6, Se puede observar que el comportamiento de la presión no es igual para todas las esferas debido a la confi-guración triangular desfasada utilizada, así como tampoco es uniforme sobre una misma esfera, esto debido a que la distribución de la velocidad varía dependiendo de las esferas que la rodean.

Hay esferas que están totalmente rodeadas por otras esferas, mientras que otras presentan espacios libres cerca a las paredes del canal por donde el flujo se comporta de manera diferente al no tener restricciones, esto se puede ver mejor en Fig. 7, donde se muestran cortes paralelos al sen-

tido del flujo con los contornos de presión sobre las esferas. En estas figuras se puede observar que para las esferas más pequeñas el flujo es uni-forme sobre todas ellas, es decir, el flujo se repar-te por igual a través de todo el arreglo, mientras que para los tamaños de esferas más grandes se ve como las esferas de los extremos son las que mayor interacción tienen con el flujo.

Fig. 6. CONTORNO DE PRESIÓN CONFIGURACIÓN 1 D15

Fig. 7. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE PRESIÓN PARA LAS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2

RESPECTIVAMENTE


Adicionalmente, en las Fig. 8 y 9 se muestra la relación entre el factor de empaquetamiento y la caída de presión sobre las membranas.

Fig. 8. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNA VELOCIDAD DE 0,072M/S


Como era de esperarse, las caídas de presión se incrementan a medida que se incrementa el factor de empaquetamiento del sistema. Otro fac-tor interesante que se evidencia es cómo la confi-guración 2 tiene una pendiente mayor que la que se presenta en la configuración 1, lo que mue en-tonces, una influencia mucho mayor del diámetro de las esferas para estos casos. Otro factor que salta a la vista es la falta de correlación entre re-sultados de las diferentes configuraciones con los resultados de los bancos de esferas con 32mm de diámetro. Esto se debe, como ya se había ma-nifestado anteriormente, a los espacios existentes entre las paredes y las esferas. Si bien esto hace imposible realizar una comparación cuantitativa entre los resultados, si permite intuir que la caí-da de presión es significativa, pues implica que el flujo evita parar por el espacio ocupado por las esferas.


La Fig. 10 muestra las líneas de corriente las cuales describen el flujo a través del medio po-roso.

Dichas líneas ilustran cómo al cambiar brus-camente de dirección, se generan regiones circu-lares en la superficie de las esferas, las cuales representan las zonas de estancamiento. El com-portamiento del flujo permanece de forma organi-zada mientras fluye a través de la zona central del arreglo de esferas, mientras que en la parte supe-rior e inferior al terminarse el medio poroso tien-den a formarse pequeños remolinos causados por la forma brusca del flujo. Lo cual puede explicar la presión negativa que se presenta en las caras de las esferas de la última capa. Al darse los posibles remolinos, parte del flujo se devolvería momentá-neamente debido a la baja velocidad, al hacer que estas presiones tiendan a cero.

Fig. 10. LÍNEAS DE CORRIENTE A TRAVÉS DEL ARREGLO DE CONFIGURACIÓN 1 D32

En la Fig. 11 Se muestra el contorno de veloci-dad, para cada tamaño de esfera y sus dos con-figuraciones, en un plano paralelo al sentido del flujo. De estas imágenes se puede ver cómo para todos los tamaños de esferas se presenta una gran simetría respecto al eje z, lo cual es lógico ya que los contornos de presión también mostraron esta misma simetría. Se puede observar cómo en los extremos del arreglo y en los espacios entre esferas se da una aceleración del flujo, que lleva a la formación de zonas de alta velocidad, que al en-trar a la última capa de esferas se encuentra con la zona de estancamiento y propicia la formación

de turbulencia y el desprendimiento de vórtices. Las zonas de alta velocidad son más notorias en las esferas pequeñas, pero la formación de turbu-lencia y el desprendimiento de vórtices se hacen más evidentes en los arreglos de esferas más grandes. Este comportamiento concuerda con el comportamiento de la presión, es decir, en la úl-tima capa de esferas se tiene una contrapresión que ocasiona cambios en la dirección del flujo y por ende se origina la turbulencia.

De estas figuras también se puede ver una clara diferencia entre las dos configuraciones de arreglos, para los tres tamaños de esferas, la con-figuración uno muestra una zona de muy baja ve-locidad detrás de la última capa de esferas, que en común tienden a formar un perfil parabólico que aumenta con el aumento del tamaño de esfe-ra, mientras que para la configuración dos las zo-nas de estancamiento se dan de forma individual para cada una de las esferas de la última capa.

Fig. 11. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE VELOCIDAD PARA LOS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2

RESPECTIVAMENTE


V. CONCLUSIONES

El estudio del comportamiento hidrodinámico (caída de presión y patrones de flujo) a través de un medio poroso fue realizado mediante un arreglo triangular desfasado de esferas. Las ecuaciones fundamentales del flujo de fluidos fueron solucio-nadas numéricamente para encontrar la caída de presión sobre el arreglo. Las simulaciones fueron realizadas en el software de CFD Fluent.

En general, se encontró que el diámetro de las esferas tiene gran influencia sobre la caída de presión, generándose en mayor proporción para los arreglos de menor diámetro de esferas. El es-paciamiento entre esferas, principalmente de la cara que enfrenta al flujo perpendicularmente, tie-ne gran influencia sobre la caída de presión. Para el medio poroso de menor diámetro la influencia del espaciamiento entre esferas es menor. Tam-bién se observó una interacción fuerte entre los flujos aguas abajo de cada esfera. Presentándose

en la última fila de esferas un desprendimiento de vórtices que aumenta a medida que aumenta el diámetro de las esferas.

Partiendo de estos resultados es posible en-tonces concluir que un adecuado control sobre el factor de empaquetamiento y la distribución de las estructuras puede mejorar significativamente el comportamiento hidrodinámico de las membra-nas porosas, haciéndolas una alternativa atracti-va para su empleo en sistemas de transferencia de calor y recuperación de calor.

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Resumen— El análisis del uso de biomasa como fuente de energía y el desarrollo de las investigaciones relacio-nadas con el proceso de gasificación; han originado el planteamiento de diversos modelos para explicar y en-tender este complejo proceso, tanto en su diseño, como en su simulación, optimización y análisis; los cuales van encaminados a satisfacer la necesidad de cuantificar la producción de energía y su eficiencia. Este artículo presenta un análisis de varios modelos de gasificación basados en el equilibrio termodinámico, la cinética y control basado en redes neuronales artificiales.

Palabras clave— Biomasa, Cinética, Gasificación, Mo-delado, Redes Neuronales, Termoquímica.

Abstract— The analysis of the use of biomass for ener-gy production and the development of research related to the gasification process, have led to the approach of various models for explaining and understanding this complex process, not only in its design, but also in its simulation, optimization and analysis; which are inten-ded to satisfy the need to quantify the energy production and efficiency. This article presents an analysis of seve-ral gasification models based on thermodynamic equi-librium, kinetics and control based on artificial neural networks..

Keywords— Biomass, Gasification, Kinetic, Modeling, Neural networks, Thermo-chemistry.

I. INTRODUCCIÓN

Durante los últimos años, a causa de los efec-tos del calentamiento global; han surgido inves-tigaciones de gran importancia en el campo del

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al

Estado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery:

Review for the actual tecnologyJosé Ulises Castellanos

MSc en Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo MDL&GE

(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética), Universidad Nacional de Colombia


Fabio Emiro Sierra VargasDr. MSc. Ingeniería Mecánica, Universidad de KasselDocente Tiempo Completo, Líder del Grupo MDL&GE

(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética) Universidad Nacional de Colombia


Carlos Alberto Guerrero FajardoDr. MSc. Ing. Químico, Universidad Nacional de Colombia

Investigador Grupo MDL&GE (Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética), Universidad Nacional de Colombia


uso de la biomasa como una fuente de energía alternativa, se reconoce que esta fuente energé-tica, posee una distribución más homogénea a lo largo del planeta, junto a un potencial energético mayor al de los combustibles fósiles [25]. Dentro de los procesos de aprovechamiento energético de la biomasa, se puede destacar los procesos de generación de gas combustible a partir de proce-sos de biodigestión (transformaciones biológicas) y gasificación (transformaciones termoquímicas) [30]. El segundo de ellos, se centra en la alta efi-ciencia de la combustión, puesto que un balance energético positivo, por ende, económicamente viable depende de la eficiencia en las conversio-nes termoquímicas ocurridas durante el proceso.

Actualmente existen sistemas de combustión directa para generación de energía eléctrica [38] a partir de biomasa como combustible, pero con el problema de la dosificación inherente a un sólido [3], por esta razón la gasificación resulta atractiva, puesto que simplifica los sistemas de dosificación y transporte del combustible. El gas de síntesis de los procesos de gasificación nor-malmente es un gas compuesto por monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano, trazas de etano y eteno, agua, nitrógeno y algu-nos contaminantes, como pequeñas partículas de carbonizado, ceniza y alquitranes [38]. La energía proveniente de este material gaseoso, determina


la calidad y el porcentaje de este en su obtención, ha sido la base fundamental de muchos estudios; los cuales algunos autores se han enfocado en la construcción de la máquina de gasificación, otros en la biomasa suministrada y algunos en el tratamiento del proceso agregando otros agentes que faciliten el proceso o realizando combinacio-nes entre los factores anteriores, pero siempre se busca incrementar la calidad del material ga-seoso. [38][3]. Por esta razón, en el grupo de in-vestigación “Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética (MDL&GE)” de la Universidad Nacional se planteó, hace unos años, la construc-ción de un gasificador con fines de investigación para determinar la viabilidad tecnológica y so-cioeconómica de esta tecnología para Colombia.

II. PROCESO DE GASIFICACIÓN

La gasificación de la biomasa es una tecnolo-gía de más de cien años de antigüedad. Se trata de un proceso cuyo objetivo es la descomposi-ción térmica de biomasa, particularmente de los residuos producidos en la industria agrícola, ma-derera y plantas de tratamiento de aguas, para un aprovechamiento energético de los mismos. El gas generado puede ser quemado en motores de combustión interna, turbinas o en equipos de producción de calor y potencia.

Un sistema de gasificación para producción de calor y potencia consiste en un gasificador, un limpiador de gas y un convertidor de energía que generalmente es un motor o una turbina. En este proceso, la mayor dificultad se encuentra en el filtrado del “gas de síntesis”, pues se requiere de equipos con capacidad para operar con gases a elevadas temperaturas, partículas en suspensión de diferentes tipos y algunas veces altos flujos de masa (Diseño y construcción de un gasificador de lecho fluidizado a escala de laboratorio para el tratamiento térmico de los residuos de tabaco, 2005). Este proceso se cumple en una cámara cerrada y sellada que opera ligeramente por de-bajo de la presión atmosférica con las siguientes etapas.

Secado: el agua contenida en la biomasa es removida a una temperatura superior a los 100°C.

Pirólisis: la biomasa experimenta una des-composición térmica en ausencia de oxígeno.

Habitualmente es dividida en pirólisis lenta y pi-rólisis rápida

Oxidación: El aire, oxígeno, vapor de agua o agentes gasificantes son introducidos mediante un proceso externo al equipo, en algunos casos junto a gases inertes, procedimiento realizado entre 700- 2000°C.

Reducción: En esta zona se producen nume-rosas reacciones químicas a alta temperatura (Ejemplos. Ecuaciones 1 y 2) [14].

Desde un punto de vista científico, la gasifi-cación, se trata de una reacción endotérmica he-terogénea entre el carbono contenido en la bio-masa y un gas reactante, sea vapor de agua o dióxido de carbono:

C + H2O → CO + H2 (1)C + CO2 → 2CO (2)En la Figura 1 se muestran las reacciones quí-

micas presentes en un proceso de gasificación.Fig 1. GASIFICADOR QUÍMICO

Fuente: S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. 2008

A nivel industrial, el objetivo de la gasificación es favorecer las dos reacciones para producir un gas combustible. Sin embargo, para alcanzar esto, se deberá generar previamente los elemen-tos necesarios para ambas reacciones, es decir, el carbono, y los reactantes (CO2 y H2O), así como también una cantidad de energía para la reacción [52]. Por otro lado, el poder calorífico del gas de síntesis se encuentra normalmente entre 3,5 – 6 MJ/m3 [2][41] según el agente gasificante utili-zado, por ejemplo, al usar el aire atmosférico, se tiene un gran porcentaje de nitrógeno, que es un gas inerte; por otro lado al usar oxígeno o vapor de agua se incrementa el valor.

97Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos, Sierra, Guerrero

III. TIPOS DE GASIFICADORES

A. Gasificador Updraft

Este tipo de gasificador tiene bien definidas las zonas de combustión parcial, de reducción y piróli-sis. El aire es suministrado por la parte inferior del gasificador y el gas de síntesis es entregado por la parte superior a unas temperaturas relativamente bajas. En sus desventajas está el alto contenido de alquitrán del gas producido y la capacidad mar-ginal que tiene en su carga, por ende, la imposi-bilidad de generar de un gas de síntesis en flujo continuo que aumenta las dificultades para la utilización en motores de combustión interna. [9]

B. Gasificador Downdraft

Este gasificador entrega el gas de síntesis por la parte baja y la admisión de aire es realizada por la parte media del mismo. Las dificultades de esta configuración son su contenido de cenizas y humedad; por otra parte, el prolongado tiempo de encendido (20 a 30 minutos). Pero permite tener un flujo continuo, por lo que es el tipo más acep-table para motores de combustión interna y turbi-nas de gas. [2] [12]

C. Gasificador Crossdraft

Este gasificador tiene un tiempo de arranque corto, alrededor de 5 minutos, capacidad de ope-rar con combustibles húmedos o secos y la tempe-ratura del gas producido es relativamente alta. De ahí que la composición del gas producido tenga un bajo contenido de hidrógeno y de metano. Como desventaja, estos gasificadores, deben ser utiliza-dos con combustibles de bajo contenido de ceni-zas, como la madera y el carbón mineral.[10] [11]

D. De Lecho Fluidizado

En esta configuración, se suministra el aire a través de un lecho de partículas sólidas a tal velocidad que estas partículas permanezcan en estado de suspensión, comenzando a calentar ex-ternamente el lecho y el material de alimentación (biomasa).

Las partículas del combustible se introducen en el lecho del reactor y se mezclan rápidamente con el material, calentándose casi instantánea-mente a la temperatura requerida. Como resulta-do de este tratamiento, el combustible se piroliza

muy rápidamente y da como resultado una mez-cla de componentes con una cantidad relativa-mente elevada de materiales gaseosos [52][14]. La composición de gas de síntesis producida por los diferentes tipos de gasificador se muestra en la Tabla I [10].

TABLA I. COMPOSICIÓN TÍPICA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE LA MADERA EN

GASIFICADORES DE TIRO INVERTIDO

COMPONENTES [%]

H2 12-20

CO2 9-15

CH4 2-3

CO 17-22

N2 50-54

PODER CALORÍFICO 5-5.9MJ/m3

Fuente: Stassen HEM, Knoef HAM 1993

IV. AGENTES GASIFICANTES

Los agentes gasificantes son sustancias que se agregan al proceso y permiten la descomposi-ción de los productos de la combustión parcial de la biomasa en componentes del gas de síntesis. Como ya se mencionó anteriormente, el oxígeno como agente gasificante puede lograr un mejor rendimiento pero, a su vez, incrementa el costo de producción. Adicionalmente a permitir las re-acciones de gasificación, la combustión parcial brinda el calor necesario para secar la biomasa, producir la pirólisis e iniciar el proceso, ya que las reacciones de gasificación suelen ser de tipo en-dotérmico, y dan como resultado dióxido de carbo-no (CO2) y vapor de agua en los productos [43]. Al emplear vapor de agua como agente gasificante, se facilita la generación de H2, el poder calorífico del gas de síntesis será mayor, alrededor de 10-15MJ/m3 [43][44]

Otro agente gasificante, que muestra buenos resultados, es el CO2, debido a su presencia en el gas de síntesis. Por otra parte, una mezcla entre vapor H2O y CO2 del aire y/u O2 también puede ser utilizada, junto con un porcentaje de la combus-tión de biomasa con aire/O2 para proporcionar el calor necesario para gasificación [43][44][41].

Estrategias para el Modelado de Procesos de Gasificación

El control de la producción de gas es uno de los grandes inconvenientes del proceso, puesto que las variables de control influyen directamen-


te en la calidad y composición del gas, donde el objetivo es la minimización de los residuos tóxi-cos y alquitranes. Un aspecto clave para mejorar la eficiencia del proceso, es la integración de la dinámica del proceso de gasificación con la toma de decisiones reales de la operación de la planta. Estrategia evidenciada en el uso de modelos evo-lutivos inteligentes-adaptables para el control y optimización.

A. Control basado por modelos MBC

El Control (MBC) consiste en hacer un modelo al cual se le aplica una técnica adaptativa sin te-ner en cuenta retrasos en el tiempo ni variables re-lacionadas con la biomasa (peso, masa y demás). Una técnica derivada de la anterior es el Modelo Predictivo de Control (MPC), que utiliza un modelo interno para predecir la dinámica del sistema du-rante un período fijo, característica que hace que las técnicas MPC sean un modelo atractivo para los ingenieros de la planta. Estos modelos pueden ser construidos a partir de ensayos y datos toma-dos experimentalmente [29].

Estas técnicas, se basan principalmente en modelos mecanicistas, por lo tanto la efectividad del control depende de la exactitud del modelo.

Este problema se ha simplificado considera-blemente al utilizar modelos de redes neuronales (RNA) Figura 2. Las cuales han demostrado su uti-lidad en implementaciones de control de procesos químicos [19].

Fig 2. ESQUEMA DE UNA RED NEURAL

Fuente: P., Basu. 2006

Algunas de las características relevantes de las RNA son:

• Habilidad para representar a las arbitrarias re-laciones no lineales.

• La adaptación y el aprendizaje en los siste-mas cerrados, siempre a través de los off-line y en la adaptación de peso en línea.

• Arquitectura de procesamiento distribuido, que permite un rápido tratamiento en gran es-cala de sistemas dinámicos.• La implementación de hardware.• Fusión de datos. Las redes neurales pue-

den operar simultáneamente en los datos cuantitativos y cualitativos.

• Los sistemas multivariable, para varias entradas varias salidas. [19][22].

B. Control por modelo ideal

Otro modelo estudiado es el que opera como cero-dimensional. Este aprovecha las condiciones de lo ideal, una reacción química adecuada y el tiempo de permanencia. El modelo trata de supo-ner el intervalo más largo y observa la necesidad de completar la reacción en ese tiempo; de tal ma-nera que el modelo de equilibrio sea el apropiado. En todos los modelos de equilibrio, un conjunto de ecuaciones no lineales describen la conserva-ción de las especies químicas (C, O2, H2, N, S) y las ecuaciones adicionales, para el equilibrio térmico de las reacciones independientes (las cuales co-rresponden a la minimización de la energía libre de reacción) que permite una predicción de la sa-lida a composiciones dadas de los reactivos y las condiciones de operación (presión y temperatura). El conjunto resultante de ecuaciones no lineales es resuelto por iteración de la solución de un sis-tema lineal que, a su vez, se establece en térmi-nos de la matriz de tridiagonalización.

El modelo fue usado para la simulación de gasificación de carbón por Manfrida, 1990 [26], considerando un total de 19 especies de produc-to comúnmente encontradas en los procesos de gasificación (CO, CH4, H2, C2H4, C2H6); algunas es-pecies que pueden ser relevantes desde el punto de vista ambiental y cuya formación podría ser descrita, al menos en parte, por reacciones de equilibrio, fueron también incluidas las especies (HCN, NH3, H2S y COS). El modelo asume compor-


tamiento de gas perfecto para los reactivos y los productos, de modo que no puede describir pro-cesos de pirólisis donde se producen fracciones significativas de hidrocarburos líquidos; la única excepción al comportamiento de gas perfecto es la posible presencia de carbón sólido entre los re-siduos de los reactivos. Propiedades termoquími-cas de todas las especies fueron tomadas de las tablas de JANAF [16].

Las condiciones termodinámicas, a las cuales las reacciones tienen lugar, pueden ser manipu-ladas por cambios de presión, temperatura (que puede ser incluso calculada evaluando los proce-sos a condiciones adiabáticas) o calor transferido por radiación de la zona de reacción. El flujo de biomasa así como el de aire (u Oxígeno, depen-diendo de la elección del oxidante) y agua o vapor, puede ser seleccionado por el usuario. El modelo es capaz de ejecutarse a un nivel de temperatura especificado, o para calcular iterativamente las condiciones correspondientes a la temperatura de llama adiabática, o a cierre del balance de energía a un porcentaje del valor calorífico de la biomasa como materia prima.

El vapor inyectado en la zona de reacción pue-de ser producido regenerativamente dentro del gasificador. En este caso, el intercambio de calor entre el agua y el gas tiene lugar antes de la sa-lida en el gasificador. La producción regenerativa de vapor puede también resolver el problema de enfriamiento de los gases de salida, cuando sea necesario.

En conjunto del gasificador es descrito por un sistema incluyendo muchos bloques (reactor, módulos de transferencia de calor, entre otros), esquematizado en la Figura 3. El modelo propor-ciona una descripción relativamente exacta del balance de energía del gasificador (entrada y sali-da de energías químicas, valores caloríficos de la materia prima y el gas de síntesis y condiciones termodinámicas de gas de síntesis a la salida), además se realizó un análisis de exergía [32] [51], que permite una estimación total de la irreversibi-lidad en el proceso de transformación de la bio-masa como materia prima dentro de una corrien-te caliente del gas de síntesis del combustible y también proporciona detalles internos de las dis-tribuciones perdidas que pueden ser analizadas e interpretadas para buscar la minimización del total de pérdidas.

Un punto que debería ser subrayado es que el programa no toma en cuenta la diferencia de com-posición de las diversas fuentes de biomasa, pro-porcionando el mismo análisis definitivo. Correc-ción válida para balances de energía, pero poco aproximada con la cadena de reacciones que con-ducen a la formación de algunas especies (como NH3, cuya formación es afectada por la forma de los átomos de nitrógeno en el interior de las molé-culas de la materia prima). La caracterización de la biomasa se obtiene de ellos sólo porque esta-blezca su composición, como puede ser encontra-da por ejemplo en Domalski, 1987 [17][35].

El encabezamiento de una partición primaria (parte) se precede de un numeral romano seguido de punto, espacio y el título en versalita (sólo la primera letra en mayúscula). Todo ello centrado sobre el texto que encabeza.

El encabezamiento de una partición de segun-do orden (sección) consiste en una letra mayúscu-la (en orden alfabético) seguida de punto, espacio y el título (con la primera letra en mayúscula), todo ello en cursiva y justificado a la izquierda de la co-lumna.

El encabezamiento de una partición de tercer orden (apartado) consiste en un número arábigo (en orden natural) seguido de final de paréntesis y del título (con la primera letra en mayúscula), todo ello en cursiva y sangrado.

Las particiones de cuarto orden (subapartados) se necesitan raramente, pero pueden usarse. Se encabezan mediante una letra minúscula (en or-den alfabético) seguida de un paréntesis de cierre y el título (con la primera letra en mayúscula), todo ello en cursiva y sangrado.

Si se necesitaran particiones de quinto orden deben encabezarse simplemente mediante una viñeta seguida del título en cursiva, todo ello con doble sangrado.

C. Efectos de la biomasa empleada

Para la validación de los datos del código de si-mulación, se encontraron datos en experimentos descritos en la literatura. Un ejemplo de ellos es el gasificador [9] que utiliza un aire inyectado cir-culante en una unidad piloto de lecho fluidizado. Otro ejemplo es el aire inyectado presurizado en el reactor de lecho fluidizado. Gasificador de [45]. Este utilizó un inyector de Oxígeno en un reactor


de lecho de flujo arrastrado. Los datos reportados incluyen la composición del gas, un valor calorífi-co, la eficiencia del gasificador (incluidos ambos valores caloríficos y calor sensible del gas a la sa-lida del gasificador) y su eficiencia de exergía. [9]

D. Modelo Predictivo

El control predictivo es capaz de tratar muchos problemas prácticos de control, tales como garan-tías de estabilidad nominal, optimización del ren-dimiento nominal y manejo de restricción, además puede dar diseños sistemáticos para los sistemas multi-variables como el caso del ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC), el cual combina la gasificación de carbón con la tecnología del ciclo convencional dando como resultado un pro-ceso de gasificación limpio del carbón de alta efi-ciencia. Las ventajas son: un alto rendimiento en la generación de energía, una eficiencia alta con IGCC, disminución en la contaminación.

Límites de entrada: Los límites de flujo de en-trada no deben ser excedidos así como la tasa de entrada de los límites de cambio tampoco deben excederse.

Límites de producción (salida): La fluctuación del valor calorífico debe ser minimizado y siempre estar en el rango de +/- 10 kJ/kg, la fluctuación de presión debe ser minimizada y siempre menor que +/- 0.1 bar, la masa en el lecho debe oscilar en menos del 5% del nominal, y la oscilación de temperatura debe guardar un mínimo, que debe ser siempre menor que +/- 1 C

T-S Multi-modelo de control predictivoConsiderado un sistema dinámico no lineal el

cual se puede representar por la siguiente fórmula:

y(k)=g(y(k-1),…,y(k-n),u(k),…,u(k-m-1)) (3)

Se asume que la función g() es una función no lineal, con salidas y() y entradas u(). De la anterior formulación se puede denotar que el modelo T-S se puede linealizar teniendo en cuenta las varia-bles y sus supuestas salidas, dentro de un rango dinámico limitado. [49][40]

VI. PROGRAMACIÓN DE CONTROLADORES

Primero, se obtiene el control-objeto del punto de operación típico en un modelo lineal estaciona-rio en tiempo discreto. Para considerar el impacto

de perturbación en el modelo; el modelo debe ser incorporado dentro de los elementos de perturba-ción. Asumido que las condiciones del modelo en el punto son variables acotadas. Donde u(k) es la entrada y y(k) es la medida de la perturbación en la entrada. [49][8]

A. Modelo (PID) para un gasificador

El gasificador de carbón es esencialmente un reactor químico donde el carbón reacciona con aire y vapor y cuyos productos del proceso de gasi-ficación son un valor calorífico del gas de síntesis, que puede ser quemado en turbinas de gas.

El controlador debe ajustar las entradas a fin de regular las principales variables de salida del gasificador que, por ejemplo, son la temperatura del gas, la presión del gas, el valor calorífico del gas y la masa en el lecho, entre otras.

Puesto que el gasificador, es un sistema multi-variable y altamente no lineal, con importantes interacciones entre las variables de la entrada y la salida, las actuales estrategias de control son poco eficientes [49][47]. En los gasificadores existentes, el control automático no va más allá del control PI (proporcional/ Integral) o PID (pro-porcional/ integral/ derivada) enlazados al flujo alrededor de los actuadores de alimentación del sistema. Por ejemplo, en el gasificador experimen-tal del instituto de desarrollo tecnológico de Esta-dos Unidos, el circuito de control es cerrado por un operador humano experto, quien usa su juicio para modular las tasas de flujo de masa (carbón: aire, vapor, aire y otros) y por lo tanto, los puntos establecidos para los controles en el actuador de salida (PID). Procedimiento similar al utilizado en el gasificador de biomasa fluidizado a presión de la Universidad de Delf en los Países Bajos.

B. Modelo Multivariable no Lineal

El modelo empleado para el proceso del ga-sificador del grupo MDL&GE es un modelo multi-variable no-lineal, que tiene cinco entradas con-trolables (carbón, caliza, aire, vapor y el caudal) y cuatro salidas (presión, temperatura, masa en el lecho y la calidad del gas) con un alto grado de acoplamiento entre ellos. La piedra caliza se utili-za para absorber el azufre en el carbón, por ende su caudal debe establecer una relación fija con el flujo de carbón (nominalmente 1 caliza: 10 car-bón). Esto reduce el problema a cuatro problemas


de regulación para cada entrada. Otras entradas de control pueden incluir a las condiciones en el modelo de límites; mejorando las maniobras de operación en diferentes puntos, mediante el mo-delo (PSINK) de dos entradas de perturbación externa, las cuales se representan por medio de perturbaciones inducidas por la presión. A conti-nuación se listan las entradas y salidas controla-bles, producto de este análisis.

Entradas (kg/s)

• Flujo de carbón coquizado WCHR

• Flujo de aire WAIR

• Flujo de carbón WCOL

• Flujo de vapor WSTM

• Flujo de piedra caliza WLS

Las entradas de perturbación son:

• Presión PSINK (Pa)

• Calidad del carbón (%)

Salidas controladas:

• Valor calorífico del gas combustible CV GAS

(kJ/kg)

• Masa del lecho MASA (kg)

• Presión del gas combustible PGAS (Pa)

• Temperatura del gas combustible TGAS (K)

C. Control Basado en Estimaciones.

La estimación del estado basado en el control de un gasificador de carbón, junto a las técnicas de estimación de parámetros en línea, proporcio-nan un medio para inferir valores en tiempo real de las variables claves del proceso, que no pue-den medirse directamente. Estas estimaciones de Estado pueden ser útiles para el mejoramien-to del control de proceso, mediante la filtración de Kalman (KF), la cual se aplica a un sistema no lineal de gasificación de carbón, operada ini-cialmente en el marco de la estrategia de control convencional de retroalimentación. Donde, las perturbaciones que no son medibles en la ope-

ración de gasificador, surgen de la presión de descarga y la calidad de carbón de alimentación.

El algoritmo KF es un método fácil de aplicar, sin complicaciones y con un diseño especial para el tratamiento o ajuste de los parámetros en con-junto. La principal motivación para el empleo de estimación de estado es la obtención de los va-lores de las perturbaciones del proceso no medi-das. Para ello, se trata v como variable de estado adicional no medible que varía aleatoriamente sobre un valor fijo (inicialmente desconocido) y se incluyen en un estado aumentado, en conse-cuencia el vector z [21]

En la línea de control predictivo se ha incor-porado una nueva acción de integración para dar libertad al seguimiento. La teoría propuesta por Víctor Becerra (Universidad Ciudad de México), destaca el hecho de que los límites de intervalo de muestreo que se plantean en la práctica, son el problema que se presenta al momento de la programación lineal MBPC cuadrática en cada in-tervalo de muestreo, y puede tener un efecto per-judicial sobre el rendimiento de circuito cerrado de alcanzar el sistema estable, esto sugiere que el control de entrada tiene limitaciones impor-tantes en el diseño de sistemas de alimentación de gasificación.

VII. EXPERIENCIA EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

En la Universidad Nacional se han realizado procesos de gasificación a partir de la cascara de cacao, cascarilla de café, cascara de coco y made-ra, entre otros. Uno de los grandes inconvenientes en el proceso de gasificación, es el control de la producción de gas de calidad y en qué porcenta-je obtenerlo; poder minimizar los residuos tóxicos y alquitranes al punto de controlar la totalidad del proceso. Una cuestión clave para mejorar la eficiencia energética y consolidar la gasificación como fuente potencial de energía que permita la implementación de sistemas automáticos en la industria.

Con base en las investigaciones desarrolladas en el grupo MDL&GE, se han incluido sistemas de adquisición de datos de los sensores de tempera-tura, que están distribuidos de la siguiente forma: la T1 se encuentra ubicada en la zona de piróli-sis, T2 en la zona de combustión y T3 y T4 en la


de gasificación. (Figura 3) Mediante estas imple-mentaciones se han implementado aplicaciones de control sencillo pero con grandes resultados. Tabla II y Figura 4 [11]

Fig. 3. GASIFICADOR DE LECHO FIJO

Fuente: Grupo de Investigación MDL&GE

Fig. 4. PERFIL DE TEMPERATURAS


Los perfiles de temperatura como se muestra en la Figura 4 determinan los puntos donde se debe utilizar algún tipo de control para mantener la temperatura en relación con la calidad del gas (estabilización de las temperaturas).

La monitorización en tiempo real de los per-files de temperatura, garantiza que el control, sea manual o automático, mantenga regímenes de operación para realizar los experimentos con repetitividad de las variables internas al reactor. Esto mejora el diseño de los experimentos.

TABLA II.TEMPERATURAS DENTRO DEL REACTOR

tiempo (min) T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C)

0 17,5 66,6 59,1 13,8

3 18,1 83,4 77,3 54,8

6 18,6 265,4 157 47,8

9 22 405 232,3 54

13 56,3 568 343 76,5

19 39,8 454,4 465,8 96,8

25 51,9 618,5 553 170,4

29 50,3 592,2 510,3 250,4

33 47,2 568,2 526,7 230,2

37 52,1 656,3 513,1 303,6

41 55,9 679,4 531,1 303,5

44 49,5 683,9 564,1 327,6

48 49,3 751,8 596,2 336,7

50 52,1 839,5 582,2 336,8

53 59,4 826,2 562,9 336,3


VIII. CONCLUSIONES

Se han desarrollado diferentes tipos de mode-los para sistemas de gasificación y su reacción ci-nética, El sistema en equilibrio con las etapas de control por medio de redes neuronales artificiales, hacen que el comportamiento pueda predecir si-tuaciones extremas. En los modelos cinéticos que predicen el progreso y la composición del produc-to en diferentes posiciones a lo largo de un reac-tor, ha sido de gran ayuda adaptarlo a un sistema equilibrado, ya que puede predecir el máximo ren-dimiento posible, en un producto deseado de un sistema de reacción. También proporciona un útil diseño de apoyo, para evaluar el posible compor-tamiento y sus límites en un complejo sistema de reacción que sea difícil o peligroso para reproducir experimental.

AGRADECIEMIENTOS

Este proyecto fue financiado con recursos de la Universidad Nacional de Colombia, según pro-yecto código 13151; “Apoyo de la DIB a tesis de investigación en posgrado” y el Proyecto “Alianza


estratégica para la investigación de la obtención de gas de síntesis desulfurado a partir de la gasi-ficación de carbones colombianos” código 12651.

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Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en

microscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head position

control to be used in optical microscopy

Paula Andrea Ortiz Valencia MSc. en Ingeniería área Automática,

Universidad Pontificia Bolivariana. Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo Automática y Electrónica,

Instituto Tecnológico Metropolitano ITM. Medellín, [email protected]

Lorena Cardona RendónPhD(c) Universidad Nacional de Colombia

MSc. en Ingeniería área Automática, Universidad Pontificia Bolivariana.

Grupo Inteligencia Artificial en Educación, Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín,

[email protected]

Resumen— En este artículo se diseña un control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una uni-dad de CD que se piensa emplear en el desarrollo de un microscopio óptico motorizado. En dicha aplicación se reemplazará el disco o CD por una placa con la mues-tra que va a ser estudiada, y se usará el cabezal de la unidad para iluminar la muestra. Con el controlador di-señado se busca que no haya dependencia del subcó-digo escrito en un CD para determinar la posición del cabezal, para lo cual se usará un ratón de computador como sensor de posición. También se busca un control que mejore el desempeño del sistema y que sea robusto frente a las incertidumbres en el modelo de la planta, razón por la cual se empleará un control tipo fraccional (PI^λD^μ) y se ajustarán los parámetros K_p, K_i, K_d, λ, μ con cinco especificaciones de robustez. Para la sinto-nización del control se utiliza la toolbox de optimización de Matlab con la función fmincon. Al final del artículo se presentan los resultados en simulación, se concluye sobre la resolución obtenida, la robustez del controlador y la viabilidad del sistema de control para ser empleado en un microscopio.

Palabras clave— Control de posición, Control Fraccio-nal, Control Robusto, Microscopía óptica, ratón óptico, unidad de CD.

Abstract— On this work a fractional PID controller is designed for a CD pickup head position control that is intended to use in the development of a motorized op-tical microscope. In such an application the disk or CD would be replaced by a plate with the sample to be stu-died, and the pickup head would be used to illuminate the sample. The controller is designed in such a way that there is no dependence on a CD written subcode to de-termine the position of the head, and for this, a compu-ter mouse is used as a position sensor. We also look for the controller to improve the system performance and to be robust against model uncertainties of the plant, that is why we use a fractional controller PI^λ D^μ and adjust the parameters K_p, K_i, K_dλ and μ according

to five robustness rules. For tuning the control we use the Matlab optimization toolbox together with fmincon function. At the end of the paper we present the simula-tion results, concluding about the resolution obtained, the robustness of the controller and the viability of the control system to be used in a microscope.

Keywords— CD , fractional control, position tracking, ro-bust control, , optical microscopy , optical mouse.

I. INTRODUCCIÓN

Debido a las rápidas mejoras en las tecnolo-gías de manufactura electrónica, los computado-res se han convertido en productos electrónicos de corta vida, lo que termina en una gran cantidad de computadores desechados que pueden con-taminar seriamente el medio ambiente [1]. Para aportar una solución, muchos investigadores han desarrollado trabajos en los que diferentes partes de computador se reutilizan y adaptan para dar soluciones innovadoras a problemas en diversos ámbitos. Una parte de computador que ha tenido especial interés es la unidad de Disco Compacto (CD), ya que contiene elementos opto-mecánicos muy precisos.

Cuando se revisa el estado del arte, se en-cuentran aplicaciones de las unidades de CD en perfilometría [2]–[8], en microscopía de barrido [9], en microscopía de fuerza atómica [10] –[14], para desarrollar un velocímetro [15], [16], para desarrollar un interferómetro de Fizeau multifa-se homodino [17], para medir rectitud [18], para el desarrollo de una micro-máquina de medición por coordenadas [19][20], para crear un pulsador

107Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona

electrónico [21], para desarrollar un aceleróme-tro óptico [22][23], en el desarrollo de una son-da táctil tridimensional [24], para desarrollar un biosensor óptico [25], un sistema de análisis ce-lular [26], un sistema de micro-espectroscopia de Rhaman miniaturizado [27], para medir eventos vinculantes bio-moleculares [28], en citometría [29]–[31], para análisis de micro-estructuras [32], en la detección óptica para chips de ADN [33][34], en la detección de bio-información a partir de un bio-chip [35], para desarrollar un autocolimador [36], para detectar drogas y uniones en células biológicas [37].

Como aporte adicional en esta línea, en el Ins-tituto Tecnológico Metropolitano (ITM), en Colom-bia, se está desarrollando un microscopio óptico de bajo costo con platina motorizada, a partir de una unidad de CD desechada. En este caso, en lu-gar de un CD, se tendría una placa con la muestra para ser observada y el cabezal de la unidad servi-ría para iluminar la muestra de manera enfocada, l conuna cámara Web al lado opuesto para tomar las imágenes.

En el control normal de posición del cabezal de una unidad de CD se lee un sub-código escrito en el CD que informa al sistema la posición del cabe-zal en cada momento. Pero, en este trabajo, no se tiene un CD sino una placa con una muestra y, por lo tanto, se pierde el sub código que permite realimentar el lazo de control.

La mayoría de los trabajos estudiados, en los que se desarrollan aplicaciones alternativas a las unidades de CD, utilizan únicamente la tecnología de auto-enfoque encontrada dentro del cabezal de la unidad, muchos no requieren controlar el movimiento del cabezal y los que sí lo requieren, usan motores o plataformas piezoeléctricas que son costosas y que, por lo tanto, no podrían ser empleadas en este trabajo, ya que se quiere lo-grar un microscopio de bajo costo. Se exceptúan los trabajos de Islam et al. [8], quienes usaron un ratón óptico para medir la velocidad del cabezal, y Bartoli et al. [5], [6], quienes usaron el mismo cabezal óptico de la unidad como sensor. Sin em-bargo, en los trabajos mencionados, se controla la velocidad del cabezal más no su posición.

Para lograr medir la posición del cabezal, en este trabajo se recurrirá a la combinación de dos sensores, a saber, un ratón óptico y un codifica-dor de un ratón optomecánico de computador,

mediante la técnica de mínimos cuadrados pon-derados.

El control de posición de la platina se hará con un controlador PID tipo fraccional. La razón por la cual se seleccionó este tipo de control es que éste posee la ventaja frente a otros contro-ladores robustos de que los conceptos teóricos y el lenguaje utilizado son de fácil comprensión, ya que se lo puede ver como un caso especial de los controladores PID de orden entero, que son de co-mún manejo para todos los profesionales de esta área de conocimiento. Adicionalmente, los con-troladores de orden fraccional por su cantidad de parámetros ajustables, permiten respuestas en el tiempo y la frecuencia del sistema de control más maniobrables con un desempeño robusto, sin ne-cesidad de utilizar representaciones en espacio de estado.

Los controladores de orden fraccional son una nueva alternativa que ha permitido explicar fenómenos que eran imposibles de comprender desde el punto de vista de los sistemas lineales enteros [38], razón por la cual ha sido objeto de recientes desarrollos, contándose incluso con una toolbox para Matlab [39] llamada CRONE (CommandeRobusted’OrdreNnon Entier) [39].

Uno de los inconvenientes que tiene este controlador es la dificultad que se presenta para sintonizarlo. En este sentido se ha intentado apli-car diferentes técnicas para la sintonización de controles fraccionales, como el método Ziegler-Nichols [40][41], series de polinomios [42], algo-ritmos genéticos [43], enjambres de partículas [44], teoría electromagnética [45], cuantificado-res dinámicos [46] y modos deslizantes [47][48]. Sin embargo, muchas de las técnicas usadas pre-sentan problemas por la cantidad de parámetros que se requiere calcular, lo que se traduce en alta carga computacional y altos tiempos de procesa-miento, siendo esta la razón de que muchos tra-bajos de implementación del control fraccional se hayan hecho sobre variables o procesos de reac-ción lenta, tales como el control de temperatura.

En este trabajo se optará por la aproximación usada en [40], que consiste en un método iterati-vo que busca cumplir cinco condiciones de robus-tez. La razón es que en dicho trabajo se muestra la posibilidad de obtener una sintonización rápida del control con resultados robustos.


II. MATERIALES y MéTODOS

A. Modelo de la Unidad de CD

Para obtener un modelo de la unidad de CD, se recurrió a un software de modelado en 3D (Auto-desk Inventor ® 2011), en el cual se construyeron los modelos de cada uno de los componentes a partir de medidas sobre una unidad de CD real to-madas con un calibrador. Luego, las partes mode-ladas se unieron en un archivo de ensamble para generar las relaciones entre ellas. La unidad de CD y el modelo en 3D se observan en la Fig. 1. El modelo está compuesto por los elementos que se listan a continuación (los elementos listados es-tán realmente formados por varios componentes, pero sin movimiento relativo entre ellos):

Placa: es el elemento fijo, allí están las guías por las que desliza el cabezal y el armazón del mo-tor.

Engranaje 22: Está conectado directamente al eje del motor. Tiene 22 dientes y un diámetro primitivo de 8.8mm.

Engranajes 95_18: Son dos engranajes cons-truidos en un solo cuerpo, uno de los cuales en-grana con el engranaje 22 (de 95 dientes y un diá-metro primitivo de 38mm) y el otro engrana con la cremallera conectada al cabezal (de 18 dientes y un diámetro primitivo de 7.14mm).

Cabezal: es el elemento cuyo desplazamiento se quiere controlar. Está compuesto también por la cremallera, que engrana con una de las ruedas que componen el elemento llamado Engranaje 95_18.

Fig. 1. FOTO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EMPLEADA EN ESTE TRABAJO (A LA IZQUIERDA) Y MODELO EN 3D DE LA MISMA UNIDAD CONSTRUIDO EN

AUTODESK INVENTOR ® (A LA DERECHA).


En la Fig. 2 se muestra el mecanismo de mo-vimiento que se pretende controlar. El Engranaje 22 es accionado por un motor de corriente directa (DC) de la unidad de CD. Este engranaje transmite el movimiento al Engranaje 95_18, que a su vez le transmite el movimiento a la cremallera que está unida al cabezal.

Fig. 2. MECANISMO QUE SE PRETENDE CONTROLAR.


A partir del modelado en 3D, fue posible crear un modelo del sistema en el software Si-mulink, mediante un aplicativo de enlace entre los dos programas llamado SimMechanics Link. Esto permitió exportar las propiedades físicas de los objetos modelados (momentos de iner-cia, centros de gravedad, coordenadas, puntos de contacto), así como sus grados de libertad. El modelo exportado en Simulink se muestra en la Fig. 3.

Fig. 3. MODELO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EN SIMULINK.


En el modelo de la Fig. 3, los bloques que re-presentan los cuerpos tienen puntos de conexión que están determinados por coordenadas espa-ciales [x, y, z]. Los cuerpos se conectan entre sí a través de uniones (revoluta, prismática) y a través de restricciones (restricción de engranajes, actua-dor de velocidad). Estas últimas, no fueron expor-tadas por el programa SimMechanics Link, sino que se crearon manualmente.

La restricción de engranajes expresa la re-lación de velocidad entre los dos engranajes se muestra en (1):


emplazar estos valores en (3), se obtiene que la función de transferencia (4) para el motor de la unidad de CD.

C. Modelo del Codificador

El codificador empleado en esta aplicación pertenece a un ratón opto-mecánico de compu-tador. El codificador consta de una rueda ranura-da, un LED y sensor infrarrojo. Las ranuras en la rueda rompen el haz de luz proveniente del LED de tal forma que el sensor infrarrojo, al otro lado de la rueda, lee pulsos de luz cuya velocidad es directamente proporcional a la velocidad de giro de la rueda.

La rueda del codificador se ubicó sobre el En-granaje_22, teniendo, por lo tanto, una relación 1:1 con el giro del motor. Conocida la relación entre los engranajes y la cantidad de ranuras del codificador, es posible calcular el desplazamiento de la cremallera. La resolución para medir este desplazamiento estaría dada por (5):

donde N es el número de ranuras en el codifica-dor, Z1 y Z2 son el número de dientes del engranaje acoplado al motor (Engranaje 22) y el engranaje conducido (Engranaje 95_18), respectivamente, y Dp3 es el diámetro primitivo del engranaje que impulsa la cremallera. Reemplazados los valores en la ecuación, se tiene el resultado (6).

De acuerdo con este resultado, para simular la medición del sensor, se cuantizó la medida de desplazamiento de la cremallera en múltiplos de 0,1039mm.

D. Modelo del Ratón Óptico

En un ratón óptico, un sensor toma fotografías de la superficie bajo el ratón y un motor de na-vegación óptica identifica características en las imágenes y sigue la pista de su movimiento. Esto se traduce en coordenadas x e y de movimiento del cursor. Conociendo la resolución del ratón, es posible traducir los desplazamientos del cursor en

(donde y son los diámetros primitivos de la rueda conductora y la rueda conducida, res-pectivamente, y , son las velocidades angula-res de las mismas.

El piñón y la cremallera constituyen un par cinemático en el que se convierte el movimiento rotacional del piñón en un movimiento traslacio-nal de la cremallera. En el modelo, el piñón está sujeto a tierra por una unión de revoluta en su centro, que le deja un solo grado de libertad ro-tacional alrededor del eje z, mientras la cremalle-ra está conectada a tierra a través de una unión prismática que le permite moverse a lo largo del eje x. Los puntos de contacto del engranaje con la cremallera deben tener la misma velocidad y esta restricción se puede representar por (2):

donde rp es el radio primitivo del piñón, es la velocidad de giro del piñón (en rad/s) y ẋ es la ve-locidad de desplazamiento de la cremallera.

B. Modelo del Motor de la Unidad

El control de posición de la cremallera (y por lo tanto del cabezal unido a ella) se hará contro-lando el voltaje del motor de DC que transmite su movimiento directamente al Engranaje 22. En el modelo de la Fig. 3, se agregó un actuador sobre el engranaje, que consiste en un torque de entra-da expresado en N*m. Por tal motivo, se necesita de un modelo del motor de DC que relacione el cambio en la entrada de voltaje (variable manipu-lada) con el cambio en el torque de salida.

La función de transferencia de un motor DC, teniendo como entrada el voltaje y como salida el torque, se puede expresar como se ve en (3) [50]:

Donde Vf es el voltaje aplicado al motor, Rf es la resistencia de campo, Lf es la inductancia y Kmf es la constante de fuerza electromotriz. Para el mo-tor de la unidad, estos valores son: Kmf=1,23x10-2V s/rad, Lf=2,189x10-3 Henrys y Rf=21Ω. Al re-


desplazamiento del ratón en milímetros. En este caso, el ratón de computador empleado tiene una resolución de 0,03mm/píxel.

Para usar el ratón óptico en esta aplicación, se adhiere una superficie de referencia al cabezal de la unidad que permanezca en contacto con el ra-tón fijo. El movimiento del cabezal y, por lo tanto, de la superficie de referencia, produce la lectura de desplazamiento en el ratón.

Para simular la medida del sensor, se cuantizó la medida de desplazamiento de la cremallera en múltiplos de 0,03mm.

E. Combinación de Ambos Sensores por el Mé-todo de Mínimos Cuadrados Ponderados

Para lograr una estimación de la posición del cabezal de la unidad combinando la medida de los dos sensores (el codificador y el ratón óptico), se usa la técnica de mínimos cuadrados ponde-

rados, expresada en las ecuaciones (7) y (8) [51]:donde es la posición estimada, Z1 es la medi-

da del sensor 1 y es la varianza del error en dicha medida, Z2 es la medida del sensor 2 y es la varianza del error en dicha medida, es la va-rianza del error de la estimación .

F. Solución a la Cuantización de los Sensores

Para el control de la posición del cabezal, es necesario tener en cuenta los límites impuestos por la resolución de los sensores, cuya cuantiza-ción causa respuestas del sistema con oscilacio-nes en el estado estable. Para solventar este pro-blema, se aplicará la solución propuesta en [52], que consiste en implementar un elemento de “zona muerta” a la salida del sensor. Como efec-to, se elimina la discontinuidad en 0 que ocasiona la aparición de oscilaciones. Para que la solución propuesta tenga efecto, se debe cumplir (9):

Donde δ es el tamaño de la zona muerta y ∆ es la resolución del sensor. Aunque (9) no indica un límite superior para el valor de δ, se debe tener en cuenta que, aun cuando un valor de δ mayor que la resolución del sensor garantizará una respues-ta del sistema sin oscilaciones, mientras mayor sea δ, menor será la precisión lograda con el lazo de control [53].

G. Diseño del control fraccional

Para el análisis de los controladores fracciona-les se parte del diagrama de bloques presentado en la Fig. 4.

Fig. 4. DIAGRAMA DE BLOQUES DE ACCIONES DE CONTROL

Fuente: [38].

La acción integral tiene como propósito dis-minuir y eliminar el error de estado estacionario, pero hace más lenta la respuesta del sistema y disminuye su estabilidad. Por otra parte, la ac-ción derivativa busca aumentar la estabilidad del sistema pero tiende a incrementar los ruidos y las perturbaciones de alta frecuencia. Usando un sistema de orden fraccional, es decir, μ ϵ (–1,1), estos efectos del controlador integral y derivativo se reducen. Los resultados dependen del valor seleccionado μ, o en otras palabras, de la sinto-nización del control fraccional. En este trabajo la sintonización del controlador se realiza mediante la función fmincon de la toolbox de optimización de Matlab, haciendo uso de las restricciones pro-puestas en [40] donde se diseña el control con base en cinco condiciones de robustez:

Que la magnitud del sistema en lazo abierto, evaluado en la frecuencia de cruce de ganancia wcg cumpla con (10):

2) Que el margen de fase ф evaluado en wcg, que está relacionado de forma directa con el amortiguamiento del sistema, cumpla con (11):


3) Para rechazar los ruidos de alta frecuencia, la función de sensibilidad T(jw) debe cumplir con (12):

Para

4) Para rechazar las perturbaciones de la sali-da, la función de sensibilidad S(jw) debe cumplir con (13):

Para

5) Para tener un sistema robusto frente a va-riaciones de la ganancia, la derivada de la fase del sistema en lazo abierto con respecto a la fre-cuencia del cruce de ganancia wcg debe cumplir con (14):

La función de transferencia del control fraccio-nal se muestra en (15):

Los márgenes de ganancia (φm) y fase (φm) son medidas importantes de robustez que se re-lacionan con el factor de amortiguamiento del sis-tema y afectan la medida de desempeño, por esta razón, se tuvieron en cuenta en el diseño.

III. RESULTADOS y ANÁLISIS

Para el diseño del control es necesario encon-trar el modelo matemático lineal del sistema, lo cual se logró mediante un proceso de identifica-ción en lazo cerrado (ya que el sistema en lazo abierto es inestable), según la metodología pro-puesta en [54]. En la Fig. 5. Se observa la res-puesta del sistema para una entrada tipo escalón.

La respuesta obtenida se llevó a la toolboxi-dent de Matlab, la cual permite obtener una fun-ción de transferencia e indica el grado de ajuste logrado con un índice de desempeño. De esta ma-nera se obtuvo el modelo de segundo orden de la

forma donde k=1,wn=

42.73ε = 0.71,θ = 0.018 mostrado en (16),

Fig. 5. RESPUESTA DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO ANTE UNA SEÑAL ESCALÓN


La validación del sistema se muestra en la Fig. 6Fig. 6. VALIDACIÓN DEL SISTEMA IDENTIFICADO VS. EL SISTEMA REAL

ANTE UNA SEÑAL ESCALÓN


Se obtuvo un índice de desempeño de

Los parámetros de diseño para el sistema que se va a controlar son:• Margen de fase Mφ=60°.• Frecuencia de Ganancia wcg=60rad/s


• El sistema debe de ser robusto ante cambio de la ganancia.

• Función de sensibilidad |S(jw)|_db≤-20db,∀w≤w_s=0.001 rad/s

• Rechazo a ruido |T(jw)|_db≤-20db,∀ w≥ws=10rad/sCon estos parámetros, aplicada la metodología

explicada en la sección I-G, se obtuvo la siguiente función de control:

Se debe anotar que para el diseño del sistema de control no se tuvo en cuenta la cuantización de los sensores, más si se tuvo en cuenta en la simulación final para evaluar el desempeño del sistema contro-lado. La verificación de los parámetros de diseño se muestra de la Fig. 7 a la Fig. 10. En la Fig. 7 se mues-tra el margen de fase y de ganancia del sistema obte-niéndose un margen de ganancia de 62.1rad/s y un margen de fase de 59.9°, presentándose un error de 2.1 rad/s y 0.1° respectivamente, además se fuerza a la fase del sistema a ser plana en un rango de fre-cuencia centrada en wcg, lo que se traduce en robus-tez ante cambios en la ganancia de la planta (dentro de unos límites variaciones), en este caso se fuerza a que la ganancia del sistema cambie de 1 a 2,3 y 0.5, este hecho se observa en la En la Fig. 8, donde se re-presenta el sistema en lazo cerrado ante una entrada escalón unitario, en la cual se verifica la robustez del controlador. En la Fig. 9, se observa que para una fre-cuencia de 0.00207rad/s la magnitud es de –20db. En la Fig. 10, se observa que para una frecuencia de 162rad/s la magnitud es de –20db, cumpliéndose concon los requerimientos de diseño. El control frac-cional se validó con la toolboxninteger [52].

Fig. 7 ANÁLISIS DE MAGNITUD Y FASE


Fig. 8. RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES GANANCIAS


Fig. 9. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD S(JW)


Fig. 10. ANÁLISIS DE RUIDO T(JW)



Finalmente, para evaluar el comportamiento del sistema con el control diseñado, se incorpo-ró la cuantización de los sensores al diagrama de bloques mostrado en la Figura 11. Fig. 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA QUE INCORPORA EL CON-

TROL DISEÑADO Y LA CUANTIZACIÓN DE LOS SENSORES


El resultado obtenido se presenta en un grupo de tres gráficas en la Fig. 12. Una, muestra la res-puesta del sistema a la señal de excitación, otra, muestra la señal de control, y la última, muestra la señal de error, todas las validaciones son obteni-das en simulación, con Matlab/Simulink.

Fig. 12. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS).


Aunque el control PID tipo fraccional se diseñó sobre un sistema lineal identificado en lazo cerrado, en el cual las variables de entrada-salida pueden entregar alguna correlación que pueda alterar los re-sultados de la estimación, obteniéndose un modelo matemático con incertidumbres, al implementarlo respondió adecuadamente, y mostró la robustez del controlador, en el cual se obtuvo una respuesta rá-pida con un tiempo de estabilización cercano a los 0.03 segundos, sin sobrepasos y con una respuesta en el elemento final de control muy buena.

En la Fig. 13 el control fraccional es compara-do con un control PID convencional, obteniéndose

que el control fraccional responde más rápido que el control convencional.

Fig. 13. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CON UN

CONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONAL

Para analizar la robustez ante perturbaciones, el sistema se sometió a una perturbación (Fig. 14), obteniéndose el resultado mostrado en la Fig. 15. Se observa en la figura que el control conven-cional pierde controlabilidad.

Fig. 14. PERTURBACIÓN AGREGADA AL SISTEMA

Fig. 15. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CON UN CONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONAL, CON UNA

ENTRADA DE PERTURBACIÓN


En general, un control tipo fraccional presen-ta un mejor desempeño que los controladores de orden entero, ya que estos tienen cinco grados de libertad en vez de tres grados de libertad de los controladores convencionales, logrando de esta manera un mejor desempeño en el sistema, pre-sentando mayor robustez ante incertidumbres del modelo o variaciones de los parámetros

IV. CONCLUSIÓN

En este artículo se diseñó un control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una uni-dad de CD que se piensa emplear en el desarrollo de un microscopio óptico motorizado. Se observa a partir de los resultados obtenidos que, con la técnica de control diseñada, mediante la combi-nación de un codificador de un ratón optomecáni-co con un ratón óptico, para medir la posición del cabezal de la unidad de CD, se logra un sistema de respuesta rápido y sin sobrepaso, donde la res-puesta del elemento final de control no presenta efecto timbre y se tiene una precisión aceptable para desarrollar un microscopio óptico motorizado de bajo costo. Si bien no se logra una precisión del orden de una micra o menos, como se podría obtener con una plataforma piezo-eléctrica, una resolución de 30 µm puede ser suficiente para diversas aplicaciones en educación básica. Adi-cionalmente, se emplean partes de computador desechadas, lo que genera un impacto ambiental positivo. Se concluye, entonces, que el sistema de control diseñado, con la combinación de senso-res, es apta para la aplicación en el desarrollo de un microscopio óptico.

Se concluye también que el empleo de un con-trol tipo fraccional para esta aplicación presenta ventajas frente a los controles PID de orden ente-ro, tanto en el tiempo de estabilización como en robustez frente a perturbaciones. Adicionalmente, con la metodología de diseño iterativa implemen-tada, se logró un diseño rápido y un resultado ro-busto a partir de la función de transferencia del sistema, sin requerir representaciones en espacio de estado.

AGRADECIMIENTOS

Este artículo se deriva de los proyectos de investigación denominados: “Desarrollo de un microscopio óptico con platina motorizada y ad-

quisición digital de imágenes a partir de reciclaje tecnológico de una unidad de CD/DVD” con códi-go P10237 y “Metodología para modelar y contro-lar un sistema de combustión utilizando cálculo fraccional” con código PM12104 ambos proyec-tos financiados por el Instituto Tecnológico Metro-politano – I.T.M. Los autores agradecen al grupo de investigación en Automática y Electrónica del Instituto Tecnológico Metropolitano – I.T.M. sus aportes para la realización de este proyecto.

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Resumen— La distorsión de la arquitectura es un cambio an-ormal del tejido de la glándula mamaria con la consiguiente formación de lesiones finas y espiculadas que no están asocia-das a la presencia de una masa. La distorsión es el tercer hal-lazgo mamográfico más común y por la dificultad de su detección es el primer causante de falsos negativos en los diagnósticos. Este artículo presenta la planeación, implementación y pruebas de un método que sirve como soporte para la detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria a partir de imágenes de radiología de mama. El método asiste a los especialistas en el proceso de decisión diagnóstica como segundo intérprete en el análisis de mamografías mediante la integración de cuatro etapas principales que van desde el pre-procesamiento de la imagen hasta la clasificación final con base en las características de textura de las regiones de interés extraídas.

El método presentado fue validado mediante el análisis de imágenes mamográficas de la base de datos DDSM (Digital Data base for Screening Mammography), que logra valores de precisión general hasta de un 90.7% lo cual lo convierte en una base importante para la dismi-nución del número de falsos negativos en la detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria.

Palabras clave— Cáncer de mama, distorsión de la arquitec-tura, mamografía, procesamiento digital de imágenes, diag-nóstico asistido por computador.

Abstract— Architectural distortion is an abnormal change in the mammary gland tissue with the consequent formation of thin and speculated lesions that are not associated with the presence of a mass. It is the third most common mammographic finding and because of its subtlety it is the first cause of false-negative find-ings on screening mammograms.This paper presents the design, implementation and test of a new method that serves as sup-port for the detection of architectural distortion in the mammary gland from breast radiology images. The method proposed here assists the specialists in the diagnosis of breast cancer through four main phases,which encompass from the preprocessing to the classification of regions of interest using a classifier based on fuzzy logic.

Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de

la Glándula Mamaria

Duván Alberto Gómez BetancurMSc (c) Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,

Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo GIDIA, Universidad Nacional de Colombia


John Willian Branch BedoyaPh.D. Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,

Universidad Nacional de ColombiaProfesor Asociado, Investigador Grupo GIDIA,

Universidad Nacional de ColombiaMedellín, Colombia

[email protected]

Decision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion

The method described in this paper was validated through the analysis of mammographic images from DDSM (Digital Database for Screening Mammography) obtaining values of 90.7% in the overall accuracy.This result is a very important contribution and encourages the research in order to reduce the high number of misdiagnoses that are currently presented and lead to the high rates of morbidity from breast cancer.

Keywords— Breast cancer, architectural distortion, mammography, digital image processing, computer ai-ded diagnosis.

I. INTRODUCCIÓN

En los ambientes médicos las imágenes jue-gan un rol prominente en el diagnóstico y trata-miento de enfermedades, debido a que permiten que los especialistas obtengan información vital al observar el interior del cuerpo humano de una forma no invasiva, y favorecer el diagnóstico tem-prano de patologías para que puedan ser tratadas de manera efectiva [1].

Dentro de esas patologías que pueden ser diagnosticadas y tratadas se encuentra el cáncer que es una enfermedad que se presenta como re-sultado de mutaciones o cambios anormales en los genes responsables de regular el crecimiento de las células.

Uno de los tipos de cáncer más comunes es el cáncer de mama que es una patología producto del crecimiento no controlado de las células de la mama que forma un tumor maligno.

En el mundo el cáncer de mama es una pa-tología cada vez más común entre la población femenina, por ejemplo para el caso de Estados Unidos y Canadá, se estima que 1 de cada 8 mu-jeres sufrirá la enfermedad a lo largo de su vida, y

119Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch

en el 2006 se calcularon 212.920 nuevos casos de cáncer de mama y 41.430 muertes producidas por la enfermedad.

Los datos estadísticos sobre cáncer de mama en Colombia son difíciles de obtener y se encuen-tran probablemente sesgados; sin embargo, es evidente un aumento progresivo en la incidencia del carcinoma mamario, especialmente en las ciudades más densamente pobladas. Para el año 2009 se reportaron 551 nuevos casos de cáncer de mama [2], lo cual comprueba el incremento de esta patología en los últimos años en el país, convirtiéndose en la primera causa de muerte por cáncer entre las mujeres.

El cáncer de mama se ha convertido entonces en un serio problema de salud pública que ha des-pertado el interés de comunidades científicas mas cuando se sabe que si se detecta a tiempo, se pue-de evitar el desenlace fatal de la enfermedad.

Para la detección temprana del cáncer de mama existen diferentes exámenes o métodos clí-nicos como la resonancia magnética, la ecografía, la biopsia, la tomografía computarizada y la biop-sia de ganglio linfático, entre otros. Sin embargo, la mamografía es el examen más eficaz para la detección temprana del cáncer de mama.

Los hallazgos clínicos más comunes que indican el desarrollo de una patología cancerígena en la mama y que pueden identificarse a través de la ma-mografía son: masas, microcalcificaciones, distor-siones de la arquitectura y asimetrías de densidad.

Las calcificaciones son hallazgos muy comu-nes en una mamografía y son consecuencias de diminutos depósitos de calcio en el tejido mama-rio. En cuanto a las masas debe describirse su ta-maño, forma, márgenes y calcificaciones asocia-das en los casos en los que la masa se presente con calcificaciones. Por su parte la asimetría de densidad es la presencia de tejido glandular en una parte de la mama y que no se presenta con la misma localización en la mama contralateral, pue-de verse como una opacidad similar en las dos proyecciones de una mama pero no tiene caracte-rísticas de una masa [3].

La información restante de este artículo se es-tructura en cuatro secciones. En la 2 se explica la distorsión de la arquitectura de la glándula mama-ria. En la 3 se describe el método propuesto. En la 4, se evalúa el método y se presentan los resul-tados obtenidos y en la 5 se dan las conclusiones

del método y se dejan las posibles direcciones para la investigación futura.

II. DISTORSIÓN DE LA ARQUITECTURA

La distorsión de la arquitectura es un cambio anormal del tejido de la glándula mamaria con la consiguiente formación de lesiones finas y espicu-ladas que no están asociadas a la presencia de una masa.

En el BI-RADS (Breast Imaging Reporting and Data System) [4] se define la distorsión de la ar-quitectura como el hallazgo en el cual la arqui-tectura normal (de la mama) se distorsiona con masas no definidas visibles. Esto incluye lesiones espiculadas y la retracción focal o distorsión en el borde del parénquima.

La distorsión de la arquitectura hace referen-cia entonces a la distorsión del parénquima de la mama pero sin presencia de masas ni aumento en la densidad. Se trata del tercer hallazgo más común en mamografías, asociado a estados de cáncer aún no palpables [5] y el primer causante de falsos negativos [6] pues debido a su sutileza y variabilidad, la distorsión de la arquitectura es omitida y puede pasar como tejido normal super-puesto en el momento de la valoración de las ma-mografías de tamizaje.

Debido a que el cáncer de mama interrumpe la arquitectura normal del parénquima, la distorsión es considerada un signo temprano de cáncer[7].

Fig. 1. MAMOGRAFÍA CON PRESENCIA DE DISTORSIÓN DE LA ARQUITECTURA DE LA GLÁNDULA MAMARIA

Fuente: Imagen tomada de [8]


Como se puede observar en la Fig. 1 la distor-sión de la arquitectura en la mamografía se pre-senta como una anomalía en la que los tejidos circundantes de la mama parecen ser dirigidos hacia un punto focal interno.

De acuerdo con [9] en más de la mitad de los casos en los cuales se han encontrado signos de distorsión de la arquitectura se comprueba pos-teriormente malignidad en el seno. Sin embargo, por la dificultad en la detección de la distorsión de la arquitectura, se estima que esta anorma-lidad es la causa de entre el 12% y el 45% de los casos de cáncer omitidos o mal interpretados [10].

Si bien es cierto que son muchos los traba-jos que se pueden encontrar en sistemas CAD (Computer-Aided Diagnosis) para el caso de cán-cer de mama, también es cierto que mientras la mayoría han sido dirigidos a la detección y análi-sis de calcificaciones y masas [11][12][13][14], relativamente pocos han sido publicados en la detección de la distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria.

Entre los trabajos más destacados para la detección de la distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria se encuentra[15] donde se usa morfología matemática para detectar distor-sión alrededor de la línea de piel y un índice de concentración para detectar distorsión de arqui-tectura al interior de la glándula mamaria obte-nido tasas de sensibilidad superiores al 80%; en [16] se desarrolló un método para detectar masas y distorsión de arquitectura al localizar puntos rodeados por capas concéntricas. En [17] se presenta una investigación para la caracte-rización de la distorsión de arquitectura con la dimensión fractal de Hausdorff y un clasificador SVM (Support Vector Machine) para distinguir entre ROI (Regiones de Interés) con distorsión de arquitectura y aquellas con patrones mamográ-ficos normales, una clasificación con una preci-sión del 72.5% fue obtenida con un conjunto de 40 ROI.

También se han publicado trabajos en los cuales a partir de filtros Gabor y análisis de di-mensión fractal se proponen métodos para de-tectar candidatos iniciales de distorsión de la arquitectura en mamografías[18],[19].

Rangayyan en [20] con características de tex-tura de Haralick para la detección de distorsio-nes de la arquitectura de la glándula mamaria, comparó diferentes técnicas de clasificación. A partir de 4.224 ROI obtuvo una sensibilidad de 76% con un clasificador bayesiano, 73% con aná-lisis discriminante lineal, 77% con una red neuro-nal artificial basada en funciones de base radial y una sensibilidad de un 77% con SVM.

III. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSA

En 1965 Lotfi A. Zadeh, propuso la lógica di-fusa como una herramienta para el control y los sistemas expertos. Se trata de un método para el razonamiento con expresiones lógicas que des-criben las pertenencias a los conjuntos difusos, entendidos como un instrumento para la espe-cialización de lo bien que un objeto satisface una descripción vaga [21].

El uso de la lógica difusa resulta bastante útil en problemas con alto grado de incertidumbre y donde se necesita usar el conocimiento de un experto que utiliza conceptos ambiguos o impre-cisos, por ello se ha visto un auge en su uso en sistemas de reconocimiento de patrones y visión por computador.

En [22] se plantea un ejemplo de caso de un clasificador difuso en el que se tiene un proble-ma de clasificación n-dimensional con M clases y m patrones de entrenamiento xp=(xp1,xp2,xp3,xp4,..., xpn) para p=1,2,3,...,m los atributos de los patrones están normalizados [0,1] y se utilizan reglas difu-sas del tipo if-then como base del sistema de cla-sificación difuso:

Regla Rj:Si x1 es Aj1 y…y xn es Ajn entonces Cla-se Cj con CFj

para j=1,2,...,Ndonde Rj es la regla j-esima, Aj1 ... Ajn son fun-

ciones de pertenencia de los conjuntos difusos en el intervalo [0,1], Cj es la clase, dentro del conjun-to de las M clases, consecuente, y CFj es el grado de certeza de la regla if-then difusa Rj.

En [23] se demostró que la inclusión del grado de pertenencia o certeza en la creación de las re-glas difusas if-then permite generar sistemas de clasificación comprensivos con un buen compor-tamiento.


A. Características de Textura

En un gran número de aplicaciones de procesa-miento digital de imágenes la textura es una de las características más importantes y utilizadas para la recuperación de información y la identificación de objetos o regiones al interior de la imagen.

Muchos son los trabajos y las aproximaciones que se han hecho para la descripción automática o semi-automática de las características de textu-ra presentes en una imagen. Un ejemplo claro de dichas aproximaciones es el propuesto por Hara-lick[24] quien, basado en la premisa que la tex-tura y el tono conservan una relación inextricable entre ellos, propone catorce características para describir la textura de los objetos o regiones pre-sentes en una imagen.

Para Haralick, las propiedades de tono y tex-tura están siempre presentes en una imagen, y el procedimiento que sugiere para obtener las ca-racterísticas de textura se basa en la presunción de que la información de textura de una imagen definida, está contenida en la totalidad o por lo menos el promedio de la relación espacial que los tonos de grises de la imagen tienen el uno con el otro. Es decir, esa información de textura está adecuadamente contenida en un conjunto de ma-trices espacio-dependientes de los tonos de gris, las cuales son calculadas para diferentes ángu-los y distancias de vecindad en los pixeles de la imagen y son conocidas como GCM (Gray level Co-Ocurrence Matrix).

En la Fig. 2 se observa la vecindad más cer-cana (distancia d=1) para cualquier punto dentro de la imagen, exceptuados los puntos ubicados en las filas y columnas de los extremos. La vecin-dad-8 es utilizada para la definición de las matri-ces GCM en la propuesta de Haralick.

Fig. 2. VECINDAD-8 DE UN PÍXEL EN UNA IMAGEN

Fuente: Haralick[24].

Considerada la vecindad-8 que se observa en la Fig. 2 la GCM se construye con las probabili-dades de ocurrencia de un par de niveles de gris

(l1,l2) separados por una distancia d en un ángulo θ [24]. Es decir, dada una imagen l con N niveles de gris, su GCM para un ángulo θ, se construye con N filas y N columnas, y en cada intersección fila-columna se totaliza el número de veces dentro de la imagen en las cuales un punto l(x,y) con un nivel de gris l1 (de acuerdo con la columna de la GCM) posee un vecino en una distancia d y en la dirección θ con un nivel de gris l2 (de acuerdo con la fila de la GCM).

A partir de la GCM, Haralick propone catorce características de textura: energía, contraste, co-rrelación, suma de cuadrados, momento de dife-rencia inversa, suma promedio, suma de varianza, suma de entropía, entropía, diferencia de varian-za, primera medida de información de correlación, diferencia de entropía, segunda medida de infor-mación de correlación y máximo coeficiente de correlación.

En este trabajo se utilizan sólo cinco carac-terísticas de textura: energía, contraste, suma promedio, momento de diferencia inversa y dife-rencia de varianza, ya que de acuerdo con [20] son esas características las que empaquetan no sólo la mayor cantidad de información visual, sino también la más relevante para la descripción de la textura de las regiones de interés detectadas al interior de la glándula mamaria en la imagen mamográfica.

Las expresiones matemáticas para las cinco características de textura utilizadas son:

TABLA INomenclatura utilizada para las ecuaciones de las características de

textura de Haralick utilizadas

p(i,j) Entrada (i,j) -ésima en la GCM,=P(i,j)/R

px(i) i-ésima entrada de la GCM obtenida sumando las filas de p(i,j),

py(f) j-ésima entrada de la GCM obtenida al sumar las columnas de p(i,j),

Ng Número de niveles de gris presentes en la imagen

Energía:


Contraste:

Suma promedio:

donde

Momento de diferencia inversa:

Diferencia de Varianzas:

donde

Algunas de las características de textura de Haralick tienen interpretación física directa con respecto a la textura de la imagen, por ejemplo, para cuantificar la suavidad y la tosquedad de la misma. Aunque otras características no poseen dicha propiedad directa, ellas contienen y codifi-can información visual relativa a la textura con un alto grado discriminatorio.

La característica de Energía se trata del cálcu-lo del segundo momento angular y representa una medida de la “suavidad” de la imagen, es decir, si todos los pixeles comprendidos en la región de análisis poseen el mismo nivel de gris, entonces el valor de Energía será igual a 1 mientras que si se tienen todas las posibles parejas de niveles de gris con igual probabilidad, entonces, la región será menos suave y por lo tanto el valor de Ener-gía será menor.

El Contraste de la imagen es una medida de la variación local de los niveles de gris de la ima-

gen. De hecho, ƩiƩjp(i,j) es el porcentaje de pa-rejas de pixeles cuya intensidad difiere por n. La dependencia n2 incrementa aún más las grandes diferencias; por lo tanto, el valor de esta caracte-rística toma valores altos para imágenes con alto contraste.

El Momento de Diferencia Inversa es una ca-racterística de textura que toma valores altos para imágenes con bajo contraste debido a la depen-dencia inversa (i-j)2.

La Diferencia de Varianza es una medida de cuán grande es la variación existente en las magni-tudes de las transiciones de intensidad. Por ejem-plo, si hay distribución equilibrada de las magni-tudes de las transiciones de intensidad, entonces el valor de diferencia de varianza será bajo, mien-tras que si ciertas magnitudes de las transiciones de intensidad ocurren con mucha más frecuencia de lo que otras transiciones entonces se esperaría un valor de diferencia de varianza más alto.

La Suma Promedio es una medida de la rela-ción entre zonas claras y densas de la imagen, es decir, es una medida del promedio de los niveles de gris presentes en las zonas de interés detecta-das al interior de la glándula mamaria.

Sin embargo, la interpretación de cada una de las características mencionadas y su representa-ción desde la concepción del sistema de visión hu-mano es producto de las pruebas que se realicen para cada aplicación en particular[24][25][26].

Con el cálculo de las cinco características de textura de Haralick mencionadas se generan las medidas suficientes para alimentar el clasificador difuso de tal manera que se pueda discriminar cada ROI en una de las dos posibles clases defini-das en la investigación: normal o anormal.

B. Sistema de decisión difuso

Los valores calculados de las características de textura de Haralick de las ROI detectadas se utilizan para la identificación, clasificación y determinación final de las áreas con presencia de distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria mediante un clasificador basado en lógica difusa.

El método propuesto en este documento propo-ne el uso de la lógica difusa ya que ésta presenta diferentes ventajas pues al utilizar términos lingüís-ticos permite plantear el problema en los mismos términos en los que lo haría un experto humano.


Asimismo, el éxito de la lógica difusa radica en el hecho de que el mundo es difuso y, por lo tan-to, podría pensarse que no tiene sentido buscar la solución a un problema no perfectamente defi-nido por medio de un planteamiento matemático muy exacto, cuando es el ser humano el primero que razona con la inexactitud.

Los componentes principales de un sistema de decisión difuso son: los conjuntos difusos, las funciones de membresía o pertenencia difusas y las reglas difusas. Cada conjunto difuso tiene una función de pertenencia correspondiente. Los ran-gos de los valores de la función de pertenencia os-cilan entre cero y uno y pueden ser considerados como un grado de verdad. Normalmente las fun-ciones de pertenencia de los sistemas de clasifi-cación difuso son de forma trapezoidal, triangular y curva S [27].

En el método propuesto en este documento, a diferencia de las funciones de pertenencia tradi-cionalmente utilizadas en la literatura, se utilizan funciones de pertenencia con distribución gaus-siana, es decir, en forma de campana de Gauss.

Así, si se considera x una característica de tex-tura cualquiera que puede ser medida sobre una imagen. Si μ es la media de los valores de x de-finidos para un conjunto de imágenes dentro de una misma categoría (normal ó anormal) y σ es la desviación estándar del conjunto de valores de x. Se define el conjunto difuso con una distribución gaussiana y la función de pertenencia, normaliza-da puede ser expresada como se observa en (6):

Los parámetros μ y σ se utilizan para definir con detalle las funciones de pertenencia a las clases normal o anormal para cada una de las medidas de textura calculadas. Sin embargo, si el número de imágenes de entrenamiento es pequeño, los valores de μ y σ pueden no reflejar las verdaderas características del conjunto de imágenes propias de una de las clases.

Para el proceso de clasificación se generan ini-cialmente las funciones de pertenencia calculan-do los valores de μ y de σ usando los valores de las características de textura definidas. Así se ge-neran diez funciones de pertenencia, cinco para cada una de las características de textura para el

caso normal y cinco para cada una de las cinco características de textura para el caso anormal.

En el método propuesto se utilizan reglas difu-sas simples del tipo:

Regla i: Si x1 es Ci1 y…, xm es CiM entonces y es wi

donde i es el número de la regla analizada (con i =1,2,...,N para N reglas), x1,...,xM son variables de entrada para el clasificador difuso, y es la salida del clasificador difuso, ci1,...,ciM son etiquetas difu-sas correspondientes a las variables de entrada, y wi es un número real del consecuente de la regla difusa.

Las siguientes son las dos reglas usadas en el trabajo investigativo descrito:

Regla (1): Si el valor de energía es la media de los valores de energía de los casos normales y el valor de contraste es la media de los valores de contraste de los casos normales y el valor de suma promedio es la media de los valores de suma pro-medio de los casos normales y el valor del momen-to de diferencia inversa es la media de los valores de momento de diferencia inversa de los casos normales y el valor de diferencia de varianza es la media de los valores de diferencia de varianza de los casos normales, entonces el caso es clasifica-do como normal con 99.9% de certeza.

Regla (2): Si el valor de energía es la media de los valores de energía de los casos anormales y el valor de contraste es la media de los valores de contraste de los casos anormales y el valor de suma promedio es la media de los valores de suma promedio de los casos anormales y el valor del mo-mento de diferencia inversa es la media de los va-lores de momento de diferencia inversa de los ca-sos anormales y el valor de diferencia de varianza es la media de los valores de diferencia de varianza de los casos anormales, entonces el caso es clasifi-cado como anormal con 99.9% de certeza.

Estas dos reglas se pueden observar gráfica-mente en la Fig. 3.

Para el proceso de defusificación se utiliza el método de centro de gravedad tradicionalmente utilizado [22]. La función utilizada en la parte del consecuente del sistema de decisión difuso, es un triángulo isósceles normalizado, es decir, cuyo va-lor máximo es la unidad, como se puede observar en la Fig. 3


Fig. 3. MODELO DE RAZONAMIENTO DIFUSO. REGLAS DIFUSAS

El método de inferencia difusa se describe a continuación:

Si μnormal (Q1), μnormal (Q2), μnormal (Q3), μnormal (Q4) y μnormal (Q5) son las respectivas funciones de pertenencia con distribución gaussiana para el caso normal y μanormal (Q1), μanormal (Q2), μanormal (Q3), μanormal (Q4) y μanormal (Q5) son las respectivas fun-ciones de pertenencia con distribución gaussiana para el caso anormal, la relación de tipo and en las reglas difusas es el mínimo valor para μnormal (Q1), μnormal (Q2), μnormal (Q3), μnormal (Q4) y μnormal (Q5) y para μanormal (Q1), μanormal (Q2), μanormal (Q3), μanormal (Q4) y μanormal (Q5) estarán definidos como:

sado en lógica difusa son: los conjuntos difusos, las funciones de membresía o pertenencia difusas y las reglas difusas[27]. Cada conjunto difuso tiene una función de pertenencia correspondiente.

En el método propuesto se definen cinco varia-bles de entrada correspondientes a las medidas de las cinco características de textura de Haralick seleccionadas en la investigación, como se obser-va en la Fig. 4.

Para cada una de las variables de entrada se definen dos funciones de pertenencia correspon-dientes a los casos normal y anormal.

Debido a que el comportamiento de una carac-terística de textura definida en cualquier imagen está estadísticamente distribuida en forma gaus-siana, las funciones de pertenencia se definen de acuerdo con (6).

FIG. 4. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSA

En la Tabla II se relacionan los valores de las medias y desviaciones estándar para cada variable de entrada y para los casos normal y anormal. Un ejemplo de una de las variables de entrada imple-mentadas con sus dos funciones de pertenencia se puede observar en la Fig. 5.

TABLA. II.Características de textura utilizadas y valores de media y desviación estándar calculados para el sistema de decisión difuso

Característica de Textura

Media Desviación Estándar

caso normal caso anormal caso normal caso anormal

Suma Promedio 7.2656 204.37 99.86 53.5

Energía 0.13 0.00083 0.29 0.0014

Diferencia de Varianza 49.17 140.44 52.87 29.54

Momento de Diferencia Inversa 0.96 0.998 0.17 0.00043

Contraste 49.17 140.44 52.87 29.54

y

Finalmente, se toma el centroide o centro de masa entre μnormal y μanormal.

Cuando μnormal =μanormal se trata de un caso so-bre el cual no se puede decidir y en el presente trabajo de investigación se toma como una falla o error de clasificación.

IV. RESULTADOS

Como se mencionó anteriormente los compo-nentes principales de un sistema de decisión ba-


FIG. 5. EJEMPLO DE LA VARIABLE DE ENTRADA DE LA CARACTERÍSTICA DE CONTRASTE PARA EL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO Y LAS FUNCIO-

NES DE PERTENENCIA ASOCIADAS A LA MISMA

Posteriormente se definen las clases de sali-da del sistema de decisión difuso implementado. Para este caso se definen los conjuntos anormal y normal como clases de salida del sistema para los casos de presencia y no presencia de la dis-torsión de la arquitectura de la glándula mamaria respectivamente.

Los conjuntos de salida se representan como una función en forma de triángulo isósceles como se observa en la Fig. 6.

FIG. 6. CONJUNTOS DE SALIDA DEL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO

En la Fig. 6 se observan las funciones de per-tenencia del conjunto de salida con las clases normal y anormal definidas. Para los casos con pertenencia a la clase anormal la salida estará en el rango [-1 0] y para los casos con pertenencia a la clase normal la salida estará en el rango [0 1].

Finalmente, se define el sistema de decisión difuso de tipo Mandani y se establecen las reglas difusas definidas anteriormente.

El comportamiento del método propuesto se evalúa en términos de la sensibilidad, especifici-dad y precisión general. La sensibilidad es la pro-babilidad de un diagnóstico positivo dado el caso de una paciente con distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria. La especificidad es la pro-babilidad de un diagnóstico negativo dado el caso de una paciente que no presenta distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria. La precisión

general es la probabilidad de que el diagnóstico emitido por el método sea correcto y acorde con la situación real del paciente [27].

Las tres medidas del comportamiento se defi-nen de la siguiente manera:

dondeVP=Verdadero Positivo

VN=Verdadero NegativoFP=Falso Positivo

FN=Falso NegativoCon la extracción de las características de tex-

tura de las ROI identificadas y la clasificación de las mismas con un sistema de decisión basado en lógica difusa para asociarlas a las clases anormal o normal según presentaran o no distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria respectiva-mente, se encuentran valores significativos en la precisión general del método.

A continuación se relaciona en la Tabla III de los datos para las variables de comportamiento del método presentado en este documento.

TABLA. III. Resultados del método de detección propuesto

VP FP VN FN

44 12 112 4

A partir de los datos de la Tabla. III. se pueden calcular los siguientes valores para las variables de comportamiento: Sensibilidad 91.7%, Especifi-cidad 90.3% y Precisión General 90.7%.

Los tres valores obtenidos en las medidas de comportamiento del método propuesto superan el 90% de precisión general lo cual hace de este mé-todo una herramienta de apoyo para la detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria comparable con los trabajos publicados por otros autores, sin embargo realizar un análisis comparativo a niveles más detallados resulta bas-tante difícil ya que en cada investigación reporta-


da los conjuntos de datos e imágenes varían de un trabajo a otro.

V. CONCLUSIONES

Los resultados del desempeño del método de-muestran que debido al grado de incertidumbre inmerso en los diagnósticos que se hacen a partir de las radiologías de mama, el uso de un sistema de decisión diferente a los clasificadores clásicos reportados en el estado del arte, como el caso del sistema de decisión basado en lógica difusa implementado en el presente estudio, permite al-canzar niveles de precisión general cercanos a un 90%. Lo cual, considerado que se utilizó una base de datos de dominio público, hace del método propuesto una línea base de investigación en el tema de la detección de distorsiones de la arqui-tectura de la glándula mamaria.

Asimismo, el método presentado puede ser usado en diferentes escenarios clínicos para diagnóstico y seguimiento de patologías donde se presente alteración de la distribución normal de tejidos como, por ejemplo, en el tratamiento y evolución de quemaduras. Además, según los resultados obtenidos para la detección de la dis-torsión de la arquitectura de la glándula mamaria, puede plantearse la extensión del método para la detección de otras anomalías de la mama que pueden ser vistas a través de la mamografía como las micro-calcificaciones, las masas y las asime-trías de densidad.

Por otra parte, aunque las pruebas realizadas muestran resultados de precisión superiores al 90%, es importante una segunda validación al utilizar, por ejemplo, un conjunto de imágenes diferente a la base de datos DDSM que permita evaluar con más precisión el comportamiento del método propuesto.

Siempre será deseable incrementar los por-centajes de sensibilidad, especificidad y precisión general, en los sistemas de diagnóstico asistido por computador. Por esta razón para trabajos fu-turos se podría realizar un proceso de afinación de las funciones de pertenencia propias de los conjuntos difusos propuestas en este documen-to, a través del afinamiento de los parámetros de dichas funciones de pertenencia al aplicar, por ejemplo, algoritmos genéticos como se sugiere en [27].

Finalmente, el método de detección de distor-siones de la arquitectura de la glándula mamaria desarrollado, resulta ser una base importante para la investigación aplicada, ya que los resulta-dos obtenidos a nivel de precisión general hacen posible que se pueda llevar a un entorno real y en-contrar aplicación local o regional incluso amplia-do el alcance del mismo método, para que ade-más de asistir a los radiólogos en el momento de la evaluación de las mamografías, también sirva como herramienta de entrenamiento de nuevos especialistas y como instrumento para la medi-ción de la calidad del servicio diagnóstico presta-do por los radiólogos ya expertos.

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Resumen— En este trabajo se realizó, el modelado y di-seño del sistema de control de la variable temperatura, en un tanque de almacenamiento de agua. Teniendo en cuenta la arquitectura híbrida del sistema (relación de la dinámica continua y la dinámica a través de eventos), para esto fue utilizado autómatas finitos como herra-mienta de modelado y control.

Inicialmente se obtuvo el modelo matemático, que corresponde a la dinámica continua, de la variable de temperatura del líquido que se encuentra en el tanque, agua. Por otro lado, para modelar el comportamiento de las variables que responden en función de eventos, se tomó en cuenta los posibles estados del sistema. Poste-riormente, se establecieron los requerimientos y restric-ciones del sistema que surgieron a partir del análisis, los cuales complementan el comportamiento de la misma, se obtuvo la representación del proceso y su control, en un concepto de dinámica hibrida, mediante autómatas finitos. Este modelo se simuló con la herramienta Sta-teFlow de Simulink de MATLAB® y se implementó en un sistema embebido Cyclone II. Previo a estos resultados, se realizó un controlador tipo PID para realizar la compa-ración de los comportamientos obtenidos en cada caso. Se verificó que es una técnica de fácil uso e implemen-tación con gran eficiencia en tiempos de respuesta.

Palabras clave— Autómata Finito, Sistema Hibrido, sis-tema embebido.

Abstract— This work was performed, modeling and con-trol system design variable temperature in a water storage tank. Given the hybrid architecture of the system (ratio of continuous dynamics and the dynamics through events),

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos

Coupled tanks system temperature control using finite automata

Nathalie Cañón ForeroIngeniero en Mecatrónica.

Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia. Auxiliar de Investigación.

Universidad Militar Nueva [email protected]

Diego Rodríguez MoraIngeniero en Mecatrónica.



Jenny Gutiérrez CalderónIngeniero en Mecatrónica.

Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia. Joven Investigador.


Darío Amaya HurtadoPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.

Docente de Tiempo Completo Líder de Grupo GAV.Universidad Militar Nueva Granada.


Óscar Avilés SánchezPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.

Director de programa de MecatrónicaUniversidad Militar Nueva Granada.


was used finite automata as a tool for modeling and con-trol.

Initially, the mathematical model was obtained, which corresponds to the continuous dynamic, variable tem-perature liquid in the tank, which in this case is water. This model is described by differential equations. On the other hand, for model the behavior of the variables that respond in terms of events was taken into account the possible states of the system. However, the develo-pment requirements and restrictions system that emer-ged from the analysis, which complement the analysis of the same, obtaining the representation of the process and control, a dynamic hybrid concept, using automa-ta finite. This model was simulated with Stateflow tool of MATLAB ® Simulink and implemented in a Cyclone II embedded system. Prior to these results, we performed a PID controller for the comparison of the behavior ob-tained in each case. Verifying that the technique is easy to use and implement with high efficiency in response times.

Keywords— Finite automaton, hybrid systems, em-bedded system.

I. INTRODUCCIÓN

Un sistema hibrido es un sistema dinámico que tiene transferencia en estados discretos y va-riación en estados continuos. El comportamiento dinámico de la parte continua se describe por me-dio de ecuaciones diferenciales ordinarias, mien-

129Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya, Aviles

tras que el comportamiento dinámico de la parte discreta, se puede modelar por autómatas finitos o por redes Petri [1]. Cuando ocurre un evento dis-creto, el sistema describe el cambio dinámico del componente continuo [2].

El análisis del comportamiento dinámico del sistema hibrido se puede verificar bajo ciertas condiciones iniciales y señales de entrada y veri-fica si el sistema cumple con ciertas reglas. Los sistemas híbridos son usados, por ejemplo, en los modelos de procesos continuos que son controla-dos por controladores lógicos o sistemas embebi-dos [3].

Al usar modelos híbridos para representar el comportamiento de los sistemas que combinan procesos de tipo continuo o discreto, se hace una reducción de la complejidad del modelo en orden, por ejemplo, en lugar de tener que representar las relaciones dinámicas a partir de un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales de orden su-perior, se puede representar el mismo sistema por un conjunto de ecuaciones simples, usualmente la teoría de grafos es la más común para el mode-lado físico de fenómenos. [4]

Con el fin de tener un buen control sobre los distintos procesos en las industrias y otras áreas, ha sido necesario diseñar e implementar diferentes técnicas que permitan acceder a un manejo completo de las situaciones, entornos y maquinarias. Una de las prácticas que ha em-pezado a tener gran auge dentro de los métodos para realizar control en diferentes áreas, es el control por medio de autómatas finitos. Este es un método que permite disponer una máquina de estados que tiene la tarea de controlar determina-dos eventos [5].

Los autómatas finitos simples implícitamente se han utilizado en las máquinas electromecáni-cas hace más de un siglo. Una versión formal de ellas apareció en 1943 en McCulloch-Pitts mode-los de redes neuronales. (Un análogo antes había aparecido en las cadenas de Markov.) Un trabajo intensivo sobre ellos en la década de 1950 (a ve-ces bajo el nombre de las máquinas secuenciales) estableció muchas propiedades básicas, incluida la interpretación de los lenguajes regulares y equi-valencia de las expresiones regulares [6].

Los autómatas se comenzaron a implemen-tar en las áreas que requiriesen de procesos con

eventos o características discretas, en donde esta técnica resulta más útil y sencilla. Otro espacio en el que se usa esta metodología es en los sistemas de analizadores sintácticos, en donde el uso de expresiones regulares es masivo, esta es otra de las características principales de los autómatas [7].

Sin embargo, esta técnica también se aplica ampliamente en el análisis y modelado de siste-mas híbridos, donde la reducción en la compleji-dad del orden de dicho modelo es muy notoria, de ahí la importancia de su utilización. [8]

Un autómata finito es básicamente un reco-nocedor para un lenguaje, donde se tiene como entrada una cadena de caracteres pertenecientes a cierto sistema alfabético definido previamente y, luego de acuerdo a esa cadena de entrada el au-tómata procede a llevar una secuencia de eventos condicionados por los estados y sus respectivas entradas [9]. Un autómata finito es el modelo que es representado como una máquina secuencial, el cual es capaz de generar una palabra de salida dada una palabra de entrada. Para ello, se define un conjunto de estados que “memorizan” la parte de la palabra de entrada leída en cada momento y generan al mismo tiempo que transitan entre los estados, una salida. Se puede ver como un au-tómata que tiene dos cintas asociadas: una que lee las palabras de entrada, y otra de salida, en la que genera la respuesta del sistema. Pasa de un estado a otro, o al mismo estado, por medio de una condición y este ciclo se termina cuando llega al estado final [10].

Surge la necesidad de aplicar nuevas técnicas de control e implementación del mismo, que per-mita alcanzar un mayor desarrollo en distintas ra-mas de la ingeniería y las ciencias en general. El método de los autómatas finitos representa una simplificación en comparación con las técnicas usadas en el control clásico, y la implementación en el sistema embebido implica una reducción de costos con respecto a la utilización de un compu-tador, y un aumento de confiabilidad en relación a sistemas como los Microcontroladores [11].

Un sistema embebido es un sistema cuya función principal no es computacional, pero es controlado por un computador integrado. Este computador puede ser un Microcontrolador o un Microprocesador. La palabra embebido implica que se encuentra dentro del sistema general,


oculto a la vista, y forma parte de un todo de ma-yores dimensiones [12]. La Fig. 1 muestra el es-quema de un sistema embebido.

Fig. 1. EJEMPLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO [10]

De acuerdo a lo anterior se plantea el objetivo de controlar la variable temperatura de un siste-ma de tanques acoplados mediante autómatas finitos, y con esto, implementar luego el control sobre un sistema embebido. Este trabajo expli-cará la metodología, el diseño global, la imple-mentación con los resultados obtenidos de apli-cación de la técnica de autómatas finitos.

II. MéTODO

A. Comportamiento real de la planta

Por medio del método experimental, se dará a conocer de forma clara la descripción de la plan-ta de tanques acoplados. Este sistema consta de un tanque de almacenamiento que contiene un fluido, y es donde se lleva a cabo un proceso de calentamiento y enfriamiento del agua.

Esta planta consta de un tanque, una resis-tencia, y un sensor, ver Fig. 2, los cuales llevan a cabo el proceso. Las variables a controlar son temperatura y flujo de calor. Los aspectos que se tienen en cuenta en el análisis son los paráme-tros del sistema: la resistencia y la capacitancia térmica.

El comportamiento que muestra la planta en su estado inicial, sin ningún tipo de control es el que se ve en la Fig. 3. Allí se observa que la temperatura del agua dentro del tanque sube aproximadamente hasta los 100 grados Celsius (siendo el eje vertical el valor en grados de la temperatura), donde el sistema se estabiliza.

Fig. 2. CAD DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA

Fig. 3. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA SIN CONTROL

Acorde al comportamiento de la planta, se bus-ca que la respuesta de la variable temperatura os-cile entre 75 y 76°C, y que se mantenga allí por el tiempo sea necesario. El fluido dentro del tanque tiene una altura aproximada de 0.20m.

B. Modelo matemático del sistema

Parte Continua Para el modelo del sistema térmico se tomó en

cuenta la ecuación diferencial de transferencia de calor (1).

En donde qi es la entrada de flujo de calor que induce la resistencia dentro del tanque, C es la capacitancia del tanque, R es la resistencia del


material que va a cubrir el fluido, y θ es la tempe-ratura.

R está definida, como en (2).

El sistema analizado por convección térmica, por lo tanto K, se define en (3)

El análisis se basa en la transferencia de calor de la resistencia hacia el agua, el fluido adiciona parámetros al sistema, y estos se relacionan en la Tabla I.

TABLA I. PARÁMETROS DEL FLUIDO

DATOS DE EL AGUA CONTENIDA EN EL TANQUE PARA UNA ALTURA DE 0.20 m

Masa (m) 14.72kg

Coeficiente de Convención del fluido (H) 32.76 kcal / m2 s °C

Área normal del flujo de calor (A) 0.36308m2

Según lo anterior, el valor para la resistencia R es (4):

De acuerdo a los datos obtenidos, se determi-na que la capacitancia C es (5):

El valor de flujo de calor, que provoca la resis-tencia, al calentar el fluido dentro del tanque es (6):

Si la resistencia está apagada, y el sistema está perdiendo calor, se representa la ecuación (7):

El comportamiento del sistema está descrito por la ecuación (8):

El comportamiento del sistema cuando la re-sistencia está encendida, por consiguiente en (9) se define:

Parte Discreta Los estados discretos del sistema son:

• Estado de la resistencia del tanque encendida (S1)

• Estado de la resistencia del tanque apagada (S2)

C. AUTÓMATA FINITO

En el diseño del autómata finito se crean los dos estados en los que se desea que esté el siste-ma. Se considera que el autómata empieza a fun-cionar cuando la temperatura inicial sea de 21ºC, lo que indica que esta en el estado S1, dentro de éste la resistencia está encendida, y la ecuación que describe el comportamiento del sistema en (9), cabe resaltar que la temperatura del liquido del tanque se incrementa en el estado S1. Cuan-do la variable alcanza un valor de 75ºC, el sistema cambia al estado S2, la resistencia se apaga y, por ende, la ecuación del comportamiento correspon-de a (8) y la temperatura desciende. Los estados simulados en Matlab ® se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4. AUTÓMATA PARA EL SISTEMA TÉRMICO

De acuerdo a la condición de la temperatura del medio, el sistema cambia de estado, así se mantiene que la variable temperatura oscile de 75 y 76 grados Celsius en tanque de almacena-miento.

Para la simulación del autómata, se usa Chart, es una herramienta de la librería de Simulink de Matlab ® que permite la simulación de los esta-dos, como se muestra en la Fig. 5.

En el bloque de funciones (off/on) se introdu-jeron las ecuaciones de la parte continua que es-tán en función de , se integran por medio del bloque .


Fig. 5. MODELADO DE AUTÓMATA FINITO

En el bloque de Chart en la Fig. 6 se introduce el autómata y se evalúa si el estado es encendido o apagado.

Fig. 6. BLOQUE DE CHART

La respuesta del sistema térmico con el con-trol de autómatas finitos se observa en la Fig. 7.

Fig.7. SISTEMA CONTROLADO POR AUTÓMATAS FINITOS

D. CONTROL PID

De acuerdo con el modelo de la parte conti-nua, se realizó el control PID del sistema térmico, cuya función de transferencia se muestra en la ecuación (10)

Se obtuvieron las siguientes constantes en 11: kp=15ki=0,6kd=1,6

Se simuló en la misma herramienta. Observar Figura 8.

Fig. 8. CONTROLADOR PID MODELADO EN SIMULINK DE MATLAB ®

La respuesta del sistema con el controlador PID es sub-amortiguada, como se muestra en la Fig. 9.

Fig. 9. RESPUESTA DEL SISTEMA TÉRMICO CON CONTROLADOR PID

III. IMPLEMENTACIÓN EN EL SISTEMA EMBEBIDO

El control diseñado por autómatas finitos para el tanque de almacenamiento, se implementó en una FPGA Cyclone II de Altera ®. Esta tarjeta tiene la facilidad que tiene su propio software llamado Quartus II, y trabajó bajo el lenguaje de programa-ción VHDL. En este sistema es necesario realizar una secuencia para programar el sistema embebi-do que se muestra en el Diagrama 1.

(11)


DIAGRAMA 1. SECUENCIA DE DISEÑO EN FPGA

Debido a la aplicación no se realizó la división en módulos ya sea en top-dow y buttom-up. Esta metodología consiste, en donde el diseño com-plejo se divide en diseños más sencillos que se pueden describir más fácilmente. Mientras que la metodología bottom – up consiste en construir un diseño complejo a partir de módulos, ya dise-ñados más simples. En la práctica, el diseño usa generalmente ambas metodologías [13].

Los datos procedentes del tanque de almace-namiento a la tarjeta, se tienen tanto los digitales (on/off de la resistencia) como los análogos, que se obtiene de la señal linealizada del sensor PT 100 que tiene una variación de 2,095 V (75 ° C) y 2,340 V (21 ° C), el voltaje y la temperatura son inversamente proporcional.

El sistema embebido no tiene conversor ADC, lo cual fue necesario anexar un integrado ADC0804, la implementación se muestra en el esquema de la Fig. 10. Con el conversor se obtiene una señal de 8 bits. Debido a que el cambio es pequeño, se decidió usar como referencia 2,45 V para una mayor sensibilidad. Una vez digitalizado el dato, se procede en realizar el programa. Se crea una señal de salida que dará ON/ OFF de la resisten-cia térmica. También se añadió 3 vectores: el pri-mero, recepción de la señal digital del conversor, el segundo y el tercero se declaran como salidas, para visualización de la temperatura a todo ins-tante, en un display de 7 segmentos.

Fig. 10. CONVERSOR ADC0804

De acuerdo a las etapas definidas, se realiza la síntesis, la compilación del código y se convierte en el lenguaje de acuerdo a la tarjeta que se utili-za. Ver Fig. 11.

Fig. 11 SÍNTESIS DE PROGRAMA

Se procede a hacer la designación de los pi-nes, con Pin Planner (Ver Fig. 12), que permite di-reccionar cada componente de los vectores.

Fig. 12. PIN PLANNER

Para la asignación de pin de salida, se muestra un ejemplo en la Fig. 13, el cual indica que la re-sistencia debe encenderse.

Fig. 13. EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE PINES EN PIN PLANNER


Luego se enruta los pines anteriormente selec-cionados, y se genera los archivos con los que se va programar el sistema embebido. Una vez reali-zado este procedimiento se implementa el control en tarjeta.

Como se muestra en la Fig. 14, en el sistema embebido para este caso en el tanque hay una temperatura de 66°C y como lo indica el led de color verde la parte inferior derecha de la tarjeta, la resistencia térmica está encendida.

Fig. 14. FPGA EN FUNCIONAMIENTO

IV. CONCLUSIONES

La representación del proceso se realizó, te-niendo en cuenta la interacción de la dinámica continua y la dinámica a través de eventos, utili-zando autómatas finitos.

El control implementado por autómatas finitos, permitió reducir el número de orden de la ecuación diferencial, lo que facilita el análisis del sistema.

Se realizó satisfactoriamente la implementa-ción del control ON/OFF de la resistencia térmica del tanque de almacenamiento, que comparado con el controlador PID el tiempo de respuesta es más efectivo.

Con la simulación realizada se comprueba que en los sistemas híbridos, se puede implementar el autómata finito, y se observa que el cambio de es-tado del sistema discreto muestra el cambio o el comportamiento de la variable continua que para el caso es la temperatura.

La implementación del control por autómatas finitos en un sistema embebido, no es necesario dedicar un computador para controlar un sistema, ya que estos están específicamente diseñados y

optimizados para resolver un problema en especí-fico.

IV REFERENCIAS

[1] Zhang Si-Bing, Chen Jie, Wang Ya. “A formal verifica-tion method of hybrid system and simulation”, in Proc. 3rd IEEE International Conference on Computer Scien-ce and Information Technology (ICCSIT). Conf., pp. 411-415

[2] R. Alur, T. Henzinger, G. Lderriere, and G. Pappas. Dis-crete Abstractions of hybrid systems. In Proceedings of IEEE, volume 88, pages 971-984, 2000.

[3] Nedialkov N. Mohrenschildt M. “Rigorous Simulation of Hybrid Dynamic Systems with Symbolic and Interval Methods”, in Proc. American Control Conference, Pro-ceedings of the 2002. Conf., pp 140-147.

[4] Fourlas F., Kyriakopoulos K., Vournas C. “Hybrid sys-tem modeling for power system”, IEEE Circuits and Systems Magazine, Vol. 4, no. 3, pp 16-23. Oct. 2004

[5] Alberto M., Schwer I., Cámara v., Fumero Y. Matemáti-ca Discreta: Con aplicaciones a las ciencias de la pro-gramación y computación, Argentina, Ed. UNL, 2005.

[6] WOLFRAM S. Anew Kind of Science, Estados Unidos, Ed. Wolfram Media; 2002.

[7] HOPCROFT J., MOTWANI R., ULLMAN J. Introducción a la teoría de autómatas, lenguajes y computación, Es-paña, Ed. ADDISON-WESLEY; 2002.

[8] CRUZ B., LARA E. Control híbrido de un sistema elec-tromecánico de llenado de botellas. En Congreso Na-cional de Control Automático A.M.C.A, Universidad Au-tónoma de Nuevo León, Monterrey, 24-26 Oct. 2007.

[9] Cruz B., Avilés J., Lara E. “Diseño de un controlador basado en el modelo del autómata híbrido”, Revista académica de la FI-UADY, vol.13, no. 2, pp. 5-12, En. / Abr. 2009

[10] Cruz B. “Modelación y análisis de un sistema híbrido: Un caso de estudio con un sistema de tanques”, Re-vista Académica de la FI-UADY, Vol.10, no.2, pp. 5 15. May/ Ag. 2006

[11] Hrúz B., Zhou M. Modeling and control of discrete-event dynamical systems, Londres, Ed. Springer-Verlag, 2007

[12] Wilmshurst T. An Introduction to the Design of Small Scale Embedded Systems with examples from PIC, 80C51 and 68HC05/08 Microcontrollers, Gran Breta-ña, Ed. Palgrave Foundations, 2003.

[13] Alonso F., Martínez L., Segovia F. Introducción a la In-geniería del Software: Modelos de desarrollo de pro-gramas, España, Ed. Delta Publicaciones, 2005.

Instrucciones a los autores Revista ITECKNE

Instrucciones Generales

• Los artículos deberán ser enviados en formato digital al correo electrónico e-mail: [email protected]. Los trabajos se aceptan para la publicación previo proceso de revisión de su calidad académica y científica.

• Todo artículo postulado para publicación debe ser original o inédito, y no puede estar postulado para pu-blicación simultáneamente en otras revistas. En la página web de la Revista Iteckne se halla disponible la declaración de originalidad y cesión de derechos, que los autores deberán diligenciar y enviar al Comité Editorial, junto con el artículo. La revista Iteckne requiere a los autores que concedan la propiedad de sus derechos de autor, para que su artículo y materiales sean reproducidos, publicados, editados, fijados, comunicados y transmitidos públicamente en cualquier forma o medio, así como su distribución en el número de ejemplares que se requieran y su comunicación pública, en cada una de sus modalidades, incluida su puesta a disposición del público a través de medios electrónicos, ópticos o de otra cualquier tecnología, para fines exclusivamente científicos, culturales, de difusión y sin fines de lucro.

• El Comité Editorial hace una primera evaluación, después de la cual, el trabajo puede ser rechazado sin evaluación adicional o se acepta para la evaluación de los pares académicos externos. Por lo an-terior, no se asegura a los autores la publicación inmediata de dicho artículo. La decisión de rechazar un trabajo es definitiva e inapelable.

• Los trabajos pueden ser rechazados en esta primera evaluación porque no cumplen con los requisitos de redacción, presentación, estructura o no son suficientemente originales y/o pertinentes con la pu-blicación a editar. Los trabajos que son aceptados en esta primera etapa, son enviados a los pares académicos externos (árbitros) expertos en el área respectiva, cuyas identidades no serán conocidas por el autor y, a su vez, los pares evaluadores tampoco conocerá la(s) identidad(es) del(los) autor(es).

• Si el trabajo es aceptado, pero con la recomendación de hacer modificaciones, se le devolverá al (los) autor(es) junto con las recomendaciones de los árbitros para que preparen una nueva versión corregida para lo cual disponen del tiempo que le indique el Comité Editorial. Los autores deben re-mitir la nueva versión con una carta física o correo electrónico en la que expliquen detalladamente los cambios efectuados, de acuerdo con las recomendaciones recibidas. El Editor junto con el Comité Editorial determinarán su aceptación, considerando el concepto de los evaluadores y las correcciones realizadas por el(los) autor(es).

• Los árbitros realizarán la evaluación de acuerdo al formato correspondiente establecido por la revista y sólo serán publicados los artículos que superen en la calificación cualitativa en la escala de 1 a 50, 35 puntos.

• En todos los casos se comunicarán a los autores los resultados del proceso de evaluación con los ar-gumentos que sustenten la decisión del Comité Editorial y/o el Comité de Arbitraje.

• Un árbitro podrá calificar dos (2) artículos de diferentes autores al tiempo, de igual forma un artículo podrá ser calificado por dos árbitros diferentes, ya sean internos, nacionales o internacionales.

• Los integrantes del Comité Editorial y Comité de Arbitraje, no deberán evaluar sus propios productos, en caso tal que actúen como autores dentro de la misma publicación.

• Los trabajos no publicados serán archivados como artículos rechazados o en proceso de aceptación.• La dirección de la revista ITECKNE no se responsabiliza por el contenido de los artículos, ni por su pu-

blicación en otros medios. El contenido de cada artículo es responsabilidad exclusiva de su(s) autor(es) y no compromete a la Universidad.


Forma de Presentación de los Artículos.

Todos los documentos postulantes a ser publicados deberán tener las partes requeridas y cumplir con los apartados descritos a continuación:

De las partes del documento

El documento debe contener: Titulo, Title, Autor (es), Resumen, Palabras clave, Abstract, Keywords, In-troducción, Contenido del documento, Conclusiones, Apéndice(s), Agradecimientos, Bibliografía

De la redacción

Para lograr un buen estilo se recomienda respetar rigurosamente la sintaxis, la ortografía y las reglas gramaticales pertinentes. Se debe redactar en forma impersonal (la forma impersonal corresponde a la forma reflexiva, por ejemplo: se hace, se define, se definió, se contrastó). El trabajo debe estar exento de errores dactilográficos, ortográficos, gramaticales y de redacción. Para resaltar, puede usarse letra cursiva o negrilla.

De la Puntuación

• Después de punto seguido se deja un espacio; y de punto aparte una interlínea.• Los dos puntos se escriben inmediatamente después de la palabra, seguidos de un espacio y el texto

comienza con minúsculas.

De los requerimientos físicos del artículo: (ver plantilla revista ITECKNE)

• El tamaño de la página será carta, con márgenes superior e inferior de 20 mm; izquierdo y derecho de 25 mm. El documento se desarrollará en dos columnas con separación central de 4,3 mm.

• El diseño de encabezado y pie de página debe estar a un centímetro de la hoja.• El contenido del documento debe desarrollarse a espacio sencillo, dejando una línea cada vez que se

desea iniciar un párrafo.• El texto del contenido del artículo se formalizará con tipo de fuente Arial tamaño 10.• La numeración del documento se iniciará desde la Nomenclatura en caso de existir una, hasta las

conclusiones del documento. Los agradecimientos, apéndices y referencias bibliográficas, no son con-sideradas como Secciones numeradas del documento.

• Las tablas deberán llevar numeración continua, comenzando en Tabla I., referenciando posteriormen-te su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la tabla con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. (Ver plantilla revista Iteckne).

• Las Figuras deberán llevar numeración continua, comenzando en Fig. 1. referenciando posteriormen-te su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la figura, con tabu-lación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. Nótese que “Fig.” se ha escrito abreviada y hay doble espacio antes del texto.

• Las figuras incluidas en el contenido del artículo deben ser originales, suficientemente claras, para facilitar la edición de la revista.

• Todas las figuras deben ser enviadas por separado en formato jpg con una resolución entre 240 y 300 dpi (puntos por pulgada).

• Las tablas y figuras del documento, deberán ir referenciadas en el cuerpo del artículo. Dicha referen-cia debe ir en letra Arial tamaño 7, en la parte inferior de la figura o tabla, tabulado a la izquierda.

• Las columnas de la última página deben ser concluidas con un largo igual o simétrico.• Las referencias ubicadas al final del documento (mínimo 15), según el formato IEEE. Deberán ir enu-

meradas consecutivamente (Número entre corchetes [1], y con el siguiente formato:

137Instrucciones a los autores Revista ITECKNE

Artículos de revistas científicas

Autor(es), Nombre de la publicación, Título de la revista, Volumen, Número, páginas y año. Deben ir en fuente Arial, Tamaño 7.Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution sys-tem protection,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.LibrosAutor, Nombre del libro, Edición, Editorial, Año, páginas.Ejemplo: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, vol. I. New York: Wiley, 1950, p. 81.

• En cuanto a las abreviaturas y símbolos, deben utilizarse solo abreviaturas estándar, evitando utilizar-las en el título y el resumen. El término completo representado por la abreviatura debe preceder dicha abreviatura o nomenclatura.

• Las viñetas usadas para señalización especial, será el punto, de fuente Symbol y tamaño 8.• En caso de que los artículos contengan fórmulas matemáticas, deben estar digitadas en fuente Arial

10, mediante el editor de ecuaciones de Microsoft. • El artículo deberá tener un mínimo de 4 caras de hoja y un máximo de 10 caras de hoja de contenido,

en el formato establecido por la revista.

Instructions to the authors, ITECKNE Journal

General instructions

• The articles must be sent in digital format to the following email address: [email protected]. Their academic and scientific quality will be reviewed prior to being accepted for publication.

• The articles are accepted for publication after their academic and scientific quality have been reviewed. • All articles postulated for publication must be original or unpublished, and cannot be postulated for

publication simultaneously in other journals. The declaration of originality and copyright assignment is available in the Iteckne Journal webpage. The authors must sign it and send it to the Publishing Committee, along with the article. The Iteckne journal requires the authors to grant the property of their author’s rights, so that their article and materials are reproduced, published, edited, fixed, com-municated and publicly transmitted in any form or means, as well as their distribution in any required number of units and their public communication, in each of their modalities, including putting them at the disposal of the public through electronic, optical or any other means of technology, for exclusively scientific, cultural, broadcasting and nonprofit aims.

• The Publishing Committee makes a first evaluation, after which the work can be rejected without any additional evaluation or accepted for evaluation of the external academic pairs. The previous statement does not assure the immediate publication of the article. The decision to reject a work is definitive and unquestionable.

• The works can be rejected in this first evaluation because they do not fulfill the writing requirements, presentation, and structure or are not original enough and/or pertinent with the publication to be pu-blished. The works that are accepted in this first stage are sent to the external academic peers (refe-rees) experts in the respective area, whose identities will not be known by the author and, similarly, the evaluating peers will not know the identity/ies of the author /s.

• If the work is accepted, but with the recommendation to make modifications, it will be given back to the author/s along with the recommendations from the referees so that he/they prepare a new corrected version within the time indicated by the Publishing Committee. The authors must send the new version with a physical letter or an e-mail in which they explain in detail the changes made, in accordance with the received recommendations. The Publisher along with the Publishing Committee will determine its acceptance, considering the concept of the evaluators and the corrections made by the author/s.

• The referees will carry out the evaluation according to the corresponding format established by the journal and they will only publish the articles with over 35 points in the qualitative qualification scale from 1 to 50.

• The authors will always be informed about the results of the process of evaluation that sustain the de-cision of the Publishing Committee and/or the Referees.

• An academic peer (referee) will be able to grade two (2) articles by different authors at once; similarly, an article can be graded by two different referees, which can be internal, national or international.

• The members of the Publishing and Referees Committees must not evaluate their own products, in case they act like authors within the same publication.

• The non-published works will be filed as rejected articles or articles in process of acceptance. • The editorial board of the ITECKNE journal does not take responsibility for the content of the articles,

nor for their publication in other means. The content of each article is exclusive responsibility of their authors and not the University’s.

139Instructions to the authors, ITECKNE Journal

Presentation of Articles

All articles applying to be published must have the requirements described below:

Concerning the parts of the document

The document must contain: Title, Author/s, Summary, Abstract, Keywords, Introduction, Content of the document, Conclusions, Appendix (s) Acknowledgements, Bibliography

Concerning the writing

In order to obtain a good style it is recommended to respect the syntax, spelling and grammar rules rigorously. The article must be written in impersonal form (it corresponds to the passive form, for example: it is done, it is defined, it was defined, it was contrasted). The work must be free of typing, orthographic, grammar and writing errors. Italics or bold type can be used to highlight.

Concerning the punctuation

• Leave one space after a period; and start a new line after a full-stop.• Colons are written immediately after the word, followed by a space and the text begins with small let-

ters.

Concerning the physical requirements of the article: (see template from ITECKNE magazine)

• The article must be written on letter size paper/format, with top and bottom margins of 20 mm; left and right, 25 mm.

• The document must be in two-column format with a central space of 4.3 mm (see template in Iteckne journal).

• The design of the header and footer must be of 1 centimeter. • The content of the document must be written on single space, leaving a line when starting a new pa-

ragraph. • The font must be Arial 10. • The document numbering must begin with the Nomenclature, if there is one, and end with the conclu-

sions of the document. The acknowledgements, appendices and bibliographical references, are not considered as numbered sections in the document.

• The tables will take continuous numbering, beginning with Table I., referencing afterwards their title, in all caps, located at the top part of the table with center tab, in Arial 8. (see template in Iteckne journal).

• The Figures will take continuous numbering, beginning with Fig 1. referencing afterwards their title, in all caps, located at the top part of the figure with center tab, in Arial 8. Note that " Fig." has been written abbreviated and with double space before the text.

• The figures in the content of the article must be original, clear enough to facilitate the edition of the journal.

• Every Figure and Table included in the paper must be referred to from the text (Source: XXX). These references must go in Arial 7, in the lower part of the figure or table, left tab.

• The columns in the last page must have an equal or symmetrical length.• The references located at the end of the paper, must be numbered consecutively (Number between

square brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal):


Articles for scientific journals:

Author/s, Name of the publication, Title of the journal, Volume, Number, pages and year. They must go in Arial 7. Example: J.F. Fuller, E.F. Fuchs, and K.J. Roesler, “Influence of harmonics on to power distribution system protection,” IEEE Trans. Power Delivery, bowl. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.

Books: Author, Name of the book, Edition, Editorial, Year, pages. Example: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, bowl. I. New York: Wiley, 1950, P. 81.

• As for the abbreviations and symbols, only standard abbreviations must be used, avoiding using them in the title and the summary. The complete term represented by the abbreviation must precede this abbreviation or nomenclature.

• The bullet points used for special signaling must be in Symbol source size 8. • In case the articles contain mathematical formulas, they must appear in Arial 10, written with the Mi-

crosoft equation editor. • The article must have a minimum of 4 pages and a maximum of 20 pages, in the format established

by the journal.

ContenidoRevista ITECKNE Vol 9 Nº 2 julio - diciembre de 2012

Editorial...........................................................................................................................................................................5Luis Ómar Sarmiento Álvarez

ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de ColombiaPerformance analysis of the IEEE802.11 for the conectivity of rural zones in Colombia..........................................7Óscar Gualdrón González,Ricardo Andrés Díaz Suárez

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications Analysis about behavior of the Throughput in LAN networks under technology Power Line Communications........22Juan Carlos Vesga Ferreira, Gerardo Granados Acuña

Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en redes IEEE 802.11- Caso de Estudio Red QRD..........................................................................................................................................33Evelio Astaiza Hoyos, Diego Fernando Salgado Castro, Héctor F. Bermúdez Orozco

Arquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-avancedFunctional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks...................40Diego Fernando Rueda Pepinosa, Zoila Inés Ramos Rodríguez

Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de XML para la definición de XPDL 2.2 en objective c para iosMultilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard.......................52Daniel Iván Meza Lara, Óscar Elías Herrera Bedoya, Leidy Andrea Ruiz Rodríguez

Medida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la informaciónde fase de una rejilla radialSimultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phase information of a radial grid..........................................................................................................................................62Luis Alejandro Galindo Vega, Jaime Enrique Meneses Fonseca, Camilo Andrés Ramírez Prieto, Jaime Guillermo Barrero Pérez

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la producción de metano a partir del bagazo de fique.........................................................................................................................................72Liliana del Pilar Castro Molano, Humberto Escalante Hernández, Carolina Guzmán Luna

La revista ITECKNE es una publicación de la División de Ingenierías de la Universidad Santo Tomás, Seccional de Bucaramanga, integrada por las Facultades de Ingeniería de Telecomunicaciones, Ingeniería Mecatrónica, Ingeniería Industrial y Química Ambiental. Actualmente la Revista está indexada en el Índice Bibliográfico Nacional Publindex y en el Sistema Regional de Información en Línea para Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal LATINDEX, y ha sido aceptada en el sistema de bases de datos de EBSCO (Fuen-te Académica). Su objetivo es la divulgación de los resultados científicos y tecnológicos de las investigaciones que se realizan en su seno, y en otras universidades a nivel nacional e internacional. La revista cuenta con la participación de diversos investigadores nacionales e in-ternacionales, por esta razón recibe contribuciones en idiomas Español e Inglés. La revista ITECKNE está dirigida a estudiantes, docentes e investigadores interesados en las áreas en las que se inscribe cada una de las publicaciones. La revista aceptará preferiblemente artículos de investigación e innovación con un alto nivel de calidad, y también aceptará artículos cortos y reportes de caso.

Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinyl Acetate and ester acrylic to obtain recovered leatherEvaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-poliméricaDe vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de cuero.................................................................................78Danny Guillermo Cañas Rojas, Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc, Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas.....................................................................85Computational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López Montoya, César Nieto Londoño, Mauricio Giraldo Orozco

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisiónal Estado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery: Review for the actualtecnology.......................................................................................................................................................................95José Ulises Castellanos, Carlos Alberto Guerrero Fajardo, Fabio Emiro Sierra Vargas

Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head position control to be used in optical microscopy..................................................................................................................................................106Paula Andrea Ortiz Valencia, Lorena Cardona Rendón

Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula MamariaDecision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion..................................................118Duván Alberto Gómez Betancur, John Willian Branch Bedoya

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas FinitosCoupled tanks system temperature control using finite automata...........................................................................128Nathalie Cañón Forero, Jenny Gutiérrez Calderón, Óscar Avilés Sánchez, Diego Rodríguez Mora, Darío Amaya Hurtado

Instrucciones a los autores Revista ITECKNE..........................................................................................................135Instructions to the authors, ITECKNE Journal..........................................................................................................138

EditorialLa revista ITECKNE, innovación e Investigación en Ingeniería, hace

parte de la Red Colombiana de Revistas de Ingeniería (RRCI). Dicha red, se ha consolidado paulatinamente como un espacio de socialización, dis-cusión y formación orientada a la profesionalización de los editores de re-vistas de ingeniería en Colombia. Así mismo, constituye un organismo de cooperación científica, académica y de investigación entre responsables de la gestión editorial, con el propósito de mejorar la calidad científica y editorial de las publicaciones en el área de ingeniería. En la búsqueda de formalización de espacios de discusión, apertura de nuevas posibilidades de participación e intercambio de los miembros y estructuración de las temáticas de interés de los editores, la Red organizó el Primer Workshop - Actualidad y retos en las publicaciones seriadas de CT+I, con el ánimo de conocer y compartir las experiencias de los editores, investigadores, docentes y comunidad en relación con las publicaciones seriadas de CT+I y los retos a las cuales se verán avocadas en el futuro próximo.

Son múltiples los aportes del Workshop a la labor editorial. Por ejem-plo, la Dra. Ángela Bonilla, del Grupo Apropiación Social del Conocimiento de PUBLINDEX, nos informó cómo las instituciones de educación superior privadas lideran la producción de revistas indexadas en PUBLINDEX des-de al año 2009. Sin duda, esto da fe de la alta calidad editorial que se maneja en las IES privadas. Resalta también en su presentación, dentro de los ajustes a la nueva política de PUBLINDEX, la incorporación de las TIC en la administración y producción de revistas especializadas de CT+I, y la promoción de la cultura Open Access (OA) entre las revistas cientí-ficas nacionales y su inclusión en bases de datos de acceso abierto y en repositorios. En ese sentido la revista ITECKNE, está terminando la implementación del sistema Open Journal System (OJS) para su puesta en marcha a partir del próximo año. Adicionalmente, a partir de este nú-mero, la revista cuenta con un ISSN digital como forma de incorporación al sistema OA.

Finalmente, la Dra. Bonilla hizo dos alusiones que merecen ser anali-zadas. La primera, referente al nuevo modelo de clasificación de Publin-dex, para que una revista se posicione o se mantenga en categoría B2 o superior debe estar asociada a los Sistemas de Indexación y Resumen (SIRES). Para ello, PUBLINDEX ha reconocido y analizado 83 SIRES, de los cuales, 3 son Índices Bibliográficos Generalistas de Citaciones (IBGC), 19 son Índices Bibliográficos (IB) y 61 son Bases Bibliográficas con Co-mité de Selección (BBCS). En este sentido, se debe agregar una nueva función a los editores de revistas: revisar los requerimientos para ingreso y permanencia en dichos SIRES. Esto implica que la labor editorial con-tinúa al menos tres años después de publicado cada número, ya que el Factor de Impacto de Revistas, uno de los indicadores empleados por algunos SIRES, analiza el promedio de citas que reciben los documentos

de una revista en una ventana de tiempo de dos años anteriores al año de publicación. La segunda, son las sugerencias para fortalecer el impac-to de las publicaciones científicas nacionales, entre las que sobresalen, “cuidar de la calidad en los resultados más que la cantidad; escribir en va-rios idiomas; fortalecer los comités de árbitros; cuidar la autonomía de los comités científicos, editoriales, árbitros, para garantizar la calidad en la producción de la revista; publicar artículos en colaboración con investiga-dores nacionales e internacionales, utilizar bibliografía los más reciente posible nacional e internacional; reconocer el trabajo de otros investiga-dores locales y regionales.” Por fortuna, la mayoría de estas sugerencias hacen parte de las políticas editoriales de la Revista ITECKNE.

ECOPETROL se hizo presente en el Workshop, y de un lado, compar-tió su enfoque para la divulgación técnico-científica como mecanismo de protección para el aseguramiento del conocimiento científico desde tres escenarios clásicos: publicación de artículos o libros, presentación de ponencias en congresos y simposios, y elaboración de memorias des-criptivas de patentes. Es un enfoque que debería ser tenido en cuenta, especialmente por los grupos de investigación y sus respectivas universi-dades, sin dejar de lado que uno de los propósitos de las universidades es la construcción y socialización de conocimiento social. Por otro lado, Ecopetrol presentó su revista &NNOVA, una revista que permite la difu-sión del conocimiento científico con el objetivo de llegar a audiencias no especializadas, con lo cual no sólo fortalece la visibilidad de sus artícu-los, sino que permite aumentar el impacto social del contenidos de sus publicaciones, y, “hacer comprensible lo complejo” como diría Estanislao Zuleta.

De la presentación de Thomson Reuters, pueden sacarse dos conclu-siones importantes. La primera, que las Universidades deben generar una política respecto a cómo deben citar sus investigadores el nombre de la Universidad, ya que se presentó el caso de una universidad colom-biana citada por sus investigadores con más de 30 nombres diferentes, situación que afecta su índice de impacto. La segunda, que las revistas pueden permitir y en algunos casos propiciar las autocitaciones de sus artículos siempre y cuando no superen el 20%, de donde resulta una la-bor más para el editor y su equipo de trabajo: verificar que las autocitacio-nes no superen dicho límite.

Sin duda alguna, el Primer Workshop, fue un rotundo éxito, y aunado

a otras estrategias como la de COLCIENCIAS sobre capacitación en el sis-tema OJS, permitirán al equipo editorial de la Revista ITECKNE, no sólo mejorar la calidad científica y la visibilidad sino fortalecer el impacto de nuestras publicaciones.

Luis Omar Sarmiento Álvarez, [email protected]

Editor

Recibido: 03/08/2012/ Aceptado:06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21

Resumen— Dentro de este artículo se presenta las ca-racterísticas de desempeño del estándar IEEE802.11 en enlaces punto a punto de largo alcance sobre emplaza-mientos rurales en Colombia. Para explicar este desem-peño primero se realiza una descripción detallada del comportamiento de la capa física y MAC en el desplie-gue de redes de largo alcance, esto se realiza mediante análisis de la regulación existente para la máxima po-tencia isotrópica radiada equivalente en la banda ISM, las pérdidas por propagación, el nivel de recepción de los radios Wi-Fi comerciales, la tasa de error de frame y considerando como los parámetros DIFS, Slottime y AC-KTimeout que hacen parte del control de acceso al me-dio e inciden en la implementación de radio enlaces de varios kilómetros. Posteriormente a partir de unos mo-delos teóricos presentes en la literatura y uno propuesto por los autores se calcula el throughput UDP saturado unidireccional y bidireccional en función de la distancia consideradas las diferentes velocidades de transmisión; después con un par de prototipos de comunicación Wi-Fi autónomos alimentados con energía fotovoltaica dise-ñados y construidos en laboratorio, se realizan un grupo de medidas experimentales de throughput UDP satura-do en enlaces punto-punto entre Bucaramanga y empla-zamientos rurales circundantes a su área metropolitana en el rango de distancias de 0-10.4km, las mediciones se realizaron con el generador de tráfico IPERF enviando paquetes UDP de forma unidireccional y bidireccional, posteriormente las mediciones realizadas se comparan con los obtenidos de forma teórica.

Palabras clave— IEEE802.11, largo alcance, Física, MAC, Modelo, Throughput, Iperf.

Abstract— In this paper, we present the performan-ce characteristics of IEEE802.11 standard in point to point reaching over rural sites in Colombia. To explain this performance is first should be carried out a detai-led description of the behavior of the physical and MAC layer in the deployment of long-range networks, this is done by analyzing the existing regulation for maximum equivalent isotropic radiated power in the ISM band, the

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia

Óscar Gualdrón GonzálezPh. D en Física, Université Laval Canada

Docente Tiempo Completo, Director Grupo CPS, Universidad Industrial de Santander UIS


Ricardo Andrés Díaz SuárezMIE en Ingeniería electrónica,

Universidad Industrial de Santander Docente Medio Tiempo, Investigador Grupo GITI,

Universidad Cooperativa de Colombia UCCBucaramanga, Colombia

[email protected]

propagation losses, the reception level of commercial Wi-Fi radios, the frame error rate and considering the parameters DIFS, and ACKTimeout SLOTTIME that are part of medium access control affect the implementa-tion of radio links of several kilometers. Following from this theoretical models in the literature and one propo-sed by the authors calculate the saturated throughput UDP unidirectional and bidirectional function of the distance considering the different transmission speeds; After a couple of prototype autonomous Wi-Fi commu-nication photovoltaic powered laboratory designed and built, a group performed experimental measurements of saturated UDP throughput in point to point links bet-ween Bucaramanga and rural sites surrounding metro-politan area in the range of 0-10.4 km distances, measu-rements are performed using the iperf traffic generator sending UDP packets of unidirectional and bidirectional, then the measurements are compared with those obtai-ned theoretically.

Keywords— IEEE802.11, long distance, MAC, Physics, Model, Throughput, iperf.

INTRODUCCIÓN

En algunas zonas rurales del mundo que hacen parte de países subdesarrollados como Colombia se carece de soluciones tecnológicas que permitan tener conectividad con el resto del mundo, como resultado estas regiones se encuentran en algunos casos marginadas y des-protegidas, lo cual permite que abunde el anal-fabetismo, se carezca de buenos mecanismos de salubridad pública, no exista prevención re-mota contra posibles desastres naturales, estos y otros factores disminuyen sustancialmente la calidad de vida y el posible desarrollo de estos emplazamientos. Los gobiernos de estos paí-

Performance analysis o f t he IEEE802.11 f or t he conectivity of rural zones in Colombia


ses tratan de mitigar esa situación al generar proyectos que permitan tener conectividad en estos emplazamientos e incentivan programas donde se ofrecen las TIC, como un mecanismo para fortalecer y gestionar las iniciativas que permitan mejorar la calidad de vida en estas comunidades. [1][2][3][4][5]

Los inconvenientes para ofrecer conectivi-dad en zonas rurales están determinados por las limitaciones económicas, las severas condi-ciones ambientales, el costo de los equipos de comunicación, la carencia de infraestructura, los costos de licencia en la banda del espec-tro electromagnético, la carencia de un buen suministro eléctrico, el mantenimiento de los equipos y los costos que imponen los ISP (pro-veedores de servicio de internet) para acceder al backbone.[1][3][6]

Considerado lo anterior se necesitan tecno-logías de comunicación con buenas prestacio-nes y de bajo costo, que permitan disminuir la brecha digital y contribuir al desarrollo de es-tos emplazamientos al conectarlos con el resto del mundo.

En el mercado existen diferentes tecnoló-gicas de comunicación que permiten ofrecer conectividad en zonas rurales se encuentran: VSAT (Very Small Aperture Terminal), CDMA450 (Code Division Multiple Access), DECT (Digital Cordless Phone System), HFC (Hibrid Fiber Co-axial Networks), Redes PLC (Power Line Com-munications), EV-DO (Evolution-Data Optimi-zed), GPRS (General Packet Radio Service) y Wi-Fi (Wireless Fidelity). A partir de las carac-terísticas de desempeño y costo algunos estu-dios consideran a Wi-Fi como una de las mejo-res alternativas para la conectividad de zonas rurales. [7][8]

Debido a la masificación en el uso de ra-dios Wi-Fi su costo ha disminuido considera-blemente, además, si se considera que estos operan en la banda ISM (Industrial, científica y médica), sus velocidades de transmisión máxi-ma es de 11Mbps en IEEE802.11b, 54Mbps para IEEE802.11a/g y de 300Mbps para IEEE802.11n esto suponiendo canal de 40MHz y MIMO de 2x2. Esta tecnología permite ofre-cer soluciones de conectividad de banda an-cha, además, si se incorpora que al realizar va-riaciones en los tiempos definidos en la capa

MAC (CSMA/CA) y física definidos en el están-dar o modificado el control de acceso al medio (TDMA) se puede utilizar para desplegar redes de área extensa con buenas prestaciones, es-tos aspectos descritos presentan a WiFi como una de las mejores opciones para ofrecer co-nectividad en zonas rurales. Esto ha incentiva-do en los últimos años varias iniciativas tanto en grupos de investigación como en empresas al desarrollo de equipos que utilizan la capa física de WiFi con modificaciones en el control de acceso al medio o con protocolos propieta-rios para conectar emplazamientos rurales.

En la actualidad existen algunas medicio-nes experimentales de throughput sobre el es-tándar IEEE802.11 en algunas zonas rurales de la Amazonia Peruana (1-50km) [6] y en em-plazamientos rurales en Europa 10-300km [9][10][11], además existen estudios de desem-peño en redes de largo alcance considerado el emulador de canal (SR5500) para diferentes distancias en el intervalo de (0-100km) [6][12][13].

En la primera sección de este artículo se es-pecifican algunas características del estándar IEEE802.11 el cual está diseñado y optimizado para redes de área local, en la segunda sec-ción se especifica algunas características del desempeño de este estándar sobre una red de largo alcance que presenta un análisis de los límites que impone la capa física consideradas la PIRE, las pérdidas por propagación, nivel de señal recibida en el radio Wi-Fi y la tasa de error de frames, después se presenta el desempe-ño que impone la capa MAC en función de los parámetros DIFS, Slottime y ACKTimeout que hacen parte del estándar. En la tercera sección se presentan modelos teóricos para el cálculo del throughput UDP unidireccional y bidireccio-nal sobre enlaces punto a punto IEEE802.11 de largo alcance, realizando el análisis cuando el flujo del tráfico es unidireccional y bidirec-cional además se propone un modelo para el cálculo del throughput basado en una máquina de estados que representa la función de coor-dinación distribuida en función de la distancia y se compara con el modelo propuesto por J. Simo [6]; en la cuarta sección se presenta un grupo de medidas experimentales del through-put sobre enlaces punto a punto de largo al-


cance en zonas rurales circundantes al área metropolitana de Bucaramanga en el rango de 0-10.4km, estas medidas se realizaron con el generador de tráfico iperf, los nodos Wi-Fi se le configuraron los parámetros analizados en la MAC sobre el controlador del radio para mejorar el desempeño en cuanto al throughput sobre enlaces de largo alcance.

II. CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA FÍSICA Y MAC DEL IEEE802.11

A. Capa física IEEE 802.11

El estándar IEEE802.11b define en su capa física la técnica de modulación de espectro en-sanchado por secuencia directa de alta tasa HR/DSSS define velocidades de transmisión, 1, 2 y 5.5Mbps con modulaciones DBPSK, DQPSK, CCK respectivamente. El control de acceso del canal lo realiza a través del sensa-do de portadora. [14][15]En el estándar IEEE 802.11g en su capa física define la multiplexa-ción por división de frecuencias ortogonales OFDM para el envío de datos, la cual fracciona el canal en un número de subcanales ortogo-nales los cuales deben ser usados en parale-lo para aumentar la transferencia de datos, utiliza un ancho de banda de 20MHz que se encuentra ocupado por 52 portadoras. Para la transmisión de la información, el estándar IEEE802.11g define las modulaciones 16QAM y 64QAM para 36 y 54Mbps respectivamente. El control para acceder al canal y evaluar si este está libre combina un umbral mínimo de energía con la capacidad de detectar una se-ñal Wi-Fi válida. [14][15]

B. Capa MAC IEEE802.11

La capa MAC del estándar IEEE 802.11 define dos modos para su funcionamiento el primero llamado PCF (Point Coodination Function) y segundo DCF (Distributed Coordi-nation Function), aunque en los radios Wi-Fi comerciales el más implementado es el distri-buido el cual será analizado a continuación.

La función de coordinación distribuida DCF utiliza el protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) para coordinar la forma en que varias estaciones acceden al canal de comunicación. Cuando

una estación desea transmitir un paquete en modo DCF, primero debe activar el mecanismo CS (Carrier Sense) para determinar si hay otra estación que transmite Si encuentra el canal libre durante un intervalo de tiempo DIFS (DCF Interframe Space) o EIFS (Extended Inter Fra-me Space), lo cual depende si la estación es-tuvo involucrada en su anterior transmisión en una colisión, inicializa la etapa de contención o algoritmo backoff el cual se encuentra dividido en ranuras. El número de ranuras se seleccio-na de forma pseudo aleatoria de una distribu-ción uniforme a partir del intervalo de valores. [0,CWmin] Cada vez que la estación transmisora considera el canal libre CS/CCA (Carrier Sen-se/Clear Channel Assessment), decrementa un slot. Si encuentra el canal ocupado la esta-ción congela el algoritmo backoff hasta que en-cuentre el canal libre durante un DIFS. Cuando el número de ranuras llega a cero la estación comienza a transmitir. Al terminar la transmi-sión la estación transmisora espera un ACK que será enviado desde la estación receptora en el caso que no ocurra el arribo de un ACK durante un intervalo de tiempo ACKTimeout se considera que existió una colisión (las estacio-nes no logran diferenciar una colisión de una pérdida de paquete). La estación transmisora dobla la ventana de contención y selecciona el número de ranuras de forma pseudo aleatoria a partir del intervalo [0,2i CWmin] dondei especi-fica el número de retransmisiones en el caso que existan más colisiones en otras etapas de contención, si el paquete llega al máximo de retransmisiones este paquete se descarta.[15]

En la Fig. 1. se muestra un esquema para una transacción de un paquete con el IEEE802.11.

Fig. 1. TRANSACCIÓN DE UN PAQUETE DE DATOS CON EL ESTÁNDAR IEEE802.11

Fuente: Estándar IEEE 802.11 [15]


C. Desempeño de la capa física del IEEE802.11 sobre redes de largo alcance.

El desempeño de la capa física sobre redes de largo alcance se explica en función de los límites que impone el nivel de sensitividad en la recep-ción de los radios WiFi comerciales y la máxima PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente). Después se introduce la presencia de FER (Fra-me error rate) debida a la relación RSS (Receive signal Strength) y el nivel de ruido SNR (Signal to Noise ratio).

El límite que impone la capa física del IEEE802.11 para enlaces punto a punto de largo alcance está relacionado con la máxima PIRE la cual está regulada en cada país, el nivel de sen-sitividad que impone el radio para cada tipo de modulación y las pérdidas presentes por propaga-ción.

En el caso de Colombia la regulación que exis-te en la implementación de radio enlaces punto a punto en la banda de 2.4GHz es una adaptación de la FCC, sección 15.247 (Regulations for Low Power, Non-Licensed Transmitters). La FCC impo-ne una restricción de 30dBm de potencia trans-mitida con una antena de 6dBi PIRE; además por cada 3dBi adicionales de ganancia en la antena la potencia del transmisor se debe reducir en 1dBm.[4][16]

Para predecir las pérdidas por propagación y determinar el nivel de señal recibida en el receptor se puede determinar a partir la ecuación de Friis considerado un margen de desvanecimiento. Este margen se origina en problemas de alineación, pérdidas en los conectores, cables, orografía del terreno, fenómenos meteorológicos como lluvia o nubosidad y la atenuación por árboles, un valor de desvanecimiento adecuado permite asegurar la estabilidad del radio enlace en el tiempo, as-pecto fundamental para conectar emplazamien-tos distantes en varios kilometros. Otro modelo más apropiado para el cálculo de las pérdidas por propagación sobre este tipo de emplazamientos es el (ITM Irregular Terrain Model/ Longley Rice), el cual considera los fenómenos de reflexión y diffracción sobre la topografia del terreno. [17][18][19]

En la Fig. 2 se presenta los límites de distancia en función de la ganancia de las antenas para un enlace punto a punto en la banda 2.4GHz según

la FCC 15.247. Para el cálculo de las pérdidas por propagación se consideró el modelo de Friis con margen de desvanecimiento de 20dB y el umbral de recepción se tomó de las especificaciones del radio XR2 (Se considera este radio por su bajo ni-vel de sensitividad) para cada velocidad de trans-misión [6] [20] [21].

Fig. 2. LÍMITE DE DISTANCIA ESTÁNDAR IEEE802.11 CONSIDERNADO EL NIVEL DE SENSITIVIDAD DEL RADIO XR2


FER (FRAME ERROR RATE) en el IEEE802.11 para enlaces de largo alcance.

Las variaciones en las pérdidas de frames en enlaces de largo alcance se pueden clasificar en dos patrones o categorías de pérdidas. La prime-ra de ellas es del tipo burst (generados principal-mente por interferencias externas) y la segunda se atribuye a pérdidas residuales. [13]

Los enlaces IEEE802.11 en áreas rurales, por lo general, presentan bajo nivel de interferencias y, por lo tanto, las pérdidas tipo burst son des-preciables en estos sitios. Además si la relación señal ruido se encuentra en el margen donde el BER <1e-5 se puede considerar que las pérdidas residuales son despreciables.

Características del FER vs. SNR en enlaces IEEE 802.11 de largo alcance.

A continuación se presentan las característi-cas del FER:• La dependencia del FER (frame error rate) con

respecto a la relación señal a ruido es muy cer-cana a su valor teórico para el IEEE802.11b/g. En el estándar IEEE 802.11b/g existe una pe-queña ventana donde si el SNR se encuentra entre 4 a 6 dB, el BER es aproximadamente


del 100%, y por encima de esta ventana la tasa de error es menor que el 1%.[22][23]

• La FER no depende directamente de la distan-cia entre los nodos, solamente de la relación señal a ruido. [22][23][24]

• Existe una definitiva dependencia entre el FER y cada velocidad de transmisión.[22][23]

Considerando el modelo de la capa física del IEEE802.11b presentado en [25][26] y definiendo un nivel de ruido térmico de -101.7dBm con un an-cho de canal de 20MHz, se calcula el número de paquetes recibidos en función del RSS (Received Signal Strength) para las diferentes velocidades de transmisión, mediante una MPDU (MAC protocol data unit) de 1094 bites, enviando 200 paquetes en broadcast, bajo un canal AWGN (Additive White Gaussian Noise). En la Fig. 3 se presenta el número de los paquetes recibidos comparado con el nivel de señal recibida para las velocidades de transmi-sión del estándar IEEE802.11b.Fig. 3. PAQUETES RECIBIDOS VS. EL NIVEL DE SEÑAL RECIBIDA CONSIDE-

RANDO UN NIVEL DE RUIDO DE -101.7DBM.


Como se puede apreciar en la Fig. 3 la venta-na de vulnerabilidad varía entre 4 y 5 dB para los cuales el FER puede variar de 1-100% como se expresó en las características de FER lo cual no depende de la longitud del enlace si no del nivel de señal recibida.

D. Desempeño de la capa MAC del IEEE802.11 para enlaces de largo alcance.

El desempeño de la capa MAC del IEEE802.11 sobre enlaces de largo alcance está expresado en función de algunos tiempos que definen el

mecanismo de acceso al medio y que llevan im-plícitamente el tiempo.

La capa MAC no impone restricciones al lí-mite de distancia existente entre los nodos de una manera explícita, pero si algunos de sus parámetros lo llevan de manera implícitamente como son el DIFS, Slottime, ACKtimeout, aun-que en la versión más reciente del estándar se define que el máximo AirPropagationTime (dos veces el tiempo de propagación) es de, 1μs es decir. El estándar está diseñado para una red de área local, aunque en dicha versión del es-tándar se introduce el parámetro coverage class permite incrementar el valor de AirPropagation-Time a 93μs lo que permitiría concebirlo para una distancia de km.[15][21]

A continuación se presentan los parámetros más incidentes que expresan características del control de acceso al medio del estándar IEEE802.11 sobre redes de largo alcance.

ACKTimeout: Es el intervalo de tiempo que una estación transmisora debe esperar para re-cibir un ACK que confirma que la transmisión fue exitosa. Si no se recibe una confirmación dentro de ese intervalo de tiempo la estación transmi-sora considera que la transmisión fue fallida y vuelve a invocar el algoritmo backoff para reali-zar otra transmisión. Para enlaces de larga dis-tancia si el valor del ACKTimeout es menor que dos veces el tiempo de propagación se generan retransmisiones innecesarias debido a que este expira, por lo tanto, el valor de ACKTimeout>2δ para utilizar el canal de transmisión de una ma-nera más conveniente de acuerdo a la distan-cia.[4][15][21]

DIFS: Es el tiempo durante el cual una esta-ción debe sensar el canal libre antes de progra-mar una nueva transmisión o reactivar la cuenta regresiva de la ventana de contención. Para un enlace de largo alcance la estación transmisora puede determinar que el canal está libre he ini-cializar el algoritmo de backoff sin estarlo debido a los tiempos de propagación, por lo tanto, este parámetro deberá ser incrementado por lo menos en un Round trip time; además se puede garanti-zar que las estaciones que comparten el medio no colisionen con los ACK en el caso de que existan más de dos estaciones. [4][15][21]

Slottime: Este parámetro incide directamente sobre la probabilidad de colisión entre las esta-


ciones que comparten el medio. Este parámetro está definido dentro del estándar de tal forma que las estaciones que desean acceder al medio pueden colisionar si transmiten en un mismo slot, es decir, si una estación se encuentra en un slot previo puede determinar que la otra estación ha accedido al medio y evitar la colisión. Para consi-derar cómo el Slottime define la probabilidad de la colisión en función de la distancia deberemos considerar el intervalo de vulnerabilidad el cual es el periodo de tiempo durante el cual pueden ocu-rrir colisiones. Esto se debe a que la transmisión y recepción no son mecanismos instantáneos, es decir, éstos dependen del tiempo de propagación de la señal electromagnética entre las estaciones, el tiempo implementado en los mecanismos CS/CCA y el tiempo en que la capa física cambia de modo recepción y comienza a transmitir el primer símbolo. El intervalo de vulnerabilidad se descri-be con el siguiente ejemplo; cuando una estación comienza a transmitir datos, éstos no podrán ser detectados por las otras estaciones de manera instantánea por lo tanto pueden considerar que el canal está libre y comenzar a transmitir y/o gene-rar colisiones. Las estaciones solamente podrán determinar que el canal está ocupado después de un determinado tiempo el cual debe ser, por lo menos, el periodo de vulnerabilidad.[4][15][21][27]

Periodo de vulnerabilidad es igual a la suma de: • El tiempo que le toma a la estación trans-

misora evaluar el canal y de notificar ese estado a la capa MAC.

• El tiempo que tarda una estación destino cam-biar de estado recepción al de transmisión.

• El tiempo de propagación.Cuando se utiliza el Slottime definido en el es-

tándar 20 y 9μs para IEEE802.11b/g respectiva-mente, al incrementar la distancia el intervalo de vulnerabilidad aumenta debido número de slots que encajan dentro del tiempo de propagación, es decir, la probabilidad de colisión entre las estacio-nes aumenta. [4][15][21]

Si se considera el valor del Slottime de tal for-ma que sea igual al intervalo de vulnerabilidad (slottime ≈2δ) las estaciones colisionarían sola-mente si transmiten en un mismo slot como se puede apreciar en la Fig. 4, por lo tanto, los retar-dos y paquetes perdidos disminuyen.

Fig. 4. EL VALOR DEL SLOTTIME ES MAYOR O IGUAL A DOS

VECES EL TIEMPO DE PROPAGACIÓN


Si el valor del Slottime es menor pero compara-ble con el intervalo de vulnerabilidad (slottime≈δ) las estaciones podrán colisionar si transmiten en slots contiguos, el enlace pierde la simetría como se puede ver en la Fig. 5, el throughput se maximi-za pero aumentan los retardos y los paquetes per-didos. Para un valor de slottime<δ se incrementa el intervalo de vulnerabilidad el número de coli-siones aumenta, los retardos se incrementan y el throughput disminuye.Fig. 5. EL VALOR DEL SLOTTIME ES CERCANO AL TIEMPO DE PRO-

PAGACIÓN


E. Modelos para calcular el throughput

Para calcular el throughput UDP unidireccional sobre el IEEE802.11 en función de la distancia se basan en modelos propuestos para redes de área local [29][30]. Para calcular el máximo throughput UDP unidireccional (TRUDPU) se utiliza la siguiente expresión:


Donde LPaquete_UDP se refiere al tamaño del pa-quete UDP.

La TTrans_UDP se considera como el tiempo que transcurre una transacción UDP sobre el estándar IEEE802.11, el envío de un paquete UDP se des-cribe en la Fig. 6.

Fig. 6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA TRANSACCIÓN UDP SOBRE IEEE802.11


Primero la estación transmisora verifica que el canal se encuentre libre durante un TDIFS para inicializar la ventana de contención, la cual se dis-minuye hasta que la ventana llega a cero la esta-ción. Se procede luego a enviar el paquete UDP y cuando la estación llamada receptora lo recibe espera un tiempo TSIFS para confirmar el arribo del paquete con un ACK_MAC. [103]

El tiempo para transmitir un segmento UDP so-bre el estándar IEEE802.11b/g considerados los tiempos de propagación está dado por la siguien-te expresión:

Cada uno de los tiempos que hacen parte de la ecuación (2) se describirán a continuación.

El tiempo TDIFS espacio intertrama de DCF se presenta a continuación la siguiente expresión.

Para calcular el tiempo que transcurre en la etapa contención Tw_contención se considera que el canal de comunicación se encuentra libre de interferencias y el nivel de señal recibida se en-cuentra por encima del nivel de sensibilidad en el receptor que se define para cada velocidad de transmisión, es decir, el BER=0 (Bit error rate), por lo tanto, se considera un canal de comuni-cación ideal, el FER=0, es decir, las transmisio-nes son exitosas, por lo tanto la variable pseudo aleatoria con distribución uniforme de la ventana de contención es seleccionada del intervalo de

(0,CWmin) donde el tiempo promedio de la ven-tana de contención está dado por la siguiente expresión.

Para el cálculo del tiempo que transcurre al enviar un paquete de datos TDatos_UDP utilizamos la siguiente expresión.

Para el IEEE802.11b.El T802.11_ACK es el tiempo que transcurre para

que la estación receptora envíe un ACK.

δ Se refiere al tiempo que tarda en viajar la se-ñal electromagnética entre las dos estaciones.

Al utilizar el estándar IEEE802.11g TDatos_UDP y T802.11_ACK se convierte en la ecuación 7 y 8.

Con la ecuación (1), considerado un paque-te UDP de 1440bites y utilizado el estándar IEEE802.11b a 11Mbps, un canal de comunica-ción ideal, es decir, el BER=0 y que los tempo-rizadores del ACK no expiran y los demás pará-metros tomados de la Tabla II, en la Fig. 6 se presenta el throughput UDP unidireccional en un enlace punto a punto, estos resultados se pueden comparar con las medidas obtenidas con el emulador de canal Spirent 5500 [12][31].


TABLA IIValores para los parámetros en el modelo UDP Unidireccional

Parámetro Definición Valor 802.11b

Valor 802.11g Unidad

CW_min

Tamaño de la ventana contienda

mínima31 15 Slots

TSlottimeTiempo asignado

al slot. 20 9 µs

Tw_contención

Tiempo promedio de la ventana

contienda.310 67 µs

TDIFS Tiempo DIFS 50 28 µs

TSIFS Tiempo SIFS 10 10 µs

TPreambuloDuración PLCP

Largo/Corto 192 /96 20 µs

LMPDU_frame

SERVICE+ MAC+ SNAP/LLC+ IP+

UDP+ DATOS+ FCS

28+8+ 20+8+

1440+0 =1504

28+8+ 20+8+

1440+4 =1508

Bites

RTasaTasa de Transmisión

Capa física1, 2,

5.5,11.

6, 9, 12, 18, 24,36, 48,54

Mbps

RBasicTasa de transmisión

capa física ACK. 1, 2 6, 9, 12,18, 24

Mbps

TSignal_EXT Extensión de Señal - 6 µs

L802.11_ACKLongitud del frame

802.11 Ack 14 14 Bites

NDBPS

Número de data bits por símbolo para

OFDM.-

216, 192 144, 96 72, 48 36, 24.

Bits


Fig. 7. THROUGHPUT UDP UNIDIRECCIONAL ESTÁNDAR

IEEE802.11B A 11MBPS


Este mismo análisis se puede utilizar para cal-cular el throughput UDP unidireccional con los pro-tocolos que realizan una mejor utilización del canal de comunicación, como son el protocolo bursting donde elimina el llamado consecutivo al algoritmo backoff y fastframing el cual concatena tramas para aumentar el tamaño de la MPDU.

Para el cálculo del throughput UDP satura-do Bidireccional se puede utilizar el modelo de Bianchi (El cual se basa en la cadena bidimen-sional de Markov) siempre que se considere que el slottime≥2δ para garantizar que las estaciones puedan colisionar solamente si transmiten en un mismo slot.

A continuación en la Fig. 8 se presenta el throughput UDP Bidireccional para un el enlace punto a punto N=2 con el modelo de Bianchi [32] considerado slottime=2δ, no se desprecia que la colisión entre dos estaciones genera que la esta-ción tenga que esperar TSIFS más el TACKTimeout=2δ para evitar que el temporizador de ACK expire, este modelo define un BER=0 (esto significa que el nivel de recepción siempre se encuentra mayor que el nivel de sensitividad del receptor para la respectiva velocidad de transmisión), una MPDU de 1500bites. El resultado de throughput Bidirec-cional en un enlace punto a punto se presenta en la Fig. 8. [32][33]

Fig. 8. THROUGHPUT UDP BIDIRECCIONAL ESTÁNDAR IEEE802.11B A 1, 2, 5.5 Y 11MBPS.


Cuando el valor de slottime<2δ el modelo de Bianchi [32] y Tinnirello [33] se invalida y debe considerar el modelo propuesto por J. Simo [21] que permite predecir el throughput UDP en redes de largo alcance su modelo identifica la ocurrencia de las colisiones a partir del intervalo de vulnerabi-lidad donde una estación puede colisionar con la transmisión de otra estación debido a que ésta no puede escuchar el arribo del paquete proveniente de la otra estación. Para calcular la probabilidad que al menos una estación transmita en un slot se toma parte del modelo de Bianchi mientras que


para determinar la probabilidad de que ocurra una colisión en otro slot se toma el modelo J. Simo [21] el cual lo calcula a partir del intervalo de vulnera-bilidad que se genera por el número de slottime(s) que transcurren sin percibir la transmisión de otra estación.

Analizadas las características que presenta el modelo J. Simo [21] en cuanto al BER=0 se cons-truyó el modelo “CPS” como aproximación para el cálculo del throughput UDP saturado Bidimensional en enlace punto a punto IEEE802.11 este modelo se obtuvo a partir de la máquina de estados que se presenta en la Fig. 9 en la cual se define el tiempo de colisión, de una transmisión exitosa y la ventana donde ocurre una colisión.

A partir de esta máquina de estados se determi-na el tiempo de transmisión exitosa y el tiempo de colisión considerado el algoritmo backoff el cual ge-nera un retardo que depende del estado del canal ya sea que se encuentre libre u ocupado y el núme-ro de retransmisiones generadas por las colisiones, los anteriores tiempos se utilizan en la evaluación del throughput en el enlace de comunicación.

Fig. 9. MÁQUINA DE ESTADOS DCF

Fuente: Adaptado de Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wire-less Local Area Network Protocol [34] y A Finite State Model for IEEE 802.11 Wireless LAN MAC DCF [35]

Para diferenciar en cuáles casos se llega al estado de transmisión exitosa y en cuáles ocurre una colisión se toman consideraciones presenta-das en el modelo J. Simo en la definición intervalo del IV (intervalo de vulnerabilidad), para definir el intervalo de colisión (IC), definido como el inter-valo de tiempo durante el cual la estaciones STA y STB, que hacen parte del enlace punto a punto, pueden colisionar cuando transmitan asumiendo que STA tiene una ventana CWa y CWb STB tiene una ventana, con un valor de Slottime fijo. Para una mejor comprensión, considérese el siguiente ejemplo. Dos estaciones STA y STB intentan trans-mitir de manera simultánea. La ventana seleccio-nada de forma pseudo aleatoria para STA es CWa y para STB es CWb. La estación que tenga la me-nor ventana de contención transmite, pero debido a la distancia entre ellas, la otra estación no de-tecta con su mecanismo CC/CCA que el canal se encuentra ocupado. Si se supone que STA tiene la menor ventana, sólo podrá colisionar con STB cuando la ventana de contención llegue a cero debido a que no percibe la transmisión de STA, lo cual se puede calcular a partir del número de Slottime(s) que transcurren en el tiempo de pro-pagación y el tiempo que tarda el mecanismo CCA en determinar que el canal se encuentra ocupado, IC=δ+CCATime. También se puede calcular el nú-mero de slots dentro de los cuales puede ocurrir una colisión el cual se nombra como ICN (Inter-valo de colisión normalizado), este se encuentra expresado en la siguiente ecuación:

Considerado que la ventana de contención se encuentra ranurada el intervalo de colisión se aproxima a un valor entero, el intervalo de colisión es la mitad del intervalo de vulnerabilidad defini-do por J. Simo [21].

Conocido el número de slots que puede trans-currir antes que alguna estación determine que el canal se encuentra ocupado debido a la distancia presente entre estas dos estaciones y con el valor de las ventanas de contención CWa, CWbse deter-mina la ocurrencia de colisión. De acuerdo a lo anterior se considera que una colisión existe si:


Para calcular el throughput en un enlace pun-to a punto a partir de una secuencia de estados que describa el envío de cada paquete se debe determinar a partir del cociente entre la cantidad de paquetes enviados por las dos estaciones mul-tiplicado por el tamaño promedio de los paquetes entre el tiempo que transcurre para realizar el en-vío de estos.

El throughput UDP Bidireccional saturado () lo podemos calcular a partir del cociente entre el número de los paquetes enviados por las dos estaciones y el tiempo promedio que transcurre en enviarlos considerando el número de intentos NI el cual depende del número de colisiones, en la siguiente ecuación se presenta una expresión para el cálculo de esta métrica de red.

Ecuación (12):

El promedio para el tiempo una transmisión exitosa y la de una colisión considerado que la es-tación transmite se expresa en la ecuación 13 y 14 respectivamente. [6][21][32][33]

Donde:

Como las expresiones (13) y (14) no dependen de i y se considera que el tamaño del paquete UDP es el mismo para cada transmisión la ecua-ción (12) se reescribe de la siguiente forma:

Ecuación (16):

Donde:

Define el tiempo promedio de la ventana de contención para los paquetes enviados por las dos estaciones TWR(i),1 para ST1 (Estación 1) y TWK(i),2 para ST2 (Estación 2) la cual depende de la ocurrencia de colisión según (11) y el número de retransmisiones de ST1 y ST2. La función min permite decir cuál de las dos estaciones genera el evento de una transmisión exitosa o la ocurrencia de una colisión entre las dos estaciones.

La ventana de contención ranurada es entera y se selecciona de forma pseudo aleatoria a partir de una distribución uniforme como se presente en las siguientes expresiones.

Los estados para la estación 1 y 2 se definen a partir de las variables aleatorias R(i) y K(i) respec-tivamente, estas dependen del estado transmi-sión, es decir, backoff=0, el canal ocupado o bussy donde congela el contador de backoff por sensar que el canal se encuentra ocupado, el estado de colisión dobla la ventana de contención debido, el estado de reinicio de la ventana de contención por transmisión exitosa o pérdida de paquete se logra cuando llega al número máximo de retransmisio-nes, los valores que pueden tomar las variables aleatorias se expresan a continuación.

Donde NR es el número máximo de retrans-misiones en el estándar IEEE802.11b/g es 7 y 4 cuando se utiliza el servicio Request to send RTS / Clear to send CTS.

A continuación en la Fig. 10, se presenta una comparación de la predicción del throughput UDP saturado bidireccional que presenta el modelo de J. Simo y el modelo CPS para un enlace punto a punto considerando los valores definidos en la Ta-bla II, un tamaño de paquete UDP de 1000bites y para distancias entre 0 a 100Km.

Fig. 10. COMPARACIÓN DEL MODELO DE J. SIMO CON EL MODELO CPS



III. MEDICIONES DE THROUGHPUT

Para las mediciones experimentales de through-put se diseñó un grupo de prototipos Wi-Fi autóno-mos alimentados con energía fotovoltaica, los cuales se presentan en la Fig. 11, los cuales se utilizaron para las pruebas de laboratorio y en campo abierto.

Fig. 11. PROTOTIPOS DE NODO WI-FI AUTÓNOMO ALIMENTADO CON PANELES FOTOVOLTAICOS

Fuente: Autor

Cada enlace punto a punto se realizó con las motherboards Soekris NET4801-48 y ALIX2D2 en las cuales se le instaló el sistema operativo Linux Voyage y el driver MADWIFI. Cada uno de los nodos utiliza el radio EXTREMErange2 (chipset atheros AR5414). En la Tabla III se dan las especificaciones de las características técnicas del hardware utiliza-do para la construcción de cada uno de los nodos que hacen parte del enlace de comunicación.

TABLA III

Hardware utilizado para las pruebas

Dispositivo Referencia Características

Motherboard 1 ALIX2D2

CPU: 500 MHz, AMD Geode LX800DRAM: 256 MB DDR (on board )Storage: CompactFlash socket2 miniPCIFirmware: Award tinyBIOS

Motherboard 2 Soekris net4801-48

CPU: 233 MHz, AMD Geode SC1100SDRAM: 128 Mbyte (on board)Storage: CompactFlash1 Mini-PCI socket

Radios Ubiquiti (XR2) Chipset atheros AR5414 32-bit mini-PCI Type IIIA

Sistema Operativo Linux Voyage Version 0.6.2

Driver MADWIFImadwifi-modules-2.6.30-voyage_0.9.4~rc2-1+7.0-1_i386.deb

Antenas HG2424 24 dBi

Cable LMR400 2 metros


Para las pruebas de laboratorio se uso un ca-ble coaxial para emular las pérdidas por propaga-ción en el enlace punto a punto considerando las distancias 0, 5, 10Km.

Para cada nodo de comunicación se le ajusta-ron los tiempos de la capa MAC para mejorar el desempeño sobre redes de largo alcance, los pa-rámetros modificados son el tiempo ACKtimeout el cual se incremento 2δ como se aprecia en la ecuación (23) y el slottime se aumentó en δ ver ecuación (24) de tal forma que el throughput bi-direccional sea cercano al máximo, todo estos pa-rámetros se ajustaron con el driver de MADWIFI el cual sirve como controlador sobre el chip Atheros AR5414 que hace parte del radio XR2.

Donde Slottimestd es el tiempo que se define en el estándar IEEE802.11b/g para un slot.

Las mediciones del throughput UDP en cada uno de los enlaces punto a punto IEEE802.11b/g reali-zados en laboratorio y en campo abierto se utilizó el generador de tráfico IPERF [36], cada prueba tuvo una duración de 180 segundos. Para los resultados de las pruebas realizadas en laboratorio se le intro-dujeron por software los retardos por propagación.

Para las pruebas de campo abierto se seleccio-naron diferentes puntos en Bucaramanga y zonas circundantes al área metropolitana (zonas rurales) en los que se disponía de seguridad para los equi-pos de medición y los nodos Wi-Fi autónomos duran-te la permanencia de las pruebas.

TABLA IV

Sitios seleccionados para las pruebas de campo

Nodo Latitud Longitud Altura (m)

A 7° 8’26.09”N 73° 7’17.87”O 991

B 7° 8’21.0”N 73° 7’16.1”O 990

C 7° 7’59.81”N 73° 7’17.08”O 1000

D 7° 7’39.90”N 73° 7’15.80”O 998

E 7° 6’14.4”N 73° 5’10.5”O 1293

F 7° 9’24.50”N 73° 9’43.40”O 1060

G 7° 4’55.5”N 73°11’48.7”O 1358

H 7° 8’28.4”N 73° 7’23.1”O 975

I 07°07’14.4”N 73°04’37.4”O 1565



En la figura 12 se presenta la ubicación de cada uno de los emplazamientos seleccionados.Fig. 12. SITIOS SELECCIONADOS PARA LOS ENLACES DE COMUNICACIÓN


A continuación en la Tabla V se describe los di-ferentes enlaces punto a punto construido en cam-po abierto y su respectiva configuración del ACKTi-meout y el slottime.

TABLA V

Enlaces de comunicación establecidos en campo

Enlaces Distancia (km)

Slottime (ms) Acktimeout (ms)11g 11b

A-B 0.16 9 20 48

B-C 0.65 9 20 48

D-E 4.674 23 34 75

E-F 10.212 43 54 116

B-I 5.01 25 36 79

G-H 10.46 43 54 116


En la Fig. 13 se presentan los resultados de las pruebas de throughput realizadas en campo abierto comparado con los valores obtenidos con el modelo teórico y las pruebas realizadas en labo-ratorio para cada una de las diferentes distancias.

En la Fig. 13 se puede apreciar que las prue-bas de throughput UDP unidireccional en campo abierto se aproximan al modelo teórico y al valor obtenido en las pruebas de laboratorio, aunque se puede apreciar un discrepancia en las medi-das obtenidas para la distancia de 5.01Km esto se debe a que en este lugar funcionan unos sis-temas de comunicación que operan en la banda de 2.4GHz el cual se encuentra en el rango de fre-cuencias donde opera nuestro sistema de comu-nicación. En la Fig. 14 se presenta las mediciones del espectro en el rango de frecuencias 2412 a 2484 MHz, al analizar el espectro se puede apre-

ciar la existencia de interferencia en el canal de comunicación, lo cual aumentó el número de pa-quetes medidos, esta medición se realizó sobre en el punto I de la Fig. 12.

Fig. 13. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL IEEE802.11B


Fig. 14. MEDICIÓN DEL ESPECTRO EN LA BANDA DE 2.4GHZ


A continuación en la Fig. 15 se presenta el throughput UDP con la técnica bursting que se puede utilizar sobre el radio XR2.

Fig. 15. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL BURSTING IEEE802.11B



En la Fig. 16 se presenta las mediciones de throughput UDP Bidireccional y el valor obtenido con el modelo teórico “CPS” propuesto. En la Fig. 16 se puede apreciar que el modelo permite pre-decir el throughput UDP que se obtuvo en el cam-po abierto.

Fig. 16. PRUEBAS DE CAMPO UDP BIDIRECCIONAL IEEE802.11B


CONCLUSIONES

Se realizó e implementó una metodología para caracterizar el desempeño del estándar IEEE802.11 en un radio enlace de largo alcan-ce, Donde se logró determinar el throughput UDP máximo que se puede obtener de acuerdo a la dis-tancia presente entre las estaciones.

Los radios Wi-Fi modificados los parámetros de su control de acceso al medio se presentan como una solución de conectividad de bajo costo que permite ofrecer banda ancha en enlaces de largo alcance lo cual es fundamental para las zo-nas rurales de la geografía colombiana.

Para predecir el throughput saturado bidimen-sional se propuso, implementó y validó un modelo “CPS” para el envío de paquetes UDP sobre DCF en redes punto a punto sobre enlaces de largo al-cance.

En los enlaces de comunicación en los que se encontraba presente interferencia disminuyó con-siderablemente el throughput comparado con el valor teórico esperado.

Se encontró asimetria en el flujo de datos cuando se realizaron mediciones del throughput UDP Bidireccional en cada uno de los enlaces punto a punto.

AGRADECIMIENTOS

Se le reconocen las contribuciones a Ing. C. A. Bravo y al Ing. V. A. Colmenares, Ing. L. M. Meza, Ing. J. D. Moreno, por la contribución y apoyo en la construcción de los prototipos WiFi autónomos y la realización de las pruebas en laboratorio y en campo abierto.

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Resumen— El rendimiento es sin duda uno de los as-pectos de mayor interés dentro del análisis global en las redes LAN, considerado el efecto que produce sobre el usuario final. El rendimiento puede ser definido según diversos puntos de vista, lo que permite incorporar otras formas de evaluación según el objeto de interés en par-ticular. Básicamente, los parámetros más comunes para evaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utili-zación del canal y diversas medidas de retardo.

Throughput, es la capacidad de un enlace de trans-portar información útil. En otras palabras, representa “la cantidad de información útil que puede transmitirse por unidad de tiempo”. Este puede variar en una misma conexión de red según el protocolo usado para la trans-misión (TCP o UDP) y el tipo de datos de tráfico (HTTP, FTPy otros).

Un objetivo muy importante al analizar el through-put se encuentra relacionado con la calidad del servicio (QoS / Quality of Service) en la red, la cual juega un pa-pel importante a la hora de evaluar la eficiencia de una red centrada en aplicaciones sensibles al tiempo, tales como: video y audio, entre otras.

Desde el punto de vista tecnológico, el hacer uso de la red eléctrica como medio físico de transmisión ha sido considerado como una excelente alternativa en la prestación de servicios de interconexión de última milla. El uso de adaptadores de red basados en PLC facilita el diseño de redes LAN y comunicaciones de banda ancha a través de la red eléctrica, al convirtir cualquier toma-corriente en un punto de conexión para el usuario, sin la necesidad de cableados adicionales a los existentes.

Este artículo presenta un análisis experimental so-bre el comportamiento del Throughput en redes LAN so-bre PLC, bajo el uso de adaptadores de red soportados con el estándar HomePlug 1.0.

Palabras clave— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, Modelo estadístico

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line

CommunicationsAnalysis about behavior of the Throughput in LAN networks under

technology Power Line Communications

Juan Carlos Vesga FerreiraM. Sc. en Telecomunicaciones,

Universidad Pontificia BolivarianaDocente Auxiliar ECBTI- UNAD

[email protected]

Gerardo Granados AcuñaEsp. en Telecomunicaciones,

Universidad Autónoma de BucaramangaDocente Auxiliar ECBTI- UNAD

[email protected]

Abstract— The performance is without doubt one of the aspects of greatest interest within the overall analysis in LANS, considering the effect that it produces on the end user. The performance can be defined according to va-rious points of view, allowing to incorporate other forms of evaluation depending on the object of interest in par-ticular. Basically, the most common parameters for eva-luating the performance of a network are: Throughput, use of the channel and various measures of delay.

Throughput, is defined as the capacity of a link to ca-rry useful information. In other words, represents “the amount of useful information that can be transmitted per unit of time”. It may vary in the same network con-nection depending on the protocol used for the trans-mission (TCP or UDP) and the data type of traffic (HTTP, FTP, etc. ).

One of the most important objectives to analyze the throughput is related to the quality of service (QoS / Quality of Service) on the network, which plays an im-portant role in assessing the efficiency of a network cen-tered in time-sensitive applications, such as: video and audio, among others.

From a technological point of view, making use of the Power network as physical environment of transmission has been considered as an excellent alternative in the provision of interconnection services of last mile. The use of network adapters based on PLC facilitate the de-sign of LANS and broadband communications through the Power network, converting any wall socket in a con-nection point for the user, without the need for additio-nal wiring to the existing ones.

This article presents an experimental analysis on the behavior of the throughput in LANs on PLC, under the use of network adapters supported with the standard HomePlug 1.0.

Keywords— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, Statis-tic Model


I. INTRODUCCIÓN

La red eléctrica representa un medio hostil para la transferencia de datos debido a que no ha sido diseñada para transmitir información. PLC al ser una tecnología emergente se enfrenta a varios inconvenientes tales como: niveles excesivos de ruido, la atenuación de la señal a las frecuencias de interés, discontinuidades en la impedancia ca-racterística del canal y efecto multipath [1], entre otros aspectos; que afecta considerablemente su óptimo desempeño. Además, es muy difícil obte-ner un modelo significativo de este canal, debido a la constante conexión y desconexión de dispo-sitivos.

Una de las principales características de la tec-nología PLC bajo el estándar HomePlug 1.0 [2] es el uso de OFDM como técnica de modulación [3], la cual implementa un esquema de transmisión adaptativa, que analiza las condiciones del canal acorde con la relación SNR presente en el medio en un momento dado. Esto juega un papel muy importante a la hora de analizar el comportamien-to de la tecnología PLC durante el desarrollo del experimento.

La red PLC está sujeta a limitaciones relaciona-das con la tecnología utilizada. Estas limitaciones hacen referencia a la velocidad de transmisión, la cual en la mayoría de los casos, no corresponde a la tasa esperada, debido a que la red PLC traba-ja bajo el uso de un medio compartido, donde el ancho de banda entre los usuarios disminuye a medida que aumenta la cantidad de estaciones activas en la red PLC. Las estaciones que forman parte de la red PLC deben estar en la misma fase de la red eléctrica [4], [5].

El rendimiento, es uno de los aspectos de ma-yor interés dentro del análisis global en las redes LAN, debido al efecto que produce sobre el usua-rio final. Puede ser definido según diversos puntos de vista, permitiendo con ello incorporar otras for-mas de evaluación dependiendo del objeto de in-terés en particular. Básicamente, los parámetros más comunes para evaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utilización del canal, Jitter y RTT, entre otros [6]. Aquí el tema de investigación está centrado en el Throughput.

Throughput, es la capacidad de un enlace de transportar información útil. Representa la can-tidad de información útil que puede transmitirse

por unidad de tiempo. Puede variar en una misma conexión de red según el protocolo usado para la transmisión y el tipo de datos de tráfico, entre otros factores [2]. La expresión matemática que por definición describe este parámetro es:

LM: Longitud total del mensaje

LC: Bits de control del mensajeTM: Tiempo de transmisión del mensajeTACC: Tiempo de acceso al medio

La mayoría de los métodos empleados para las mediciones se caracterizan por hacer evaluacio-nes de la conexión entre hosts enviando algún pa-trón de tráfico para luego realizar su evaluación. Las mediciones se repiten varias veces y luego se promedian para obtener una mejor aproximación.

Para el desarrollo del experimento se hará uso de adaptadores Ethernet-PLC con el fin de deter-minar la variación del Throughput en la red LAN según: el tamaño del paquete, el número de es-taciones activas en la red y la distancia en metros entre el PC-Cliente y el PC Servidor.

II. CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

Un aspecto fundamental en el diseño de expe-rimentos es decidir cuáles pruebas o tratamien-tos se van a ejecutar en el proceso y la cantidad de repeticiones de cada una, de manera que se obtenga la máxima información al mínimo costo sobre el objeto de estudio.

Un diseño experimental, es algo más que un conjunto de condiciones de prueba: es una se-cuencia de etapas o actividades que deben rea-lizarse para cumplir con éxito los objetivos que se persiguen. Actualmente, existen diversos tipos de diseños experimentales en donde cada uno de ellos permite estudiar situaciones que ocurren en la vida práctica, ajustándose a las necesida-des del investigador. Se debe saber cómo elegir el más adecuado para cada problema.

El tipo de diseño experimental seleccionado es el factorial, cuyo objetivo consiste en estudiar el efecto de varios factores sobre una o varias res-puestas (Throughput). Es decir, se busca estudiar


la relación entre los factores y la respuesta, con la finalidad de comprender mejor cómo es la re-lación y generar conocimiento que permita tomar acciones y decisiones que mejoren el desempeño del proceso [7].

Para estudiar la manera cómo influye cada fac-tor sobre la variable de interés, es necesario elegir al menos dos niveles de prueba para cada uno de ellos. Con el diseño factorial completo se ejecutan aleatoriamente en el proceso todas las posibles combinaciones que pueden formarse con los ni-veles seleccionados.

Un diseño de experimentos factorial o arreglo factorial es el conjunto de puntos experimentales o tratamientos que pueden formarse y considera todas las posibles combinaciones de los niveles por el número de factores [7]. Los factores son aquellas variables que se investigan en el expe-rimento, con relación a la forma como afectan a la(s) variable(s) de respuesta. Los niveles son aquellos valores que puede tomar cada uno de los factores. Por ejemplo, con k=2 factores, y cada factor con dos niveles de prueba, se forma el di-seño factorial de 2x2=22 que consiste de cuatro combinaciones o puntos experimentales.

Para esta investigación se consideraron tres factores: tamaño del paquete, número de PC ac-tivos en la red y distancia entre el PC (Cliente) y el Servidor. Cada factor presenta un número especí-fico de niveles cuantitativos acorde con la Tabla I.

TABLA I

FACTORES VS. NIVELES

Factor Descripción No. Niveles

1 Tamaño del paquete 6

2 Número de host 6

3 Distancia 4

Fuente: Los Autores

En virtud de lo anterior, corresponde a un di-seño factorial de 6x4x6=144 combinaciones de tratamientos o puntos experimentales. El número de replicaciones del experimento es de cinco (5), por lo tanto, se tomaron 720 mediciones por cada variable respuesta.

Cada uno de los métodos de diseño experi-mental recomienda el uso de una técnica estadís-tica para el análisis e interpretación de los datos. En el caso particular del diseño factorial, la téc-nica sugerida es el análisis de varianza [8]. En

estadística, el análisis de la varianza (ANOVA, se-gún terminología inglesa) es una colección de mo-delos estadísticos, en los cuales la varianza está particionada en ciertos componentes debidos a diferentes variables explicativas [9].

El nombre de análisis de varianza (ANOVA) viene del hecho que se utilizan coeficientes de varianzas para probar la hipótesis de igualdad de medias. La idea general de esta técnica es se-parar la variación total en las partes con la que contribuye cada fuente de variación en el expe-rimento [7], [9]. El análisis de varianza, permite identificar si las muestras tomadas en diferentes situaciones llamadas “factores” o “tratamientos”, influyen significativamente desde un punto de vis-ta estadístico sobre la variable respuesta. Desde este punto se vista, se establecen hipótesis sobre el comportamiento de los factores y al final se aceptan o rechazan según los resultados arroja-dos por el ANOVA [9]-[11].

El uso del análisis de varianza no obedece a rea-lizar comparaciones por capricho o para descubrir lo evidente. La comparación de tratamientos surge como una necesidad en la lógica de pretender to-mar una decisión, en la solución de un problema o como paso importante para el mejor entendimien-to de un proceso [7]. En el contexto de un proble-ma de investigación surge la necesidad de realizar alguna comparación de tratamientos con el fin de elegir la mejor alternativa o tener una mejor com-prensión del comportamiento de la variable de inte-rés en cada uno de los distintos tratamientos.

La estrategia normalmente se basa en obte-ner una muestra representativa de mediciones de cada uno de los tratamientos, y con base en las medias y varianzas muestrales construir un mode-lo estadístico que describa el comportamiento de esta comparación [8]-[10]. El modelo estadístico describe el comportamiento de la variable obser-vada y en cada diseño incorpora un término adi-cional por cada factor. El modelo es una manera de expresar matemáticamente todo lo que se su-pone puede influir sobre la variable de repuesta en un diseño dado [7].

El objetivo del ANOVA es determinar si ciertas variables pueden explicar una parte significativa de la variación, la variación aleatoria es pequeña frente a la variación explicable o determinista. Al finalizar el experimento, se busca identificar si uno o más factores afectaron a la variable respuesta, y


con ello establecer una relación de causalidad, y sentar las bases para el modelo empírico de pre-dicción.

III. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

En la actualidad, existen diferentes herra-mientas software que permiten realizar medicio-nes sobre una red. La mayoría de herramientas opera mediante configuraciones cliente/servi-dor, al enviar paquetes de un host a otro, ge-nerar situaciones de tráfico controladas y alea-torias y permitir variar el tipo de protocolo de transmisión, TCP o UDP, el tamaño del paquete, y en algunas ocasiones la tasa de transferencia.

Entre las herramientas software más utilizadas se encuentran: Chariot, MGEN, Iperf, SmokePing, TTCP, entre otras. Sin embargo, tenidas en cuenta las características y su uso constante en situacio-nes que requieren evaluar el rendimiento de una red, se utilizará Iperf como herramienta software para la medición del Throughput y otros paráme-tros relacionados con retardos propios de la red LAN sobre PLC bajo el estándar HomePlug 1.0.

Iperf es una herramienta diseñada para me-dir el rendimiento del ancho de banda vía TCP y UDP. Iperf reporta throughput, retardo (delay), Jitter (variación del retardo) y pérdidas de data-gramas, que permite manipular diversos pará-metros del tráfico generado [12].

Para establecer una comunicación entre dos equipos, uno de ellos debe configurase como servidor y otro como cliente. El experimento con-siste en conectar diversos equipos de cómputo, haciendo uso de adaptadores PLC-ethernet se-parados entre sí a una distancia conocida. Iperf generará tráfico desde cada uno de los PC hacia el Servidor acorde con la configuración de pará-metros establecida [13].

Fig. 1. ESQUEMA DE CONEXIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LA RED PLC CON FINES EXPERIMENTALES

Fuente: Los Autores

La Figura 1, muestra una topología bus utili-zada para la implementación de la red PLC y la

forma de conexión de cada uno de los equipos. Como dato adicional para el experimento, los adaptadores se ubicaron dentro del mismo circui-to (fase) eléctrico.

Tal como se mencionó anteriormente, se con-sideraron para el desarrollo del experimento tres factores: tamaño del paquete, número de PC acti-vos en la red y distancia entre el PC (Cliente) y el Servidor. Los valores establecidos para cada uno de los factores son: • Tamaño del Paquete: 64,128,256,512,

1024,1500 bytes• Número de PC activos en la red: 1,2,4,6,8,10

(se toma 10 como límite según especificacio-nes del fabricante)

• Distancia entre PC-Cliente y Servidor: 5m,10m,20m,30m

Con referencia a la distancia, se utilizaron valo-res dentro del rango de distancias en una vivienda promedio.

Los adaptadores PLC utilizados corresponden al modelo NETGEAR XE102 Wall-Plugged Ethernet Bridge que operan bajo el estándar Homeplug 1.0 y cumplen con las siguientes especificaciones téc-nicas, tabla II:

TABLA II

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ADAPTADORES USADOS

Característica Valor

Protocol/Standards:

HomePlug 1.0 specification, IEEE 802.3 10/100 Ethernet (10Mbps) and IEEE 802.3u

Fast Ethernet Compliant

14Mbps

Interconecta hasta 10 Plug IP’s

Modulation Support: OFDM , DQPSK, DBPSK and ROBO

Frequency Band: 4.3 Mhz to 20.9 Mhz band

Quality of Service:

Soporta (FEC)

4 niveles de prioridad de paquetes en forma aleatoria

Uso de algoritmos adaptativos bajo el uso de CSMA/CA

Maneja encapsulamiento de paquetes

Baja Latencia, Alto Throughput y Jitter ajustable

Security Support: Uso del algoritmo DES a 56bits para encriptación

Hardware: Potencia Mínima (4.5 watts)

LED Indicators:

1 x Power LED

1 x Powerline Activity Status LED

1 x Ethernet Link/Activity Status LED

Fuente: los autores


Dadas las condiciones experimentales descri-tas se considera que las cinco replicaciones del experimento son suficiente garantía para medir los efectos principales y las interacciones.

IV. MODELO ESTADÍSTICO Y ANÁLISIS DE VARIANZA PARA THROUGHPUT

En un diseño factorial de tres factores (axbxc)se supone que el comportamiento de la respuesta Y puede describirse mediante el modelo de efec-tos dado por:

En donde: a=Tamaños del paqueteb=distancias entre estacionesc=Número de estaciones o host en la red PLCn=Número de réplicas del experimentoYijkl= Throughput para un tamaño de paquete

(i) a una distancia entre estaciones (j), con un número de estaciones en la red PLC (k), para la replicación (l).μ=Media general del Throughput independien-

te de cualquiera de los factores considerados en el experimento.

Ai= Efecto del tamaño del paquete (i)Bj= Efecto de la distancia entre estaciones (j)Ck= Efecto del número de estaciones (k) (AB)ij= Efecto de la interacción entre los facto-

res Tamaño del Paquete y Distancia entre host(AC)ik= Efecto de la interacción entre los facto-

res Tamaño del paquete y Número de host (BC)jk= Efecto de la interacción entre los facto-

res Distancia entre Host y Número de host(ABC)ijk= Efecto de la interacción de los tres fac-

toresεijkl= Error aleatorioEl estudio factorial de tres factores (A,B,C) per-

mite investigar los efectos: A,B,C,AB,AC,BC y ABC; donde el nivel de desglose o detalle con el que pueden estudiarse depende del número de nive-les utilizado en cada factor. Para el caso particu-lar, se tienen siete efectos de interés sin conside-rar desglose y con ellos se pueden plantear siete

hipótesis nulas(Ho) y cada una apareada con una hipótesis alternativa (HA). El ANOVA para probar cada una de estas hipótesis se ilustra en la Tabla III.

Las hipótesis de interés para los tres factores del modelo anterior y sus interacciones son:

Ho: Efecto A = 0, HA: Efecto A ≠ 0

Ho: Efecto B = 0, HA: Efecto B ≠ 0

Ho: Efecto C = 0, HA: Efecto C ≠ 0

Ho: Efecto AB= 0, HA: Efecto AB ≠ 0

Ho: Efecto AC = 0, HA: Efecto AC ≠ 0

Ho: Efecto BC = 0, HA: Efecto BC ≠ 0

Ho: Efecto ABC = 0, HA: Efecto ABC ≠ 0Para casos en los que todos los factores del

experimento son fijos, es posible formular y probar fácilmente hipótesis acerca de los efectos princi-pales y las interacciones. Para el caso de modelos de efectos fijos, los test para probar las hipótesis sobre cada efecto principal y las interacciones se pueden construir al dividir el CM correspondiente del efecto o la interacción por el CME Los grados de libertad para cada efecto principal son los ni-veles del factor menos uno y el número de grados de libertad para una interacción es el producto del número de grados de libertad asociados con los componentes individuales de esta.

Resumen del ProcedimientoVariable dependiente: ThroughputFactores:

• Distancia entre estaciones• Número de host o estaciones activas en la red

PLC• Tamaño del Paquete

Número de muestras experimentales: 720

V. VALIDEZ DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE

La validez de los resultados obtenidos en cualquier análisis de varianza queda supedita-da a que los supuestos del modelo se cumplan. Estos supuestos del modelo de ANOVA son: nor-malidad, varianza constante (igual varianza de los tratamientos) e independencia. Esto es, la respuesta (Y) debe tener una distribución nor-mal, con la misma varianza en cada tratamiento


y las mediciones deben ser independientes. Es-tos supuestos sobre (Y) se traducen en supues-tos sobre el término error (ε) en los diferentes modelos. A continuación se realiza el análisis para cada uno de los tres supuestos:

Supuesto de Varianza Constante. Una forma de verificar el supuesto de varianza constante (o que los tratamientos tienen la misma varian-za) es graficar los valores estimados contra los residuos (Ŷij vs εij). Generalmente, Ŷij va en el eje X (horizontal) y los residuos en el eje vertical.

Fig. 2. VALORES RESIDUALES VS. VALORES ESTIMADOS PARA THROUGHPUT

Fuente: Los Autores

En la Figura 2 donde se relacionan los va-lores residuales contra los valores estimados, se observa una ligera violación al supuesto de varianza constante, debido a una semejanza al patrón tipo “corneta” que adoptan los residuos a medida que el valor estimado va en aumen-to. Sin embargo, esta violación no es tan fuerte como para generar un impacto significativo en el momento de emitir conclusiones sobre el mo-delo propuesto.

Debe tenerse en cuenta en la interpretación de esta Gráfica que aunque existan diferencias pequeñas, estadísticamente no se consideran como diferencias significativas. Adicionalmente, deben tomarse en cuenta la cantidad de obser-vaciones realizadas en cada uno de los facto-res, ya que este hecho puede llegar a impactar en la dispersión aparente de cada tratamiento.

Supuesto de NormalidadUn procedimiento para verificar el supuesto

de normalidad de los residuos, consiste en gra-ficar los residuos en una gráfica de probabilidad normal, la cual se incluye en la mayoría de los programas estadísticos.

FIG. 3. VALORES RESIDUALES DE THROUGHPUT EN PAPEL ORDINARIO

Fuente: los autores

En la figura anterior, correspondiente a la grá-fica de probabilidad, se observa el cumplimiento del supuesto de normalidad de los residuos, debi-do a que estos se encuentran ajustados sobre la recta graficados en papel ordinario.

Supuesto de Independencia El supuesto de independencia en los residuos

puede verificarse si se grafica el orden en que se tomó un dato contra el residuo correspondiente.

Fig. 4. RESIDUOS SEGÚN EL ORDEN EN LA TOMA DE LOS DATOS

Fuente: los autores

En la Figura 4, en donde se ilustra la relación entre los valores residuales y el orden en el que fueron tomados los datos experimentalmente se observa el cumplimiento del supuesto de inde-pendencia donde los valores residuales se en-cuentran distribuidos de manera aleatoria sobre la horizontal.

VI. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS EFECTOS ACTIVOS

A través del uso del software estadístico Stat-graphics, se realizó un análisis multifactorial de la varianza para Throughput, el cual realiza varios tests y gráficos para determinar qué factores tie-nen un efecto estadísticamente significativo en el Throughput como variable de salida.


En la Tabla III se muestra el resultado del aná-lisis de Varianza correspondiente al Throughput:

TABLA IIIANOVA COMPLETO PARA THROUGHPUT

Fuente de Variación

Suma de Cuadrad

(SC)Gr. Lib (C.M) Cociente

(Fo) p-Valor

A: Tamaño del paquete 502,750 5 100,550 15873,65 0,00

B: Distancia 0,220 3 0,0731 11,551 0,00

C: No. Host 984,718 5 196,943 31091,13 0,00

Interacción AxB 0,138 15 0,0091 1,450 0,11

Interacción AxC 384,542 25 15,3816 2428,279 0,00

Interacción BxC 0,103 15 0,0068 1,0869 0,36

Interacción AxBxC 0,210 75 0,0028 0,4426 1,00

Error 3,649 576 0,0063

TOTAL 1876,330 719

Fuente: los autores

Al efecto cuyo p-value sea menor al valor es-pecificado para α, se declara estadísticamente significativo o se dice que está activo. Es decir, aquellos valores donde p-value<0,05.

El análisis ANOVA descompone la variabilidad de throughput en las contribuciones debidas a va-rios factores. Puesto que se ha elegido la suma de cuadrados Tipo III (valor por defecto), se ha medido la contribución de cada factor y eliminado los efectos del resto de los factores. Los p-value comprueban la importancia estadística de cada uno de los factores. Dado que según el análisis de varianza existen cuatro efectos con p-values in-feriores a 0,05 (A,B,C yAC), estos factores tienen efecto estadísticamente significativo en through-put para un 95,0% de confianza para los cuales la hipótesis Ho se rechaza.

Por otro lado, los efectos que no influyen esta-dísticamente en el modelo (AB, BC y ABC), se po-dría considerar el eliminarlos y enviat sus efectos sobre el modelo al término del error (ε). Es muy im-portante tener en cuenta que la única interacción significativa estadísticamente entre los factores fue la correspondiente a la interacción AC, la cual corresponde a la interacción entre los factores Ta-maño del Paquete y Número de host o estaciones existentes en la red PLC.

Fig. 5. INTERACCIÓN ENTRE DISTANCIA Y HOST


En la Figura 5 se evidencia de manera visual una muy poca importancia de la interacción entre la dis-tancia y el número de host existente en la red, con-sideradas las distancias a las cuales se efectuó el experimento (5m, 10m, 20m, 30m) debido a que las líneas se encuentran paralelas entre sí. Por otro lado, debido a que la pendiente de las rectas es muy cer-cana a cero, quiere decir que la influencia del factor distancia sobre el valor del Throughput es muy bajo.

Fig. 6. INTERACCIÓN ENTRE TAMAÑO DEL PAQUETE Y HOST


En la Figura 6 se evidencia un efecto conside-rable en la interacción de los factores, tamaño del paquete y número de estaciones, debido al aspec-to quebrado de las líneas. Por otro lado, debido a la pendiente de las rectas puede afirmarse que el Throughput tiende a estabilizarse alrededor de 1Mbps a medida que aumenta el tamaño del paque-te y el número de estaciones; y, que la mayor influen-cia sobre la variable salida depende del número de estaciones que se encuentren activas en la red PLC.

Fig. 7. INTERACCIÓN ENTRE TAMAÑO DEL PAQUETE – DISTANCIA



En la Figura 7 se evidencia una muy poca im-portancia de la interacción entre el tamaño del pa-quete y la distancia entre estaciones, ya que las líneas se encuentran casi paralelas entre sí. Sin embargo, debido a que la pendiente de las rec-tas tiende a aumentar considerablemente a me-dida que aumenta el tamaño del paquete, refleja la fuerte influencia del tamaño del paquete como factor importante sobre el valor del Throughput.

VII. ANÁLISIS DE MEDIAS

Rechazada la hipótesis nula en un análisis de varianza, es necesario ir al detalle y ver cuáles tratamientos son diferentes. Cuando se acepta la hipótesis nula Ho : μ1 = μ2= ... = μk = μ, el objetivo del experimento está cubierto y la conclusión es que los tratamientos son iguales. Si por el contrario se rechaza Ho y, por consiguiente, se acepta la hipó-tesis alternativa HA : μi ≠ μj para algún i ≠ j, es ne-cesario investigar cuáles tratamientos resultaron diferentes o cuáles tratamientos provocan la dife-rencia, donde el gráfico de medias y los gráficos de interacción ayudarán a interpretar los efectos significativos que el análisis de varianza no logro especificar satisfactoriamente.

El método utilizado para el análisis de medias fue el método Tukey, considerado como el más co-múnmente utilizado en la comparación de pares de medias de tratamientos, el cual consiste en comparar las diferencias entre medias muestra-les con el valor crítico dado por:

Donde se obtiene del análisis ANOVA, en función del cuadrado medio del error y n es el número de observaciones por tratamiento, k es el número de tratamientos, N-k es igual a los grados de libertad para el error, α es el nivel de sig-nificancia prefijado y el estadístico qα(k,N-k) son puntos porcentuales de la distribución del rango estudentizado, que se pueden obtener en tablas.

Se declaran “significativamente diferentes” los pares de medias cuya diferencia muestral en va-lor absoluto sea mayor que Tα. A diferencia de los métodos LSD y Duncan, el método de Tukey traba-ja con un error α muy cercano al declarado por el experimentador. Cuando se hace uso del método de Tukey (HSD), hay un 5,0% de riesgo de conside-rar uno o más pares como significativamente dife-rentes cuando su diferencia real es igual a cero.

Según el tamaño del PaqueteTABLA IV

MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL TAMAÑO DEL PAQUETE


Límite Inferior

Límite Superior

64 120 0,2834 0,007265 0,269164 0,297703

128 120 0,5598 0,007265 0,545539 0,574078

256 120 0,8878 0,007265 0,873547 0,902086

512 120 1,4783 0,007265 1,46403 1,49257

1024 120 2,2072 0,007265 2,19299 2,22153

1500 120 2,5604 0,007265 2,54615 2,57469


Cuando se rechaza Ho mediante el ANOVA, y se concluye que no hay igualdad entre medias po-blacionales de los tratamientos, pero no se tiene información específica sobre cuáles tratamientos son diferentes entre sí, el análisis de medias per-mite hacer una comparación visual y estadística de las medias de los tratamientos. A continuación se muestran los resultados de medias por míni-mos cuadrados para Throughput, con un Intervalo de confianza del 95% en relación con cada uno de los factores.

Fig. 8. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN EL FACTOR TAMAÑO DEL PAQUETE


Según la DistanciaTABLA V

MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN LA DISTANCIA ENTRE ESTACIONES


Límite Inferior

Límite Superior

5 180 1,35766 0,00593 1,346 1,36931

10 180 1,32958 0,00593 1,31793 1,34123

20 180 1,31893 0,00593 1,30728 1,33058

30 180 1,31185 0,00593 1,3002 1,3235



Fig. 9. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN EL FACTOR DISTANCIA


Según el número de HostTABLA VI.

MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL NÚMERO DEL HOST


Límite Inferior

Límite Superior

1 120 3,7085 0,00726 3,69423 3,72277

2 120 1,85292 0,00726 1,83865 1,86719

4 120 0,9282 0,00726 0,913939 0,942478

6 120 0,6159 0,00726 0,60163 0,63017

8 120 0,4831 0,00726 0,468922 0,497461

10 120 0,38831 0,00726 0,374047 0,402586


Fig. 10. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN EL FACTOR NÚMERO DE HOST


Frecuencia Total: 720Media Total: 1,32951En las figuras anteriores se ilustra el valor del

Throughput medio por cada nivel según el factor analizado. También se presenta el error estándar de cada media, el cual corresponde a una medida de variabilidad en la muestra. Las dos columnas de la derecha muestran los intervalos para cada una de las medias con un 95% de confianza. Se-gún el análisis de medias, los mejores promedios se obtuvieron a medida que el tamaño del paque-te aumentó y la cantidad de host existentes en la red era reducido. La distancia entre los host no

reflejo efectos significativos en el comportamien-to del Throughput, lo cual es coherente con los re-sultados obtenidos previamente.

VIII. CONCLUSIONES

La implementación de redes PLC no debe ser considerada como un reemplazo de las tecnolo-gías existentes, sino como una solución comple-mentaria que trabaja en conjunto con otras tec-nologías de acceso. PLC ofrece una instalación simple y rápida en donde solo es necesario co-nectar un adaptador o MÓDEM PLC, convirtiendo cualquier toma de corriente en un punto de acce-so a la red; lo que permite la transmisión simultá-nea de voz, datos y video sobre un mismo medio; se origina la prestación de múltiples servicios: acceso a Internet de Banda Ancha, telefonía lo-cal con protocolo de IP, aplicaciones multimedia (videoconferencia, televisión interactiva, vídeo y audio bajo demanda, juegos en red), entre otros servicios.

Un diseño experimental es una secuencia de etapas o actividades que deben realizarse para cumplir con éxito los objetivos que se persiguen. En vista de lo anterior y para óptimo desarrollo del presente estudio, fue seleccionado el tipo facto-rial, cuyo objetivo consiste en estudiar el efecto de varios factores sobre una o varias respuestas (Throughput). Para el caso particular se imple-mentó un diseño factorial de 6x4x6=144 combi-naciones de tratamientos o puntos experimenta-les, con tres factores de tipo cuantitativo (tamaño del paquete, número de estaciones activas en la red y la distancia en metros entre el PC-Cliente y el PC Servidor), el cual respondió satisfactoriamen-te a cada una de las necesidades en el proceso de investigación. El número de replicas del expe-rimento fue cinco (5), las cuales se consideraron suficiente garantía para medir los efectos princi-pales y las interacciones, para un total de 720 me-diciones de la variable respuesta.

En todo modelo, es importante saber combi-nar parámetros, variables, relaciones funciona-les y restricciones que formen los componentes que desarrollan la función objetivo. El análisis de varianza (ANOVA) permitió descomponer la varia-bilidad de Throughput en cada una de las contri-buciones por factor, bajo un nivel de confianza del 95,0%. El análisis de varianza identificó cua-


tro efectos estadísticamente significativos ( ). La única interacción significativa estadísticamente entre los factores fue la interacción AC, la cual corresponde a la interacción entre los factores Ta-maño del Paquete y Número de host o estaciones existentes en la red PLC.

Según el análisis de medias, los mejores pro-medios se obtuvieron a medida que el tamaño del paquete aumentaba y la cantidad de host existen-tes en la red era reducido. La distancia entre los host no reflejó efectos significativos en el compor-tamiento del Throughput a las distancias en las cuáles se desarrolló el experimento (5m, 10m, 20m, 30m) y que encajan dentro de una vivienda promedio. Por otro lado, se observó un efecto con-siderable en la interacción de los factores tamaño del paquete y número de estaciones, debido al as-pecto quebrado de las líneas. Según la pendiente de las rectas en los gráficos de interacción se pue-de decir que el Throughput tiende a estabilizarse alrededor de 1Mbps a medida que aumenta el tamaño del paquete y el número de estaciones, donde se evidenció que la mayor influencia sobre la variable salida depende del número de estacio-nes que se encuentren activas en la red PLC.

La validez de los resultados obtenidos en cual-quier análisis de varianza queda supeditada a que los supuestos del modelo (normalidad, varianza contante e independencia) se cumplan. En el caso particular, bajo el uso de gráficos de residuos se pudo comprobar los supuestos del modelo pro-puesto para el Throughput, cumplen a satisfac-ción con cada uno de los supuestos, y se garan-tiza con ello que los resultados del experimento obedecen a una muestra aleatoria de distribución normal con media cero y varianza constante.

Aunque existen herramientas de predicción que se encuentran disponibles comercialmente, su costo es muy elevado, lo cual limita su adqui-sición y aplicación en el entorno regional. Algunos ejemplos son: WinProp, SitePlanner, CINDOOR; sin embargo, el uso de Iperf como herramienta software de libre distribución permitió realizar di-versas pruebas sobre el entorno de red basado en PLC, las cuales arrojaron resultados bastante interesantes; y brindaroo las herramientas para la definición del modelo empírico de predicción y la forma de interacción entre diversos factores in-mersos en el proceso de comunicación.

La intención final de este estudio es estable-cer las bases para evaluar el comportamiento del Jitter, el cual se encuentra directamente relacio-nado con el rendimiento de la red PLC implemen-tada, y considera la influencia de cada uno de los siguientes factores: el número de estaciones activas en la red, la distancia entre ellas y el ta-maño del paquete; bajo las condiciones de la red eléctrica existentes en ambientes corporativos y residenciales. Sin embargo, es importante consi-derar que los resultados obtenidos pueden estar sujetos a modificaciones y ajustes posteriores de-bido al grado de sensibilidad de los instrumentos utilizados para realizar la medición y las condicio-nes existentes en la red en el momento de llevar a cabo el experimento.

REFERENCIAS

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Abstract— This paper evaluates the performance of fractal or self-similar traffic models in IEEE 802.11 networks. This study is focused on the “Quindio Región Digital” (QRD) network. Performance evaluation of the traffic models is performed in three stages. In the first stage, we obtain the statistical characteristics of the current traffic on the QRD network. In the second sta-ge, the most suitable traffic models are selected for the current characteristics of the QRD network such as out-of-saturation operation and management of heteroge-neous traffic. In the third stage, we define a performan-ce metric that is used to evaluate the traffic patterns through simulation.

Keywords— QRD, WLAN, MAC, time slot, contention win-dow, self-similarity, traffic, correlation, goodness of fit test, snnifer.

I. INTRODUCTION

In the recent years, wireless networks have be-come popular for the design of access networks due to their potential benefits with respect to wi-red networks. Since the standard IEEE 802.11 has been widely accepted for the design of these net-works, a detailed study of this standard provides useful tools to design and plan proper networks, and to meet user requirements with respect to in-formation management and services.

Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case

for the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en

redes IEEE 802.11 - Caso de Estudio Red QRD

Evelio Astaiza Hoyos PhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones

Universidad de Vigo-España MsC. Ingeniería, área de telecomunicaciones,


Investigador grupo [email protected]@unicauca.edu.co

Héctor F. Bermúdez Orozco PhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones,

Universidad de Vigo-España MsC Electrónica y Telecomunicaciones,


Investigador grupo [email protected]

[email protected]

Diego Fernando Salgado CastroIngeniero Electrónico

Universidad del QuindíoGrupo GITUQ

[email protected]

This paper presents the performance eva-luation of one popular method to model WLAN 802.11networks. This model takes into account an exponential backoff protocol under non-satura-ted stations and heterogeneous-traffic-flow condi-tions to compute the throughput of the distribu-ted coordination function (DCF) for basic access. Therefore, this model is suitable for the analysis of traffic frames in a real network. In this paper, the performance of this model is compared using ac-tual data from the “Quindío Región Digital” (QRD) network.

The model under analysis assumes that the pro-babilities of packet collision of a packet is constant and independent on the state and station regard-less the number of retransmissions. This assump-tion, validated through simulations, shows high-ac-curate results even when the number of stations in the wireless LAN is greater than 10.

This paper is organized as follows. Section 2 defines the two medium access mechanisms used in DCF, basic mechanism and RTS/CTS (Request to send/Clear to send) mechanism, as well as a combination of both. Section 3 shows the results and statistics obtained for a real traffic in the QRD


network. Sections 4 and 5 include the performan-ce evaluation of the model under study, which take into account real conditions such as non-saturated stations and heterogeneous traffic. Section 6 pre-sents the simulation results that verify the perfor-mance of this model on the QRD network. Finally, Section 7 summarizes the results and discusses the performance of the model on real network data.

II. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION 802.11

This section presents an overview of the dis-tributed coordination function (DCF) described by the IEEE 802.11 protocol. A detailed description is included in [6], [7], [8], [10] and [15].

A station with a new packet to be transmit-ted senses the channel activity. If the channel is found inactive during a period of time equal to the distributed interframe space (DIFS), the sta-tion transmits. Otherwise, if the channel is found busy (immediately or during the DIFS), the station continuously senses the channel until it is found inactive during a DIFS. From this viewpoint, the station generates a random backoff interval be-fore transmitting (i.e., performs an anti-collision protocol) to minimize the probability of collision within the packets transmitted by other stations. In addition, to avoid channel break, a station must wait for a random backoff time between two con-secutive transmissions of a new packet even if the channel is found inactive during a DIFS. To impro-ve efficiency, DCF uses a discrete backoff scale. The time following an inactive DIFS is sliced and a station can transmit only at beginning of each slot time. The size of the slot time “σ” is set equal to the time required by each station to detect the transmission of a packet from any other station.

TABLE ISlot Time (ranura de tiempo), valores máximos y mínimos de la ventana de contienda para las tres especificaciones PHY del estándar 802.11: Frecuency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Direct Sequence Spread

Spectrum (DSSS), and Infrared (IR).

PHY Slot Time (σ) CWmin CWmax

FHSS 50 µs 16 1024

DSSS 20 µs 32 1024

IR 8 µs 64 1024

As shown in Table I, the size of the slot time “σ” depends on the physical layer, and it represents the propagation delay involved in switching from a reception state to transmission state (i.e., RX-TX time) as well as the time to signal to the MAC layer

about the channel state (i.e., to detect a busy time). DCF adopts an exponential backoff behavior, in which the backoff time for each packet transmission is chosen to be uniform in the range (0,W-1), whe-re W is called contention window, and this window depends on the number of failed transmission for a given packet. In the first transmission attempt, W is set to be equal to the minimum contention window (CWmin). After each failed transmission, W is dou-bled until reach its maximum value CWmax = 2mCW-min. The values for CWmin and CWmax are reported in the final version of the standard [15]. The backoff time counter is stopped when a transmission is de-tected over the channel, and it is resumed when the channel is found inactive again for more than one DIFS. The station transmits when the backoff coun-ter reaches zero. Fig. 1 depicts this operation.

Since CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) is not based on the station ca-pabilities to detect a collision by listening to their own transmissions, an affirmative acknowledge (ACK) is transmitted by target station to signal a successful packet reception. ACK is transmitted immediately following the packet reception, and this time inter-val is called short interframe space (SIFS). As long as the SIFS (in addition to the propagation delay) is shorter than a DIFS, none station is capable of de-tecting channel inactivity during a DIFS until the end of an ACK. If the transmitting station does not recei-ve any acknowledge for a certain ACK waiting time, or a different transmission packet is detected over the channel, the transmission of packets is restarted according to the predefined backoff rules. The pre-vious two-way transmission approach is called basic access mechanism. DCF defines an additional and optional four-way transmission approach. This me-chanism is called RTS/CTS, which is shown in Fig. 2.

Fig.1. BASIC ACCESS MECHANISM



Fig. 2. RTS/CTS MECHANISM


The station that requires a packet transmis-sion must wait until the channel is found inactive during a DIFS, following the backoff rules explai-ned above. Then, instead of transmitting the data packet, a preliminary short frame, called “request to send” (RTS), is transmitted. When the target station detects a RTS frame, it responses, after a SIFS, by sending a “clear to send” (CTS) frame. A station is allowed to transmit only if a CTS frame is received properly.

RTS and CTS frames carry out information about the length of the packet to be transmitted. This information can be read by any other listening transmitters, which update the network allocation vector (NAV) that stores information about the pe-riod of time when the channel is busy.

RTS/CTS mechanism is efficient in terms of system performance since it reduces the length of the frames involved in a contention process. In fact, even assuming perfect channel detection by each station, collision may occur when two or more packets are transmitted on the same slot time. If the two transmission stations employ a RTS/CTS mechanism, a collision is produced only in the RTS frame. However, this issue can be de-tected quickly by all transmission stations due to the lack of a CTS frame [5].

III. ACQUISITION OF A REAL TRAFFIC

This section shows the data obtained from a real traffic in the QRD network, and the statistics performed on this data.

A. Capture of traffic in the QRD network and statistics estimation

A protocol analyzer was used to capture infor-mation about packets [12]. This information is

grouped according to the arrival time and length of each packet. In this way, histograms and good-ness of fit tests are used to estimate the statistics that characterize the traffic and features of the QRD network.

B. Identification of the distribution function

The methodology of goodness of fit test propo-sed by Kolmogorov-Smirnov [11] is used to deter-mine the distribution functions for the arrival-pac-ket time and packet length. As a result of this test, the distribution function for the arrival-packet time is found to be exponential, this is shown in Fig. 3. With respect to the packet length (or equivalently, the average service time), the distribution function is uniform, this is shown in Fig. 4.

Fig. 3. EXPONENTIAL DISTRIBUTION FOR THE ARRIVAL-PACKET TIME ON JANUARY 26, 2011.


Fig. 4. UNIFORM DISTRIBUTION FOR THE PACKET LENGTH


IV. THROUGHPUT FOR THE REAL TRAFFIC AND SELF-SIMILAR MODEL

A. Throughput for the real traffic

From the QRD data, the time mean average of the packets is 0.0076 seconds, which suggests that the actual offered traffic is λk = 7.6ms.


Fig. 4 shows an uniform distribution for the length of the payload bits in the packets. The mean value is 1452.76 bytes, i.e., Lk = 1452.76 bytes. Hence, the throughput in Mbps against the number of network stations is shown in Fig. 7. From this figure, it is possible to determine the maximum throughput of a network with different number of terminals by dividing this value by the number of terminals. Thus, if packets with an ave-rage length of 1452.76 bytes are transmitted to any rate such as 1, 2, 11 or 54 Mbps, the maxi-mum throughput is 90 kbps, this is shown in Fig. 5. Asumming 20 terminals for the QRD network, the effective transmitsion rate by terminal are 4.5 kbps. This result is very accurate due to this analy-sis takes into account the time involved in solving collisions.

Fig. 5. THROUGHPUT IN THE QRD NETWORK AS A FUNCTION OF THE NUMBER OF STATIONS


B. Throughput for the self-similar model

A study about the self-similarity on aggregated traffic using the Hurst parameter for a wireless network close to the QRD network is presented in [4]. The degree of self-similarity is obtained for the QRD network from the arithmetic summation of the degree of self-similarity for each frame inde-pendently. In other words, the Hurst parameter is obtained separately for the data frame, the control frame, and the management frame, and those va-lues are finally added together to obtain the Hurst parameter for the aggregated traffic.

In [1], [2], [3], [9], [13] and [14], the self-similar traffic for WLAN networks is modeled through an M / G / ∞ queue.• Definition 1 [2]

A random process X(t),t∈R is called H-sssi if it is self-similar with a parameter H, and it has sta-tionary increments.• Lemma 1 [2]

It is assumed that X(t),t∈R is a non-degnera-tive process H-sssi with an inifity variance. Then, 0 < H ≤ 1, X(0) = 0 and the covariance is defined by

If X(t) is a non-degenerated process H-sssi with finite dispersion, then 0 < H ≤ 1. During simulation of the traffic, the range 0.5 < H < 1 is particularly interesting since the process H-sssi X(t) with H < 0 cannot be measured, and it belongs to a patholo-gical case. While the case H > 1 is forbidden since the stationary condition in this process is cumu-lative. In practice, the range 0 < H ≤ 0.5 can be excluded because this cumulative process is ca-lled short range dependence (SRD). For practical purposes only the range 0.5 < H < 1 is relevant. In this range, the correlation factor for the cumulati-ve process Y(t):

has the following form:

C. M / G / ∞ Queue

The M / G / ∞ process is defined as follows. The discrete-time M / G / ∞ queue is modeled with slot time “σ” as time interval. All Poisson-type ar-rivals within the slot time are used for service be-fore the beginning of the next slot, where W(s=k), k=1,2,..., is the probability density function (pdf) of the service time S given in slot-time “σ” units. For this system, it is known that the pdf of the queue length is a Poisson distribution at the end of each slot time with mean λ = λo*M[s], where λo is the average number of arrivals when the system is at the state 0 in the M / G / ∞ queue. However, the next queue lengths at the end of the slot time are correlated with autocorrelation function r(k) = P(S > k. Hence, if this queue-length process is used to generate the arrivals for the analyzed system, the next arrival process A is obtained from the marginal distribution of A, which is a discrete-time Poisson process with parameter λ for each slot


time, and P(S > k) is the autocorrelation function. In practice, it is necessary to obtain the autocor-relation function r(k), which could be used to com-pute the distribution required for the service time. In particular,

Whatever P(S>O) = 1 and r(0) = 1, by definition, M[S] = 1 / [1-r(1)]. Then, for the long-range depen-dence (LRD),

Where α = r(1) = 1 – M[S]. As a result, the arri-val process is and asymptotic self-similar process with Hurts exponent H = 1 – β / 2.

Since the M / G / ∞ queue describes only a discrete-time arrival process, the next step is the generation of isolated arrival times. This proce-dure is obtained by grouping arrivals of K≥1 slot times followed each other, and strong distribution over all intervals of length to = σk seconds.

Let N be the number of arrivals within k slot ti-mes. Since N is a Poisson process, the assignment of each arrival inside the interval corresponds to a uniform distribution (the distribution of interval ti-mes between arrivals is still non-exponential).

The offered traffic obtained from (3) and (5) in terms of the autocorrelation function r(k), where k is the average time of a packet on backoff state taking into account the collisions described abo-ve, is given by

Since

then

where k is Waverage or the average time of a pac-ket on backoff state. Since this process is uniform, and the contention window is 256, this average time is 128. H is the Hurst parameter. To find the most suitable Hurst parameter that matches the real traffic model, the throughput is varied in the range 0.5<H<1. According to this value, it is possible to determine if the self-similar model is the best description for the real traffic in an IEEE

802.11 network. The variations of the H parame-ter are shown in Fig. 6.

r(k) is the same ρk, i.e., the offered traffic, which is replaced in the throughput Sk(n):

Up to this point, all parameters are replaced to solve the above equation except the Hurst para-meter, which is varied to determine the degree of self-similarity in the model, and so to obtain the features of a real traffic.

Self-similar models takes Hurst parameter va-lues within the range 0.5<H<1, where a value of H close to 1 corresponds to strong self-similarity. From Fig. 6, the Hurst parameter that better des-cribes the real traffic is H = 0.61, which suggests that the model has a low degree of self-similarity. Therefore, self-similar models are not able to des-cribe effectively the real traffic in wireless WLAN networks.

Fig. 6. EFFECT OF THE HURST PARAMETER ON THE THROUGHPUT


V. RESULTS

The graphical results for the model under study for the QRD network (a WLAN IEEE 802.11g net-work) as well as the real traffic are shown in Fig. 7. This figure allows us to establish that the model describes the real traffic in the QRD network. In this figure, throughput for the real traffic is shown in red and the throughput for the self-similar mo-del in blue.

From this figure, we can say that the model des-cribes from good way the conditions of real traffic.


To support this claim, a numerical analysis based on correlation provides more accurate information than a graphical analysis. Correlation results for the self-similar model and the real traffic on the QRD network.

Correlation coefficient for the real traffic and the self-similar model:

0.941Since the correlation coefficient is close to one,

it is concluded that the model provide a strong co-rrelation with the real data.

The previous results allow us to conclude that the model describes the features of IEEE 802.11 network traffic. Fig. 7. THROUGHPUT FOR THE SELF-SIMILAR MODEL, AND REAL TRAFFIC.


VI. CONCLUSIONS

In this paper, the one popular traffic models for IEEE 802.11 wireless networks was evaluated. The model is based on self-similar theory, defi-ning a simple but powerful model that captures all characteristics of the medium access control (MAC). It is important to highlight that this model depends exclusively on the distribution of packet arrivals obtained for the QRD network. The self-similarity of the traffic turns out relevant once the random process becomes similar at different sca-les, but this model (self-similar model) is no lon-ger popular due to the mathematical complexity and the complex estimation of the self-similarity degree from the Hurst parameter. To estimate this self-similarity degree, it is necessary to determine the Hurst parameter separately for each frame, and then to obtain a unified Hurst parameter that

provides an estimation of the self-similarity de-gree for the actual traffic. Independently on the differences between both models, it is possible to conclude that the actual traffic in the WLAN QRD network is well described by a self-similar model. Under the assumptions about a memoryless Pois-son process for the arrival time and the probabi-lity of packet collision independently on the pre-vious state, it was possible to obtain a simulated throughput that matches the throughput obtained from a real traffic.

The most important reason why the model was selected for this study is the ability of this model to describe real conditions in non-saturated net-works and heterogeneous traffic, i.e., streaming and elastic flows. Hence, it was feasible to per-form a comparison under normal conditions, and these simulation results are close to real data.

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Resumen— La televisión digital móvil sobre el protocolo de Internet (Mobile IPTV) requiere que las redes de mó-viles provean los recursos y los mecanismos necesarios para garantizar la calidad en los contenidos entregados a los usuarios. Las características técnicas de las tecno-logías de banda ancha móvil LTE y LTE-Advanced las per-filan como las redes capaces para soportar el desplie-gue de Mobile IPTV. Por consiguiente, en este trabajo se ha realizado el análisis de las redes LTE y LTE-Advanced con el fin de proponer una arquitectura funcional para orientar la implementación del servicio de Mobile IPTV.

Palabras clave— Arquitectura funcional; Long Term Evolution (LTE); LTE-Advanced; Mobile IPTV; Subsistema Multimedia IP (IMS); Servicio de Multidifusión y Difusión Multimedia (MBMS).

Abstract— Mobile digital television over IP networks (Mobile IPTV) requires that mobile networks provide the resources and mechanism necessary to guarantee the quality of content delivered to users. The technical characteristics of mobile broadband technologies LTE and LTE-Advanced will permit to be the networks able to support the deployment of Mobile IPTV. Therefore, in this study we have done an analysis of the LTE and LTE-Advanced networks in order to propose functional architecture to guide the implementation of the Mobile IPTV service.

Keywords— Mobile IPTV; IP Multimedia Subsystem (IMS); Long Term Evolution (LTE); LTE-Advanced; Multi-cast/Broadcast Multimedia Service (MBMS); Functional Architecture.

I. INTRODUCCIÓN

El crecimiento del número de usuarios, la mul-tiplicidad de dispositivos para acceder a la red y la demanda de nuevos servicios y aplicaciones generan un aumento considerable en el tráfico de datos que circula por la redes móviles y causan

Functional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks

Arquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-Avanced

Diego Fernando Rueda PepinosaMSc(c) en Ingeniería – Telecomunicaciones

Universidad Nacional de ColombiaInvestigador del Grupo de GITUN.

Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia

[email protected]

Zoila Inés Ramos RodríguezPhD.(c) en Ingeniería - Telecomunicaciones, Universidad de

Telecomunicaciones e Informática de Moscú. Profesor Asociado, Líder del Grupo GITUN. Universidad Nacional de Colombia.


problemas de congestión y la degradación en la calidad de los servicios ofrecidos [1] [2]. Según el estudio realizado en [2], para el año 2016 el tráfico de datos móviles llegará a más 10.8 Exab-ytes por mes, del cual el 70% será generado por flujos de video. Es por tanto que las redes móviles están al borde de una tercera fase de evolución en la cual el tráfico de datos móviles será dominado principalmente por contenidos de video y que se requerirán nuevas formas de optimizar la red para evitar la saturación de la misma [3]. La estima-ción del incremento de este tipo de tráfico es uno de los principales impulsores para la adopción de los nuevos estándares de banda ancha móvil LTE (Long Term Evolution) y LTE-Advanced (LTE-A) [3].

Bajo este escenario uno de los servicios más exigentes en términos de consumo de recursos será la Mobile IPTV puesto que requiere de una red de alta velocidad, baja tasa de error y bajo retardo para permitir la reproducción en tiempo real del contenido seleccionado por el usuario [4]. En consecuencia, el despliegue de sistemas LTE marcará el inicio de una nueva era en las comuni-caciones móviles que permitirá a los operadores contar con una plataforma global para soportar las próximas generaciones de servicios con la ca-lidad requerida por cada uno de ellos [5].

Las características técnicas de las redes LTE/ LTE-A las perfilan como las tecnologías capaces de soportar el despliegue de la Mobile IPTV toda vez que se constituyen en la evolución de las redes de 3G, con en un núcleo de red completamente IP (All-IP), capaces de ofrecer altas velocidades de


acceso, mejorar la eficiencia espectral, reducir el retardo y de diferenciar los flujos de tráfico [6] [7]. Por lo tanto, es necesario contar con una arquitec-tura que permita orientar la implementación del servicio Mobile IPTV sobre este tipo de redes y en donde se garantice la calidad de los contenidos entregados a los usuarios y la adecuada gestión del servicio.

Este artículo está organizado de la siguiente manera: en la parte II se encuentran los traba-jos relacionados con la temática tratada en esta investigación, en la parte III se revisan los princi-pales aspectos para el despliegue del servicio de Mobile IPTV, seguidamente, en la parte IV se ana-liza y propone una arquitectura funcional para la implementación de Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A, y por último, en la parte V, se presentan las conclusiones obtenidas con el desarrollo de este trabajo de investigación.

II. ANTECEDENTES

Entre los trabajos relacionados con esta inves-tigación se pueden citar inicialmente a [8] y [9], donde los autores realizan la revisión y compara-ción de las arquitecturas funcionales recomenda-das por la Unión Internacional de las Telecomu-nicaciones (UIT) para la entrega de servicios de IPTV. Las arquitecturas presentadas por la UIT en [10] son tres y tienen como referencia a las Redes de Nueva Generación (NGN, Next Generation Net-works) [11].

La primera arquitectura fue definida para el despliegue de IPTV sobre redes que no son NGN (Non-NGN IPTV), la segunda presenta una arqui-tectura basada en NGN sin la inclusión del Sub-sistema Multimedia IP (IMS, IP Multimeda Subsys-tem) (NGN non-IMS IPTV) [12] y la tercera se basa en la implementación de IPTV en NGN con su componente de IMS (NGN-IMS IPTV) [13]. De estas arquitecturas, la más estudiada ha sido la arquitectura NGN-IMS IPTV.

Los autores de [14], [15] y [16] consideran al IMS como un elemento indispensable para el con-trol en las sesiones, el lanzamiento del servicio y los mecanismos autenticación, autorización y con-tabilidad (AAA, Authentication, Authorization, and Accounting) así como para la aplicación de polí-ticas, control de admisión y gestión de recursos.

Dichos trabajos están orientados hacia la imple-mentación de IPTV en entornos NGN.

En [17] se realiza un estudio de la señaliza-ción para la prestación de servicios de video so-bre redes LTE integrando el IMS junto al servicio de MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Ser-vice) [18]. El IMS se implementa para controlar las sesiones, proporcionar la admisión a la red y el control de políticas, mientras que el MBMS se utiliza para la entrega de contenido multimedia a través de portadoras de multidifusión y difusión a múltiples usuarios dentro de la misma zona de cobertura [17]. Sin embargo, no se consideró la inclusión de una entidad de gestión del servicio.

En consecuencia, los trabajos encontrados en la literatura se diferencian de esta investigación puesto que aquí se propone y analiza una arqui-tectura funcional para orientar la implementación del servicio Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A con el objetivo de garantizar la calidad de los con-tenidos entregados a los usuarios y la adecuada gestión del servicio.

III. CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE SERVICIOS

DE MOBILE IPTV

A. Definición de Mobile IPTV

En las redes móviles la IPTV se enmarca bajo el concepto de Mobile IPTV, que se define como una tecnología capaz de permitir a los usuarios la transmisión y recepción de tráfico multimedia que incluyen señales de televisión, video, audio, texto e imágenes por medio de redes cableadas o inalámbricas basadas en el IP con QoS, QoE, seguridad, movilidad e interactividad [19]. Con Mobile IPTV los usuarios pueden disfrutar de la televisión digital (TD) y los servicios relacionados en cualquier lugar, a cualquier hora y sobre cual-quier dispositivo, inclusive mientras están en mo-vimiento [20].

Cabe señalar, que la IPTV es diferente de las soluciones de televisión sobre Internet, debido a que esta última permite a los usuarios ver videos o canales de televisión en un entorno del mejor esfuerzo, mientras que en los sistemas de IPTV es requisito que el servicio y la red sean debida-mente gestionados y controlados para asegurar la calidad en los contenidos entregados [21] [22].


La implementación de la IPTV está definida por una cadena de valor conformada por el pro-veedor de contenidos, el proveedor del servicio, el operador de red y el usuario final [23]. En este contexto, el material audiovisual generado por el proveedor de contenidos es multiplexado con otros contenidos multimedia y aplicaciones interactivas, para posteriormente ser transmiti-do por la red IP del operador de red [24]. Del lado del usuario, este debe disponer de un dis-positivo que le permita la recepción y decodifi-cación de los canales de TD y ejecución de las aplicaciones interactivas [24].

B. Clasificación de los servicios de IPTV

La UIT clasifica a los servicios de IPTV en tres categorías: básicos, selectivos mejorados, e interactivos [25]. Los servicios básicos están conformados por canales de audio, canales de audio y video (A/V), y canales de A/V con datos. Estos se emiten por difusión y pueden ser en alta definición (HD, High Definition) o en defini-ción estándar (SD, Standar Definition) [25].

Los servicios selectivos mejorados abar-can la difusión de video cercano a la demanda (Near VoD, Near Video on Demand), el VoD real (Real VoD), la guía de programación electrónica (EPG, Electronic Program Guide), la grabadora de vídeo personal (PVR, Personal Video Recor-der), entre otros. Esta categoría ofrece servi-cios de IPTV más avanzados que los servicios básicos puesto que están destinados a mejorar la comodidad del usuario y a proporcionar una amplia gama de contenidos A/V que pueden ser seleccionados por usuario según sus preferen-cias [25].

Finalmente, se tienen los servicios inte-ractivos de IPTV como: T-information (noticias, tiempo, tráfico, y otros), T-commerce (compras, subastas, y transacciones bancarias, entre otros), T-communication (correo, video telé-fono, mensajería y demás), T-entertainment (juegos, blog, etc.), y T-learning (educación primaria, intermedia, secundaria y superior) [25]. Estos servicios requieren de un canal de comunicaciones bidireccional para que el usuario pueda interactuar con los contenidos multimedia mediante las aplicaciones interac-tivas de forma tal que puedan personalizar el contenido que desean ver.

C. Retos para la implementación de Mobile IPTV.

La implementación de sistemas de Mobile IPTV debe superar varios desafíos antes que los servicios asociados sean ampliamente desplega-dos y utilizados. Entre los retos más importantes que deben ser abordados por parte de los provee-dores del servicio y los operadores de red están: • Propagación en el enlace inalámbrico: se pre-

sentan errores en la transmisión, shadowing, fading, reflexiones temporales, interferencias y obstáculos que causan una reducción en el nivel de potencia de recepción y aumento en la pérdida de paquetes de ráfagas lo que afec-ta calidad de la recepción de contenidos de IPTV [26].

• Velocidad de transmisión de datos del enlace inalámbrico: el incremento en el tráfico de da-tos móviles limita la capacidad de la red para mantener la tasa de datos mínima para la en-trega de servicios de IPTV [26].

• QoS y QoS: los parámetros de desempeño de la red como velocidad de transmisión, re-tardo, jitter y pérdida de paquetes deben ser mantenidos dentro de los niveles aceptables para el despliegue de sistemas de IPTV [4].

• Cobertura del servicio: la dificultad para im-plementar una red móvil que cubra todas las áreas geográficas puede conllevar como solu-ción la habilitación del handover vertical entre redes heterogéneas cada una de las cuales tiene recursos diferentes que pueden afectar el manejo de los flujos asociados a la IPTV [26].

• Multiplicidad de equipos de usuario (UE, User Equipment): en el mercado existen distin-tos equipos para acceder al servicio de IPTV como TV, computadores, smartphones y ta-blets, que ofrecen capacidades diferentes en procesamiento, almacenamiento, tamaño y resolución de pantalla lo que impacta directa-mente en la visualización de los contenidos e interfaces de usuario [26].

• Retardo de inicio de reproducción de conte-nidos: se genera por el tiempo que tardan los equipos de los usuarios en unirse a la red, el tiempo de llenado del buffer de los UE re-ceptores, y el tiempo de decodificación de los contenidos de A/V. Esta característica afecta


la experiencia de los usuarios en el uso de servicios de IPTV [27][28].

• Tiempo de conmutación de canal (zapping time): impide que el cambio de canal sea rá-pido y ágil. Corresponde al tiempo necesario para recibir una trama que permita comenzar el proceso de decodificación del nuevo canal y se debe al retardo introducido por el protocolo de multicast, al retardo en el buffer y el retar-do de decodificación [28].

• Mercados de consumo: Existe la posibilidad de la baja demanda por parte de los consumi-dores debido a la visualización de la IPTV en pantallas pequeñas, por ello se requiere de un modelo de negocio con servicios de IPTV innovadores e interfaces de usuario atracti-vas [26].

Regulación y normatividad: la regulación exis-tente para el despliegue de Mobile IPTV es escasa y aun no se tiene una normatividad clara al res-pecto toda vez que se trata de un servicio novedo-so y que aun no ha sido ampliamente desplegado.

D. Capas de la arquitectura

La arquitectura funcional para la implementa-ción de Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A que se propone está orientada a garantizar la calidad de los contenidos entregados a los usuarios y la adecuada gestión del servicio. La arquitectura se basa en capas, las cuales cumplen con funciones bien definidas y ofrecen servicios entre sí. En la Fig. 1 se presenta la arquitectura funcional de alto nivel.

Fig. 1. ARQUITECTURA FUNCIONAL DE ALTO NIVEL

Fuente: autores del proyecto

1) Capa de Acceso: corresponde a la Red de Acceso por Radio Terrestre Universal - Evoluciona-da (E-UTRAN, Evolved - Universal Terrestrial Radio Access Network) de las redes LTE/LTEA. La E-

UTRAN está compuesta por una malla de nodos B evolucionados (eNB), los cuales son una especie de estaciones base distribuidas a lo largo del área de cobertura de red. Un eNB define una celda y servirá a múltiples UE que se encuentren en su zona de influencia. Pero un UE sólo puede estar conectado a un único eNB al tiempo [27].

La arquitectura de protocolos de la red E-UTRAN se da tanto para el plano de control como para el plano de usuario. En el Plano de Control (CP, Control Plane) está el protocolo NAS (Non-Access Stratum) y el protocolo para el Control de Recursos de Radio (RRC, Radio Resource Control) tal y como se muestra en la Fig. 2 [30]. El protoco-lo NAS comunica al UE con la Entidad de Gestión de la Movilidad (MME, Mobility Management Enti-ty) y se usa en el enganche de los UE a la red, en la autenticación, en la gestión de las portadoras del EPC y en el manejo de la movilidad [31]. Entre tanto, el protocolo RRC es usado para la difusión de información, la búsqueda (paging) de UE, el es-tablecimiento y mantenimiento de las portadoras de radio, la gestión de la conexión RRC, la trasfe-rencia del contexto de UE durante el handover y para los reportes de medidas como la Información de la Calidad del Canal (CQI, Channel Quality Infor-mation) desde el UE [32].

Fig. 2. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE CONTROL

Fuente: [30].

El Plano de Usuario (UP, User Plane) la capa de acceso consta de la pila de protocolos presentada en la Fig. 3 como: Protocolo de Convergencia de Paquetes de Datos (PDCP, Packet Data Conver-gence Protocol), Control del Enlace de Radio (RLC, Radio Link Control), Control de Acceso al Medio (MAC, Media Access Control) y física (PHY) [30]. El protocolo PDCP permite la compresión de los encabezados IP basada en la Compresión de En-cabezados Robusta (ROCH, Robust Header Com-pression), el cifrado y la protección de la integri-


dad de los datos transmitidos [33]. La subcapa RLC tiene a cargo la segmentación y concatena-ción de los paquetes de datos, y el manejo de las retransmisiones mediante Solicitudes de Repeti-ción Automática (ARQ, Automatic Repeat reQuest) [34]. Por su parte, la subcapa MAC se encarga del manejo de las retransmisiones ARQ Hibridas (HARQ, Hybrid ARQ), del mapeo entre los canales lógicos y de transporte, de la programación del tráfico de los enlaces ascendente y descendente, de la multiplexación de los UE, de la identificación del servicios MBMS y de las selección del formato de transporte [35].

Fig. 3. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE USUARIO

Fuente: [30]

La capa PHY es la responsable de la protección de datos de los errores del canal mediante el uso de esquemas de Modulación y Codificación Adap-tativas (AMC, Adaptative Modulation and Coding) según las condiciones del medio de transmisión. También mantiene las frecuencias y el tiempo de sincronización, realiza mediciones de las caracte-rísticas del canal de radio y su respectivo informe a las capas superiores, ejecuta funciones de pro-cesamiento de radio frecuencia (RF) incluida con-figuración de antenas, modulación, demodulación y transmisión por diversidad [30]. En la Tabla I se resumen las principales características de la capa PHY para las redes LTE/LTE-A.

TABLA ICARACTERÍSTICAS DE LA CAPA PHY EN LAS REDES LTE/LTE-A

Características LTE LTE-A

Esquema de acceso UL SC-FDMA

DL OFDMA

Ancho de banda de RF 20 MHz 100 MHz

Tasa de bits pico DL 300 Mbps 1 Gbps

UL 75 Mbps 500 Mbps

Modulación QPSK, 16QAM, 64QAM

Multiplexación espacial MIMO

Fuente: autores del artículo

2) Capa de Transporte: está conformada por el núcleo de paquetes evolucionado (EPC, Evolved Packet System) de las redes LTE/LTE-A, el cual proporciona al sistema de IPTV un núcleo All-IP, con las capacidades de ofrecer calidad del servi-cio y acceso desde cualquier lugar y dispositivo incluso si el usuario esta en movimiento.

Las principales funciones de esta capa son la gestión la movilidad de los UE (en el momento del handover dentro de la misma red o en el handover vertical), el acceso a diferentes servicios ofrecidos por el proveedor (voz, video y datos), la conexión a sistemas 3GPP y aquellos que no lo son, la conec-tividad IPv4/IPv6, la administración de las políti-cas de QoS y de carga, y los mecanismos para la oferta de servicios MBMS [30].

Los elementos de red que integran al EPC son la entidad de gestión de la movilidad (MME), la puerta de enlace del servicio (S-GW, Serving Gateway), la puerta de enlace a la red de pa-quetes de datos (PDN-GW, Packet Data Network Gateway), la entidad encargada de las políticas y reglas de carga (PCRF, Policy and Charging Rules Function) y los elementos para ofrecer servicios de MBMS [30].

3) Capa de Control: tiene como base al núcleo del IMS [37] que otorga así a la arquitectura de IPTV el registro de usuarios y mecanismos AAA, la gestión de las suscripciones, la centralización de los perfiles del usuario, flexibilidad en las políticas del usuario, la personalización de servicio, la ges-tión de sesiones, enrutamiento, el lanzamiento de servicios, numeración, interacción con los facili-tadores de servicio NGN (presencia, mensajería, gestión de grupos, y otros), movilidad, calidad de servicio, control de portadoras y una solución uni-ficada de tasación y facturación [15].

Además, la inclusión de IMS en la arquitectura aporta en la adaptación de los flujos de la IPTV a los recursos de la red y a las capacidades de los UE. De este modo los usuarios pueden acceder al servicio de IPTV desde cualquier lugar, a cualquier hora y sobre cualquier dispositivo, inclusive mien-tras están en movimiento. El IMS también permi-te el control flexible del servicio de IPTV debido al que el manejo de sesiones se basa en el Pro-tocolo de Inicio de Sesión (SIP, Session Initiation Protocol) [15]. Otro escenario para los servicios de IPTV basados en IMS está en traspaso de las se-siones entre diferentes dispositivos con lo cual el


usuario podrá continuar observando el contenido así cambie de UE.

La capa de control está constituida por las en-tidades para el control de sesiones de llamada (CSCF, Call Session Control Funtion), y se utilizan para el establecimiento de las sesiones multime-dia entre los usuarios y para preparar la entrega de los servicios solicitados según las caracterís-ticas de la sesión del usuario [15]. Dichas ca-racterísticas como el perfil de usuario, políticas, suscripciones, preferencias, entre otros, se alma-cenan en el servidor de suscripción local (HSS, Home Subscription Server).

4) Capa de servicios y aplicaciones: Entre sus objetivos están almacenar y adquirir los diferentes contenidos de A/V, formar la parrilla de programa-ción, integrar las aplicaciones interactivas con los canales de televisión, emitir y controlar los flujos del servicio de IPTV, y atender el diálogo de control de reproducción de contenidos (iniciar, pausar, detener, avanzar y retroceder) y de interactividad con las aplicaciones [38].

Los principales componentes de esta capa son las entidades para el descubrimiento servicios (SDF, Service Selection Function) y la selección de servicios (SSF, Service Selection Function), la enti-dad para el control del servicio de IPTV (SCF, Ser-vice Control Funtion) y la entidad encargada de la entregar (MDF, Media Delivery funtion) y contro-lar (MCF, Media Control Funtion) los contenidos multimedia.

5) Capa de gestión: proporciona funciones de gestión y comunicaciones para la operación, ad-ministración y mantenimiento de la red móvil y el

aprovisionamiento del servicio de IPTV. Dentro de las funciones de la gestión de red se considera la gestión de la configuración y activos del servicio; la gestión de eventos con el objetivo de asegurar su correcto funcionamiento y ayudar a prever inci-dencias futuras; la gestión de incidentes que afec-ten la calidad del servicio y su restauración en el menor tiempo posible; la gestión de problemas y errores frecuentes que degradan la calidad del servicio; el monitoreo del desempeño a nivel de red; la gestión de la seguridad al tomar acciones apropiadas para prevenir accesos no autorizados a la red; y el control de cambios para la provisión, cese o modificación de la capacidad de la red para el soporte de los servicios [39].

Por su parte, la gestión del servicio se relacio-na con los aspectos contractuales de los servicios ofrecidos a los clientes. Entre sus tareas están la atención al usuario y gestión de las solicitudes que realicen; la interacción y negociación con pro-veedores de servicios; el mantenimiento de los acuerdos de nivel de servicio y del portafolio de servicios [39].

6) Proveedor de Contenidos: es la entidad pro-pietaria de los contenidos o es la poseedora de la licencia para vender los activos de los mismos. Su función es la producción y entrega de conteni-dos los cuales pueden ser videos, audios, datos, texto y aplicaciones interactivas. Forman parte de los proveedores de contenidos los programadores de canales de TV satelitales o terrestres, los pro-ductores de programas de TV, las bases de datos de contenidos (series y películas), las empresas de desarrollo de software y otros proveedores de contenido [12].

Fig. 4. ARQUITECTURA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE MOBILE IPTV SOBRE REDES LTE/LTE-A

Fuente: autores del aríiculo


E. Descripción detallada de la arquitectura

Los principales componentes de la arquitectu-ra propuesta para la implementación del servicio de IPTV sobre redes LTE/LTE-A se muestran en detalle en la Fig. 4 y se describen a continuación.

1) Equipos de usuario (UE): realizan la identi-ficación de los usuarios, la decodificación de los contenidos, despliegue de las imágenes, repro-ducción del audio y ejecución de las aplicacio-nes interactivas que conforman los servicios de IPTV. El UE contiene el módulo de identificación de suscriptor universal (USIM, Universal Subs-criber Identity Module) con la información de autenticación para acceder a la red. Del mismo modo, el UE monitorea el rendimiento del canal de radio y transmite al eNB la CQI, soporta la in-terfaz de radio LTE/LTE-A para el enlace ascen-dente y descendente, y se encarga de mapear el tráfico del enlace ascendente en las clases de tráfico [40].

2) Nodos B evolucionados (eNB): realizan múltiples funciones en el CP como la gestión de recursos de radio (RRM, Radio Resource Manage-ment), incluido el control de las portadoras de ra-dio, el control de admisión a los recursos de radio, la gestión de la movilidad (MM, Mobility Manage-ment) y la planificación del enlace ascendente y descendente. Adicionalmente en el UP el eNB se encarga de la compresión de encabezado IP y ci-frado de flujo de datos de usuario; de la selección de la MME; del renvío de datos desde el UE hacia la S-GW; de la programación y transmisión de in-formación de búsqueda (paging) originada desde la MME y de la información de operación y mante-nimiento [30].

3) Entidad de gestión de la movilidad (MME): es el elemento esencial para el control de acceso al EPC de las redes LTE/LTE-A. El MME se encarga de la señalización NAS para soportar la movilidad de los UE (handover dentro de la red LTE o hando-ver vertical) y los procedimientos para la gestión de las sesiones (establecer y mantener la conec-tividad IP entre el UE y el PDN GW), del mismo modo provee la seguridad a la señalización NAS. El MME también se encarga de la autenticación de los usuarios (mediante la interacción con el HSS), de la gestión de los perfiles de suscripción y de la conectividad a los servicios mediante la selección del S-GW y del PDN-GW para un UE al

iniciar la conexión o mantener la conectividad en movilidad de los UE [30].

4) Puerta de enlace de servicio (S-GW): Su principal función es la gestión y la conmutación de los paquetes de datos del usuario. El S-GW ac-túa como soporte de la movilidad en el plano de usuario durante los handover entre eNB de la mis-ma red y como soporte para la movilidad entre la red LTE y otras tecnologías 3GPP. En el estado de reposo de los UE, el S-GW termina la ruta de da-tos del enlace descendente y activa la búsqueda cuando llegan datos para el UE. El S-GW gestiona y almacena los contextos de los UE, por ejemplo, los parámetros del servicio de la portadora IP y la información de enrutamiento de la red interna. Además, efectúa la marcación de paquetes a ni-vel de transporte en el enlace descenderte y as-cendente, monitorea los datos y los recolecta para propósitos de contabilidad y de carga al usuario, y realiza la interceptación de comunicaciones legal [30].

5) Puerta de enlace de la red de paquetes de datos (PDN-GW): proporciona conectividad IP de los UE hacia las redes de paquetes de datos ex-ternas y servicios siendo el punto de entrada y salida del tráfico para el UE. Un UE puede tener una conectividad simultánea con más de un PDN-GW para acceder a múltiples redes de paquetes de datos. El PDN-GW lleva a cabo la asignación de direcciones IP, la aplicación de políticas, el filtrado de paquetes para cada usuario, el soporte de car-ga, la marcación paquetes a nivel de transporte en el enlace descenderte, la interceptación legal y la detección de paquetes. Otra función clave de la PDN-GW es la de apoyar la movilidad de usuarios en cualquier caso del handover [30].

6) Función de políticas y reglas de carga (PCRF): es el elemento de red responsable de asignación y definición de las reglas de políticas y control de carga (PCC, Policy and Charging Con-trol). Este componente lleva a cabo las decisiones sobre cómo manejar el servicio en términos de QoS, además ofrece información al PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) ubicado en el PDN-GW, o si es necesario al BBERF (Bearer Binding and Event Reporting Function) localizado en el S-GW para el establecimiento de las portado-ras y las políticas adecuadas a los flujos del ser-vicio según los requisitos de desempeño [41]. Las portadoras y políticas permiten que la red pueda


identificar los flujos de paquetes asociados a un servicio para dar el tratamiento preferente y con ello garantizar los recursos necesarios para man-tener la calidad en el servicio.

Es de tener en cuenta que el PCRF únicamente aplica las reglas PCC a los flujos de servicios de unidifusión y no a los multidifusión y difusión [41], razón por la cual en entornos de IPTV los servicios que serán beneficiados por las reglas definidas en el PCRF son los servicios de VoD los cuales se ma-nejarán diferenciadamente del resto de servicios conforme las reglas así lo definan.

7) Servidor de suscripción local (HSS): Es una base de datos que almacena todos los datos de los usuarios y registra la ubicación del usuario en la red. El HSS almacena el perfil del suscriptor el cual contiene información sobre los servicios que pueden ser utilizados por el usuario según lo con-tratado son el proveedor del servicio (paquetes de datos, servicios de IPTV, telefonía, roaming, etc.). Además almacena los vectores de autenticación y las claves de seguridad para cada UE [40].

8) Proxy-CSCF (P-CSCF): Es un servidor SIP que actúa como la puerta de entrada al sub-sistema IMS desde la red LTE/LTE-A. Los principales ob-jetivos del P-CSCF son garantizar la señalización entre la red y los suscriptores y la asignación de los recursos para los flujos multimedia por medio de la interacción con el subsistema de control de admisión y recursos (RACS) [37]. En la arquitectu-ra el P-CSCF se conecta con el PCRF para la asig-nación de las reglas PCC a los flujos de servicios asociados a la IPTV. Por tanto, a través del P-CSCF, el IMS puede controlar la operación de la capa de transporte que para este caso corresponde a los servicios portadores del EPS.

9) Serving-CSCF (S-CSCF): Es la principal enti-dad de control dentro del IMS puesto que actúa como servidor de registro SIP (SIP Registrer). Este componente procesa los registros de los usuarios y almacena su ubicación actual, también es el res-ponsable de la autenticación de los usuarios y la gestión de las sesiones. Las políticas del suscrip-tor almacenadas en el HSS controlan las operacio-nes realizadas por el S-CSCF para un suscriptor en particular [37].

10) Interrogating-CSCF (I-CSCF): Es un servidor SIP que actúa como puerta de entrada de la se-ñalización SIP proveniente de redes externas por

ejemplo la consulta a los servidores de nombres de dominios (DNS). El I-CSCF consulta al HSS para descubrir el S-CSCF apropiado para el usuario. [37].

11) Entidad de descubrimiento y selección de servicios (SDF/SSF): El SDF brinda la información que se requiere para que un UE pueda identificar los servicios de IPTV disponibles (descubrimiento de servicios personalizados). En la arquitectura uno o varios SSF pueden utilizarse para propor-cionar la información del servicio y las preferen-cias de los usuarios para que con ello los servicios puedan ser seleccionados por los usuarios [15].

12) Entidad para el control del servicio de IPTV (SCF): Maneja las solicitudes y la ejecución de ser-vicio, además controla las sesiones para todos los servicios de IPTV. Las tareas generales de un SCF son el inicio de sesión y control de los servicios de IPTV; la interacción con el núcleo IMS y el S-CSCF para recibir, validar y realizar peticiones de servi-cios de IPTV realizadas por los usuarios; la auto-rización del servicio y validación de las peticiones del contenido seleccionado por el usuario con base a la información de su perfil; la selección de las funciones relevantes de control/entrega de los contenidos de IPTV; la personalización de la ex-periencia del usuario y el control del crédito [15].

13) Entidad multimedia de IPTV (MDF/MCF): Desempeña funciones para la entrega y el con-trol de los contenidos multimedia asociados a la IPTV. Las funciones del MDF son el manejo de la entrega de los flujos multimedia usando el Proto-colo de Tiempo Real (RTP, Real Time Protocol); el almacenamiento de los contenidos multimedia e información del servicio; el procesamiento, codifi-cación y decodificación de contenidos multimedia en varios formatos y la protección de contenido [15].

Entre tanto, las principales actividades realiza-das por el MCF son la selección de los servidores de MDF; la transmisión de los contenidos por las redes de transporte y el control del activo en la entrega de los contenidos; la aplicación de políti-cas para la distribución y gestión de contenidos; el mapeo de la identificación del contenido y su ubi-cación en el MDF; la interacción con el UE median-te el uso de comandos RTSP para la reproducción del contenido; la recopilación de información esta-dística sobre el uso del servicio y la generación de información de facturación [15].


14) Servicio de multidifusión y difusión multi-media (MBMS): En las redes LTE/LTE-A el servicio MBMS ofrece un modo de distribución punto-mul-tipunto como una alternativa valiosa a la unidifu-sión cuando un gran número de usuarios acceden simultáneamente al mismo contenido. Por ejem-plo, durante la transmisión en vivo de un progra-ma de televisión muchos flujos serian enviados individualmente con el mismo contenido a los usuarios. Pero con la multidifusión se toma venta-ja de las cualidades inherentes de la difusión en las redes inalámbricas, puesto que permite enviar el mismo contenido una sola vez a igual número de usuarios [42]. En este escenario, la multidifu-sión hace más eficiente el uso del espectro y redu-ce los costos por bit [42].

La activación del servicio MBMS se logra con la inclusión de un mínimo de elementos como el Centro de Servicios de Multidifusión/Difusión (BM-CS, Broadcast/Multicast Service Center), la puerta de enlace del MBMS (MBMS-GW, MBMS Gateway) y la Entidad de Coordinación de multidi-fusión para múltiple celdas (MCE, Multi-cell/multi-cast Coordinating Entity). Gráficamente, en la Fig. 5 se puede observar la interconexión de dichos elementos en la red LTE/LTE-A.

Fig. 5 ARQUITECTURA LÓGICA DEL SERVICIO MBMS

Fuente: [30]

El MB-SC se encarga de la programación de un servicio MBMS, del anuncio del servicio a los UE; de la autorización de usuarios, de la asignación de portadoras de identificación del servicio, y la inicialización y terminación de las portadoras de

recursos de MBMS. El MB-SC puede ser el punto de contacto directo con el proveedor del servicio. Entre tanto, la MBMS-GW permite enviar los pa-quetes IP de multidifusión a todos los eNB que for-man parte de servicio MBMS, también realiza el control de la señalización de las sesiones MBMS hacia la red E-UTRAN usando una interfaz a la en-tidad MME.

Finalmente la entidad MCE, que corresponde a una función lógica y puede residir en otro ele-mento de la red como en un eNB, realiza el con-trol de admisión, la asignación de los recursos de radio en toda la red de multidifusión/ difusión de frecuencia única (MBSFN, Multimedia Broadcast Multicast Service Single Frequency Network), de la señalización del control de la sesión, y toma de-cisiones sobre la configuración de los enlaces de radio [30].

Gestión de la calidad de servicio en redes LTE/LTE-A

Los sistemas LTE/LTE-A proporcionan a los UE un servicio de conectividad IP a las redes de pa-quetes externas como por ejemplo a Internet o a una Intranet corporativas. El servicio de conecti-vidad IP se denomina conexión PDN y se caracte-riza por una dirección IP única a través de la cual el UE opera en la red externa. Las redes externas se identifican mediante una etiqueta denominada Access Point Name (APN). De esta forma para el establecimiento de una conexión PDN entre un UE y una red externa se utiliza el parámetro APN para determinar una PND-GW o varias PND-GW que ofrecen los servicios solicitados por el usuario. Un UE puede establecer múltiples conexiones PDN simultáneas [43].

El servicio de conectividad IP de las redes LTE/LTE-A soporta calidad de servicio (QoS). De esta forma, el trato que reciben los paquetes IP de una determinada conexión PDN puede adaptarse a las necesidades de transmisión de los servicios a los que accede el usuario en aspectos como veloci-dad de transmisión, retardo y tasa de pérdidas de paquetes. En este contexto, es importante tener en cuenta que a través de las redes LTE/LTE-A se pueden proporcionar servicios de diferente índole que no requieren los mismos recursos de trans-misión. Por tanto, la adaptación de la QoS de las conexiones PDN a las características de los ser-vicios permite que la red LTE/LTE-A proporcione una buena experiencia de uso a los usuarios a la


vez que posibilita una gestión eficiente de los re-cursos de transmisión puesto que se reservan los recursos estrictamente necesarios para satisfacer los objetivos de calidad de servicio [43].

La forma de gestionar la calidad de servicio en las redes LTE/LTE-A se estructura en torno a la definición de lo que se denomina servicio por-tador EPS (EPS Bearer Service). Un servicio por-tador EPS realiza la transferencia de paquetes IP que tienen asociados unos parámetros de QoS y la plantilla TFT (Trafic Flow Template), que es uti-lizada para seleccionar el flujo de paquetes IP al que debe proveerse QoS. En este sentido, todos los paquetes IP asociados a un determinado ser-vicio portador EPS reciben el mismo trato de QoS en la red [43].

La activación, modificación y desactivación de los servicios portadores EPS se controla desde las redes LTE/LTE-A con base a los datos de subscrip-ción del usuario y/o a las políticas de uso recibi-das desde el sistema PCC. Para los sistemas de IPTV esta característica es determinante para ga-rantizar los recursos necesarios y con ello brindar la QoS manteniendo los parámetros de desempe-ño dentro de los niveles aceptables. Los procedi-mientos principales relacionados con la gestión de sesiones son [43]:

1) Procedimiento de registro (Network Attach): A través de este procedimiento se establece el servicio de conectividad IP que ofrece la red LTE/LTE-A. Existen diferentes variantes del procedi-miento de registro en función de si la red de acce-so utilizada es E-UTRAN o cualquiera de las otras redes de acceso alternativas 3GPP y no 3GPP con-templadas.

2) Procedimiento de petición de servicio (Servi-ce Request): El modelo de servicio ofrecido por las redes LTE/LTE-A permite que un usuario en modo ocupado (sin una conexión a E-UTRAN) manten-ga abiertos los servicios portadores EPS en la red troncal. Este procedimiento permite una reactiva-ción rápida del plano de usuario cuando el termi-nal pasa de ocupado a conectado.

3) Petición de conexión PDN solicitada por el terminal (UE Requested PDN Connectivity): Las re-des LTE/LTE-A permiten que el UE inicie el proceso de establecimiento una conexión PDN adicional a la conexión PDN establecida en el proceso de re-gistro.

4) Activación, modificación y desactivación de los servicios portadores EPS dedicados (EPS Bea-rer Activation/Modification/Deactivation): La ges-tión de los servicios portadores EPS dedicados es uno de los pilares de la gestión de sesiones en la red LTE. La activación y modificación de estos ser-vicios puede estar vinculada al control dinámico de QoS ofrecido por el subsistema PCC.

5) Modificación del servicio portador solicita-da por el terminal (UE requested bearer resource modification): Este procedimiento permite que el terminal pueda solicitar cambios en los servicios portadores que le ofrece la red. Los cambios pue-den ser a nivel de los parámetros de QoS como en los filtros de paquetes que determina la composi-ción del tráfico agregado en un servicio portador. Si la solicitud de modificación realizada por un UE es aceptada por la red, ésta procede a iniciar los mecanismos pertinentes de activación, modifica-ción y/o desactivación de los servicios portadores EPS (el control sigue teniéndolo la red, pero en este caso, atendiendo a una petición proveniente del UE).

IV. CONCLUSIONES

Las características técnicas de las redes LTE/ LTE-A las perfilan como las tecnologías capaces de soportar el despliegue de la Mobile IPTV toda vez que se constituyen en la evolución de las re-des de 3G, con en un núcleo de red All-IP, capaces de ofrecer altas velocidades de acceso, mejorar la eficiencia espectral, reducir el retardo y proporcio-nar calidad del servicio.

La adecuada gestión de mecanismos y políti-cas de calidad de servicio permitirán que la red LTE/LTE-A pueda identificar los flujos de paquetes asociados a un servicio para dar el tratamiento preferente y con ello garantizar los recursos ne-cesarios con el propósito que los parámetros de desempeño de la red estén dentro de los niveles aceptables para la entrega de servicios de Mobile IPTV.

La arquitectura propuesta para la implementa-ción de servicio de Mobile IPTV en redes LTE/LTE-A se basa en el uso del IMS como componente esencial para el control de sesiones, el lanzamien-to del servicio, mecanismos AAA, la aplicación de políticas, el control de admisión y la gestión de recursos. También se plantea la inclusión del ser-


vicio de multidifusión y difusión de multimedia (NMBS) de as redes LTE/ LTE-A para lograr optimi-zar el uso del espectro radioeléctrico y de ancho de banda, logrando con ello ampliar la cobertura de usuarios del servicios básicos de Mobile IPTV.

TRABAJOS FUTUROS

La arquitectura propuesta permitirá la defini-ción de un modelo de red LTE en el cual se simu-lará el tráfico generado por un servicio de Mobile IPTV con el objetivo de evaluar los principales pa-rámetros de desempeño de la red ante distintas configuraciones.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo presentó los resultados parciales de la de tesis de Maestría en Ingeniería – Teleco-municaciones: Marco de Referencia Técnico para el Despliegue del Servicio de IPTV sobre Redes Móviles LTE (Long Term Evolution) con Calidad de Servicio (QoS), la cual es desarrollada en el Grupo de Investigación en Teleinformática de la Universi-dad Nacional de Colombia – GITUN.

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Resumen— En este trabajo se expone la implemen-tación de estructuras de datos en el desarrollo de un parseador que permite la interpretación de archivos XPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) en su versión 2.2, mediante multilistas. Junto con el metamodelo propio del XPDL se busca solucionar una problemáti-ca en la interpretación del esquema XML, permitiendo un correcto almacenamiento de los elementos bajo el lenguaje Objective C para iOS, con el cual se pretende innovar en el campo de las plataformas móviles que hacen uso del lenguaje estándar BPMN (BusinessPro-cessModeling Notation) para la representación de pro-cesos de negocio y que generan el XPDL. El objetivo principal de un XPDL es describir la información del flujo de datos del proceso mediante un esquema XML (Extensible MarkupLanguage).

Palabras clave— BPMN, GDataXML, Objective C, Par-ser, Procesos de Negocio, XPDL.

Abstract— With the creation of the standard langua-ge BPMN(Business Process Modeling Notation) used to represent business processes, the XPDL(XML Pro-cess Definition Language) is generated, which descri-bes the data flow information of the process using a XML(Extensible Markup Language) schema. This docu-ment shows the implementation of data structures on the development of a parser which allows the interpre-tation of XPDL files in the 2.2 version; using together multi-lists and the XPDL meta-model, the interpreta-tion of the XML schema problematic is pretended to be solved, allowing a correct storage of the elements. As an additional contribution, the development of the functional parser is made under the Objective C lan-

Multilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard

Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de XML para la definición de XPDL 2.2

en objective c para iOS

Daniel Iván Meza LaraIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia


[email protected]

Leidy Andrea Ruiz RodríguezIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia


[email protected]

Óscar Elías Herrera BedoyaDoctor en Telecomunicaciones,

Universidad Politécnica de ValenciaDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC,

Universidad Piloto de [email protected]

guage for iOS, which is pretended to innovate in the mobile platform field.

Keywords— BPMN, GDataXML, Objective C, Parser, Bu-siness Process, XPDL.

I. INTRODUCCIÓN

En este artículo, se presenta un modelo para la implementación de estructuras de datos com-plejas que faciliten la generación de documentos XPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) [1], los cuales son generados de forma organizada por medio de un esquema conceptual definido por el metamodelo propio.

Con la apropiación del esquema conceptual se componen las jerarquías del XML (Extensible MarkupLanguage)[2], que basado en el-estándar XPDL 2.2, contiene la representación de los ele-mentos propios del modelado de procesos de ne-gocio bajo el lenguaje BPMN (Business Process-ModelingNotation)[3] cuya representación gráfica del ejemplo de un proceso se muestra en la Fig. 1.

La representación de los procesos de negocio por medio del BPMN dentro de un modelador, muestra la unión entre los objetos y las relaciones entre ellos de forma gráfica, a partir de esto se genera el XPDL en el cual se guarda, por medio


de un esquema XML, todas las características pro-pias del proceso. (Ver Tabla I).

Fig. 1 EJEMPLO DE LA REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN PROCESO EN NOTACIÓN BPMN

Para la definición de los tipos de datos e in-clusión de cada elemento del BPMN dentro del esquema XML, se realiza un modelo preliminar que valide los elementos básicos del BPMN; la abstracción del modelo conceptual define de manera general cada elemento de flujo que pue-da presentarse dentro del proceso diagramado; posteriormente se realiza la ampliación y defini-ción de los tipos de objetos creando así un me-tamodelo.

El metamodelo generado contiene todos los elementos de flujo usados para la representación del BPMN, según cada elemento, se definen sus atributos propios y las relaciones entre objetos [4].

Con la conceptualización del esquema XML y según cada elemento propio del metamodelo [5] se construyen las estructuras de datos denomi-nadas multilistas que, al ser implementadas al esquema, buscan de forma sencilla acceder a los elementos y sus respectivos atributos; las multilis-tas se encargan de guardar las características de los objetos y sus atributos.

Las relaciones entre los objetos van de la mano con nodos establecidos para cada objeto, los cuales se encargan de enlazar los elementos padres (contenedores), por ejemplo los Pools, y los nodos hijo (contenido), por ejemplo, los Lanes, de esta manera se asegura que el XPDL creado cumpla con el estándar 2.2 y el esquema XML de-finido previamente; con esto se asegura que cada elemento incluido dentro del estándar BPMN, des-de un Pool hasta un elemento DataStore, cree un nodo índice propio y se conecte al elemento próxi-mo para construir la jerarquía del XPDL.

Como la estructura de XPDL se crea a partir del esquema XML, se deduce que en la platafor-

ma iOS la interpretación del archivo del XPDL 2.2 no tiene problema al iniciar el parseo del proce-so, por esta razón, al iniciar la implementación de dicho parseador se analiza sobre qué tipos de parsers pueden ser implementados en Objective C[6]. Para la creación del parser se toma como punto de partida el esquema XML definido para el estándar XPDL 2.2.

El analizador sintáctico que realiza el parseo, tanto de escritura como de lectura del documento con extensión XPDL usa el API para Google XML de uso exclusivo para Objective C denominado GDataXML[7], el cual permite el manejo de archi-vos de forma dinámica y sin alterar el rendimiento de la memoria en el dispositivo, lo cual es impor-tante al desarrollar aplicaciones para dispositivos móviles de Apple [8].

Para concluir con la implementación del par-seador se realizan pruebas tanto del rendimien-to y consumo de procesos dentro del dispositivo como de la ejecución del parseador XPDL.

II. ESQUEMA CONCEPTUAL XPDL

El lenguaje estándar XPDL fue desarrollado por WfMC (Workflow Management Coallition) [9] en 2001, cuyo objetivo principal es almacenar y modificar las características del diagrama del pro-ceso, dicho lenguaje permite por un lado leer y editar los procesos y por el otro ejecuta el modelo en un compilador de XPDL en una suite BPM [10].

A. Modelo preliminar BPMN

Tomando como base la diagramación del BPMN y la especificación actual del lenguaje XPDL, definida por WfMC para su nueva versión 2.2, se propone un esquema conceptual básico que especifica qué entidades y relaciones existen al momento de realizar la creación del XPDL.

Como primera instancia se tienen en cuenta todos los elementos que contiene el BPMN como notación (ver Fig. 2), de estos se parte un modelo inicial, dicho modelo abstrae de manera general, los elementos diagramados por medio del esque-ma BPD (Business ProcessDiagram)[11].

Obtenida la abstracción de los elementos usa-dos en el BPMN y establecidas relaciones entre ellos, el paso siguiente es crear el diagrama con-ceptual (ver Fig. 3), el cual conllevará a la creación del metamodelo propio del XPDL.


El modelo conceptual contiene, además de los elementos definidos del BPMN, el tipo de relacio-nes que se establecen entre los objetos, crean-do así un paquete llamado BPD, el cual mantiene cada elemento en un contenedor interno (Packa-ge); dependiendo de los elementos se establece una relación de acuerdo a cuantos elementos po-drían existir dentro del contenedor interno, para el caso de los Swimlanes, siempre iniciará en uno y no estará limitada la creación de elementos, por otro lado, para el elemento WorkFlowProcesses, la creación está limitada a uno, ya que solamente en un proceso diagramado habrá un flujo de eventos.

Fig. 2 MODELO PRELIMINAR BPMN

Fig. 3 DEFINICIÓN DEL MODELO CONCEPTUAL PARA XPDL

La definición del paquete permite la especifi-cación de un número de atributos de definición de elementos, los cuales serán aplicados en defini-ción de procesos individuales contenidos dentro del paquete.

A partir de la anterior definición del modelo conceptual del XPDL y mediante una abstracción profunda sobre cada elemento, se establece el metamodelo, en el cual se definen de manera in-dividual las relaciones entre cada tipo de objetos.

B. Metamodelo XPDL

El metamodelo [12] identifica las entidades y atributos para el intercambio, o almacenamiento del modelo de procesos, establece una serie de reglas de herencia para asociar una delimitación del proceso individual con definiciones de entida-des por especificación de participantes, los cua-les se establecen en el nivel de paquetes en vez del nivel de definición individual de procesos (ver Fig. 4).

Fig. 4 METAMODELO XPDL

La estructura jerárquica del metamodelo per-mite generar de manera estructurada la creación del parseador; posterior al anterior análisis se hace una representación gráfica y comparación entre dos lenguajes BPMN y XPDL.

III. IMPLEMENTACIÓN DEL PARSER

El lenguaje XPDL y BPMN son muy similares, se organizan en forma de organigrama [13], una for-ma simple de ver sus similitudes es mostrar gráfi-camente (ver Tabla I) elementos específicos en el código XPDL que representa un objeto gráfico en el proceso.


Tomando como ejemplo el XPDL generado por BizAgiModeler®, se muestra en la Tabla 1.

TABLA I REPRESENTACIÓN DE UN BPMN EN LENGUAJE XPDL. GENERADO POR

BIZAGI.

Conocido el modo de interpretación que le da el lenguaje Objective C al esquema XML y con un amplio conocimiento en la creación de métodos que abstraen la información presen-tada en los archivos XML, se debe programar de manera lógica la búsqueda de elementos internos y sus atributos, esto se logra median-te la implementación de un parser o analizador sintáctico que actúe de manera dual, ya que el parser debe interpretar y crear un archivo XPDL según el estándar en su versión 2.2.

El proceso para iniciar el parser XML, requie-re de la entrada de un archivo, el cual contiene el valor de cada elemento individual definido.

A. Definición de Parser

En iOS no existe propiamente un marco re-ferente a las definiciones XML como XML Docu-ments para aplicaciones ejecutadas en OSX [14], por tal razón es primordial crear un parseador pro-pio para la definición del XPDL; dado que existen diferentes librerías que permiten realizar el par-seo, se elabora una comparación entre estas, de igual manera se evalúa su rendimiento una vez

estén implementadas sobre el lenguaje Objective C(ver Fig. 9).

Un parser o analizador sintáctico lee el docu-mento XML y comprueba que esté bien escrito, adicionalmente puede ser usado para verificar su estructura[15].

Este parser puede ser de tipo SAX(Simple API for XML) o de tipo DOM(DocumentObjectModel), tal como se determina en [16]:• SAX: Parser en el cual el código es notificado

conforme se avanza dentro del árbol XML, y el programador se encarga de mantener en mente el estado y la construcción de cual-quier objeto que se quiera conservar mientras el parser avanza dentro del archivo.

• DOM: Parser que lee todo el documento y construye en memoria una representación en la que se puede hacer un query para saber la información dentro de distintos elementos.

Los parsers que analizamos en este trabajo y que se definen [16] son los siguientes:• NSXMLParser: Es un parser SAX incluido por

defecto con el iPhone SDK.• libxml2: Es una librería de código abierto que

se incluye por defecto con el iPhone SDK. Las librerías soportan el procesamiento de par-sers SAX y DOM. Es capaz de hacer parser a los datos a medida que son leídos.

• TouchXML: Es un parser DOM de estilo NSXML. Solo se pueden realizar lecturas de archivos.

• TBXML: Es un parser DOM ligero diseñado para ser tan rápido como sea posible mien-tras se consume lo mínimo de recursos de memoria. Salva tiempo porque no realiza va-lidaciones, no soporta XPath y solo se puede realizar lectura de archivos XML.

• GDataXML: Parser DOM de estilo NSXML, de-sarrollado por Google, que permite la manipu-lación sencilla de objetos dentro del XML.

Como la estructura del XPDL se crea a partir de un modelo XML, se deduce que sus nodos je-rárquicos son inalterables, así se hace más fácil la representación de cada elemento como objeto en el lenguaje de programación. De ante mano se sabe que cualquier lenguaje debe soportar la es-tructura del lenguaje XML, por ello inicialmente la interpretación del documento XPDL con la ayuda


de cualquiera de las librerías anteriores no fue un problema en el caso de la plataforma iOS, ya que iOS internamente maneja un archivo PList[17], que contiene una estructura propia XML, el cual representa cada elemento de la aplicación como un objeto.

B. Selección del parser.

Para la selección del parser se generaron una serie de pruebas, primero se decide que debe hacer el parser en una parte específica del do-cumento, por ejemplo, una compuerta, como un objeto en el XPDL.

Dentro de las pruebas realizadas se observa que entre más complejos son los archivos, los par-ser SAX no pueden ser utilizados, ya que se nece-sita leer el documento completamente para sólo buscar un elemento específico.

Ya que el parser de tipo SAX, no permite reali-zar búsquedas internas en el documento, se de-cide optar por un parser de tipo DOM, el cual es más ágil en la búsqueda de elementos y consume menos recursos, además accede a un nodo espe-cifico del árbol en el XPDL.

De los parsers de tipo DOM se descartan Tou-chXML y TBXML, ya que estos no permiten la es-critura de archivos XML y no son útiles para la im-plementación del diagramador.

Al implementar GDataXML, se observa que este parser incorpora libxml2 por defecto y permi-te realizar tanto la lectura como la escritura de ar-chivos XPDL, así como la búsqueda de elementos que se necesiten dentro del archivo.

Consideradas estas características y las Tablas en las que se hicieron las pruebas de velocidad (ver Fig. 8), se toma la decisión de usar el parser GDataXML de tipo DOM, ya que su tiempo de pro-ceso es mejor que la mayoría y además permite la escritura y lectura de archivos XML.

C. Parser XPDL con GDataXML.

Dentro de las clases del parser GDataXML, se encuentran implementados métodos que retor-nan elementos o atributos abstraídos del XPDL.

GdataXML provee dos interfaces, una de ellas es GDataXMLNode que contiene métodos priva-dos, los cuales obtienen los nodos del árbol que se genera al leer el archivo XPDL. Otra interface importante es GDataXMLElement que no sólo per-

mite crear una instancia que tiene la capacidad de navegar dentro de un tag (padre) o un grupo de tags permitiendo así la abstracción de atributos propios del nodo padre, sino que también permite crear y modificar un nuevo elemento dentro del XPDL.

Previo al parser, se crean las clases con atri-butos que representan cada elemento del BPMN, (ver Tabla 1), para esto fue necesario entender el metamodelo del XPDL (ver Fig. 4).

La primera labor del parseador es el manejo de la lectura e interpretación de un documento XPDL, para esto, se crea una clase que contiene el parser y se implementa el método que carga el archivo XPDL.

Para estar más seguros de los elementos que maneja el lenguaje XPDL, se crea un diccionario de datos, el cual contiene la definición de los obje-tos del lenguaje XPDL 2.2; posteriormente se defi-ne el XPath [18], este es el encargado de recorrer el árbol jerárquico del documento XPDL, que per-mite el despliegue de la ruta del objeto a parsear y accede a la información de los nodos atributos definidos en dicho documento.

Para realizar el recorrido de cada objeto den-tro del documento, se crea un elemento propio del parser, el cual por medio de ciclos, abstrae el valor de los atributos tanto del padre como de los hijos en cada nivel del XPDL. Dentro de esta clase se instancian los objetos (color azul) y sus atributos (color negro), que se usan en la repre-sentación gráfica del proceso. La siguiente figura describe el proceso de lectura que realiza el par-ser para la abstracción de atributos, de acuerdo al metamodelo del elemento Pool. (Ver Fig. 5).

Fig. 5. PROCESO DE LECTURA DEL PARSER PARA LA GENERACIÓN DEL POOL.


Posterior a la abstracción de los objetos y sus atributos, estos se almacenan dentro de un arre-glo que guarda al elemento hijo, este elemento se introduce en otra lista que representa al nodo pa-dre, creando así una lista doblemente enlazada. (Ver Fig. 6).

Fig. 6 ESTRUCTURA LISTA DOBLEMENTE ENLAZADA PARA EL NODO POOLS.

IV. IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS MULTILISTAS

De acuerdo con la jerarquía de nodos del XPDL y sus respectivos atributos, se realiza un análisis sobre qué tipo de estructura se adaptaría mejor al momento de parsear el documento XPDL.

Como primera instancia se opta por implemen-tar árboles de datos, dado que la jerarquía del XML está desarrollada por esta estructura y esto permitiría una fácil abstracción y creación de los objetos.

Con la implementación de los árboles y me-diante métodos de conservación para los nodos, en la lectura del documento XPDL no hubo pro-blema alguno. Mientras que en la creación de un nuevo documento, el esquema se creaba con no-dos vacíos, es decir, si en el proceso se establecía la creación de un Pool y ningún Lane, el método de generación que recorría el árbol de jerarquías le cargaba al elemento Pool un contenedor Lanes con su respectivo nodo Lane sin que dicho ele-mento hubiera sido creado; dicho de otro modo,

si el nodo es o no un espacio vacío, se toma como nodo significativo, de tal manera que no se cum-plía con el estándar del XPDL en su versión 2.2.

Observado lo anterior se decidió por optar por otro tipo de estructura, que concluya con la implementación de listas dobles o multilistas en-lazadas, que conectadas entre sí por medio del atributo id de cada elemento, permiten una fácil interpretación de los objetos y una apropiada eje-cución de los procesos.

Con la adopción de multilistas, el método de búsqueda permite acceder a la información de manera ordenada a través de campos claves, en este caso los nodos ID. Las multilistas permiten llegar a un registro por diferentes caminos. El ca-mino lo determina el campo clave sobre el cual se realice la búsqueda [19].

A. Creación de Multilistas

En la Fig. 6 se muestra de manera general, una matriz de objetos Pools, la cual representa la lista doblemente enlazada, esta tiene el objeto POOLS como padre, que contiene a POOL como hijo, que, a su vez, contiene a LANES, al igual que POOLS, LANES tiene el objeto LANE como hijo; que genera así una jerarquía de objetos. Cada hijo está en-cabezado por un ID, el cual es heredado por el padre, que permite la fácil búsqueda, el acceso a dicho objeto y sus respectivos atributos.

Para lograr el parseo en la multilista, el pri-mer elemento que se crea es el Pool, dado que es el contenedor de flujo del proceso; la multilista denominada POOLS tiene un nodo principal que la identifica llamado IDPool, este será el nodo conector de los elementos que están contenidos dentro del Pool.

De igual manera para el caso de los LANES, el nodo principal está dado por el IDPool, pero para la identificación del objeto se crea un nodo secun-dario denominado IDLane, el cual permite tener acceso a los atributos de este elemento.

Cada elemento, además, está conectado a otra multilista denominada NODEGRAPHICSIN-FOS, que contiene información referente al tama-ño, la posición de los elementos y se referencia con el ID de cada elemento creado.

Para lograr la creación del parser, inicialmente se evalúa la estructura propia del lenguaje están-dar XPDL con niveles propios del lenguaje en su


versión 2.2, la cual, agrupa objetos de manera in-dividual con sus atributos, coordenadas y demás especificaciones.

B. Estructuración del XPDL

Tomado como referencia y observada la crea-ción del archivo XPDL generado por BizAgiMode-ler® [20], cabe resaltar que la estructura generada no contiene un orden legible para el programador, ya que ordena los elementos por su posición, es decir, captura el valor de la coordenada X y genera los elementos de manera descendente.

Se realizaron documentos ejemplo de XPDL con cada tipo de elemento de BPMN, en los cua-les se observaba la jerarquía y la validez del do-cumento XPDL creados por el modelador BizAgi-Modeler; como resultado se obtuvo el árbol de jerarquías del proceso con sus elementos y atribu-tos (ver Tabla II).

En el siguiente ejemplo se toma el elemento de evento inicio, que bajo el estándar gráfico BPMN se representa por un círculo y su estructura en XPDL (ver Tabla II).

Tabla IIEstructura XPDL evento inicio

<WorkflowProcesses> <WorkflowProcess Id=”66”Name=”Proceso principal”> <Description /> <ActivitySets /> <Activities> <Activity Id=”3f” Name=””> <Event> <StartEvent Trigger=”None” /> </Event> <NodeGraphicsInfos> <NodeGraphicsInfo ToolId=”BizMobile”Height=”30” Width=”30”> <Coordinates XCoordinate=”55” YCoordinate=”130” /> </NodeGraphicsInfo> </NodeGraphicsInfos> </Activity> </Activities> </WorkflowProcess></WorkflowProcesses>

Según los aspectos funcionales anteriormen-te descritos, el paso siguiente es la codificación y creación del parseador XPDL.

V. CONFIGURACIÓN DEL PARSER EN OBJECTIVE C

El proyecto el cual contiene el parseador del XPDL, se crea en el entorno de desarrollo (IDE) de Objective C, llamado Xcode [21] en su versión 4.3.3.

En la configuración general del proyecto se rea-lizan ciertas modificaciones para que el parsea-dor funcione correctamente, en este punto entra Libxml2, una librería que se importa en la clase .h del parseador y llama dependencias propias del XML que permite la manipulación de los árboles, nodos y validación de los demás elementos del documento de XML.

Para la validación del documento utilizamos XPath [22], que por medio de los array, ayuda a fragmentar el documento XPDL dependiendo de la división de los tags (ver Fig. 7).

Los nodos que son abstraídos por el XPath, se pueden manipular como elementos individuales según la posición del Array; también es posible modificar el archivo XML y mantener las versiones de modificación.

Fig. 7 DECLARACIÓN DEL XPATH PARA EL ELEMENTO POOL.

NSArray *elementosPools = [docnodesForXPath:@”//fb:Pools/fb:Pool”namespaces:nserror:nil];

VI. RESULTADOS OBTENIDOS

Previo a la implementación del parseador y su ejecución, se realiza una interpretación completa de un archivo XML para seleccionar de acuerdo a las velocidades, qué tipo de parser se va a utilizar para la implementación con el lenguaje estándar XPDL 2.2.

A continuación se muestran las pruebas que se realizaron para la selección del parser:

A. Pruebas para la selección del parser

Dado que es primordial medir la velocidad con que el dispositivo móvil ejecuta los procesos en una aplicación, para este caso la primera prueba de selección se basa en la medición de la veloci-dad de los diferentes parsers.

Las figuras que se muestran a continuación dan a conocer cómo interactúan los distintos par-sers dentro del dispositivo y el tiempo (tomado en segundos) que les toma incluir la información de un archivo XML de 900KB de prueba, que contie-ne las mejores canciones en iTunes[19].

La evaluación se realiza con 10 ejecuciones de las cuales se observan los resultados para tomar


los datos y así generar las tablas de comparación; en la Fig. 8 se muestran los datos de los parsers.

Como primera instancia se observa la veloci-dad del parser (ver Fig. 8), de la cual se concluye que el mejor parser es TBXML, dado que tardó menos tiempo en parsear el archivo.

Fig. 8 VELOCIDAD EN SEGUNDOS DEL PARSER. PARA IPOD TOUCH 4G

En la segunda prueba se realizó una medición del uso de memoria por cada tipo de parser (ver Fig. 9), en esta se concluye que el parser que me-nos recursos de memoria consumió fue Libxml2 de tipo SAX.

Tomados como punto de partida estos datos, se realiza un análisis sobre qué tipo de parser implementar; en este punto se tuvo en cuenta la estabilidad del parser GDataXML y se evaluó la importancia que este parser le da a la lectura y creación de un archivo XPDL.

Fig. 9 USO DE MEMORIA EN MB PARA IPOD TOUCH 4G

A partir de esto, se genera una serie de prue-bas en las que inicialmente se establece qué operaciones debe hacer el parser, por ejemplo, abstraer información de una parte específica del documento, como es el caso de un elemento Acti-vity dentro del XPDL.

B. Pruebas de la ejecución del parser dentro de Objective C.

En estas pruebas se evaluaron diferentes ar-chivos XPDL variables en su tamaño; observado su comportamiento se obtuvo la siguiente Gráfica (ver Fig. 10), en donde se muestra el tiempo que tardó cada archivo en realizar el parseo, recorrer la multilistas y guardar los objetos dentro docu-mento del XPDL.

FIG. 10 PRUEBA DE ARCHIVOS CON EL PARSER XPDL.

Se concluye así, que sin importar el tipo de XPDL el parseador se ejecutará correctamente; la variabilidad del tiempo de ejecución depende del tamaño del archivo y de la cantidad de elementos BPMN contenidos en él.

C. Pruebas físicas de fugas

Estas pruebas se encargan de hacer un reco-rrido general en los métodos para buscar varia-bles que permanezcan en ejecución y muestran su ubicación. En la Fig. 11 se muestran los Bytes vs. Tiempo de ejecución, en la cual las barras re-presentan las variables que quedan en ejecución después de cerrar una escena.

Fig. 11 PRUEBAS DE FUGAS

D. Pruebas físicas de hilos de ejecución.

En estas pruebas se verifica la cantidad de hi-los que se ejecutan durante la ejecución normal del programa. (Ver Fig. 12).

Fig. 12 PRUEBAS DE HILOS DE EJECUCIÓN


VII. CONCLUSIÓN Y TRABAJO FUTURO

En esta investigación se plantea una solución para la representación de elementos del BPMN 2.0 [24] recopilados dentro de un archivo creado bajo el lenguaje estándar XPDL en su versión 2.2, que por medio de la implementación de estructu-ras de datos llamadas multilistas, permite alma-cenar de manera sencilla y eficiente los valores de cada elemento contenidos dentro del documento XPDL.

Dado que estas estructuras son únicas y com-plejas, se percibe la necesidad de incorporar un

parser que haga de moderador entre los obje-tos del BPMN y el lenguaje XPDL.

El procedimiento más relevante de la investiga-ción fue la creación del parser, ya que, dentro de Objective C, no se ha implementado la generación de este tipo de estructuras. Con GDataXML, se soluciona este inconveniente y facilita la lectura y escritura del archivo de diagramación del XPDL.

Con la realización de esta investigación se abordan temáticas poco desarrolladas tanto en el ámbito organizacional como en la parte de imple-mentación y desarrollo para dispositivos móviles.

Para comprobar la eficiencia del parseador, se realizaron una serie de pruebas, en donde se compararon archivos de distinto tamaño, los cua-les contenían diferente tipo de información. Como resultados obtenidos, se observó la eficiencia y el rendimiento del dispositivo realizando el parseo de los archivos (ver Fig. 10); se concluye que el parseador se ejecutará de forma exitosa siempre y cuando el XPDL esté estructurado de manera correcta y sin importar el tamaño del documento. Por otro lado, para probar la resistencia del dis-positivo en el momento de la ejecución del par-seador, se realizaron pruebas físicas, donde se puede comprobar la cantidad de datos que son procesados (ver Fig. 12) y la cantidad de memoria utilizada por la aplicación desde el inicio del par-seo (ver Fig. 11).

Como resultado satisfactorio, se realizó la inserción y validación del parseador dentro del proyecto de grado denominado Aplicación en en-tornos móvil para el modelamiento de procesos de negocio [25], en el cual se implementó el par-seador de XPDL, permitiendo así, mediante una interfaz amigable, la creación, modificación y

modelamiento de procesos de negocio dentro del dispositivo móvil de forma exitosa, innovando en el campo del desarrollo de aplicaciones móviles para la gestión de procesos.

Lo anterior permite apoyar la búsqueda de nuevas tecnologías y soluciones a problemáticas propias de los negocios, e incorporar mejoras en la realización y gestión de procesos desde su planteamiento que pasa por su distribución a cada uno de los miembros del grupo de trabajo y finaliza con la ejecución del proceso, beneficia a las personas participes de este, incluido, por su-puesto, el usuario final.

De igual forma, y como trabajo futuro, se pue-den realizar implementaciones que mejoren el desempeño de la presente implementación en el ámbito del desarrollo de software y optimización de código y la capacidad de auto generar código para el parseador basado en el esquema y las re-glas propias de una estructura XSD.

REFERENCIAS

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[2] XML, Extensible Markup Language (XML). Julio 2012. [Online]. Disponible en: http://www. w3.org/XML/.

[3] BPMN, Documents Associated with Business Process Model and Notation (BPMN) Version 2.0. Julio 2012. [Online]. Disponible en: http://www.bpmn.org/.

[4] BPMN Elements and Attributes V4. Julio 2012. [On-line]. Disponible: http://www.omg.org/bpmn/ Docu-ments/BPMN_Elements_and_Attributes.pdf

[5] Process Definition Interface- XML Process Definition Language, Meta Model. Workflow Management Co-alition (WfMC). Julio 2012. [Online]. Disponible en :http://www.wfmc.org/.

[6] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parser for Your iPhone Project. Julio 2012. [Online]. Disponible en: http://www.raywenderlich.com/553/how-to-chose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project.

[7] Gdata-objectivec-client. Google Data APIs Objective C Client Library. Julio 2012. [Online].Disponible en: http://code.google.com/ p/gdata-objectivec-client/.

[8] Apple. Julio 2012. [Online]. Disponible en: http://www.crunchbase.com/company/apple.

[9] Workflow Management Coalition (WfMC). Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.wfmc.org/ .


[10] Jon Puke. XPDL – The silent Workhouse of BPM P1.Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.wfmc.org/Published-Research/Article/View-category.html.

[11] BPD, Catalog of Business Modeling and Management Specifications. Noviembre 23 2011. [Online]. Dis-ponible en: http://www.omg. org/technology/docu-ments/br_pm_spec_catalog.htm

[12] Process Definition Interface- XML Process Definition Language, Package Meta Model. Workflow Manage-ment Coalition (WfMC). P 14.Julio 2012. [Online]. Dis-ponible en :http:// www.wfmc.org/.

[13] Appian, Appian BPM Suite: Mobiles. Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.appian.com/bpm-software/bpm-components/mobile-bpm.jsp.

[14] S. A. White, XPDL and BPMN, Future Strategies Inc. WFMC, P 222. Octubre 26 2011. [Online].Disponible en: http://www.bpmn.org/ Documents/XPDL_BPMN.pdf.

[15] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parser for Your iPhone Project. Disponible en: http://www.raywenderlich.com/553/how-to-chose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project. Noviembre 25 2011.

[16] Apple Inc. Plist Mac OS X. Noviembre 30 2011. [On-line]. Disponible en: http://developer. apple.com/li-brary/mac/#documentation/Darwin/Reference/Man-pages/man5/plist.5.html.

[17] Apple Inc. Plist Mac OS X Noviembre 30 2011. [On-line]. Disponible en: http://developer. apple.com/li-brary/mac/#documentation/Darwin/Reference/Man-pages/man5/plist.5.html.

[18] W3School. XPath Tutorial. Agosto 2011. [Online].Dis-ponible en: http://www.w3schools. com/xpath/

[19] F. Roberto. Algoritmos, estructuras de datos. Progra-mación orientada a objetos. Ecoe ediciones 2005. Bo-gotá p. 273.

[20] BizAgi, BizAgiModeler. Noviembre 25 2011. [Online]. Disponible en: http://www.bizagi.com/

[21] Xcode. Developer tolos. Julio 2012 [Online]. Dis-ponible en: https://developer.apple.com/ technolo-gies/tools/.

[22] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parser for Your iPhone Project. Noviembre 2011. [Online]. Dis-ponible en: http://www. raywenderlich.com/553/how-to-chose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project.

[23] Apple, iTunes. Diciembre 2 2011. [Online]. Disponible en: http://www.apple.com/es/itunes/.

[24] BPMN. OMG, Object Managment Group. Business Pro-cess Modeling Notation. Agosto 2011. [Online].http://www.bpmn.org/

[25] D. Meza, L. Ruiz. Aplicación en entornos móvil para el modelamiento de procesos de negocio. Universidad Piloto de Colombia. Julio 2012.


Resumen— En este artículo se presenta una estrategia que permite determinar de forma simultánea la posi-ción y orientación de un objeto en el plano. El método consiste en analizar un sistema de franjas radiales ad-herido al objeto y por medio de procesamiento digital de imágenes determinar su fase. Este proceso requiere determinar con precisión subpixel las coordenadas del centro y el eje radial de las franjas. Se emplea el méto-do de la Transformada de Fourier y se realiza la trans-formación de coordenadas rectangulares a radiales se puede calcular la fase y el centro del sistema de franjas. De esta manera, la fase del sistema de franjas radiales se utiliza como elemento codificador para la medida de posiciones angulares y posiciones del objeto en el plano. Evaluaciones experimentales demuestran que la técnica desarrollada tiene precisión sub-pixel al evaluar desplazamientos y rotaciones de un objeto en el plano. Se evalúa el error introducido en el cálculo de posición angular y desplazamiento del objeto. El estudio de la in-fluencia de los parámetros del sistema de franjas radia-les permitió establecer que el tamaño y la cantidad de franjas son factores determinantes para que el método presente un mínimo error.

Palabras clave— Extracción de fase, metrología óptica, Procesamiento Digital de Imágenes.

Abstract— This paper presents a strategy that allows to determine the position and orientation of an object in a plane. The method consists of analyzing a system of radial fringes adhered to the object and by means of a di-gital image process to determine its phase. This process requires the coordinates of the center with sub-pixel ac-curacy and the radial axis of the fringes. Using the Fou-rier transform method and performing a transformation of coordinate systems from rectangular coordinate into

Simultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phase information of a radial grid

Medida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la información

de fase de una rejilla radial

Luis Alejandro Galindo VegaEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de Santander


Jaime Enrique Meneses FonsecaPh. D. SciencesPourL’ingenieur

Profesor Titular, Investigador Grupo GOTS, Universidad Industrial de Santander UIS


Camilo Andrés Ramírez PrietoEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de Santander


Jaime Guillermo Barrero PérezIngeniero Electricista,

Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo CEMOS,

Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombia

[email protected]

radial, it can be calculated the phase of fringe system and the center of the radial fringes. Thus, the phase of the radial fringes is used as an encoder for measuring angular positions and spatial positions of the object in the plane. Experimental evaluations show that the te-chnique developed has sub-pixel accuracy in evaluating displacements and rotations of an object in the plane. It is evaluated the error introduced in the calculation of an-gular position and displacement of the object. The study of the influence of system parameters of radial fringes let to establish that the size and number of fringes are determining factors for the present method in order to reduce the error.

Keywords— Phase extraction, optical metrology, Digital Image Processing.

I. INTRODUCCIÓN

Varias aplicaciones industriales tienen la ne-cesidad de determinar con precisión el despla-zamiento y rotación de un objeto en el plano, por lo que se requiere de equipos sofisticados que cumplan dicha función. Como no se conoce un dispositivo en el mercado que lleve a cabo las dos medidas de forma simultánea, se tienen que adaptar varios dispositivos lo que eleva su costo de implementación. Encoders, potenciómetros li-neales, sensores inductivos y sensores laser son los instrumentos más utilizados para tal fin, algu-nos de ellos limitados en resolución y en rango de medida.


En la línea investigativa de metrología ópti-ca del grupo de Óptica y Tratamiento de señales GOTS de la Universidad Industrial de Santander, se han realizado investigaciones conjuntas con el grupo de Óptica de L’Institute FEMTO – ST de Besançon – Francia con el fin de determinar un sistema de posicionamiento global que permita generar un dispositivo de Reconstrucción Tridi-mensional (R3D) portátil. Los resultados obteni-dos muestran que una mira o rejilla con franjas paralelas en coordenadas cartesianas permite obtener la posición de un cuerpo en el espacio, a precisión subpixel [1], [2]. Un análisis matemá-tico previo permite determinar que un sistema de franjas radiales puede ser usado para medir rota-ciones y traslaciones de un objeto en el plano. [3]

La técnica desarrollada en este trabajo consis-te en adquirir una imagen de un sistema de fran-jas radiales o rejilla radial; mediante un algoritmo computacional de procesamiento de imágenes se determinan las coordenadas del centro de la re-jilla en el plano. La extracción de su fase geomé-trica permite reportar la orientación angular de la rejilla radial.

Pruebas de laboratorio validan el método, en el que se estudia el desempeño del algoritmo para determinar el error introducido en el cálculo de posición angular y desplazamientos en 2D para rejillas radiales con diferentes parámetros.

II. SISTEMA DE FRANJAS RADIALES

Un sistema de franjas radiales corresponde a una distribución en la que los puntos de igual intensidad generan un patrón de líneas rectas radiales que provienen de un centro común. De esta manera, al extraer valores de intensidad de puntos ubicados a igual distancia del centro se obtiene un perfil periódico. Matemáticamente el sistema se expresa en coordenadas polares (r, θ) por:

donde: ɑ0 (r,θ) es el fondo continuo, ɑ1 (r,θ) es el contraste, (2π⁄Pθ )*θ representa la fase, siendo el paso angular medido en grados y es la más-cara que define la región con franjas en la ima-gen. Como se muestra en la Fig. 1, las franjas se

encuentran entre un radio menor y uno mayor, y posee dos sectores angulares sin franjas.

La fase del sistema de franjas radiales corres-ponde al argumento la función coseno de (1), se caracteriza por tener un comportamiento lineal en función de la variable θy no depende de r, tenien-do la misma distribución espacial de un sistema de franjas rectangulares en coordenadas carte-sianas.

FIG. 1. SISTEMA DE FRANJAS RADIALES O REJILLA RADIAL

A. Cálculo de la fase de un sistema de franjas radiales.

Con la información contenida en la fase del sis-tema de franjas radiales es posible determinar su orientación y posición en el plano. Aunque en la li-teratura se encuentra poca información acerca de un método directo para extraer la fase a este tipo de distribuciones, se plantea la estrategia de ha-cer un cambio de coordenadas, de tal manera que el sistema de franjas radiales se comporte como un sistema de franjas rectangulares. El cambio de coordenadas rectangulares a polares implica cal-cular correctamente la ubicación del centro de la rejilla radial. De esta manera, la imagen final con la transformación de coordenadas posee franjas paralelas, de la cual es posible extraer la fase empleándose métodos conocidos como la Trans-formada de Fourier [4], corrimiento de fase [5], Fourier con ventana [6],[7-8] y Transformación de Wavelet [9], entre otros.

B. Cálculo del centro

Haciendo uso de las propiedades de la trans-formada de Fourier, es posible determinar las


coordenadas del centro de la rejilla radial con alta precisión [10]. • Desplazamiento en el dominio espacial: aa

transformada de Fourier de una función des-plazada presenta un término de fase lineal que depende del desplazamiento.

Simetría para señales real y par: La transfor-mada de Fourier de una función par es netamente real.

FIG. 2. IMAGEN EMPLEADA PARA VALIDAR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDA DEL CENTRO

La Fig. 2 muestra la imagen de un rectángulo con ruido adicionado. Se observa que su centro no coincide con el centro de la imagen. La Fig.3 muestra la fase de la transformada de Fourier, calculada mediante la función arcotangente. Se observa que debido a la función arcotangente, la fase está limitada entre ±π. Si se eliminan las discontinuidades al adicionar valores enteros de 2π se obtiene una fase lineal, cuya pendiente es función del corrimiento del centro del rectángulo con respecto al centro de la imagen. Determina-da la pendiente y según (3) se puede calcular el corrimiento xo y yo. Este valor es empleado para reposicionar la figura y verificar si su parte imagi-naria es cero. Debido a la influencia del ruido se desarrolló un procedimiento iterativo que estima

el corrimiento y minimiza el contenido frecuencial de la parte imaginaria. La Fig.4 muestra la trayec-toria seguida por el algoritmo en la estimación del centro después de varias iteraciones.

FIG. 3. FASE DE LA TRANSFORMADA DE FOURIER DE LA IMAGEN DE LA FIG. 2

Para el caso de la imagen del rectángulo, el centro teórico fue (232,287) y el procedimiento encontró (232.096,286.963).

FIG. 4. TRAYECTORIA SEGUIDA POR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDA DEL CENTRO

C. Conversión de sistemas de coordenadas

Las ecuaciones (4) y (5) muestran la conver-sión de sistemas coordenados rectangulares a polares, siendo y las coordenadas del centro de la rejilla radial, calculadas por el procedimiento indi-cado anteriormente.


Al realizar este procedimiento se obtiene que cada punto del plano rectangular tiene un punto equivalente en el plano polar y forma un patrón de franjas, como el que se muestra en la Fig. 6.

FIG.5. CONVERSIÓN DE SISTEMAS COORDENADOS

FIG. 6. SISTEMA DE FRANJAS TRANSFORMADO

D. Extracción de la fase

Haciendo uso del método de la Transformada de Fourier [4] para sistemas rectangulares, se ex-trae l a fa s e d el sistema de franjas transforma-do. La distribución en intensidad de un sistema de franjas rectangular se muestra en la Fig. 7.

FIG. 7. PERFIL SINUSOIDAL DEL SISTEMA DE FRANJAS RECTANGULARES

FIG. 8. TRANSFORMADA DE FOURIER

FIG. 9. FILTRO PASA-BANDAS

FIG. 10. COMPONENTE TF FILTRADA

FIG. 11. COMPONENTES REAL E IMAGINARIA

FIG. 12. FASE CONTINUA

Realizada la transformada de Fourier se en-cuentran tres lóbulos, Fig. 8, uno central debido a la TF de la componente continua y dos lóbulos laterales ubicados en ±f0,f0=1 ⁄ Pθ, correspondiente a la TF de A(x,y) cos(φ(x,y)).

Un filtro pasa-banda permite filtrar un lóbulo lateral, Fig. 9. Al aplicar la Transformada inversa de Fourier al contenido frecuencial filtrado Fig. 10, se obtiene una distribución compleja como se observa en la Fig. 11. La fase de este complejo


corresponde a la fase geométrica del sistema de franjas rectangulares y la amplitud corresponde al contraste de las franjas. Para obtener la fase del complejo se emplea la función arcotangente, la cual está limitada en el rango de [-π, π]; la fase presenta discontinuidades en las transiciones ± π que ocurren en las líneas centrales de las franjas negras de la Fig. 5. Para eliminar dichas discon-tinuidades tradicionalmente se adicionan valores de 2πN, siendo N una función entera en escalón apropiada para eliminar las discontinuidades. Este procedimiento de convertir la fase discontinua en continua es llamado “Unwrappingalgorithm” [11]. La Fig. 12 muestra la fase continua obtenida des-pués de eliminar las discontinuidades.

El procedimiento anterior es aplicado a la ima-gen mostrada en la Fig. 6. La Fig. 13 muestra la fase obtenida y la Fig. 14, la fase del sistema de franjas radiales obtenida al realizar la transforma-ción de coordenadas inversas: radiales a rectan-gulares definidas por (6) y (7).

FIG. 13. FASE OBTENIDA DEL MÉTODO DE LA TRANSFORMADA DE FOU-RIER APLICADO A LA IMAGEN DE LA FIG. 6

FIG. 14. FASE DEL SISTEMA DE FRANJAS RADIALES DE LA FIG. 5

III MEDIDA DE LA ORIENTACIÓN Y POSICIÓN EN EL PLANO

Una vez obtenida la distribución de fase se procede a emplearla para establecer la posición angular y espacial de la rejilla radial. La rejilla radial ha sido diseñada mediante dos sectores angulares con franjas ubicadas entre dos radios, uno interno menor y otro externo. Las regiones externas son eliminadas por la máscara. Cada sector angular posee, para el caso de la Fig. 1, 28 franjas negras y 27 franjas blancas. Según la fun-ción cosenoidal que define las franjas, el centro de una franja blanca debe tener un valor de fase 2πN, donde N es un número entero. Y el centro de una franja negra debe tener un valor impar de π y ubicarse en una discontinuidad de la fase dis-continua. La máscara empleada en la rejilla radial hace que el sistema tenga simetría con respecto al centro y se pueda emplear el procedimiento in-dicado en la sección IIB. De esta manera se puede estimar el centro con precisión subpixel mediante la distribución simétrica de las franjas. El centro calculado permite hacer el seguimiento del des-plazamiento espacial en el plano introducido a la rejilla.

FIG. 15. PROCESO PARA EL CÁLCULO DE FASE DEL SISTEMA DE FRANJAS RADIALES.


La posición angular de la rejilla es determina-da buscando la fase correspondiente a la franja blanca que se ubica en el centro de cada sector angular. Así, como hay 27 franjas blancas para la rejilla de la Fig. 2, la franja central posee una fase de 26π, asignado cero a la primera franja blanca. A partir de los radios máximo y mínimo, y conociendo el número de discontinuidades que corresponde al número de franjas en cada sector, se puede calcular para cada sector las posiciones interpoladas que poseen el valor de fase de la franjas central. Esta interpolación de-fine una línea radial que pasa por el centro de la franja central de cada sector, identificadas por las líneas azul y roja en la Fig. 15, y al ser in-terpoladas poseen precisión subpixel. Al rotar la rejilla radial, el algoritmo desarrollado determina las posiciones angulares de cada línea central en cada sector y al compararlas secuencialmente sus valores, se puede determinar el valor de la rotación introducido.

IV VERIFICACION EXPERIMENTAL

Para determinar la precisión del método, se hicieron pruebas de laboratorio en las que se usaron platinas mecánicas de rotación y trasla-

ción que sirvieron como referencia teórica de los desplazamientos; se compararon los resultados obtenidos y se determinó el error del método. También se evaluó la influencia en la precisión para diferentes parámetros de la rejilla radial, como tamaño y paso angular.

El montaje que se llevó a cabo para la evalua-ción del método constó de un sistema de rota-ción y traslación con una precisión de un minuto arco y 10 µm, respectivamente. La rejilla radial se ubicó sobre una superficie plana adherida al sistema de traslación y rotación. Las imágenes fueron adquiridas por una cámara CCD de 640 x 480 pixeles y focal 12mm, ubicada a 90cm de la rejilla. En una cuadrícula milimetrada se deter-minó que un pixel equivale a 754.15µm sobre la rejilla radial.

Para evaluar traslación se desplazó manual-mente la rejilla a intervalos de 100 µm. Para cada posición se adquirieron 50 imágenes. La posición inicial se asumió como punto de refe-rencia del desplazamiento.

La Fig. 16 muestra las coordenadas del cen-tro para 5 traslaciones realizadas; cada posición tiene graficada las 50 coordenadas del centro de la rejilla radial.

En la Fig. 16 se observa que cada eje posee un tamaño máximo de un pixel: el sistema estima traslaciones al interior de un pixel, lo cual verifica la precisión subpixel del método de medida. FIG. 16. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA 6 POSICIONES.

Al adquirir 50 imágenes en cada posición se encuentra que el centro calculado presenta una desviación cercana a 0.0025 pixeles, que corres-ponde a 1.88 µm sobre el objeto, como se puede observar en la Fig. 17.


FIG. 17. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA UNA POSICIÓN

A. Influenciadeltamañoynúmerodefranjasenelcálculodelcentro.

Con el fin de establecer la influencia del paso y tamaño de la rejilla en el error, se utilizaron rejillas radiales de 24, 16 y 12 franjas en cada sector an-gular, para rejillas de igual tamaño. FIG. 18. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL

PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS


La Fig. 18 muestra el error medido como la di-ferencia entre la posición esperada y la posición calculada con el método, para cada rejilla en fun-ción del desplazamiento introducido. La Fig. 19 muestra la desviación estándar del error medido para cada rejilla. Se concluye que para rejillas de igual tamaño hay una relación inversa entre el número de franjas y el error introducido: a menor número de franjas mayor error.FIG. 20. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL

PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO

FIG. 21. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO

El tamaño es otra variable importante en el procedimiento. Para tal fin se evaluó el error in-troducido por el algoritmo para rejillas radiales de 10, 16 y 20 cm de diámetro.

De igual forma, las curvas de error en función del desplazamiento y la desviación estándar del error en función del tamaño de la rejilla, las Fig.20 y Fig.21, indican que a mayor tamaño de rejilla menor error se comete en el cálculo del centro.


La evaluación en rotación se hizo con despla-zamientos angulares de un grado, adquiriendo 50 imágenes para cada posición.FIG. 22. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DE

LA REJILLA PARA 6 POSICIONES ANGULARES.

En la Fig. 22, cada punto representa el ángulo de orientación de la rejilla radial para las diferen-tes desplazamientos angulares, empleando la po-sición angular de un sector con franjas.

Según la resolución de la imagen el ángulo mí-nimo que se puede medir a precisión pixel es de 0.08952 grados que corresponde a:

donde 640 es el número de pixeles horizon-tales de la imagen. Al adquirir 50 imágenes para una posición y calcular el ángulo de orientación de la rejilla este presenta una desviación de 0.004 grados,Fig. 23.FIG. 23. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DE

LA REJILLA PARA UNA POSICIÓN ANGULAR

De esta forma se demuestra que el método tie-ne precisión subpixel, es decir, el método puede

medir rotaciones inferiores al límite de rotación que se puede medir con la cámara.

B. Influencia del tamaño y número de franjas en el cálculo de orientación angular de la rejilla.

Se construyeron rejillas con 12, 16 y 20 fran-jas, con las que se evaluó la diferencia entre valor teórico y experimental de las posiciones angula-res.

FIG. 24. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y EXPERIMENTAL PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS


De igual forma, se evaluaron los errores en función de las diferentes posiciones angulares y la desviación estándar para cada rejilla, Fig. 24 y Fig. 25. Se demuestra que para una rejilla radial con mayor número de franjas el error en el cálculo de orientación es menor.


FIG. 26. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y EXPERIMENTAL PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO.


De igual forma se evaluó el comportamiento del tamaño de la rejilla para igual número de fran-jas. Como era de esperarse el error en el cálculo del ángulo de orientación de la rejilla radial es me-nor, cuando el tamaño es mayor, Fig. 26 y Fig. 27.

V. CONCLUSION

En el presente artículo se presenta un método para medir la posición y rotación de un objeto en el plano. El procedimiento emplea un procesamien-to digital de imágenes sobre una rejilla con fran-jas distribuidas radialmente. El procesamiento se basa en la extracción de la fase del sistema de franjas radial, con el método de la transformada de Fourier. El cálculo de la fase se realiza al hacer una transformación de sistemas coordenados y determinar el centro a partir de la información de fase de la imagen simétrica de la rejilla. Las eva-luaciones experimentales demuestran que el mé-

todo permite medir desplazamientos y rotaciones a valores inferiores a los definidos por el pixelado realizado por la cámara CCD. También se demues-tra que rejillas de tamaño grande y mayor número de franjas introducen menor error en el cálculo de desplazamientos y rotaciones. La etapa siguiente de la investigación consiste en realizar la evalua-ción experimental del método propuesto con otro sistema que mida rotaciones y/o traslaciones de precisiones conocidas.

AGRADECIMIENTOS

La investigación fue apoyada por la Vicerrecto-ría de Investigaciones y Extensión de la Universi-dad Industrial de Santander, Colombia (Proyecto No. 5184: Posicionamiento global de alta resolu-ción a campo extendido por visión estéreo: Aplica-ciones en metrología óptica).

REFERENCIAS

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[2] N. Arias, Reconstrucción 3D a manos libres: Estrategia de posicionamiento global, Tesis Doctoral, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, COLOMBIA. 2010

[3] N. Reina, Análisis Teórico – Experimental de un Sis-tema de Franjas Radiales: Aplicaciones en Posiciona-miento Global de un Objeto, Tesis pregrado, Universi-dad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia. 2010.

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[8] Z. Wang Z andH. Ma, “Advanced continuous wavelet transform algorithm for digital interferogram analy-sis and processing,” Optical Engineering, Vol. 45, pp. 045601, 2006.

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[11] J. Meneses, T. Gharbi and P. Humbert, “Phase Unwrap-ping algorithm for images with high noise content ba-sedon a local histogram,” Appl. Opt. vol. 44, No. 1, pp. 1207-15,2005.


Abstract— The aim of this work was to evaluate the effect of par-ticle size of fique`s bagasse (FB) on anaerobic biodegradation and biogas production, by means of co-digestion of this lignoce-llulosic substrate using both bovine ruminal fluid and pig manure as inoculums. Anaerobic reactors were incubated by 8 days. Re-ducing sugar, Volatile Fatty Acid (VFA) and methane productions were measured using three different bagasse particle diameter; 5 mm (bagasse´s natural size), 2.36 mm and 0.85 mm. Reduc-tion of bagasse particle size increased reducing sugars forma-tion and improved substrate mass transfer to microbial inocu-lums. At minor particle size it was favored hydrolytic step and VFA production. Natural particle sizes of bagasse were more difficult to biodegrade than lower ones. In this sense, methane concen-tration was increased 19% when 0.8 mm particle size was used. Anaerobic fermentation processes were carried out at 25°C and 39°C. Methane production at 25°C, show that these microbial consortia are able to resist temperature changes and transform all products on anaerobic digestion process.

Keywords— Anaerobic digestion, Biogas, Fique´s bagasse, Lig-nocellulosic waste, Mechanical treatment.

Resumen— El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto del tamaño de partículas del bagazo de fique sobre la producción de biogás empleando como inóculo una mezcla de líquido rumi-nal con lodo estiércol de cerdo. Los reactores anaerobios fueron incubados durante ocho días. Como variables de respuesta se cuantificó la concentración de azúcares reductores totales, áci-dos grasos volátiles y producción de metano, usando tres tama-ños diferentes de partícula 5mm (Estado natural del bagazo de fique), 2.36mm y 0.85mm. Durante la fermentación se observó que la reducción del tamaño de partícula del bagazo, incrementó la formación de azúcares reductores, mejorando la transferen-cia de masa entre el inóculo y el sustrato. El menor tamaño de partícula favoreció la etapa hidrolítica y la producción de ácidos grasos. El bagazo de fique en su estado natural dificulta la biode-gradación anaerobia de éste sustrato. En este sentido, la concen-tración de metano se incrementó un 19% cuando el bagazo se

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la

producción de metano a partir del bagazo de fique

Liliana del Pilar Castro MolanoIngeniera Química PhD, Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad San Buenaventura

Cartagena, [email protected]

Carolina Guzmán LunaBacterióloga PhD, Universidad Industrial de Santander


[email protected]

Humberto Escalante HernándezIngeniero Químico PhD Industrial de Santander


[email protected]

redujo a 0.8 mm. Los procesos de fermentación anaerobia fueron llevados a cabo a 25°C y a 39°C. La producción de metano a 25°C, demostró que los consorcios microbianos presentes en la mezcla de líquido ruminal y lodo estiércol de cerdo son capaces de resistir los cambios de temperatura y la transformación de to-dos los productos del proceso de digestión anaerobia.

Palabras clave— Digestión anaeróbica, Biogás, Bagazo de caña de Fique, Residuos lignocelulósicos, Tratamiento mecá-nico.

I. INTRODUCTION

Fique´s bagasse (FB) is an agricultural by-pro-duct obtained during natural fiber process produc-tion, composed by cellulose, hemicellulose, lignin, lipids and proteins [1]. According to its composi-tion, bagasse is considered an important lignoce-llulosic biomass source [2]. Lignocellulosic wastes are suitable substrates for anaerobic digestion process because of its carbon source [3]. Ligno-cellulosic biomass digestibility is limited by factors such as cellulose cristallinity, polymerization de-gree, moisture content, superficial area and lignin content. However, high lignin content in bagasse li-mits hydrolytic step and bioconversion system [4].

Anaerobic biodegradation of lignocellulosic substrates requires microbial consortia with high hydrolytic and methanogenic activities. Bovine ru-minal fluid, active anaerobic sludge, bovine and pig manure have been previously used as biolo-gical matrices for anaerobic digestion [5]. A co-


digestion process mixes different inoculums or microbial consortia to improve the anaerobic di-gestion process. Co-digestion enhances nutrient equilibrium, dilutes toxic components and allows a synergic effect in microorganisms to increase hydrolytic activity [6]. Use of sisal pulp and fish wastes co-digestion increases methane produc-tion from 54 to 94% in comparison with other inoculums [7]. Bovine Ruminal Fluid (BRF) is an excellent inoculum for lignocellulosic substrate digestion, because its high cellulosic activity. In addition, if BRF is mixed with methanogenic inocu-lum, significant biogas yield are achieved [8]. Mu-nicipal waste solids mixed with bovine manure or wastewater sludge, increase in almost 20% biogas yields [9]. Temperature is a physical variable that affect microorganism growth and therefore biolo-gical reaction rates. Biological reactions (20- 40 °C) for methane production from organic matter require more energy than conventional chemical reactions [10].

Pre-treatment processes are designed to de-crease cellulose polymerization grade, weak lig-nin bonds with carbohydrates and increase par-ticle superficial area. This process improves mass transfer process between inoculums and substra-te. These processes increase cellulose bioavaila-bility for enzyme biodegradation to monosacchari-des. It has been proposed substrate pretreatment based on caustic and/or acid wash, heating and size particle reduction [11].

On the other hand, there is an inverse relation-ship between substrate particle size and methane yield [12]. For example, size reduction in tomato wastes increases yield values in 23% [13]. Whit sisal residues, hydrolytic activity improves signi-ficantly with particle size reduction, generating increasing in methane yields from 0.18 to 0.22 CH4/kg SV [14]. In starch degradation, the best yield value was obtained at substrate particle size of 0.35 mm [15].

In Colombia, fique´s industry produces 20,800 kg of residual wastes (bagasse and juice) per see-ded hectare; these are delivered to grounds and water streams causing environmental pollution problems [16].

A possible solution of fique´s bagasse environ-mental pollution problem is the utilization as subs-trate for biogas production. However, its high lig-nin content requires a specific treatment. For this

reason, the aim of this research was to evaluate the effect of fique’s bagasse particle size and tem-perature on methane production during anaerobic biodegradation of this substrate.

II. MATERIALS AND METHODS

A. Substrate

Fique´s Bagasse was obtained as a sub-pro-duct during natural fiber process production from Fique Industry. Bagasse samples were conser-ved in cooled containers during transportation and analysis. FB was sun dried at environmental conditions for 36 hours. Natural particle size dia-meter of FB was 5 mm. During pretreatment, FB was ground in a Willey-Mil’s equipment to achieve particle size diameter of 0.85 and 2.36 mm. Di-fferent parameters such as: pH, lignin, cellulose, hemicelluloses and Acid Detergent Fiber (ADF) content, Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS) were determined according to Standard Methods for Examination of Water and Wastewater [17].

B. Inoculas

Bovine Ruminal Fluid (RF) from urban slaughter-house and Pig Manure (PM) from municipal pig farms were used as inoculums for digestion in a 1:1 ratio v/v. Inoculum composition used in anae-robic digesters is presented in Table I.

TABLE IINOCULUM CHARACTERIZATION (RF-PM)

Parameter RF-PM

pH 8

TS (%) 43.7

VS (%) 23.6

Alkalinity (mgCaCO3/L)Volatile Fatty Acid – VFA (mg/L)

31007200

C. Experimental Design

Anaerobic fermentation experiments were car-ried out using fique´s bagasse with particle sizes of 5, 2.36 and 0.85 mm. Reactors were incubat-ed for 8 days at 25 and 39 ± 2°C containing an operational volume of 350 ml. Hydrolytic activity, pH, VFA and methane percentage were considered as response variables. Total Reducing Sugar (TRS) concentration was determined according to Dinitrosalicylic Acid Method – DNS, using a GENESYS 20 Thermo Spectronics Spectropho-tometer [18]. VFA concentration was quantified by


titration method [19]. Methane percentage was determined with a PGD-IR (model Status Scientific Controls) infrared gas detector.

Experimental results were analyzed with Stat-Graphics plus 5.1, StatPoint Inc. (Virginia, EE.UU) Software. The Fisher’s test (F) was used to verify data statistical significance between results.

III. RESULTS AND DISCUSSION

According to the Fique’s bagasse characteris-tics, this substrate is considered a lignocellulosic waste, for this reason the results are compared with another investigations where this type of ma-trix is evaluated.

A. Effect of mechanical treatment on FB ligno-cellulosic structure.

In Table II, pH, TS and VS values from FB is not affected by particle size diameter reduction. TS and VS concentrations from FB were suitable for start-up anaerobic digestion process according with other studies [20]. Additionally, lignin content is decreased proportionally with reduction of was-te particle size. These results suggest that smaller size particles improve mass transfer between ino-culums and substrate. On the other hand, reduc-tion of particle size decreases ADF concentration and improve FB digestibility.

TABLE IICOMPOSITION OF THE FIQUE’S BAGASSE

Parameter FB 5mm FB 2.36 mm FB 0.85 mm

pH 4 4 4

TS(%) 93.1 92 92.7

VS(%) 89.2 88.8 88.6

Cellulose(%) 41.8 23.4 18.7

Hemicellulose(%) 22.1 24.8 27.1

Lignin(%) 16.6 15.5 6.81

ADF(%) 64.6 44.8 44.7

B. Efecto of temperature and mechanical treatment on hydrolytic stage

In Fig. 1, it is observed that smaller particle size increase TRS concentration. Hydrolytic activ-ity, defined as total reducing sugar consumption rate, was only observed until day 4.

Hydrolytic activity for particles size of 0.85, 2.36 and 5 mm at 39 ºC were 1.93, 1.04 and 0.96 (mg/ml TRS/d), respectively. Experiments carried out at 25 ºC achieved hydrolytic activity of 1.55,

1.20 and 0.87, respectively, at the same particle size. These results indicate that mechanical treat-ment improves strongly the hydrolytic activity of microbial consortia at the initial stage. This effect can be attributed because the increase of the su-perficial area at smaller particle size, allowing a better interaction between substrate and inocu-lums [21], [22]. These results are correlated with changes on lignocelullosic structure during FB mechanical treatment (see Table I). On the other hand, temperature affects hydrolytic activity being higher at 39 °C than at 25°C; because enzymat-ic activity of microorganisms present an optimal temperature of 37°C ± 2°C [23].

Fig. 1. EFFECT OF PARTICLE SIZE AND TEMPERATURE (25°C Y 39°C) DURING HYDROLYTIC STAGE OF FB ANAEROBIC DIGESTION.

C. Effect of temperature and mechanical treatment on VFA production.

Fig. 2 and 3 show that during Anaerobic Diges-tion of Fique´s Bagasse (ADFB), pH values were maintained in a range between 7 and 8.5. These pH range favor growth and metabolic activity of mi-crobial consortia. The biological behavior can be related to VFA variations. Size particle reduction increases hydrolytic activity, producing increases


in VFA concentrations. VFA produced during aci-dogenic stage were no affected with temperature variations. However, VFA consumption rate was faster at 39°C.



D. Effect of temperature and mechanical treatment on methane production during FB anaerobic biodigestion.

Fig. 4 shows that it is possible bioreactor start-ups for anaerobic biodigestion using 3 different FB particle sizes (5, 2.36 and 0.85 mm) at 25 and 39ºC. These results can be explained in terms of equilibrium between methanogenic bacteria, acid consumer bacteria and inoculum adaptation to FB substrate. Higher methane production was obtained with smaller FB particle size. At 25 ºC, best results of methane production were achieved at 8th day. At 39 ºC, the higher value was achieved at 4th day.Fig. 4 EFFECT OF PARTICLE SIZE AND TEMPERATURE (25°C Y 39°C) ON

METHANE PRODUCTION DURING ADFB

In Fig. 5 are depicted statistical analyses of FB particle size effect on methane production at two different temperatures. The probability function (P) of Fisher test was 0.0004 and 0.0046 for methane production at 25°C and 39°C, respecti-vely showing that there are significant differences between each experiment (IC 95%).


Fig. 5. STATISTICAL ANALYSES OF FB PARTICLE SIZE EFFECT ON ADFB

Finally, these results are according to stu-dies carried out by Palmowski and Müller. These authors have demonstrated that reduction in par-ticle sizes improves anaerobic digestion of subs-trate, due to increases in superficial areas of avai-lable substrates for microbial metabolism [24].

IV. CONCLUSIONS

Particle-size reduction has been the most com-monly used factor to describe the increase in subs-trate surface area resulting from a pre-treatment [25]. Pretreatment proved to be suitable for appli-

cations at full-scale biogas plants, increasing the methane yield of fique´s bagasse by up to 19%.

Reduction of FB particle size affects the ligno-cellulosic structure, probably by cellulose crystalli-nity decrease, improving mass transfer substrate/inoculums. Mechanical treatment influenced on everyone of anaerobic digestion stage, because hydrolytic activity are higher at smaller FB particle sizes, and produced higher VFA values and metha-ne yields.

Additionally, mixture of bovine ruminal fluid and pig manure were able to degrade and adapt to this lignocellulosic substrate (Fique`s Bagasse) working efficiently at mild temperature conditions.

ACKNOWLEDGEMENTS

Authors wish to thank financial support by De-partamento Administrativo de Ciencia Tecnología e Innovación, Ministerio de Agricultura y Desarro-llo Rural and Vicerrectoria de Investigación y Ex-tensión - Universidad Industrial de Santander. Te-chnical support from C. Vargas and C. Zambrano is also hardly recognized.

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Resumen— El trabajo presenta el desarrollo de un dis-eño experimental que permitió evaluar las condiciones de operación del proceso de obtención de láminas de cuero recuperado con aglomerante. Para llevarlo a cabo se hicieron pruebas preliminares de obtención del ma-terial, para seleccionar las variables del proceso que más afectaban las condiciones finales de la lámina de cuero recuperado. Seguidamente, se realizó un diseño de experimentos tipo 2k, en donde k=4 variables, cor-respondiendo a: porcentaje en peso de agua, relación másica de aglomerante / cuero, presión y temperatura de curado. Se procedió a la obtención del material y su posterior caracterización, midiendo resistencia a la tensión, porcentaje de compresibilidad, resistencia al desgarre y porcentaje de absorción de agua. Como resultado se obtuvo que los factores principales que optimizan, las variables de respuesta en los niveles es-tudiados son: la temperatura de curado en el nivel bajo y la cantidad de aglomerante en el nivel alto, mientras que para el porcentaje de absorción de agua también fue significativo la cantidad de agua agregada durante el proceso. Se compararon las características del ma-terial obtenido, con las de las plantillas para zapatos y se obtuvieron resultados superiores de resistencia al desgarre, porcentaje de compresibilidad y porcentaje de absorción de agua. Por último se concluyó que a través de la implementación del proceso de reciclaje de cuero sugerido en el trabajo, se obtuvieron láminas de cuero recuperado, cuyas propiedades permitirían tener apli-cación industrial.

Palabras clave— cuero recuperado, desechos sólidos, caracterización de materiales.

Abstract— This paper presents the development of an experimental design that evaluated the operating condi-

tions of the process to obtain binded recovered leather sheets. Preliminary tests were performed to obtain the material, and to select the process variables that affect-ed the most the bonded leather sheet final properties. Then, an experimental design type 2k was run, where k = 4 variables corresponding to the percentage by weight of water mass ratio of binder leather, pressure, and curing temperature. The obtained material was char-acterized by tensile test, percentage compressibility, tear strength, and water absorption percentage. The result showed that the main factors that optimize the response variables in the levels studied were: the curing temperature in the low value and the amount of binder in the high level, whereas for the water absorption rate was also significant amount of water added during the process. The properties of the material obtained were compared to commercial shoe insoles and the results were superior on: tear resistance, compressibility and percentage rate of water absorption. Finally, it was con-cluded that through the implementation of the recycling process suggested, recovered leather sheets properties would allow industrial application.

Keywords— Solid waste, recovered leather, materials characterization.

I. INTRODUCTION

The tanning process consists on transformfing animal skin in leather, being mineral-tanning the most efficient in reducing processing time [1]. In each of the leather tanning phases is generated an appreciable amount of solid waste that usu-ally ends up in landfills. Currently the landfill in

Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinyl acetate and ester

acrylic to obtain recovered leather

Danny Guillermo Cañas RojasB.Sc Chemical Engineering, UIS

[email protected]

Mario Álvarez Cifuentes, Ph. DProffessor, Chemical Engineering, UIS

[email protected]

Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.ScAssistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTA

[email protected]

Evaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-polimérica de vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de

cuero


Bucaramanga takes in approximately 800 Tn of garbage per day, of which 2% comes from leather waste resulting in about 480 tons per month [2].

In 2010, the Colombian leather industry had growth in production and total sales for shoes of 14.2% and 16.3% respectively over 2009. In 2010, according to DANE, leather goods experienced a growth of 17.4% in production and 13.2% in sales, while exports and imports registered growth of 22% and 26%. The leather manufacturing industry experienced growth in 2010 compared to 2009, production and sales, with 10.5% and 10.7%, re-spectively. On the other hand, leather imports in 2010 amounted to 7% over the previous year [3].

It is shown then that the volume of leather thrown into Carrasco landfill is considerable and according to production projection, said volume will increase. This paper presents an alternative for obtaining a fibrous material from leather solid waste which could be used by the leather goods industry.

II. LITERATURE REVIEW

Different studies have been carried out seek-ing the development, with different purposes, of leather solid waste. FRIEDMAN [4] patented a rather simple method that worked by superposing small glued leather disks onto another until form-ing a solid cilinder which could be sliced to form leather strips. Woodruff [5] filed for a patent for the manufacture of artificial leather through “the use of fibrous material in an aqueous rubber dis-persions of the nature of latex as raw materials”. BEVAN [6] patented a method of forming a leaher sheet from leather fibers consisting of a series of steps in which is a tangle of fibers is exposed to a liquid high pressure jets on its surface which causes the fibers to be even more entangled forming, then a fibrous surface. However, the lat-ter three authors did not report any performance values. YANIK et al [7] studied the performance of leather waste pyrolysis obtainning carbon residues, which were used for activated carbon. Kindlein et al. [8] obtained leather sheets from bound layers of leather scrap using hot melt tech-niques. Moreover, DIMITER [9] patented a process that pulverized and mixed leather fiber with a mol-ten resin of vinyl ethyl acetate, in a ratio of 25% by weight, obtainning recovered leather sheets

with high impact resistance, electrical stability and permeability. HENKE [10] mixed leather fibers with a binder dissolved in a solvent, using a rein-forced mesh between fibers and a polyvinyl chlo-ride paste obtaining a recycled extruded leather sheet with flexibility and tensile strength similar to those of real leather. DA FONTE et al [11] crushed waste leather and aminoplast resins mixed with a proportion of 30 to 40% by weight using catalysts and carrying out curing over a hot press. ADDIE and FALLS [12] obtained recycled leather sheets following the methodology by DA FONTE using, during mixing, 20% by weight of binder and adding water to the process without the use of catalysts.

The most common binders used to bind leath-er and textile fibers are designed based on acrylic monomers [13], which can be polymerized with other organic and inorganic ingredients to form a latex film which gives properties such as adhesion and stability to the fibers mixed with said binder.

Other types of adhesives, such as PVC used for laminated panels [14] are based on urea and formaldehyde whose application was introduced in 1937 as an adhesive paper [15]. For this case-study, it was used a binder of vinyl acetate and acrylic ester, because the acrylic adhesives are soluble in water [13] and the monomers vinyl acetate have low flaming points, which facilitate handling, being the premium main material for ad-hesives [14].

It is shown that the intention of reusing waste from tanning and leather prodcution are not iso-lated even for products other than those proposed in this case.

Methodology To determine the operating conditions of mix-

ing and pressing leather solid waste with a binder from an experimental design, preliminary tests were performed to select the design variables. Then a 2k type experimental design was per-formed [17], where k=4 variables corresponding to: percentage by weight of water, mass ratio of binder / leather (during mixing), pressure, and curing temperature (during pressing). Two levels were taken for the design variables: high and low. The result of said design yielded 16 scenarios. Then the material was obtainned according to the design and subsequent characterization by mea-suring stress, percentage of compressibility, tear


and percentage of water absorption. Additionally, it was conducted a preliminary economic analysis of cost per unit area of recycled leather. Figure 1 shows the methodology for this study.

Fig. 1. METHODOLOGY STEPS

There were carried out the 16 scenarios and a replica of each. Particles were ground to a size of 2 mm, then they were mixed with water and binder and were cured for 15 minutes. Table I shows the high and low values for the used variables. To se-lect these values, it was taken into account values reported in the literature review. Preliminary tests showed results that allowed selection of the levels for the design of the experiment.

TABLE IRANGES OF PROCESS VARIABLES USED

Variable High level (+1) Low level (-1)

Pressure 150 Kg f/cm² 100 Kg f/cm²

Temperature 80 °C 70 °C

% binder /leather 3/7 2/8

% by weight of water 25 15

To characterize the obtained samples, a Shi-madzu ® universal testing machine was used. The machine was equipped with a load cell of 1 kN for tensile tests and for the compression test it was equipped with a 100 kN cell. The tests were done according to standards ASTM D1610-01, D6015-10, D2209-00, ASTM D2212 and ASTM D2213. Table II shows the geometric notation design of experiments.

Data statistical analysis was performed using STATGRAPHICS CENTURION 16.

TABLE IIGEOMETRIC NOTATION

Scenario P T % binder / leather % by weight of water

1 -1 -1 -1 -1

2 +1 -1 -1 -1

3 -1 +1 -1 -1

4 +1 +1 -1 -1

5 -1 -1 +1 -1

6 +1 -1 +1 -1

7 -1 +1 +1 -1

8 +1 +1 +1 -1

9 -1 -1 -1 +1

10 +1 -1 -1 +1

11 -1 +1 -1 +1

12 +1 +1 -1 +1

13 -1 -1 +1 +1

14 +1 -1 +1 +1

15 -1 +1 +1 +1

16 +1 +1 +1 +1

Results In Figures 2, 3, 4, and 5 the circles represent

experimental data, the diamonds represent data from the replicas and triangles represent data from verification tests 2, 5 and 9, according to the values shown in Table 2. The dotted line in Figures 2, 3, 4 and 5 corresponds to the average values of each of the tests performed on the material used in the preparation of insoles.

Figure 2 shows that the third test showed the highest tensile strength value with 5.57 MPa and a low percentage of error between duplicates.

Fig 2. TENSILE TESTS RESULTS

Figure 3 shows that the maximum tear resis-tance was exhibited by samples 2, 9 and 10, with a value of 694 N exhibited by sample number 10.


Fig. 3. SLIT TEAR RESISTANCE TEST RESULTS

Figure 4 shows that the percentage of com-pressibility obtained for the samples was about 10%, which is below 18.5% obtained for commer-cial insoles.

Fig. 4. PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY RESULTS

Figure 5 shows that the tests 9 and 10 report the lowest percentage of water absorption with a 16 and 17% respectively and with the least error between duplicates. When compared with the re-ported value of the material used in the manufac-ture of insoles, it was observed that lower values were obtained.

Fig. 5. PERCENTAGE OF WATER ABSORPTION RESULTS

DiscussionIn figure 2 is shown, as a solid line, the avera-

ge results of tensile strength reported by ADDIE AND FALLS [12]. Said values are above for those obtained in this work. However, when comparing the values of tear resistance, Figure 3 shows that values were higher than those reported by the same authors.

SILVA [19] after characterizing 86 samples of safety footwear leather, obtained an average tensile strength quite high compared with those obtained in this work, but he also reported tear resistance values consistent with those repor-ted in figure 3.

Concerning the percentage of water absorp-tion is desirable it is minimal. According to [17], citing 2396 NTC, insoles footwear must meet a percentage of maximum water absorption of 50 ± 2%. The values shown in Figure 4 show that it meets said standard.

A Pareto analysis shows the effect of process variables and their influence on it. For example, in the Pareto diagram of Figure 6, it is apprecia-ted the amount of binder added to the process is significant on the samples tensile strength, The best combination is obtained by keeping pressure, temperature and water amount at a low level and the relationship binder / leather at a high level.

Fig. 6. PARETO ANALYSIS FOR TENSILE STRENGHT

It is seen in the Pareto chart in Figure 7 how tear strength depends significantly on the rela-tionship binder / leather. This allows assessing the best mixing arrangement for maintaining the same conditions reported for maximum ten-sile strength under levels studied.


Fig. 7. PARETO ANALYSIS FOR TEAR STRENGHT

Figure 8 shows the Pareto analysis for the per-centage of compressibility test, being temperature the main cause of the variation. For the percent-age of compressibility, the best arragment corre-sponds when the four variables are in low level be-cause it requires the least material deformation.

Fig. 8. PARETO ANALYSIS FOR PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY

Pareto diagram in Figure 9 shows the variables that cause effect on the percentage of water ab-sorption. It is appreciated that this depends on the pressure and temperature in their low level and the amount of binder and water in their high one.

Fig. 9. PARETO ANALYSIS FOR WATER ABSORPTION

The summary of the best combinations found are shown in Table III

TABLE IIIOPTIMAL VALUES OF VARIABLES USED

Variable Pressure (Kg / cm2)

Temp (°C)

% binder / leather

% by weight of

water

Tensile 100 70 3 / 7 15

Tear Strenght 100 70 3 / 7 15

% Compressi-bility 100 70 2 / 8 15

% water absorp-tion 100 70 3 / 7 25

Finally, a preliminary estimate of costs for re-covered leather sheets was made for production of 1 Tons per day. This was done in order to as-sess the process economic viability. There were considered initial invesment cost, direct costs of manufacturing and fixed manufacturing costs [16] for the first year of production.

For initial investment were estimated only equipment, whereas for manufacturing direct costs were included raw materials, industrial ser-vices, supplies, labor, maintenance and repair. For fixed manufacturing costs were considered the depreciation of equipment, insurance and taxes. Table IV shows the estimated costs in Colombian Pesos.

TABLE 4TOTAL COSTS FOR THE FIRST YEAR IN PRODUCTION

Total cost of production (thousands $)

Initial invesment 53.000

Manufacturing direct costs 1.079.350

Fixed manufacturing costs 6.996

Total ($) 1.139.346

Dividing the total cost by the annual produc-tion, it yields a value of $10,100 per sheet of 1.5 m2. When compared to the cost of an insole sheet, which oscilates around $ 7,000 for the same di-mensions, it is evident that the proposed process for recycling leather is not viable economically, but it is technically and environmentally. Howev-er, comparing with the cost of recovered leather sheet placed in Bucaramanga, which has a cost of $ 48,000 per 1.5 m2 [18], the process turns out economically viable. Additionally, there will be a reduction in costs, not quantified in this study, associated with the reduction of space in landfills, waste transportation and disposal.


CONCLUSIONS

The temperature and relation binder / leather bear a significant influence over response varia-bles, during pressing and mixed respectively.

The most significant factor on the four 4 res-ponse variables, based on the levels studied du-ring the pressing stage, corresponds to the curing temperature in the low level (70° C).

The values obtained for the percentage of com-pressibility and percentage of water absorption are low compared with values obtained for com-mercial insoles. This gives flexibility to manipulate the weight percentage of water during mixing. That is, if one wants to choose a combination where one gets the best response variables within the studied levels, it becomes a cost / benefit where the amount of water, although it was raised at a low level for tensile strength, tear and percentage of compressibility, can work at a high level, becau-se the increase in process water reduces the mi-xing time. This should be reflected in the reduction of the mixer power consumption.

The pressure should be maintained at low le-vel, the temperature in the low level and the re-lationship binder / leather in the high level, since this appears to produce no significant effect on the percentage of compressibility.

It was thought initially that recovered leather sheets would exceed tear strength, percentage of compressibility and the percentage of water absorption, compared with the same properties of commercial insoles. However, if the final pro-duct does not require reaching values of tensile strength, the material obtained with the proposed method has the ability to replace it.

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Resumen— El flujo a través de membranas porosas es de vital importancia en el entendimiento de diversos fenómenos industriales y biológicos. Y recientemente ha crecido el interés de su estudio para aplicaciones de transferencia de calor mejorada y a escalas peque-ñas. Antes de involucrar la transferencia de calor en las membranas se hace un estudio hidrodinámico para ayudar a su caracterización. En el presente artículo se presenta el estudio realizado al comportamiento de la presión y perfiles de velocidad asociados al flujo de un fluido incompresible a través de una membrana porosa en diferentes condiciones de empaquetamiento. Con el fin de establecer una base comparativa adecuada, la membrana porosa es representada mediante un empa-quetamiento de esferas en arreglo triangular desfasado. Los resultados obtenidos mediante el software de CFD Fluent mostraron una gran influencia de la distribución espacial de las esferas en el canal sobre la caída de presión. Desde el punto de vista de patrones de flujo, se observó una interacción fuerte entre los flujos aguas abajo de cada esfera. En la última capa de esferas, se presenta un desprendimiento de vórtices influenciado tanto por el tamaño de la esfera, como por el número de esferas empleado para representar la membrana.

Palabras clave— Factor de empaquetamiento CFD membranas porosas

Abstract— In the present article, study of the behavior of flow profiles and pressure associated with the flow of an incompressible fluid across a porous media with different packing conditions is shown. For practical purpose, the porous media was modeled as a stagge-red packed bed of spheres. The simulation was made in CFD software Fluent. Results showed a great influence of the sphere diameter in the pressure drop. Regarding streaklines, there was found to be a strong interaction between the flows of each sphere downstream. A vortex detachment influenced both by the sphere size and the

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas

Computational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López Montoya

Ingeniera Mecánica, Universidad Pontifica Bolivariana Investigador auxiliar Grupo de Energía y Termodinámica,


[email protected]

Mauricio Giraldo OrozcoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana

Docente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica, Universidad Pontificia Bolivariana


César Nieto LondoñoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana

Docente e Investigador Grupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial,


[email protected]

number of spheres was present in the last layer of the bank of spheres.

Keywords— CFD Porous media

I. INTRODUCCIÓN

La tecnología de micro-sistemas (MST por sus siglas en inglés) se ha desarrollado a pasos agi-gantados desde hace varias décadas. El objetivo es incrementar la capacidad de estos dispositivos y aumentar su potencia, lo cual conlleva a grandes cantidades de calor que necesitan ser extraídas para garantizar el correcto funcionamiento de los dispositivos. Más concretamente se ha trabajado en intercambiadores de calor del tamaño nece-sario para poder implementarlos en los MST. Los micro-intercambiadores de calor ofrecen muchas ventajas sobre sus semejantes a escalas mayo-res, la transferencia de calor por unidad de área es mucho mayor, su desempeño global también es superior y debido a su tamaño son más econó-micos, entre otras [1]-[2]. Debido a la reducción de espacio por el cambio de escala, se han imple-mentado micro-canales como medio para que se lleve a cabo el intercambio de calor. Pero dichas geometrías tienen asociadas una gran caída de presión debido a los diámetros hidráulicos tan pe-queños, además a estas escalas las condiciones superficiales toman mayor importancia sobre los patrones de flujo y transferencia de calor. Como alternativa a los micro-canales se propone utilizar membranas porosas [3]-[4].


Debido a la naturaleza de su geometría, las membranas ofrecen un espacio propicio para el intercambio de calor entre dos fluidos. De hecho existen trabajos previos donde se utilizaron medios porosos para aplicaciones de enfriamiento y trans-ferencia de calor. Lage et al. realizaron un estudio con matrices porosas de aluminio comprimidas para caracterizarlas térmica e hidráulicamente en-focando su uso en micro-intercambiadores de calor [5]. Por su parte Jiang et al. realizaron un estudio teórico y experimental comparativo entre un mi-crointercambiador de calor con canales (MCHE) y un micro-intercambiador de calor con medio poro-so (MPHE) donde llegaron a la conclusión de que desde el punto de vista de transferencia de calor el MPHE tiene mejor desempeño pero en términos termohidráulicos , el mejor desempeño fue para el MCHE con canales profundos [6]. Estudios con enfoques más específicos en el tema se pueden encontrar en la literatura tal como el de Trebotich y Miller, que presentaron un nuevo método de si-mulación para aplicaciones en microfluídica que involucran fenómenos de transporte de partículas coloidales a escala micrométrica [7]. Tomado en cuenta lo anterior, se hace necesario evaluar con detenimiento el comportamiento hidrodinámico de membranas porosas, e involucrar tanto los compor-tamientos puramente cinéticos, como las caídas de presión asociadas, con el fin de aprovechar ade-cuadamente las ventajas evidenciadas experimen-talmente en cuanto a la transferencia de calor [6].

Este trabajo se concentra en el comportamiento de los campos de velocidades y las caídas de pre-sión que suceden en una membrana. Con el fin de presentar parámetros comparativos adecuados, la membrana es simulada como un sistema de esfe-ras en arreglo triangular, particularmente dos con-figuraciones diferentes espaciales y tres diámetros diferentes, los cuales son evaluados desde los pun-tos de vista ya mencionados. El trabajo inicia con una descripción del medio poroso empleado para las simulaciones computacionales, seguido de una breve descripción de los modelos matemáticos y las condiciones de frontera necesarias. Finalmen-te, se presentan los resultados de la simulación y las conclusiones del trabajo.

II. MEDIO POROSO COMPUTACIONAL

Generalmente los materiales porosos presen-tan estructuras aleatorias [8], pero dado que es

difícil establecer una estructura aleatoria repre-sentativa y, más aún, cambiar sus parámetros, para este estudio se optó por la utilización de arre-glos triangulares desfasados de esferas, como el mostrado en la Fig. 1. La sección transversal del canal donde se encuentra el arreglo de esferas es de 0.01 m2.

Fig. 1. ARREGLO TRIANGULAR DE ESFERAS

Se emplearon dos configuraciones diferentes de arreglos, las cuales se diferenciaron por la se-paración entre esferas, tanto adyacentes como tangentes, de la cara que enfrenta al flujo. En la Fig. 2 se muestran a modo ilustrativo los espacia-mientos para el arreglo de esferas de 15mm de diámetro, las medidas de los espaciamientos es-tán en milímetros. Para ambas configuraciones el volumen total ocupado por el arreglo se mantuvo constante. Igualmente, para ver la influencia del tamaño de la esfera se trabajó con arreglos de es-feras de 15, 18 y 32mm de diámetro.

En la Tabla I se muestran los factores de em-paquetamiento (espacio ocupado/ espacio total) para las diferentes configuraciones tomando como referencia un volumen total de 100.000mm3, que sería el volumen del cubo tomado como base para crear el arreglo de esferas.

TABLA IFACTOR DE EMPAQUETAMIENTO

D15 D18 D32

Conf 1 40.82% 37.56% 39.46%

Conf 2 44,53% 34,51% 39.46%

Estrictamente un medio poroso común no pre-senta la uniformidad ni la simetría que se obtiene con la geometría utilizada, pero tradicionalmente se han utilizado empaquetamientos de esferas y cilindros para estudiar el flujo a través de medios porosos de forma teórica y numérica con resulta-dos aceptables que han sido validados con mon-tajes experimentales [9]-[11].


Fig. 2. CONFIGURACIONES 1 Y 2 CON ESFERAS DE 15, 18 Y 32MM DE DIÁMETRO RESPECTIVAMENTE

III. ECUACIONES GOBERNANTES Y CONDICIONES DE FRONTERA

El comportamiento de fluidos newtonianos está gobernado por las ecuaciones de Navier-Stokes. Para el estudio fluido-dinámico del flujo a través de los arreglos de esferas, se requiere la utilización de un modelo en 3D constituido por las ecuaciones de continuidad y de cantidad de movimiento lineal, las cuales se muestran a conti-nuación para fluidos newtonianos incompresibles:

Donde υ, P, μ y ρ corresponden a la velocidad, presión, viscosidad dinámica y densidad, respecti-vamente. Además, se considera que el fluido es de propiedades constantes, incompresible, con flujo isotérmico y se encuentra en estado estacionario. La longitud característica mínima del arreglo de esferas es suficientemente grande para conside-rar una condición de no deslizamiento sobre las paredes [12]. Por el extremo de entrada se tiene un flujo con una velocidad U y por el extremo de salida del canal se tiene un flujo con presión at-mosférica.

A. Mallado

Para la construcción de la malla se utilizó la he-rramienta de mallado de Ansys 12.1. La geometría

de la malla se construyó con elementos tetraédri-cos. Debido a la complejidad de la geometría, al tamaño de los canales formados por el espacio entre esferas y que los mayores gradientes de velocidad se encuentran en las paredes, fue ne-cesario reforzar la malla alrededor de las esferas. Para esto se utilizó un sizing (función que regula el tamaño de malla) con elementos de 0,001m, que refinó la malla alrededor de las esferas. Como es evidente, dos esferas presentan un solo punto de contacto, lo cual puede generar problemas al mo-mento de contacto, por lo tanto, se optó por dejar un pequeño espacio entre las esferas para llevar a cabo las simulaciones. La configuración de una malla típica implementada en el arreglo triangular de esferas está compuesta por 3243702 elemen-tos tetraédricos y 639034 nodos.

La malla se puede ver en la Fig. 3.Fig. 3. CORTE LONGITUDINAL DE MALLA TÍPICA PARA EL CANAL Y ARRE-

GLO DE ESFERAS

B. Método de solución

La estrategia utilizada comúnmente para la si-mulación del flujo en medios porosos implica la


adición de un término asociado a la porosidad en la ecuación de momentum. Si bien esta forma permite una correcta aproximación a la caída de presión y otros comportamientos relevantes, no permite visualizar campos de flujo, e inclusive, en algunos casos, es difícil establecer los pará-metros adecuados para diferentes membranas. Por lo tanto, este trabajo pretende simular di-rectamente el flujo en diferentes configuración de una membrana simulada, empleando las ecuaciones mostradas en la sección III. Dichas ecuaciones fueron resueltas para un régimen laminar estacionario mediante el método de vo-lúmenes finitos (FVM por sus siglas en inglés) implementado en el software AnsysFluent. FVM involucra la discretización e integración de las ecuaciones gobernantes sobre el dominio del control de volumen. Para este caso, el dominio de solución fue un canal horizontal de 0,4 m de longitud y de sección transversal cuadrada de 0,01m de lado, en cuyo centro se encontraba el arreglo de esferas. La longitud del canal es sufi-ciente para permitir un flujo laminar totalmente desarrollado (8 diámetros hidráulicos aproxima-damente).

El algoritmo que utiliza Fluent para resolver las ecuaciones en volúmenes finitos es el méto-do semi-implicito para acoplar las ecuaciones de presión (SIMPLE -semi-implicit method for pres-sure-linked equations- por sus siglas en inglés). En el esquema SIMPLE se utiliza una ecuación adicional a las anteriormente mencionadas que sirve de enlace entre la velocidad y la presión, ya que en la ecuación de continuidad no apa-rece la variable presión de forma explícita. En forma general, el procedimiento del algoritmo SIMPLE consiste en un proceso iterativo donde se comienza por suponer unos valores iniciales para los campos de velocidad y presión, luego se resuelve el conjunto de ecuaciones discreti-zadas y se utiliza una ecuación de corrección. Este proceso se repite hasta que converja la solución [13]. El software Ansys Fluent tiene predeterminado el esquema de discretización UPWIND, el cual consiste en la discretización de los términos diferenciales de las ecuaciones que se van a resolver, de forma que el valor de la variable en un nodo determinado es función únicamente de los valores de dicha variable en el nodo situado justo aguas arriba.

IV. RESULTADOS

Para las simulaciones llevadas a cabo en el software Fluent, se trabajó con agua como flui-do de trabajo con dos diferentes velocidades de entrada. Se realizaron simulaciones para ambas configuraciones de arreglos y tres diferentes ta-maños de esferas. El número de Reynolds para el canal con el medio poroso en medio se calculó con las siguientes ecuaciones [14]:

Donde V es la velocidad perpendicular a la superficie de la membrana porosa, K es la per-meabilidad y √ es la viscosidad cinemática. Para calcular las propiedades del fluido se tomó como referencia una temperatura de 25°C. Para una columna de esferas empaquetadas de diámetro d, y de porosidad φ, Ergun propuso la siguiente correlación para calcular su permeabilidad K;

A su vez, la porosidad de un medio poroso ubi-cado en medio de un canal cerrado se puede cal-cular como [15]:

Donde Ap representa el área ocupada por el fluido (área sombreada en la Fig. 4) y A, el área total de la sección transversal.

Fig. 4. DISTRIBUCIÓN DE ÁREAS EN LA SECCIÓN TRANSVERAL DEL ARREGLO

En la Tabla II se muestran para las diferentes configuraciones y diámetros, su porosidad, per-meabilidad y el número de Reynolds para cada una de las velocidades de entrada. El valor de la


velocidad para el Re1 es de 0,001m/s y para el Re2 es de 0,072m/s.

TABLA IICARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES MEDIOS POROSOS

Porosidad Permeabilidad [m2]

Re1@

0,001m/s

Re 2@

0,072m/s

D15 1 0,184 14 x 10-9 0,13 9,54

D15 2 0,179 13 x 10-9 0,13 9,04

D18 1 0,238 35 x 10-9 0,25 18

D18 2 0,242 37 x 10-9 0,26 18,55

D32 1 0,157 81 x 10-10 0,21 15,45

D32 2 0,156 80 x 10-10 0,21 15,33

Los resultados obtenidos para la caída de pre-sión medida entre la entrada del canal y su salida, se pueden ver en la Fig. 5.

Como era de esperarse, para una misma confi-guración, a mayor número de Reynolds mayor caí-da de presión se tiene a través de la membrana.

Fig. 5. RESULTADOS DE LA CAÍDA DE PRESIÓN PARA LOS DIFERENTES DIÁMETROS Y CONFIGURACIONES


La mayor caída de presión se presentó con el arreglo de menor diámetro de esferas. Aunque el volumen total se mantenga constante, la configu-ración del espaciamiento entre esferas también influye en la caída de presión, y como se puede ver en las gráficas, la configuración dos que tiene menor espaciamiento, generó una menor caída de presión. Excepto para el caso de las esferas de diámetro 32mm, donde sucedió el caso contrario. Ya que al reducir el espacio entre esferas para la configuración dos, se dejó mayor espacio entre el arreglo de esferas y el canal por donde el fluido encontró menor resistencia al fluir (y aunque se acercaron más las esferas entre sí, no se creó su-ficiente espacio para adicionar más esferas).

Otro factor interesante en lo relacionado a las caídas de presión, se refiere a la relación entre el valor de dicha caída y el diámetro. Por ejemplo, en el caso de la configuración uno con los Reynolds entre 7 y 15, un incremento de 3mm, equivalen-temente a solo el 20%, representa una reducción del 27.2%. Más aún, cuando el diámetro se incre-menta un 113% (de 15mm a 32mm) la caída de presión se reduce en 58.5%.

Cabe resaltar que el arreglo con las esferas de mayor diámetro tuvo un comportamiento inverso al de las otros dos. Al conservarse el mismo volu-men total, esto hizo que las esferas de diámetro de 32mm dejaran muchos espacios libres en los extremos del arreglo haciendo que el flujo pudiera desviarse fácilmente por ahí y así evitar cruzar a través del medio poroso, esto también pudo ha-ber sido la causa del por qué la configuración uno (con esferas de diámetro de 32mm) presentara menor caída de presión que la configuración dos, diferente a los otros dos casos.

Un contorno típico de presión para la geometría del problema es mostrado en la Fig. 6, Se puede observar que el comportamiento de la presión no es igual para todas las esferas debido a la confi-guración triangular desfasada utilizada, así como tampoco es uniforme sobre una misma esfera, esto debido a que la distribución de la velocidad varía dependiendo de las esferas que la rodean.

Hay esferas que están totalmente rodeadas por otras esferas, mientras que otras presentan espacios libres cerca a las paredes del canal por donde el flujo se comporta de manera diferente al no tener restricciones, esto se puede ver mejor en Fig. 7, donde se muestran cortes paralelos al sen-

tido del flujo con los contornos de presión sobre las esferas. En estas figuras se puede observar que para las esferas más pequeñas el flujo es uni-forme sobre todas ellas, es decir, el flujo se repar-te por igual a través de todo el arreglo, mientras que para los tamaños de esferas más grandes se ve como las esferas de los extremos son las que mayor interacción tienen con el flujo.

Fig. 6. CONTORNO DE PRESIÓN CONFIGURACIÓN 1 D15

Fig. 7. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE PRESIÓN PARA LAS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2

RESPECTIVAMENTE


Adicionalmente, en las Fig. 8 y 9 se muestra la relación entre el factor de empaquetamiento y la caída de presión sobre las membranas.



Como era de esperarse, las caídas de presión se incrementan a medida que se incrementa el factor de empaquetamiento del sistema. Otro fac-tor interesante que se evidencia es cómo la confi-guración 2 tiene una pendiente mayor que la que se presenta en la configuración 1, lo que mue en-tonces, una influencia mucho mayor del diámetro de las esferas para estos casos. Otro factor que salta a la vista es la falta de correlación entre re-sultados de las diferentes configuraciones con los resultados de los bancos de esferas con 32mm de diámetro. Esto se debe, como ya se había ma-nifestado anteriormente, a los espacios existentes entre las paredes y las esferas. Si bien esto hace imposible realizar una comparación cuantitativa entre los resultados, si permite intuir que la caí-da de presión es significativa, pues implica que el flujo evita parar por el espacio ocupado por las esferas.


La Fig. 10 muestra las líneas de corriente las cuales describen el flujo a través del medio po-roso.

Dichas líneas ilustran cómo al cambiar brus-camente de dirección, se generan regiones circu-lares en la superficie de las esferas, las cuales representan las zonas de estancamiento. El com-portamiento del flujo permanece de forma organi-zada mientras fluye a través de la zona central del arreglo de esferas, mientras que en la parte supe-rior e inferior al terminarse el medio poroso tien-den a formarse pequeños remolinos causados por la forma brusca del flujo. Lo cual puede explicar la presión negativa que se presenta en las caras de las esferas de la última capa. Al darse los posibles remolinos, parte del flujo se devolvería momentá-neamente debido a la baja velocidad, al hacer que estas presiones tiendan a cero.

Fig. 10. LÍNEAS DE CORRIENTE A TRAVÉS DEL ARREGLO DE CONFIGURACIÓN 1 D32

En la Fig. 11 Se muestra el contorno de veloci-dad, para cada tamaño de esfera y sus dos con-figuraciones, en un plano paralelo al sentido del flujo. De estas imágenes se puede ver cómo para todos los tamaños de esferas se presenta una gran simetría respecto al eje z, lo cual es lógico ya que los contornos de presión también mostraron esta misma simetría. Se puede observar cómo en los extremos del arreglo y en los espacios entre esferas se da una aceleración del flujo, que lleva a la formación de zonas de alta velocidad, que al en-trar a la última capa de esferas se encuentra con la zona de estancamiento y propicia la formación

de turbulencia y el desprendimiento de vórtices. Las zonas de alta velocidad son más notorias en las esferas pequeñas, pero la formación de turbu-lencia y el desprendimiento de vórtices se hacen más evidentes en los arreglos de esferas más grandes. Este comportamiento concuerda con el comportamiento de la presión, es decir, en la úl-tima capa de esferas se tiene una contrapresión que ocasiona cambios en la dirección del flujo y por ende se origina la turbulencia.

De estas figuras también se puede ver una clara diferencia entre las dos configuraciones de arreglos, para los tres tamaños de esferas, la con-figuración uno muestra una zona de muy baja ve-locidad detrás de la última capa de esferas, que en común tienden a formar un perfil parabólico que aumenta con el aumento del tamaño de esfe-ra, mientras que para la configuración dos las zo-nas de estancamiento se dan de forma individual para cada una de las esferas de la última capa.

Fig. 11. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE VELOCIDAD PARA LOS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2

RESPECTIVAMENTE


V. CONCLUSIONES

El estudio del comportamiento hidrodinámico (caída de presión y patrones de flujo) a través de un medio poroso fue realizado mediante un arreglo triangular desfasado de esferas. Las ecuaciones fundamentales del flujo de fluidos fueron solucio-nadas numéricamente para encontrar la caída de presión sobre el arreglo. Las simulaciones fueron realizadas en el software de CFD Fluent.

En general, se encontró que el diámetro de las esferas tiene gran influencia sobre la caída de presión, generándose en mayor proporción para los arreglos de menor diámetro de esferas. El es-paciamiento entre esferas, principalmente de la cara que enfrenta al flujo perpendicularmente, tie-ne gran influencia sobre la caída de presión. Para el medio poroso de menor diámetro la influencia del espaciamiento entre esferas es menor. Tam-bién se observó una interacción fuerte entre los flujos aguas abajo de cada esfera. Presentándose

en la última fila de esferas un desprendimiento de vórtices que aumenta a medida que aumenta el diámetro de las esferas.

Partiendo de estos resultados es posible en-tonces concluir que un adecuado control sobre el factor de empaquetamiento y la distribución de las estructuras puede mejorar significativamente el comportamiento hidrodinámico de las membra-nas porosas, haciéndolas una alternativa atracti-va para su empleo en sistemas de transferencia de calor y recuperación de calor.

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15] S. Ergun, “Fluid flow through packed columns,” Che-mical Engineering Progress, Vol. 48, No. 2, pp. 89-94, 1952._


Resumen— El análisis del uso de biomasa como fuente de energía y el desarrollo de las investigaciones relacio-nadas con el proceso de gasificación; han originado el planteamiento de diversos modelos para explicar y en-tender este complejo proceso, tanto en su diseño, como en su simulación, optimización y análisis; los cuales van encaminados a satisfacer la necesidad de cuantificar la producción de energía y su eficiencia. Este artículo presenta un análisis de varios modelos de gasificación basados en el equilibrio termodinámico, la cinética y control basado en redes neuronales artificiales.

Palabras clave— Biomasa, Cinética, Gasificación, Mo-delado, Redes Neuronales, Termoquímica.

Abstract— The analysis of the use of biomass for ener-gy production and the development of research related to the gasification process, have led to the approach of various models for explaining and understanding this complex process, not only in its design, but also in its simulation, optimization and analysis; which are inten-ded to satisfy the need to quantify the energy production and efficiency. This article presents an analysis of seve-ral gasification models based on thermodynamic equi-librium, kinetics and control based on artificial neural networks..

Keywords— Biomass, Gasification, Kinetic, Modeling, Neural networks, Thermo-chemistry.

I. INTRODUCCIÓN

Durante los últimos años, a causa de los efec-tos del calentamiento global; han surgido inves-tigaciones de gran importancia en el campo del

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al

Estado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery:

Review for the actual tecnologyJosé Ulises Castellanos

MSc en Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo MDL&GE

(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética), Universidad Nacional de Colombia


Fabio Emiro Sierra VargasDr. MSc. Ingeniería Mecánica, Universidad de KasselDocente Tiempo Completo, Líder del Grupo MDL&GE

(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética) Universidad Nacional de Colombia


Carlos Alberto Guerrero FajardoDr. MSc. Ing. Químico, Universidad Nacional de Colombia

Investigador Grupo MDL&GE (Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética), Universidad Nacional de Colombia


uso de la biomasa como una fuente de energía alternativa, se reconoce que esta fuente energé-tica, posee una distribución más homogénea a lo largo del planeta, junto a un potencial energético mayor al de los combustibles fósiles [25]. Dentro de los procesos de aprovechamiento energético de la biomasa, se puede destacar los procesos de generación de gas combustible a partir de proce-sos de biodigestión (transformaciones biológicas) y gasificación (transformaciones termoquímicas) [30]. El segundo de ellos, se centra en la alta efi-ciencia de la combustión, puesto que un balance energético positivo, por ende, económicamente viable depende de la eficiencia en las conversio-nes termoquímicas ocurridas durante el proceso.

Actualmente existen sistemas de combustión directa para generación de energía eléctrica [38] a partir de biomasa como combustible, pero con el problema de la dosificación inherente a un sólido [3], por esta razón la gasificación resulta atractiva, puesto que simplifica los sistemas de dosificación y transporte del combustible. El gas de síntesis de los procesos de gasificación nor-malmente es un gas compuesto por monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano, trazas de etano y eteno, agua, nitrógeno y algu-nos contaminantes, como pequeñas partículas de carbonizado, ceniza y alquitranes [38]. La energía proveniente de este material gaseoso, determina


la calidad y el porcentaje de este en su obtención, ha sido la base fundamental de muchos estudios; los cuales algunos autores se han enfocado en la construcción de la máquina de gasificación, otros en la biomasa suministrada y algunos en el tratamiento del proceso agregando otros agentes que faciliten el proceso o realizando combinacio-nes entre los factores anteriores, pero siempre se busca incrementar la calidad del material ga-seoso. [38][3]. Por esta razón, en el grupo de in-vestigación “Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética (MDL&GE)” de la Universidad Nacional se planteó, hace unos años, la construc-ción de un gasificador con fines de investigación para determinar la viabilidad tecnológica y so-cioeconómica de esta tecnología para Colombia.

II. PROCESO DE GASIFICACIÓN

La gasificación de la biomasa es una tecnolo-gía de más de cien años de antigüedad. Se trata de un proceso cuyo objetivo es la descomposi-ción térmica de biomasa, particularmente de los residuos producidos en la industria agrícola, ma-derera y plantas de tratamiento de aguas, para un aprovechamiento energético de los mismos. El gas generado puede ser quemado en motores de combustión interna, turbinas o en equipos de producción de calor y potencia.

Un sistema de gasificación para producción de calor y potencia consiste en un gasificador, un limpiador de gas y un convertidor de energía que generalmente es un motor o una turbina. En este proceso, la mayor dificultad se encuentra en el filtrado del “gas de síntesis”, pues se requiere de equipos con capacidad para operar con gases a elevadas temperaturas, partículas en suspensión de diferentes tipos y algunas veces altos flujos de masa (Diseño y construcción de un gasificador de lecho fluidizado a escala de laboratorio para el tratamiento térmico de los residuos de tabaco, 2005). Este proceso se cumple en una cámara cerrada y sellada que opera ligeramente por de-bajo de la presión atmosférica con las siguientes etapas.

Secado: el agua contenida en la biomasa es removida a una temperatura superior a los 100°C.

Pirólisis: la biomasa experimenta una des-composición térmica en ausencia de oxígeno.

Habitualmente es dividida en pirólisis lenta y pi-rólisis rápida

Oxidación: El aire, oxígeno, vapor de agua o agentes gasificantes son introducidos mediante un proceso externo al equipo, en algunos casos junto a gases inertes, procedimiento realizado entre 700- 2000°C.

Reducción: En esta zona se producen nume-rosas reacciones químicas a alta temperatura (Ejemplos. Ecuaciones 1 y 2) [14].

Desde un punto de vista científico, la gasifi-cación, se trata de una reacción endotérmica he-terogénea entre el carbono contenido en la bio-masa y un gas reactante, sea vapor de agua o dióxido de carbono:

C + H2O → CO + H2 (1)C + CO2 → 2CO (2)En la Figura 1 se muestran las reacciones quí-

micas presentes en un proceso de gasificación.Fig 1. GASIFICADOR QUÍMICO

Fuente: S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. 2008

A nivel industrial, el objetivo de la gasificación es favorecer las dos reacciones para producir un gas combustible. Sin embargo, para alcanzar esto, se deberá generar previamente los elemen-tos necesarios para ambas reacciones, es decir, el carbono, y los reactantes (CO2 y H2O), así como también una cantidad de energía para la reacción [52]. Por otro lado, el poder calorífico del gas de síntesis se encuentra normalmente entre 3,5 – 6 MJ/m3 [2][41] según el agente gasificante utili-zado, por ejemplo, al usar el aire atmosférico, se tiene un gran porcentaje de nitrógeno, que es un gas inerte; por otro lado al usar oxígeno o vapor de agua se incrementa el valor.


III. TIPOS DE GASIFICADORES

A. Gasificador Updraft

Este tipo de gasificador tiene bien definidas las zonas de combustión parcial, de reducción y piróli-sis. El aire es suministrado por la parte inferior del gasificador y el gas de síntesis es entregado por la parte superior a unas temperaturas relativamente bajas. En sus desventajas está el alto contenido de alquitrán del gas producido y la capacidad mar-ginal que tiene en su carga, por ende, la imposi-bilidad de generar de un gas de síntesis en flujo continuo que aumenta las dificultades para la utilización en motores de combustión interna. [9]

B. Gasificador Downdraft

Este gasificador entrega el gas de síntesis por la parte baja y la admisión de aire es realizada por la parte media del mismo. Las dificultades de esta configuración son su contenido de cenizas y humedad; por otra parte, el prolongado tiempo de encendido (20 a 30 minutos). Pero permite tener un flujo continuo, por lo que es el tipo más acep-table para motores de combustión interna y turbi-nas de gas. [2] [12]

C. Gasificador Crossdraft

Este gasificador tiene un tiempo de arranque corto, alrededor de 5 minutos, capacidad de ope-rar con combustibles húmedos o secos y la tempe-ratura del gas producido es relativamente alta. De ahí que la composición del gas producido tenga un bajo contenido de hidrógeno y de metano. Como desventaja, estos gasificadores, deben ser utiliza-dos con combustibles de bajo contenido de ceni-zas, como la madera y el carbón mineral.[10] [11]

D. De Lecho Fluidizado

En esta configuración, se suministra el aire a través de un lecho de partículas sólidas a tal velocidad que estas partículas permanezcan en estado de suspensión, comenzando a calentar ex-ternamente el lecho y el material de alimentación (biomasa).

Las partículas del combustible se introducen en el lecho del reactor y se mezclan rápidamente con el material, calentándose casi instantánea-mente a la temperatura requerida. Como resulta-do de este tratamiento, el combustible se piroliza

muy rápidamente y da como resultado una mez-cla de componentes con una cantidad relativa-mente elevada de materiales gaseosos [52][14]. La composición de gas de síntesis producida por los diferentes tipos de gasificador se muestra en la Tabla I [10].

TABLA I. COMPOSICIÓN TÍPICA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE LA MADERA EN

GASIFICADORES DE TIRO INVERTIDO

COMPONENTES [%]

H2 12-20

CO2 9-15

CH4 2-3

CO 17-22

N2 50-54

PODER CALORÍFICO 5-5.9MJ/m3

Fuente: Stassen HEM, Knoef HAM 1993

IV. AGENTES GASIFICANTES

Los agentes gasificantes son sustancias que se agregan al proceso y permiten la descomposi-ción de los productos de la combustión parcial de la biomasa en componentes del gas de síntesis. Como ya se mencionó anteriormente, el oxígeno como agente gasificante puede lograr un mejor rendimiento pero, a su vez, incrementa el costo de producción. Adicionalmente a permitir las re-acciones de gasificación, la combustión parcial brinda el calor necesario para secar la biomasa, producir la pirólisis e iniciar el proceso, ya que las reacciones de gasificación suelen ser de tipo en-dotérmico, y dan como resultado dióxido de carbo-no (CO2) y vapor de agua en los productos [43]. Al emplear vapor de agua como agente gasificante, se facilita la generación de H2, el poder calorífico del gas de síntesis será mayor, alrededor de 10-15MJ/m3 [43][44]

Otro agente gasificante, que muestra buenos resultados, es el CO2, debido a su presencia en el gas de síntesis. Por otra parte, una mezcla entre vapor H2O y CO2 del aire y/u O2 también puede ser utilizada, junto con un porcentaje de la combus-tión de biomasa con aire/O2 para proporcionar el calor necesario para gasificación [43][44][41].

Estrategias para el Modelado de Procesos de Gasificación

El control de la producción de gas es uno de los grandes inconvenientes del proceso, puesto que las variables de control influyen directamen-


te en la calidad y composición del gas, donde el objetivo es la minimización de los residuos tóxi-cos y alquitranes. Un aspecto clave para mejorar la eficiencia del proceso, es la integración de la dinámica del proceso de gasificación con la toma de decisiones reales de la operación de la planta. Estrategia evidenciada en el uso de modelos evo-lutivos inteligentes-adaptables para el control y optimización.

A. Control basado por modelos MBC

El Control (MBC) consiste en hacer un modelo al cual se le aplica una técnica adaptativa sin te-ner en cuenta retrasos en el tiempo ni variables re-lacionadas con la biomasa (peso, masa y demás). Una técnica derivada de la anterior es el Modelo Predictivo de Control (MPC), que utiliza un modelo interno para predecir la dinámica del sistema du-rante un período fijo, característica que hace que las técnicas MPC sean un modelo atractivo para los ingenieros de la planta. Estos modelos pueden ser construidos a partir de ensayos y datos toma-dos experimentalmente [29].

Estas técnicas, se basan principalmente en modelos mecanicistas, por lo tanto la efectividad del control depende de la exactitud del modelo.

Este problema se ha simplificado considera-blemente al utilizar modelos de redes neuronales (RNA) Figura 2. Las cuales han demostrado su uti-lidad en implementaciones de control de procesos químicos [19].

Fig 2. ESQUEMA DE UNA RED NEURAL

Fuente: P., Basu. 2006

Algunas de las características relevantes de las RNA son:

• Habilidad para representar a las arbitrarias re-laciones no lineales.

• La adaptación y el aprendizaje en los siste-mas cerrados, siempre a través de los off-line y en la adaptación de peso en línea.

• Arquitectura de procesamiento distribuido, que permite un rápido tratamiento en gran es-cala de sistemas dinámicos.• La implementación de hardware.• Fusión de datos. Las redes neurales pue-

den operar simultáneamente en los datos cuantitativos y cualitativos.

• Los sistemas multivariable, para varias entradas varias salidas. [19][22].

B. Control por modelo ideal

Otro modelo estudiado es el que opera como cero-dimensional. Este aprovecha las condiciones de lo ideal, una reacción química adecuada y el tiempo de permanencia. El modelo trata de supo-ner el intervalo más largo y observa la necesidad de completar la reacción en ese tiempo; de tal ma-nera que el modelo de equilibrio sea el apropiado. En todos los modelos de equilibrio, un conjunto de ecuaciones no lineales describen la conserva-ción de las especies químicas (C, O2, H2, N, S) y las ecuaciones adicionales, para el equilibrio térmico de las reacciones independientes (las cuales co-rresponden a la minimización de la energía libre de reacción) que permite una predicción de la sa-lida a composiciones dadas de los reactivos y las condiciones de operación (presión y temperatura). El conjunto resultante de ecuaciones no lineales es resuelto por iteración de la solución de un sis-tema lineal que, a su vez, se establece en térmi-nos de la matriz de tridiagonalización.

El modelo fue usado para la simulación de gasificación de carbón por Manfrida, 1990 [26], considerando un total de 19 especies de produc-to comúnmente encontradas en los procesos de gasificación (CO, CH4, H2, C2H4, C2H6); algunas es-pecies que pueden ser relevantes desde el punto de vista ambiental y cuya formación podría ser descrita, al menos en parte, por reacciones de equilibrio, fueron también incluidas las especies (HCN, NH3, H2S y COS). El modelo asume compor-


tamiento de gas perfecto para los reactivos y los productos, de modo que no puede describir pro-cesos de pirólisis donde se producen fracciones significativas de hidrocarburos líquidos; la única excepción al comportamiento de gas perfecto es la posible presencia de carbón sólido entre los re-siduos de los reactivos. Propiedades termoquími-cas de todas las especies fueron tomadas de las tablas de JANAF [16].

Las condiciones termodinámicas, a las cuales las reacciones tienen lugar, pueden ser manipu-ladas por cambios de presión, temperatura (que puede ser incluso calculada evaluando los proce-sos a condiciones adiabáticas) o calor transferido por radiación de la zona de reacción. El flujo de biomasa así como el de aire (u Oxígeno, depen-diendo de la elección del oxidante) y agua o vapor, puede ser seleccionado por el usuario. El modelo es capaz de ejecutarse a un nivel de temperatura especificado, o para calcular iterativamente las condiciones correspondientes a la temperatura de llama adiabática, o a cierre del balance de energía a un porcentaje del valor calorífico de la biomasa como materia prima.

El vapor inyectado en la zona de reacción pue-de ser producido regenerativamente dentro del gasificador. En este caso, el intercambio de calor entre el agua y el gas tiene lugar antes de la sa-lida en el gasificador. La producción regenerativa de vapor puede también resolver el problema de enfriamiento de los gases de salida, cuando sea necesario.

En conjunto del gasificador es descrito por un sistema incluyendo muchos bloques (reactor, módulos de transferencia de calor, entre otros), esquematizado en la Figura 3. El modelo propor-ciona una descripción relativamente exacta del balance de energía del gasificador (entrada y sali-da de energías químicas, valores caloríficos de la materia prima y el gas de síntesis y condiciones termodinámicas de gas de síntesis a la salida), además se realizó un análisis de exergía [32] [51], que permite una estimación total de la irreversibi-lidad en el proceso de transformación de la bio-masa como materia prima dentro de una corrien-te caliente del gas de síntesis del combustible y también proporciona detalles internos de las dis-tribuciones perdidas que pueden ser analizadas e interpretadas para buscar la minimización del total de pérdidas.

Un punto que debería ser subrayado es que el programa no toma en cuenta la diferencia de com-posición de las diversas fuentes de biomasa, pro-porcionando el mismo análisis definitivo. Correc-ción válida para balances de energía, pero poco aproximada con la cadena de reacciones que con-ducen a la formación de algunas especies (como NH3, cuya formación es afectada por la forma de los átomos de nitrógeno en el interior de las molé-culas de la materia prima). La caracterización de la biomasa se obtiene de ellos sólo porque esta-blezca su composición, como puede ser encontra-da por ejemplo en Domalski, 1987 [17][35].

El encabezamiento de una partición primaria (parte) se precede de un numeral romano seguido de punto, espacio y el título en versalita (sólo la primera letra en mayúscula). Todo ello centrado sobre el texto que encabeza.

El encabezamiento de una partición de segun-do orden (sección) consiste en una letra mayúscu-la (en orden alfabético) seguida de punto, espacio y el título (con la primera letra en mayúscula), todo ello en cursiva y justificado a la izquierda de la co-lumna.

El encabezamiento de una partición de tercer orden (apartado) consiste en un número arábigo (en orden natural) seguido de final de paréntesis y del título (con la primera letra en mayúscula), todo ello en cursiva y sangrado.

Las particiones de cuarto orden (subapartados) se necesitan raramente, pero pueden usarse. Se encabezan mediante una letra minúscula (en or-den alfabético) seguida de un paréntesis de cierre y el título (con la primera letra en mayúscula), todo ello en cursiva y sangrado.

Si se necesitaran particiones de quinto orden deben encabezarse simplemente mediante una viñeta seguida del título en cursiva, todo ello con doble sangrado.

C. Efectos de la biomasa empleada

Para la validación de los datos del código de si-mulación, se encontraron datos en experimentos descritos en la literatura. Un ejemplo de ellos es el gasificador [9] que utiliza un aire inyectado cir-culante en una unidad piloto de lecho fluidizado. Otro ejemplo es el aire inyectado presurizado en el reactor de lecho fluidizado. Gasificador de [45]. Este utilizó un inyector de Oxígeno en un reactor


de lecho de flujo arrastrado. Los datos reportados incluyen la composición del gas, un valor calorífi-co, la eficiencia del gasificador (incluidos ambos valores caloríficos y calor sensible del gas a la sa-lida del gasificador) y su eficiencia de exergía. [9]

D. Modelo Predictivo

El control predictivo es capaz de tratar muchos problemas prácticos de control, tales como garan-tías de estabilidad nominal, optimización del ren-dimiento nominal y manejo de restricción, además puede dar diseños sistemáticos para los sistemas multi-variables como el caso del ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC), el cual combina la gasificación de carbón con la tecnología del ciclo convencional dando como resultado un pro-ceso de gasificación limpio del carbón de alta efi-ciencia. Las ventajas son: un alto rendimiento en la generación de energía, una eficiencia alta con IGCC, disminución en la contaminación.

Límites de entrada: Los límites de flujo de en-trada no deben ser excedidos así como la tasa de entrada de los límites de cambio tampoco deben excederse.

Límites de producción (salida): La fluctuación del valor calorífico debe ser minimizado y siempre estar en el rango de +/- 10 kJ/kg, la fluctuación de presión debe ser minimizada y siempre menor que +/- 0.1 bar, la masa en el lecho debe oscilar en menos del 5% del nominal, y la oscilación de temperatura debe guardar un mínimo, que debe ser siempre menor que +/- 1 C

T-S Multi-modelo de control predictivoConsiderado un sistema dinámico no lineal el

cual se puede representar por la siguiente fórmula:

y(k)=g(y(k-1),…,y(k-n),u(k),…,u(k-m-1)) (3)

Se asume que la función g() es una función no lineal, con salidas y() y entradas u(). De la anterior formulación se puede denotar que el modelo T-S se puede linealizar teniendo en cuenta las varia-bles y sus supuestas salidas, dentro de un rango dinámico limitado. [49][40]

VI. PROGRAMACIÓN DE CONTROLADORES

Primero, se obtiene el control-objeto del punto de operación típico en un modelo lineal estaciona-rio en tiempo discreto. Para considerar el impacto

de perturbación en el modelo; el modelo debe ser incorporado dentro de los elementos de perturba-ción. Asumido que las condiciones del modelo en el punto son variables acotadas. Donde u(k) es la entrada y y(k) es la medida de la perturbación en la entrada. [49][8]

A. Modelo (PID) para un gasificador

El gasificador de carbón es esencialmente un reactor químico donde el carbón reacciona con aire y vapor y cuyos productos del proceso de gasi-ficación son un valor calorífico del gas de síntesis, que puede ser quemado en turbinas de gas.

El controlador debe ajustar las entradas a fin de regular las principales variables de salida del gasificador que, por ejemplo, son la temperatura del gas, la presión del gas, el valor calorífico del gas y la masa en el lecho, entre otras.

Puesto que el gasificador, es un sistema multi-variable y altamente no lineal, con importantes interacciones entre las variables de la entrada y la salida, las actuales estrategias de control son poco eficientes [49][47]. En los gasificadores existentes, el control automático no va más allá del control PI (proporcional/ Integral) o PID (pro-porcional/ integral/ derivada) enlazados al flujo alrededor de los actuadores de alimentación del sistema. Por ejemplo, en el gasificador experimen-tal del instituto de desarrollo tecnológico de Esta-dos Unidos, el circuito de control es cerrado por un operador humano experto, quien usa su juicio para modular las tasas de flujo de masa (carbón: aire, vapor, aire y otros) y por lo tanto, los puntos establecidos para los controles en el actuador de salida (PID). Procedimiento similar al utilizado en el gasificador de biomasa fluidizado a presión de la Universidad de Delf en los Países Bajos.

B. Modelo Multivariable no Lineal

El modelo empleado para el proceso del ga-sificador del grupo MDL&GE es un modelo multi-variable no-lineal, que tiene cinco entradas con-trolables (carbón, caliza, aire, vapor y el caudal) y cuatro salidas (presión, temperatura, masa en el lecho y la calidad del gas) con un alto grado de acoplamiento entre ellos. La piedra caliza se utili-za para absorber el azufre en el carbón, por ende su caudal debe establecer una relación fija con el flujo de carbón (nominalmente 1 caliza: 10 car-bón). Esto reduce el problema a cuatro problemas


de regulación para cada entrada. Otras entradas de control pueden incluir a las condiciones en el modelo de límites; mejorando las maniobras de operación en diferentes puntos, mediante el mo-delo (PSINK) de dos entradas de perturbación externa, las cuales se representan por medio de perturbaciones inducidas por la presión. A conti-nuación se listan las entradas y salidas controla-bles, producto de este análisis.

Entradas (kg/s)

• Flujo de carbón coquizado WCHR

• Flujo de aire WAIR

• Flujo de carbón WCOL

• Flujo de vapor WSTM

• Flujo de piedra caliza WLS

Las entradas de perturbación son:

• Presión PSINK (Pa)

• Calidad del carbón (%)

Salidas controladas:

• Valor calorífico del gas combustible CV GAS

(kJ/kg)

• Masa del lecho MASA (kg)

• Presión del gas combustible PGAS (Pa)

• Temperatura del gas combustible TGAS (K)

C. Control Basado en Estimaciones.

La estimación del estado basado en el control de un gasificador de carbón, junto a las técnicas de estimación de parámetros en línea, proporcio-nan un medio para inferir valores en tiempo real de las variables claves del proceso, que no pue-den medirse directamente. Estas estimaciones de Estado pueden ser útiles para el mejoramien-to del control de proceso, mediante la filtración de Kalman (KF), la cual se aplica a un sistema no lineal de gasificación de carbón, operada ini-cialmente en el marco de la estrategia de control convencional de retroalimentación. Donde, las perturbaciones que no son medibles en la ope-

ración de gasificador, surgen de la presión de descarga y la calidad de carbón de alimentación.

El algoritmo KF es un método fácil de aplicar, sin complicaciones y con un diseño especial para el tratamiento o ajuste de los parámetros en con-junto. La principal motivación para el empleo de estimación de estado es la obtención de los va-lores de las perturbaciones del proceso no medi-das. Para ello, se trata v como variable de estado adicional no medible que varía aleatoriamente sobre un valor fijo (inicialmente desconocido) y se incluyen en un estado aumentado, en conse-cuencia el vector z [21]

En la línea de control predictivo se ha incor-porado una nueva acción de integración para dar libertad al seguimiento. La teoría propuesta por Víctor Becerra (Universidad Ciudad de México), destaca el hecho de que los límites de intervalo de muestreo que se plantean en la práctica, son el problema que se presenta al momento de la programación lineal MBPC cuadrática en cada in-tervalo de muestreo, y puede tener un efecto per-judicial sobre el rendimiento de circuito cerrado de alcanzar el sistema estable, esto sugiere que el control de entrada tiene limitaciones impor-tantes en el diseño de sistemas de alimentación de gasificación.

VII. EXPERIENCIA EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

En la Universidad Nacional se han realizado procesos de gasificación a partir de la cascara de cacao, cascarilla de café, cascara de coco y made-ra, entre otros. Uno de los grandes inconvenientes en el proceso de gasificación, es el control de la producción de gas de calidad y en qué porcenta-je obtenerlo; poder minimizar los residuos tóxicos y alquitranes al punto de controlar la totalidad del proceso. Una cuestión clave para mejorar la eficiencia energética y consolidar la gasificación como fuente potencial de energía que permita la implementación de sistemas automáticos en la industria.

Con base en las investigaciones desarrolladas en el grupo MDL&GE, se han incluido sistemas de adquisición de datos de los sensores de tempera-tura, que están distribuidos de la siguiente forma: la T1 se encuentra ubicada en la zona de piróli-sis, T2 en la zona de combustión y T3 y T4 en la


de gasificación. (Figura 3) Mediante estas imple-mentaciones se han implementado aplicaciones de control sencillo pero con grandes resultados. Tabla II y Figura 4 [11]

Fig. 3. GASIFICADOR DE LECHO FIJO


Fig. 4. PERFIL DE TEMPERATURAS


Los perfiles de temperatura como se muestra en la Figura 4 determinan los puntos donde se debe utilizar algún tipo de control para mantener la temperatura en relación con la calidad del gas (estabilización de las temperaturas).

La monitorización en tiempo real de los per-files de temperatura, garantiza que el control, sea manual o automático, mantenga regímenes de operación para realizar los experimentos con repetitividad de las variables internas al reactor. Esto mejora el diseño de los experimentos.

TABLA II.TEMPERATURAS DENTRO DEL REACTOR

tiempo (min) T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C)

0 17,5 66,6 59,1 13,8

3 18,1 83,4 77,3 54,8

6 18,6 265,4 157 47,8

9 22 405 232,3 54

13 56,3 568 343 76,5

19 39,8 454,4 465,8 96,8

25 51,9 618,5 553 170,4

29 50,3 592,2 510,3 250,4

33 47,2 568,2 526,7 230,2

37 52,1 656,3 513,1 303,6

41 55,9 679,4 531,1 303,5

44 49,5 683,9 564,1 327,6

48 49,3 751,8 596,2 336,7

50 52,1 839,5 582,2 336,8

53 59,4 826,2 562,9 336,3


VIII. CONCLUSIONES

Se han desarrollado diferentes tipos de mode-los para sistemas de gasificación y su reacción ci-nética, El sistema en equilibrio con las etapas de control por medio de redes neuronales artificiales, hacen que el comportamiento pueda predecir si-tuaciones extremas. En los modelos cinéticos que predicen el progreso y la composición del produc-to en diferentes posiciones a lo largo de un reac-tor, ha sido de gran ayuda adaptarlo a un sistema equilibrado, ya que puede predecir el máximo ren-dimiento posible, en un producto deseado de un sistema de reacción. También proporciona un útil diseño de apoyo, para evaluar el posible compor-tamiento y sus límites en un complejo sistema de reacción que sea difícil o peligroso para reproducir experimental.

AGRADECIEMIENTOS

Este proyecto fue financiado con recursos de la Universidad Nacional de Colombia, según pro-yecto código 13151; “Apoyo de la DIB a tesis de investigación en posgrado” y el Proyecto “Alianza


estratégica para la investigación de la obtención de gas de síntesis desulfurado a partir de la gasi-ficación de carbones colombianos” código 12651.

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Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en

microscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head position

control to be used in optical microscopy

Paula Andrea Ortiz Valencia MSc. en Ingeniería área Automática,

Universidad Pontificia Bolivariana. Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo Automática y Electrónica,

Instituto Tecnológico Metropolitano ITM. Medellín, [email protected]

Lorena Cardona RendónPhD(c) Universidad Nacional de Colombia

MSc. en Ingeniería área Automática, Universidad Pontificia Bolivariana.

Grupo Inteligencia Artificial en Educación, Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín,

[email protected]

Resumen— En este artículo se diseña un control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una uni-dad de CD que se piensa emplear en el desarrollo de un microscopio óptico motorizado. En dicha aplicación se reemplazará el disco o CD por una placa con la mues-tra que va a ser estudiada, y se usará el cabezal de la unidad para iluminar la muestra. Con el controlador di-señado se busca que no haya dependencia del subcó-digo escrito en un CD para determinar la posición del cabezal, para lo cual se usará un ratón de computador como sensor de posición. También se busca un control que mejore el desempeño del sistema y que sea robusto frente a las incertidumbres en el modelo de la planta, razón por la cual se empleará un control tipo fraccional (PI^λD^μ) y se ajustarán los parámetros K_p, K_i, K_d, λ, μ con cinco especificaciones de robustez. Para la sinto-nización del control se utiliza la toolbox de optimización de Matlab con la función fmincon. Al final del artículo se presentan los resultados en simulación, se concluye sobre la resolución obtenida, la robustez del controlador y la viabilidad del sistema de control para ser empleado en un microscopio.

Palabras clave— Control de posición, Control Fraccio-nal, Control Robusto, Microscopía óptica, ratón óptico, unidad de CD.

Abstract— On this work a fractional PID controller is designed for a CD pickup head position control that is intended to use in the development of a motorized op-tical microscope. In such an application the disk or CD would be replaced by a plate with the sample to be stu-died, and the pickup head would be used to illuminate the sample. The controller is designed in such a way that there is no dependence on a CD written subcode to de-termine the position of the head, and for this, a compu-ter mouse is used as a position sensor. We also look for the controller to improve the system performance and to be robust against model uncertainties of the plant, that is why we use a fractional controller PI^λ D^μ and adjust the parameters K_p, K_i, K_dλ and μ according

to five robustness rules. For tuning the control we use the Matlab optimization toolbox together with fmincon function. At the end of the paper we present the simula-tion results, concluding about the resolution obtained, the robustness of the controller and the viability of the control system to be used in a microscope.

Keywords— CD , fractional control, position tracking, ro-bust control, , optical microscopy , optical mouse.

I. INTRODUCCIÓN

Debido a las rápidas mejoras en las tecnolo-gías de manufactura electrónica, los computado-res se han convertido en productos electrónicos de corta vida, lo que termina en una gran cantidad de computadores desechados que pueden con-taminar seriamente el medio ambiente [1]. Para aportar una solución, muchos investigadores han desarrollado trabajos en los que diferentes partes de computador se reutilizan y adaptan para dar soluciones innovadoras a problemas en diversos ámbitos. Una parte de computador que ha tenido especial interés es la unidad de Disco Compacto (CD), ya que contiene elementos opto-mecánicos muy precisos.

Cuando se revisa el estado del arte, se en-cuentran aplicaciones de las unidades de CD en perfilometría [2]–[8], en microscopía de barrido [9], en microscopía de fuerza atómica [10] –[14], para desarrollar un velocímetro [15], [16], para desarrollar un interferómetro de Fizeau multifa-se homodino [17], para medir rectitud [18], para el desarrollo de una micro-máquina de medición por coordenadas [19][20], para crear un pulsador


electrónico [21], para desarrollar un aceleróme-tro óptico [22][23], en el desarrollo de una son-da táctil tridimensional [24], para desarrollar un biosensor óptico [25], un sistema de análisis ce-lular [26], un sistema de micro-espectroscopia de Rhaman miniaturizado [27], para medir eventos vinculantes bio-moleculares [28], en citometría [29]–[31], para análisis de micro-estructuras [32], en la detección óptica para chips de ADN [33][34], en la detección de bio-información a partir de un bio-chip [35], para desarrollar un autocolimador [36], para detectar drogas y uniones en células biológicas [37].

Como aporte adicional en esta línea, en el Ins-tituto Tecnológico Metropolitano (ITM), en Colom-bia, se está desarrollando un microscopio óptico de bajo costo con platina motorizada, a partir de una unidad de CD desechada. En este caso, en lu-gar de un CD, se tendría una placa con la muestra para ser observada y el cabezal de la unidad servi-ría para iluminar la muestra de manera enfocada, l conuna cámara Web al lado opuesto para tomar las imágenes.

En el control normal de posición del cabezal de una unidad de CD se lee un sub-código escrito en el CD que informa al sistema la posición del cabe-zal en cada momento. Pero, en este trabajo, no se tiene un CD sino una placa con una muestra y, por lo tanto, se pierde el sub código que permite realimentar el lazo de control.

La mayoría de los trabajos estudiados, en los que se desarrollan aplicaciones alternativas a las unidades de CD, utilizan únicamente la tecnología de auto-enfoque encontrada dentro del cabezal de la unidad, muchos no requieren controlar el movimiento del cabezal y los que sí lo requieren, usan motores o plataformas piezoeléctricas que son costosas y que, por lo tanto, no podrían ser empleadas en este trabajo, ya que se quiere lo-grar un microscopio de bajo costo. Se exceptúan los trabajos de Islam et al. [8], quienes usaron un ratón óptico para medir la velocidad del cabezal, y Bartoli et al. [5], [6], quienes usaron el mismo cabezal óptico de la unidad como sensor. Sin em-bargo, en los trabajos mencionados, se controla la velocidad del cabezal más no su posición.

Para lograr medir la posición del cabezal, en este trabajo se recurrirá a la combinación de dos sensores, a saber, un ratón óptico y un codifica-dor de un ratón optomecánico de computador,

mediante la técnica de mínimos cuadrados pon-derados.

El control de posición de la platina se hará con un controlador PID tipo fraccional. La razón por la cual se seleccionó este tipo de control es que éste posee la ventaja frente a otros contro-ladores robustos de que los conceptos teóricos y el lenguaje utilizado son de fácil comprensión, ya que se lo puede ver como un caso especial de los controladores PID de orden entero, que son de co-mún manejo para todos los profesionales de esta área de conocimiento. Adicionalmente, los con-troladores de orden fraccional por su cantidad de parámetros ajustables, permiten respuestas en el tiempo y la frecuencia del sistema de control más maniobrables con un desempeño robusto, sin ne-cesidad de utilizar representaciones en espacio de estado.

Los controladores de orden fraccional son una nueva alternativa que ha permitido explicar fenómenos que eran imposibles de comprender desde el punto de vista de los sistemas lineales enteros [38], razón por la cual ha sido objeto de recientes desarrollos, contándose incluso con una toolbox para Matlab [39] llamada CRONE (CommandeRobusted’OrdreNnon Entier) [39].

Uno de los inconvenientes que tiene este controlador es la dificultad que se presenta para sintonizarlo. En este sentido se ha intentado apli-car diferentes técnicas para la sintonización de controles fraccionales, como el método Ziegler-Nichols [40][41], series de polinomios [42], algo-ritmos genéticos [43], enjambres de partículas [44], teoría electromagnética [45], cuantificado-res dinámicos [46] y modos deslizantes [47][48]. Sin embargo, muchas de las técnicas usadas pre-sentan problemas por la cantidad de parámetros que se requiere calcular, lo que se traduce en alta carga computacional y altos tiempos de procesa-miento, siendo esta la razón de que muchos tra-bajos de implementación del control fraccional se hayan hecho sobre variables o procesos de reac-ción lenta, tales como el control de temperatura.

En este trabajo se optará por la aproximación usada en [40], que consiste en un método iterati-vo que busca cumplir cinco condiciones de robus-tez. La razón es que en dicho trabajo se muestra la posibilidad de obtener una sintonización rápida del control con resultados robustos.


II. MATERIALES Y MÉTODOS

A. Modelo de la Unidad de CD

Para obtener un modelo de la unidad de CD, se recurrió a un software de modelado en 3D (Auto-desk Inventor ® 2011), en el cual se construyeron los modelos de cada uno de los componentes a partir de medidas sobre una unidad de CD real to-madas con un calibrador. Luego, las partes mode-ladas se unieron en un archivo de ensamble para generar las relaciones entre ellas. La unidad de CD y el modelo en 3D se observan en la Fig. 1. El modelo está compuesto por los elementos que se listan a continuación (los elementos listados es-tán realmente formados por varios componentes, pero sin movimiento relativo entre ellos):

Placa: es el elemento fijo, allí están las guías por las que desliza el cabezal y el armazón del mo-tor.

Engranaje 22: Está conectado directamente al eje del motor. Tiene 22 dientes y un diámetro primitivo de 8.8mm.

Engranajes 95_18: Son dos engranajes cons-truidos en un solo cuerpo, uno de los cuales en-grana con el engranaje 22 (de 95 dientes y un diá-metro primitivo de 38mm) y el otro engrana con la cremallera conectada al cabezal (de 18 dientes y un diámetro primitivo de 7.14mm).

Cabezal: es el elemento cuyo desplazamiento se quiere controlar. Está compuesto también por la cremallera, que engrana con una de las ruedas que componen el elemento llamado Engranaje 95_18.

Fig. 1. FOTO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EMPLEADA EN ESTE TRABAJO (A LA IZQUIERDA) Y MODELO EN 3D DE LA MISMA UNIDAD CONSTRUIDO EN

AUTODESK INVENTOR ® (A LA DERECHA).


En la Fig. 2 se muestra el mecanismo de mo-vimiento que se pretende controlar. El Engranaje 22 es accionado por un motor de corriente directa (DC) de la unidad de CD. Este engranaje transmite el movimiento al Engranaje 95_18, que a su vez le transmite el movimiento a la cremallera que está unida al cabezal.

Fig. 2. MECANISMO QUE SE PRETENDE CONTROLAR.


A partir del modelado en 3D, fue posible crear un modelo del sistema en el software Si-mulink, mediante un aplicativo de enlace entre los dos programas llamado SimMechanics Link. Esto permitió exportar las propiedades físicas de los objetos modelados (momentos de iner-cia, centros de gravedad, coordenadas, puntos de contacto), así como sus grados de libertad. El modelo exportado en Simulink se muestra en la Fig. 3.

Fig. 3. MODELO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EN SIMULINK.


En el modelo de la Fig. 3, los bloques que re-presentan los cuerpos tienen puntos de conexión que están determinados por coordenadas espa-ciales [x, y, z]. Los cuerpos se conectan entre sí a través de uniones (revoluta, prismática) y a través de restricciones (restricción de engranajes, actua-dor de velocidad). Estas últimas, no fueron expor-tadas por el programa SimMechanics Link, sino que se crearon manualmente.

La restricción de engranajes expresa la re-lación de velocidad entre los dos engranajes se muestra en (1):


emplazar estos valores en (3), se obtiene que la función de transferencia (4) para el motor de la unidad de CD.

C. Modelo del Codificador

El codificador empleado en esta aplicación pertenece a un ratón opto-mecánico de compu-tador. El codificador consta de una rueda ranura-da, un LED y sensor infrarrojo. Las ranuras en la rueda rompen el haz de luz proveniente del LED de tal forma que el sensor infrarrojo, al otro lado de la rueda, lee pulsos de luz cuya velocidad es directamente proporcional a la velocidad de giro de la rueda.

La rueda del codificador se ubicó sobre el En-granaje_22, teniendo, por lo tanto, una relación 1:1 con el giro del motor. Conocida la relación entre los engranajes y la cantidad de ranuras del codificador, es posible calcular el desplazamiento de la cremallera. La resolución para medir este desplazamiento estaría dada por (5):

donde N es el número de ranuras en el codifica-dor, Z1 y Z2 son el número de dientes del engranaje acoplado al motor (Engranaje 22) y el engranaje conducido (Engranaje 95_18), respectivamente, y Dp3 es el diámetro primitivo del engranaje que impulsa la cremallera. Reemplazados los valores en la ecuación, se tiene el resultado (6).

De acuerdo con este resultado, para simular la medición del sensor, se cuantizó la medida de desplazamiento de la cremallera en múltiplos de 0,1039mm.

D. Modelo del Ratón Óptico

En un ratón óptico, un sensor toma fotografías de la superficie bajo el ratón y un motor de na-vegación óptica identifica características en las imágenes y sigue la pista de su movimiento. Esto se traduce en coordenadas x e y de movimiento del cursor. Conociendo la resolución del ratón, es posible traducir los desplazamientos del cursor en

(donde y son los diámetros primitivos de la rueda conductora y la rueda conducida, res-pectivamente, y , son las velocidades angula-res de las mismas.

El piñón y la cremallera constituyen un par cinemático en el que se convierte el movimiento rotacional del piñón en un movimiento traslacio-nal de la cremallera. En el modelo, el piñón está sujeto a tierra por una unión de revoluta en su centro, que le deja un solo grado de libertad ro-tacional alrededor del eje z, mientras la cremalle-ra está conectada a tierra a través de una unión prismática que le permite moverse a lo largo del eje x. Los puntos de contacto del engranaje con la cremallera deben tener la misma velocidad y esta restricción se puede representar por (2):

donde rp es el radio primitivo del piñón, es la velocidad de giro del piñón (en rad/s) y ẋ es la ve-locidad de desplazamiento de la cremallera.

B. Modelo del Motor de la Unidad

El control de posición de la cremallera (y por lo tanto del cabezal unido a ella) se hará contro-lando el voltaje del motor de DC que transmite su movimiento directamente al Engranaje 22. En el modelo de la Fig. 3, se agregó un actuador sobre el engranaje, que consiste en un torque de entra-da expresado en N*m. Por tal motivo, se necesita de un modelo del motor de DC que relacione el cambio en la entrada de voltaje (variable manipu-lada) con el cambio en el torque de salida.

La función de transferencia de un motor DC, teniendo como entrada el voltaje y como salida el torque, se puede expresar como se ve en (3) [50]:

Donde Vf es el voltaje aplicado al motor, Rf es la resistencia de campo, Lf es la inductancia y Kmf es la constante de fuerza electromotriz. Para el mo-tor de la unidad, estos valores son: Kmf=1,23x10-2V s/rad, Lf=2,189x10-3 Henrys y Rf=21Ω. Al re-


desplazamiento del ratón en milímetros. En este caso, el ratón de computador empleado tiene una resolución de 0,03mm/píxel.

Para usar el ratón óptico en esta aplicación, se adhiere una superficie de referencia al cabezal de la unidad que permanezca en contacto con el ra-tón fijo. El movimiento del cabezal y, por lo tanto, de la superficie de referencia, produce la lectura de desplazamiento en el ratón.

Para simular la medida del sensor, se cuantizó la medida de desplazamiento de la cremallera en múltiplos de 0,03mm.

E. Combinación de Ambos Sensores por el Mé-todo de Mínimos Cuadrados Ponderados

Para lograr una estimación de la posición del cabezal de la unidad combinando la medida de los dos sensores (el codificador y el ratón óptico), se usa la técnica de mínimos cuadrados ponde-

rados, expresada en las ecuaciones (7) y (8) [51]:donde es la posición estimada, Z1 es la medi-

da del sensor 1 y es la varianza del error en dicha medida, Z2 es la medida del sensor 2 y es la varianza del error en dicha medida, es la va-rianza del error de la estimación .

F. Solución a la Cuantización de los Sensores

Para el control de la posición del cabezal, es necesario tener en cuenta los límites impuestos por la resolución de los sensores, cuya cuantiza-ción causa respuestas del sistema con oscilacio-nes en el estado estable. Para solventar este pro-blema, se aplicará la solución propuesta en [52], que consiste en implementar un elemento de “zona muerta” a la salida del sensor. Como efec-to, se elimina la discontinuidad en 0 que ocasiona la aparición de oscilaciones. Para que la solución propuesta tenga efecto, se debe cumplir (9):

Donde δ es el tamaño de la zona muerta y ∆ es la resolución del sensor. Aunque (9) no indica un límite superior para el valor de δ, se debe tener en cuenta que, aun cuando un valor de δ mayor que la resolución del sensor garantizará una respues-ta del sistema sin oscilaciones, mientras mayor sea δ, menor será la precisión lograda con el lazo de control [53].

G. Diseño del control fraccional

Para el análisis de los controladores fracciona-les se parte del diagrama de bloques presentado en la Fig. 4.

Fig. 4. DIAGRAMA DE BLOQUES DE ACCIONES DE CONTROL

Fuente: [38].

La acción integral tiene como propósito dis-minuir y eliminar el error de estado estacionario, pero hace más lenta la respuesta del sistema y disminuye su estabilidad. Por otra parte, la ac-ción derivativa busca aumentar la estabilidad del sistema pero tiende a incrementar los ruidos y las perturbaciones de alta frecuencia. Usando un sistema de orden fraccional, es decir, μ ϵ (–1,1), estos efectos del controlador integral y derivativo se reducen. Los resultados dependen del valor seleccionado μ, o en otras palabras, de la sinto-nización del control fraccional. En este trabajo la sintonización del controlador se realiza mediante la función fmincon de la toolbox de optimización de Matlab, haciendo uso de las restricciones pro-puestas en [40] donde se diseña el control con base en cinco condiciones de robustez:

Que la magnitud del sistema en lazo abierto, evaluado en la frecuencia de cruce de ganancia wcg cumpla con (10):

2) Que el margen de fase ф evaluado en wcg, que está relacionado de forma directa con el amortiguamiento del sistema, cumpla con (11):


3) Para rechazar los ruidos de alta frecuencia, la función de sensibilidad T(jw) debe cumplir con (12):

Para

4) Para rechazar las perturbaciones de la sali-da, la función de sensibilidad S(jw) debe cumplir con (13):

Para

5) Para tener un sistema robusto frente a va-riaciones de la ganancia, la derivada de la fase del sistema en lazo abierto con respecto a la fre-cuencia del cruce de ganancia wcg debe cumplir con (14):

La función de transferencia del control fraccio-nal se muestra en (15):

Los márgenes de ganancia (φm) y fase (φm) son medidas importantes de robustez que se re-lacionan con el factor de amortiguamiento del sis-tema y afectan la medida de desempeño, por esta razón, se tuvieron en cuenta en el diseño.

III. RESULTADOS Y ANÁLISIS

Para el diseño del control es necesario encon-trar el modelo matemático lineal del sistema, lo cual se logró mediante un proceso de identifica-ción en lazo cerrado (ya que el sistema en lazo abierto es inestable), según la metodología pro-puesta en [54]. En la Fig. 5. Se observa la res-puesta del sistema para una entrada tipo escalón.

La respuesta obtenida se llevó a la toolboxi-dent de Matlab, la cual permite obtener una fun-ción de transferencia e indica el grado de ajuste logrado con un índice de desempeño. De esta ma-nera se obtuvo el modelo de segundo orden de la

forma donde k=1,wn=

42.73ε = 0.71,θ = 0.018 mostrado en (16),

Fig. 5. RESPUESTA DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO ANTE UNA SEÑAL ESCALÓN


La validación del sistema se muestra en la Fig. 6Fig. 6. VALIDACIÓN DEL SISTEMA IDENTIFICADO VS. EL SISTEMA REAL

ANTE UNA SEÑAL ESCALÓN


Se obtuvo un índice de desempeño de

Los parámetros de diseño para el sistema que se va a controlar son:• Margen de fase Mφ=60°.• Frecuencia de Ganancia wcg=60rad/s


• El sistema debe de ser robusto ante cambio de la ganancia.

• Función de sensibilidad |S(jw)|_db≤-20db,∀w≤w_s=0.001 rad/s

• Rechazo a ruido |T(jw)|_db≤-20db,∀ w≥ws=10rad/sCon estos parámetros, aplicada la metodología

explicada en la sección I-G, se obtuvo la siguiente función de control:

Se debe anotar que para el diseño del sistema de control no se tuvo en cuenta la cuantización de los sensores, más si se tuvo en cuenta en la simulación final para evaluar el desempeño del sistema contro-lado. La verificación de los parámetros de diseño se muestra de la Fig. 7 a la Fig. 10. En la Fig. 7 se mues-tra el margen de fase y de ganancia del sistema obte-niéndose un margen de ganancia de 62.1rad/s y un margen de fase de 59.9°, presentándose un error de 2.1 rad/s y 0.1° respectivamente, además se fuerza a la fase del sistema a ser plana en un rango de fre-cuencia centrada en wcg, lo que se traduce en robus-tez ante cambios en la ganancia de la planta (dentro de unos límites variaciones), en este caso se fuerza a que la ganancia del sistema cambie de 1 a 2,3 y 0.5, este hecho se observa en la En la Fig. 8, donde se re-presenta el sistema en lazo cerrado ante una entrada escalón unitario, en la cual se verifica la robustez del controlador. En la Fig. 9, se observa que para una fre-cuencia de 0.00207rad/s la magnitud es de –20db. En la Fig. 10, se observa que para una frecuencia de 162rad/s la magnitud es de –20db, cumpliéndose concon los requerimientos de diseño. El control frac-cional se validó con la toolboxninteger [52].

Fig. 7 ANÁLISIS DE MAGNITUD Y FASE


Fig. 8. RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES GANANCIAS


Fig. 9. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD S(JW)


Fig. 10. ANÁLISIS DE RUIDO T(JW)



Finalmente, para evaluar el comportamiento del sistema con el control diseñado, se incorpo-ró la cuantización de los sensores al diagrama de bloques mostrado en la Figura 11. Fig. 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA QUE INCORPORA EL CON-

TROL DISEÑADO Y LA CUANTIZACIÓN DE LOS SENSORES


El resultado obtenido se presenta en un grupo de tres gráficas en la Fig. 12. Una, muestra la res-puesta del sistema a la señal de excitación, otra, muestra la señal de control, y la última, muestra la señal de error, todas las validaciones son obteni-das en simulación, con Matlab/Simulink.

Fig. 12. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS).


Aunque el control PID tipo fraccional se diseñó sobre un sistema lineal identificado en lazo cerrado, en el cual las variables de entrada-salida pueden entregar alguna correlación que pueda alterar los re-sultados de la estimación, obteniéndose un modelo matemático con incertidumbres, al implementarlo respondió adecuadamente, y mostró la robustez del controlador, en el cual se obtuvo una respuesta rá-pida con un tiempo de estabilización cercano a los 0.03 segundos, sin sobrepasos y con una respuesta en el elemento final de control muy buena.

En la Fig. 13 el control fraccional es compara-do con un control PID convencional, obteniéndose

que el control fraccional responde más rápido que el control convencional.

Fig. 13. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CON UN

CONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONAL

Para analizar la robustez ante perturbaciones, el sistema se sometió a una perturbación (Fig. 14), obteniéndose el resultado mostrado en la Fig. 15. Se observa en la figura que el control conven-cional pierde controlabilidad.

Fig. 14. PERTURBACIÓN AGREGADA AL SISTEMA

Fig. 15. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CON UN CONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONAL, CON UNA

ENTRADA DE PERTURBACIÓN


En general, un control tipo fraccional presen-ta un mejor desempeño que los controladores de orden entero, ya que estos tienen cinco grados de libertad en vez de tres grados de libertad de los controladores convencionales, logrando de esta manera un mejor desempeño en el sistema, pre-sentando mayor robustez ante incertidumbres del modelo o variaciones de los parámetros

IV. CONCLUSIÓN

En este artículo se diseñó un control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una uni-dad de CD que se piensa emplear en el desarrollo de un microscopio óptico motorizado. Se observa a partir de los resultados obtenidos que, con la técnica de control diseñada, mediante la combi-nación de un codificador de un ratón optomecáni-co con un ratón óptico, para medir la posición del cabezal de la unidad de CD, se logra un sistema de respuesta rápido y sin sobrepaso, donde la res-puesta del elemento final de control no presenta efecto timbre y se tiene una precisión aceptable para desarrollar un microscopio óptico motorizado de bajo costo. Si bien no se logra una precisión del orden de una micra o menos, como se podría obtener con una plataforma piezo-eléctrica, una resolución de 30 µm puede ser suficiente para diversas aplicaciones en educación básica. Adi-cionalmente, se emplean partes de computador desechadas, lo que genera un impacto ambiental positivo. Se concluye, entonces, que el sistema de control diseñado, con la combinación de senso-res, es apta para la aplicación en el desarrollo de un microscopio óptico.

Se concluye también que el empleo de un con-trol tipo fraccional para esta aplicación presenta ventajas frente a los controles PID de orden ente-ro, tanto en el tiempo de estabilización como en robustez frente a perturbaciones. Adicionalmente, con la metodología de diseño iterativa implemen-tada, se logró un diseño rápido y un resultado ro-busto a partir de la función de transferencia del sistema, sin requerir representaciones en espacio de estado.

AGRADECIMIENTOS

Este artículo se deriva de los proyectos de investigación denominados: “Desarrollo de un microscopio óptico con platina motorizada y ad-

quisición digital de imágenes a partir de reciclaje tecnológico de una unidad de CD/DVD” con códi-go P10237 y “Metodología para modelar y contro-lar un sistema de combustión utilizando cálculo fraccional” con código PM12104 ambos proyec-tos financiados por el Instituto Tecnológico Metro-politano – I.T.M. Los autores agradecen al grupo de investigación en Automática y Electrónica del Instituto Tecnológico Metropolitano – I.T.M. sus aportes para la realización de este proyecto.

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Resumen— La distorsión de la arquitectura es un cambio an-ormal del tejido de la glándula mamaria con la consiguiente formación de lesiones finas y espiculadas que no están asocia-das a la presencia de una masa. La distorsión es el tercer hal-lazgo mamográfico más común y por la dificultad de su detección es el primer causante de falsos negativos en los diagnósticos. Este artículo presenta la planeación, implementación y pruebas de un método que sirve como soporte para la detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria a partir de imágenes de radiología de mama. El método asiste a los especialistas en el proceso de decisión diagnóstica como segundo intérprete en el análisis de mamografías mediante la integración de cuatro etapas principales que van desde el pre-procesamiento de la imagen hasta la clasificación final con base en las características de textura de las regiones de interés extraídas.

El método presentado fue validado mediante el análisis de imágenes mamográficas de la base de datos DDSM (Digital Data base for Screening Mammography), que logra valores de precisión general hasta de un 90.7% lo cual lo convierte en una base importante para la dismi-nución del número de falsos negativos en la detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria.

Palabras clave— Cáncer de mama, distorsión de la arquitec-tura, mamografía, procesamiento digital de imágenes, diag-nóstico asistido por computador.

Abstract— Architectural distortion is an abnormal change in the mammary gland tissue with the consequent formation of thin and speculated lesions that are not associated with the presence of a mass. It is the third most common mammographic finding and because of its subtlety it is the first cause of false-negative find-ings on screening mammograms.This paper presents the design, implementation and test of a new method that serves as sup-port for the detection of architectural distortion in the mammary gland from breast radiology images. The method proposed here assists the specialists in the diagnosis of breast cancer through four main phases,which encompass from the preprocessing to the classification of regions of interest using a classifier based on fuzzy logic.

Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de

la Glándula Mamaria

Duván Alberto Gómez BetancurMSc (c) Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,

Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo GIDIA, Universidad Nacional de Colombia


John Willian Branch BedoyaPh.D. Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,

Universidad Nacional de ColombiaProfesor Asociado, Investigador Grupo GIDIA,

Universidad Nacional de ColombiaMedellín, Colombia

[email protected]

Decision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion

The method described in this paper was validated through the analysis of mammographic images from DDSM (Digital Database for Screening Mammography) obtaining values of 90.7% in the overall accuracy.This result is a very important contribution and encourages the research in order to reduce the high number of misdiagnoses that are currently presented and lead to the high rates of morbidity from breast cancer.

Keywords— Breast cancer, architectural distortion, mammography, digital image processing, computer ai-ded diagnosis.

I. INTRODUCCIÓN

En los ambientes médicos las imágenes jue-gan un rol prominente en el diagnóstico y trata-miento de enfermedades, debido a que permiten que los especialistas obtengan información vital al observar el interior del cuerpo humano de una forma no invasiva, y favorecer el diagnóstico tem-prano de patologías para que puedan ser tratadas de manera efectiva [1].

Dentro de esas patologías que pueden ser diagnosticadas y tratadas se encuentra el cáncer que es una enfermedad que se presenta como re-sultado de mutaciones o cambios anormales en los genes responsables de regular el crecimiento de las células.

Uno de los tipos de cáncer más comunes es el cáncer de mama que es una patología producto del crecimiento no controlado de las células de la mama que forma un tumor maligno.

En el mundo el cáncer de mama es una pa-tología cada vez más común entre la población femenina, por ejemplo para el caso de Estados Unidos y Canadá, se estima que 1 de cada 8 mu-jeres sufrirá la enfermedad a lo largo de su vida, y


en el 2006 se calcularon 212.920 nuevos casos de cáncer de mama y 41.430 muertes producidas por la enfermedad.

Los datos estadísticos sobre cáncer de mama en Colombia son difíciles de obtener y se encuen-tran probablemente sesgados; sin embargo, es evidente un aumento progresivo en la incidencia del carcinoma mamario, especialmente en las ciudades más densamente pobladas. Para el año 2009 se reportaron 551 nuevos casos de cáncer de mama [2], lo cual comprueba el incremento de esta patología en los últimos años en el país, convirtiéndose en la primera causa de muerte por cáncer entre las mujeres.

El cáncer de mama se ha convertido entonces en un serio problema de salud pública que ha des-pertado el interés de comunidades científicas mas cuando se sabe que si se detecta a tiempo, se pue-de evitar el desenlace fatal de la enfermedad.

Para la detección temprana del cáncer de mama existen diferentes exámenes o métodos clí-nicos como la resonancia magnética, la ecografía, la biopsia, la tomografía computarizada y la biop-sia de ganglio linfático, entre otros. Sin embargo, la mamografía es el examen más eficaz para la detección temprana del cáncer de mama.

Los hallazgos clínicos más comunes que indican el desarrollo de una patología cancerígena en la mama y que pueden identificarse a través de la ma-mografía son: masas, microcalcificaciones, distor-siones de la arquitectura y asimetrías de densidad.

Las calcificaciones son hallazgos muy comu-nes en una mamografía y son consecuencias de diminutos depósitos de calcio en el tejido mama-rio. En cuanto a las masas debe describirse su ta-maño, forma, márgenes y calcificaciones asocia-das en los casos en los que la masa se presente con calcificaciones. Por su parte la asimetría de densidad es la presencia de tejido glandular en una parte de la mama y que no se presenta con la misma localización en la mama contralateral, pue-de verse como una opacidad similar en las dos proyecciones de una mama pero no tiene caracte-rísticas de una masa [3].

La información restante de este artículo se es-tructura en cuatro secciones. En la 2 se explica la distorsión de la arquitectura de la glándula mama-ria. En la 3 se describe el método propuesto. En la 4, se evalúa el método y se presentan los resul-tados obtenidos y en la 5 se dan las conclusiones

del método y se dejan las posibles direcciones para la investigación futura.

II. DISTORSIÓN DE LA ARQUITECTURA

La distorsión de la arquitectura es un cambio anormal del tejido de la glándula mamaria con la consiguiente formación de lesiones finas y espicu-ladas que no están asociadas a la presencia de una masa.

En el BI-RADS (Breast Imaging Reporting and Data System) [4] se define la distorsión de la ar-quitectura como el hallazgo en el cual la arqui-tectura normal (de la mama) se distorsiona con masas no definidas visibles. Esto incluye lesiones espiculadas y la retracción focal o distorsión en el borde del parénquima.

La distorsión de la arquitectura hace referen-cia entonces a la distorsión del parénquima de la mama pero sin presencia de masas ni aumento en la densidad. Se trata del tercer hallazgo más común en mamografías, asociado a estados de cáncer aún no palpables [5] y el primer causante de falsos negativos [6] pues debido a su sutileza y variabilidad, la distorsión de la arquitectura es omitida y puede pasar como tejido normal super-puesto en el momento de la valoración de las ma-mografías de tamizaje.

Debido a que el cáncer de mama interrumpe la arquitectura normal del parénquima, la distorsión es considerada un signo temprano de cáncer[7].

Fig. 1. MAMOGRAFÍA CON PRESENCIA DE DISTORSIÓN DE LA ARQUITECTURA DE LA GLÁNDULA MAMARIA

Fuente: Imagen tomada de [8]


Como se puede observar en la Fig. 1 la distor-sión de la arquitectura en la mamografía se pre-senta como una anomalía en la que los tejidos circundantes de la mama parecen ser dirigidos hacia un punto focal interno.

De acuerdo con [9] en más de la mitad de los casos en los cuales se han encontrado signos de distorsión de la arquitectura se comprueba pos-teriormente malignidad en el seno. Sin embargo, por la dificultad en la detección de la distorsión de la arquitectura, se estima que esta anorma-lidad es la causa de entre el 12% y el 45% de los casos de cáncer omitidos o mal interpretados [10].

Si bien es cierto que son muchos los traba-jos que se pueden encontrar en sistemas CAD (Computer-Aided Diagnosis) para el caso de cán-cer de mama, también es cierto que mientras la mayoría han sido dirigidos a la detección y análi-sis de calcificaciones y masas [11][12][13][14], relativamente pocos han sido publicados en la detección de la distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria.

Entre los trabajos más destacados para la detección de la distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria se encuentra[15] donde se usa morfología matemática para detectar distor-sión alrededor de la línea de piel y un índice de concentración para detectar distorsión de arqui-tectura al interior de la glándula mamaria obte-nido tasas de sensibilidad superiores al 80%; en [16] se desarrolló un método para detectar masas y distorsión de arquitectura al localizar puntos rodeados por capas concéntricas. En [17] se presenta una investigación para la caracte-rización de la distorsión de arquitectura con la dimensión fractal de Hausdorff y un clasificador SVM (Support Vector Machine) para distinguir entre ROI (Regiones de Interés) con distorsión de arquitectura y aquellas con patrones mamográ-ficos normales, una clasificación con una preci-sión del 72.5% fue obtenida con un conjunto de 40 ROI.

También se han publicado trabajos en los cuales a partir de filtros Gabor y análisis de di-mensión fractal se proponen métodos para de-tectar candidatos iniciales de distorsión de la arquitectura en mamografías[18],[19].

Rangayyan en [20] con características de tex-tura de Haralick para la detección de distorsio-nes de la arquitectura de la glándula mamaria, comparó diferentes técnicas de clasificación. A partir de 4.224 ROI obtuvo una sensibilidad de 76% con un clasificador bayesiano, 73% con aná-lisis discriminante lineal, 77% con una red neuro-nal artificial basada en funciones de base radial y una sensibilidad de un 77% con SVM.

III. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSA

En 1965 Lotfi A. Zadeh, propuso la lógica di-fusa como una herramienta para el control y los sistemas expertos. Se trata de un método para el razonamiento con expresiones lógicas que des-criben las pertenencias a los conjuntos difusos, entendidos como un instrumento para la espe-cialización de lo bien que un objeto satisface una descripción vaga [21].

El uso de la lógica difusa resulta bastante útil en problemas con alto grado de incertidumbre y donde se necesita usar el conocimiento de un experto que utiliza conceptos ambiguos o impre-cisos, por ello se ha visto un auge en su uso en sistemas de reconocimiento de patrones y visión por computador.

En [22] se plantea un ejemplo de caso de un clasificador difuso en el que se tiene un proble-ma de clasificación n-dimensional con M clases y m patrones de entrenamiento xp=(xp1,xp2,xp3,xp4,..., xpn) para p=1,2,3,...,m los atributos de los patrones están normalizados [0,1] y se utilizan reglas difu-sas del tipo if-then como base del sistema de cla-sificación difuso:

Regla Rj:Si x1 es Aj1 y…y xn es Ajn entonces Cla-se Cj con CFj

para j=1,2,...,Ndonde Rj es la regla j-esima, Aj1 ... Ajn son fun-

ciones de pertenencia de los conjuntos difusos en el intervalo [0,1], Cj es la clase, dentro del conjun-to de las M clases, consecuente, y CFj es el grado de certeza de la regla if-then difusa Rj.

En [23] se demostró que la inclusión del grado de pertenencia o certeza en la creación de las re-glas difusas if-then permite generar sistemas de clasificación comprensivos con un buen compor-tamiento.


A. Características de Textura

En un gran número de aplicaciones de procesa-miento digital de imágenes la textura es una de las características más importantes y utilizadas para la recuperación de información y la identificación de objetos o regiones al interior de la imagen.

Muchos son los trabajos y las aproximaciones que se han hecho para la descripción automática o semi-automática de las características de textu-ra presentes en una imagen. Un ejemplo claro de dichas aproximaciones es el propuesto por Hara-lick[24] quien, basado en la premisa que la tex-tura y el tono conservan una relación inextricable entre ellos, propone catorce características para describir la textura de los objetos o regiones pre-sentes en una imagen.

Para Haralick, las propiedades de tono y tex-tura están siempre presentes en una imagen, y el procedimiento que sugiere para obtener las ca-racterísticas de textura se basa en la presunción de que la información de textura de una imagen definida, está contenida en la totalidad o por lo menos el promedio de la relación espacial que los tonos de grises de la imagen tienen el uno con el otro. Es decir, esa información de textura está adecuadamente contenida en un conjunto de ma-trices espacio-dependientes de los tonos de gris, las cuales son calculadas para diferentes ángu-los y distancias de vecindad en los pixeles de la imagen y son conocidas como GCM (Gray level Co-Ocurrence Matrix).

En la Fig. 2 se observa la vecindad más cer-cana (distancia d=1) para cualquier punto dentro de la imagen, exceptuados los puntos ubicados en las filas y columnas de los extremos. La vecin-dad-8 es utilizada para la definición de las matri-ces GCM en la propuesta de Haralick.

Fig. 2. VECINDAD-8 DE UN PÍXEL EN UNA IMAGEN

Fuente: Haralick[24].

Considerada la vecindad-8 que se observa en la Fig. 2 la GCM se construye con las probabili-dades de ocurrencia de un par de niveles de gris

(l1,l2) separados por una distancia d en un ángulo θ [24]. Es decir, dada una imagen l con N niveles de gris, su GCM para un ángulo θ, se construye con N filas y N columnas, y en cada intersección fila-columna se totaliza el número de veces dentro de la imagen en las cuales un punto l(x,y) con un nivel de gris l1 (de acuerdo con la columna de la GCM) posee un vecino en una distancia d y en la dirección θ con un nivel de gris l2 (de acuerdo con la fila de la GCM).

A partir de la GCM, Haralick propone catorce características de textura: energía, contraste, co-rrelación, suma de cuadrados, momento de dife-rencia inversa, suma promedio, suma de varianza, suma de entropía, entropía, diferencia de varian-za, primera medida de información de correlación, diferencia de entropía, segunda medida de infor-mación de correlación y máximo coeficiente de correlación.

En este trabajo se utilizan sólo cinco carac-terísticas de textura: energía, contraste, suma promedio, momento de diferencia inversa y dife-rencia de varianza, ya que de acuerdo con [20] son esas características las que empaquetan no sólo la mayor cantidad de información visual, sino también la más relevante para la descripción de la textura de las regiones de interés detectadas al interior de la glándula mamaria en la imagen mamográfica.

Las expresiones matemáticas para las cinco características de textura utilizadas son:

TABLA INomenclatura utilizada para las ecuaciones de las características de

textura de Haralick utilizadas

p(i,j) Entrada (i,j) -ésima en la GCM,=P(i,j)/R

px(i) i-ésima entrada de la GCM obtenida sumando las filas de p(i,j),

py(f) j-ésima entrada de la GCM obtenida al sumar las columnas de p(i,j),

Ng Número de niveles de gris presentes en la imagen

Energía:


Contraste:

Suma promedio:

donde

Momento de diferencia inversa:

Diferencia de Varianzas:

donde

Algunas de las características de textura de Haralick tienen interpretación física directa con respecto a la textura de la imagen, por ejemplo, para cuantificar la suavidad y la tosquedad de la misma. Aunque otras características no poseen dicha propiedad directa, ellas contienen y codifi-can información visual relativa a la textura con un alto grado discriminatorio.

La característica de Energía se trata del cálcu-lo del segundo momento angular y representa una medida de la “suavidad” de la imagen, es decir, si todos los pixeles comprendidos en la región de análisis poseen el mismo nivel de gris, entonces el valor de Energía será igual a 1 mientras que si se tienen todas las posibles parejas de niveles de gris con igual probabilidad, entonces, la región será menos suave y por lo tanto el valor de Ener-gía será menor.

El Contraste de la imagen es una medida de la variación local de los niveles de gris de la ima-

gen. De hecho, ƩiƩjp(i,j) es el porcentaje de pa-rejas de pixeles cuya intensidad difiere por n. La dependencia n2 incrementa aún más las grandes diferencias; por lo tanto, el valor de esta caracte-rística toma valores altos para imágenes con alto contraste.

El Momento de Diferencia Inversa es una ca-racterística de textura que toma valores altos para imágenes con bajo contraste debido a la depen-dencia inversa (i-j)2.

La Diferencia de Varianza es una medida de cuán grande es la variación existente en las magni-tudes de las transiciones de intensidad. Por ejem-plo, si hay distribución equilibrada de las magni-tudes de las transiciones de intensidad, entonces el valor de diferencia de varianza será bajo, mien-tras que si ciertas magnitudes de las transiciones de intensidad ocurren con mucha más frecuencia de lo que otras transiciones entonces se esperaría un valor de diferencia de varianza más alto.

La Suma Promedio es una medida de la rela-ción entre zonas claras y densas de la imagen, es decir, es una medida del promedio de los niveles de gris presentes en las zonas de interés detecta-das al interior de la glándula mamaria.

Sin embargo, la interpretación de cada una de las características mencionadas y su representa-ción desde la concepción del sistema de visión hu-mano es producto de las pruebas que se realicen para cada aplicación en particular[24][25][26].

Con el cálculo de las cinco características de textura de Haralick mencionadas se generan las medidas suficientes para alimentar el clasificador difuso de tal manera que se pueda discriminar cada ROI en una de las dos posibles clases defini-das en la investigación: normal o anormal.

B. Sistema de decisión difuso

Los valores calculados de las características de textura de Haralick de las ROI detectadas se utilizan para la identificación, clasificación y determinación final de las áreas con presencia de distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria mediante un clasificador basado en lógica difusa.

El método propuesto en este documento propo-ne el uso de la lógica difusa ya que ésta presenta diferentes ventajas pues al utilizar términos lingüís-ticos permite plantear el problema en los mismos términos en los que lo haría un experto humano.


Asimismo, el éxito de la lógica difusa radica en el hecho de que el mundo es difuso y, por lo tan-to, podría pensarse que no tiene sentido buscar la solución a un problema no perfectamente defi-nido por medio de un planteamiento matemático muy exacto, cuando es el ser humano el primero que razona con la inexactitud.

Los componentes principales de un sistema de decisión difuso son: los conjuntos difusos, las funciones de membresía o pertenencia difusas y las reglas difusas. Cada conjunto difuso tiene una función de pertenencia correspondiente. Los ran-gos de los valores de la función de pertenencia os-cilan entre cero y uno y pueden ser considerados como un grado de verdad. Normalmente las fun-ciones de pertenencia de los sistemas de clasifi-cación difuso son de forma trapezoidal, triangular y curva S [27].

En el método propuesto en este documento, a diferencia de las funciones de pertenencia tradi-cionalmente utilizadas en la literatura, se utilizan funciones de pertenencia con distribución gaus-siana, es decir, en forma de campana de Gauss.

Así, si se considera x una característica de tex-tura cualquiera que puede ser medida sobre una imagen. Si μ es la media de los valores de x de-finidos para un conjunto de imágenes dentro de una misma categoría (normal ó anormal) y σ es la desviación estándar del conjunto de valores de x. Se define el conjunto difuso con una distribución gaussiana y la función de pertenencia, normaliza-da puede ser expresada como se observa en (6):

Los parámetros μ y σ se utilizan para definir con detalle las funciones de pertenencia a las clases normal o anormal para cada una de las medidas de textura calculadas. Sin embargo, si el número de imágenes de entrenamiento es pequeño, los valores de μ y σ pueden no reflejar las verdaderas características del conjunto de imágenes propias de una de las clases.

Para el proceso de clasificación se generan ini-cialmente las funciones de pertenencia calculan-do los valores de μ y de σ usando los valores de las características de textura definidas. Así se ge-neran diez funciones de pertenencia, cinco para cada una de las características de textura para el

caso normal y cinco para cada una de las cinco características de textura para el caso anormal.

En el método propuesto se utilizan reglas difu-sas simples del tipo:

Regla i: Si x1 es Ci1 y…, xm es CiM entonces y es wi

donde i es el número de la regla analizada (con i =1,2,...,N para N reglas), x1,...,xM son variables de entrada para el clasificador difuso, y es la salida del clasificador difuso, ci1,...,ciM son etiquetas difu-sas correspondientes a las variables de entrada, y wi es un número real del consecuente de la regla difusa.

Las siguientes son las dos reglas usadas en el trabajo investigativo descrito:

Regla (1): Si el valor de energía es la media de los valores de energía de los casos normales y el valor de contraste es la media de los valores de contraste de los casos normales y el valor de suma promedio es la media de los valores de suma pro-medio de los casos normales y el valor del momen-to de diferencia inversa es la media de los valores de momento de diferencia inversa de los casos normales y el valor de diferencia de varianza es la media de los valores de diferencia de varianza de los casos normales, entonces el caso es clasifica-do como normal con 99.9% de certeza.

Regla (2): Si el valor de energía es la media de los valores de energía de los casos anormales y el valor de contraste es la media de los valores de contraste de los casos anormales y el valor de suma promedio es la media de los valores de suma promedio de los casos anormales y el valor del mo-mento de diferencia inversa es la media de los va-lores de momento de diferencia inversa de los ca-sos anormales y el valor de diferencia de varianza es la media de los valores de diferencia de varianza de los casos anormales, entonces el caso es clasifi-cado como anormal con 99.9% de certeza.

Estas dos reglas se pueden observar gráfica-mente en la Fig. 3.

Para el proceso de defusificación se utiliza el método de centro de gravedad tradicionalmente utilizado [22]. La función utilizada en la parte del consecuente del sistema de decisión difuso, es un triángulo isósceles normalizado, es decir, cuyo va-lor máximo es la unidad, como se puede observar en la Fig. 3


Fig. 3. MODELO DE RAZONAMIENTO DIFUSO. REGLAS DIFUSAS

El método de inferencia difusa se describe a continuación:

Si μnormal (Q1), μnormal (Q2), μnormal (Q3), μnormal (Q4) y μnormal (Q5) son las respectivas funciones de pertenencia con distribución gaussiana para el caso normal y μanormal (Q1), μanormal (Q2), μanormal (Q3), μanormal (Q4) y μanormal (Q5) son las respectivas fun-ciones de pertenencia con distribución gaussiana para el caso anormal, la relación de tipo and en las reglas difusas es el mínimo valor para μnormal (Q1), μnormal (Q2), μnormal (Q3), μnormal (Q4) y μnormal (Q5) y para μanormal (Q1), μanormal (Q2), μanormal (Q3), μanormal (Q4) y μanormal (Q5) estarán definidos como:

sado en lógica difusa son: los conjuntos difusos, las funciones de membresía o pertenencia difusas y las reglas difusas[27]. Cada conjunto difuso tiene una función de pertenencia correspondiente.

En el método propuesto se definen cinco varia-bles de entrada correspondientes a las medidas de las cinco características de textura de Haralick seleccionadas en la investigación, como se obser-va en la Fig. 4.

Para cada una de las variables de entrada se definen dos funciones de pertenencia correspon-dientes a los casos normal y anormal.

Debido a que el comportamiento de una carac-terística de textura definida en cualquier imagen está estadísticamente distribuida en forma gaus-siana, las funciones de pertenencia se definen de acuerdo con (6).

FIG. 4. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSA

En la Tabla II se relacionan los valores de las medias y desviaciones estándar para cada variable de entrada y para los casos normal y anormal. Un ejemplo de una de las variables de entrada imple-mentadas con sus dos funciones de pertenencia se puede observar en la Fig. 5.

TABLA. II.Características de textura utilizadas y valores de media y desviación estándar calculados para el sistema de decisión difuso

Característica de Textura

Media Desviación Estándar

caso normal caso anormal caso normal caso anormal

Suma Promedio 7.2656 204.37 99.86 53.5

Energía 0.13 0.00083 0.29 0.0014

Diferencia de Varianza 49.17 140.44 52.87 29.54

Momento de Diferencia Inversa 0.96 0.998 0.17 0.00043

Contraste 49.17 140.44 52.87 29.54

y

Finalmente, se toma el centroide o centro de masa entre μnormal y μanormal.

Cuando μnormal =μanormal se trata de un caso so-bre el cual no se puede decidir y en el presente trabajo de investigación se toma como una falla o error de clasificación.

IV. RESULTADOS

Como se mencionó anteriormente los compo-nentes principales de un sistema de decisión ba-


FIG. 5. EJEMPLO DE LA VARIABLE DE ENTRADA DE LA CARACTERÍSTICA DE CONTRASTE PARA EL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO Y LAS FUNCIO-

NES DE PERTENENCIA ASOCIADAS A LA MISMA

Posteriormente se definen las clases de sali-da del sistema de decisión difuso implementado. Para este caso se definen los conjuntos anormal y normal como clases de salida del sistema para los casos de presencia y no presencia de la dis-torsión de la arquitectura de la glándula mamaria respectivamente.

Los conjuntos de salida se representan como una función en forma de triángulo isósceles como se observa en la Fig. 6.

FIG. 6. CONJUNTOS DE SALIDA DEL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO

En la Fig. 6 se observan las funciones de per-tenencia del conjunto de salida con las clases normal y anormal definidas. Para los casos con pertenencia a la clase anormal la salida estará en el rango [-1 0] y para los casos con pertenencia a la clase normal la salida estará en el rango [0 1].

Finalmente, se define el sistema de decisión difuso de tipo Mandani y se establecen las reglas difusas definidas anteriormente.

El comportamiento del método propuesto se evalúa en términos de la sensibilidad, especifici-dad y precisión general. La sensibilidad es la pro-babilidad de un diagnóstico positivo dado el caso de una paciente con distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria. La especificidad es la pro-babilidad de un diagnóstico negativo dado el caso de una paciente que no presenta distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria. La precisión

general es la probabilidad de que el diagnóstico emitido por el método sea correcto y acorde con la situación real del paciente [27].

Las tres medidas del comportamiento se defi-nen de la siguiente manera:

dondeVP=Verdadero Positivo

VN=Verdadero NegativoFP=Falso Positivo

FN=Falso NegativoCon la extracción de las características de tex-

tura de las ROI identificadas y la clasificación de las mismas con un sistema de decisión basado en lógica difusa para asociarlas a las clases anormal o normal según presentaran o no distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria respectiva-mente, se encuentran valores significativos en la precisión general del método.

A continuación se relaciona en la Tabla III de los datos para las variables de comportamiento del método presentado en este documento.

TABLA. III. Resultados del método de detección propuesto

VP FP VN FN

44 12 112 4

A partir de los datos de la Tabla. III. se pueden calcular los siguientes valores para las variables de comportamiento: Sensibilidad 91.7%, Especifi-cidad 90.3% y Precisión General 90.7%.

Los tres valores obtenidos en las medidas de comportamiento del método propuesto superan el 90% de precisión general lo cual hace de este mé-todo una herramienta de apoyo para la detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria comparable con los trabajos publicados por otros autores, sin embargo realizar un análisis comparativo a niveles más detallados resulta bas-tante difícil ya que en cada investigación reporta-


da los conjuntos de datos e imágenes varían de un trabajo a otro.

V. CONCLUSIONES

Los resultados del desempeño del método de-muestran que debido al grado de incertidumbre inmerso en los diagnósticos que se hacen a partir de las radiologías de mama, el uso de un sistema de decisión diferente a los clasificadores clásicos reportados en el estado del arte, como el caso del sistema de decisión basado en lógica difusa implementado en el presente estudio, permite al-canzar niveles de precisión general cercanos a un 90%. Lo cual, considerado que se utilizó una base de datos de dominio público, hace del método propuesto una línea base de investigación en el tema de la detección de distorsiones de la arqui-tectura de la glándula mamaria.

Asimismo, el método presentado puede ser usado en diferentes escenarios clínicos para diagnóstico y seguimiento de patologías donde se presente alteración de la distribución normal de tejidos como, por ejemplo, en el tratamiento y evolución de quemaduras. Además, según los resultados obtenidos para la detección de la dis-torsión de la arquitectura de la glándula mamaria, puede plantearse la extensión del método para la detección de otras anomalías de la mama que pueden ser vistas a través de la mamografía como las micro-calcificaciones, las masas y las asime-trías de densidad.

Por otra parte, aunque las pruebas realizadas muestran resultados de precisión superiores al 90%, es importante una segunda validación al utilizar, por ejemplo, un conjunto de imágenes diferente a la base de datos DDSM que permita evaluar con más precisión el comportamiento del método propuesto.

Siempre será deseable incrementar los por-centajes de sensibilidad, especificidad y precisión general, en los sistemas de diagnóstico asistido por computador. Por esta razón para trabajos fu-turos se podría realizar un proceso de afinación de las funciones de pertenencia propias de los conjuntos difusos propuestas en este documen-to, a través del afinamiento de los parámetros de dichas funciones de pertenencia al aplicar, por ejemplo, algoritmos genéticos como se sugiere en [27].

Finalmente, el método de detección de distor-siones de la arquitectura de la glándula mamaria desarrollado, resulta ser una base importante para la investigación aplicada, ya que los resulta-dos obtenidos a nivel de precisión general hacen posible que se pueda llevar a un entorno real y en-contrar aplicación local o regional incluso amplia-do el alcance del mismo método, para que ade-más de asistir a los radiólogos en el momento de la evaluación de las mamografías, también sirva como herramienta de entrenamiento de nuevos especialistas y como instrumento para la medi-ción de la calidad del servicio diagnóstico presta-do por los radiólogos ya expertos.

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Resumen— En este trabajo se realizó, el modelado y di-seño del sistema de control de la variable temperatura, en un tanque de almacenamiento de agua. Teniendo en cuenta la arquitectura híbrida del sistema (relación de la dinámica continua y la dinámica a través de eventos), para esto fue utilizado autómatas finitos como herra-mienta de modelado y control.

Inicialmente se obtuvo el modelo matemático, que corresponde a la dinámica continua, de la variable de temperatura del líquido que se encuentra en el tanque, agua. Por otro lado, para modelar el comportamiento de las variables que responden en función de eventos, se tomó en cuenta los posibles estados del sistema. Poste-riormente, se establecieron los requerimientos y restric-ciones del sistema que surgieron a partir del análisis, los cuales complementan el comportamiento de la misma, se obtuvo la representación del proceso y su control, en un concepto de dinámica hibrida, mediante autómatas finitos. Este modelo se simuló con la herramienta Sta-teFlow de Simulink de MATLAB® y se implementó en un sistema embebido Cyclone II. Previo a estos resultados, se realizó un controlador tipo PID para realizar la compa-ración de los comportamientos obtenidos en cada caso. Se verificó que es una técnica de fácil uso e implemen-tación con gran eficiencia en tiempos de respuesta.

Palabras clave— Autómata Finito, Sistema Hibrido, sis-tema embebido.

Abstract— This work was performed, modeling and con-trol system design variable temperature in a water storage tank. Given the hybrid architecture of the system (ratio of continuous dynamics and the dynamics through events),

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos

Coupled tanks system temperature control using finite automata

Nathalie Cañón ForeroIngeniero en Mecatrónica.



Diego Rodríguez MoraIngeniero en Mecatrónica.



Jenny Gutiérrez CalderónIngeniero en Mecatrónica.

Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia. Joven Investigador.


Darío Amaya HurtadoPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.

Docente de Tiempo Completo Líder de Grupo GAV.Universidad Militar Nueva Granada.


Óscar Avilés SánchezPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.

Director de programa de MecatrónicaUniversidad Militar Nueva Granada.


was used finite automata as a tool for modeling and con-trol.

Initially, the mathematical model was obtained, which corresponds to the continuous dynamic, variable tem-perature liquid in the tank, which in this case is water. This model is described by differential equations. On the other hand, for model the behavior of the variables that respond in terms of events was taken into account the possible states of the system. However, the develo-pment requirements and restrictions system that emer-ged from the analysis, which complement the analysis of the same, obtaining the representation of the process and control, a dynamic hybrid concept, using automa-ta finite. This model was simulated with Stateflow tool of MATLAB ® Simulink and implemented in a Cyclone II embedded system. Prior to these results, we performed a PID controller for the comparison of the behavior ob-tained in each case. Verifying that the technique is easy to use and implement with high efficiency in response times.

Keywords— Finite automaton, hybrid systems, em-bedded system.

I. INTRODUCCIÓN

Un sistema hibrido es un sistema dinámico que tiene transferencia en estados discretos y va-riación en estados continuos. El comportamiento dinámico de la parte continua se describe por me-dio de ecuaciones diferenciales ordinarias, mien-


tras que el comportamiento dinámico de la parte discreta, se puede modelar por autómatas finitos o por redes Petri [1]. Cuando ocurre un evento dis-creto, el sistema describe el cambio dinámico del componente continuo [2].

El análisis del comportamiento dinámico del sistema hibrido se puede verificar bajo ciertas condiciones iniciales y señales de entrada y veri-fica si el sistema cumple con ciertas reglas. Los sistemas híbridos son usados, por ejemplo, en los modelos de procesos continuos que son controla-dos por controladores lógicos o sistemas embebi-dos [3].

Al usar modelos híbridos para representar el comportamiento de los sistemas que combinan procesos de tipo continuo o discreto, se hace una reducción de la complejidad del modelo en orden, por ejemplo, en lugar de tener que representar las relaciones dinámicas a partir de un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales de orden su-perior, se puede representar el mismo sistema por un conjunto de ecuaciones simples, usualmente la teoría de grafos es la más común para el mode-lado físico de fenómenos. [4]

Con el fin de tener un buen control sobre los distintos procesos en las industrias y otras áreas, ha sido necesario diseñar e implementar diferentes técnicas que permitan acceder a un manejo completo de las situaciones, entornos y maquinarias. Una de las prácticas que ha em-pezado a tener gran auge dentro de los métodos para realizar control en diferentes áreas, es el control por medio de autómatas finitos. Este es un método que permite disponer una máquina de estados que tiene la tarea de controlar determina-dos eventos [5].

Los autómatas finitos simples implícitamente se han utilizado en las máquinas electromecáni-cas hace más de un siglo. Una versión formal de ellas apareció en 1943 en McCulloch-Pitts mode-los de redes neuronales. (Un análogo antes había aparecido en las cadenas de Markov.) Un trabajo intensivo sobre ellos en la década de 1950 (a ve-ces bajo el nombre de las máquinas secuenciales) estableció muchas propiedades básicas, incluida la interpretación de los lenguajes regulares y equi-valencia de las expresiones regulares [6].

Los autómatas se comenzaron a implemen-tar en las áreas que requiriesen de procesos con

eventos o características discretas, en donde esta técnica resulta más útil y sencilla. Otro espacio en el que se usa esta metodología es en los sistemas de analizadores sintácticos, en donde el uso de expresiones regulares es masivo, esta es otra de las características principales de los autómatas [7].

Sin embargo, esta técnica también se aplica ampliamente en el análisis y modelado de siste-mas híbridos, donde la reducción en la compleji-dad del orden de dicho modelo es muy notoria, de ahí la importancia de su utilización. [8]

Un autómata finito es básicamente un reco-nocedor para un lenguaje, donde se tiene como entrada una cadena de caracteres pertenecientes a cierto sistema alfabético definido previamente y, luego de acuerdo a esa cadena de entrada el au-tómata procede a llevar una secuencia de eventos condicionados por los estados y sus respectivas entradas [9]. Un autómata finito es el modelo que es representado como una máquina secuencial, el cual es capaz de generar una palabra de salida dada una palabra de entrada. Para ello, se define un conjunto de estados que “memorizan” la parte de la palabra de entrada leída en cada momento y generan al mismo tiempo que transitan entre los estados, una salida. Se puede ver como un au-tómata que tiene dos cintas asociadas: una que lee las palabras de entrada, y otra de salida, en la que genera la respuesta del sistema. Pasa de un estado a otro, o al mismo estado, por medio de una condición y este ciclo se termina cuando llega al estado final [10].

Surge la necesidad de aplicar nuevas técnicas de control e implementación del mismo, que per-mita alcanzar un mayor desarrollo en distintas ra-mas de la ingeniería y las ciencias en general. El método de los autómatas finitos representa una simplificación en comparación con las técnicas usadas en el control clásico, y la implementación en el sistema embebido implica una reducción de costos con respecto a la utilización de un compu-tador, y un aumento de confiabilidad en relación a sistemas como los Microcontroladores [11].

Un sistema embebido es un sistema cuya función principal no es computacional, pero es controlado por un computador integrado. Este computador puede ser un Microcontrolador o un Microprocesador. La palabra embebido implica que se encuentra dentro del sistema general,


oculto a la vista, y forma parte de un todo de ma-yores dimensiones [12]. La Fig. 1 muestra el es-quema de un sistema embebido.

Fig. 1. EJEMPLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO [10]

De acuerdo a lo anterior se plantea el objetivo de controlar la variable temperatura de un siste-ma de tanques acoplados mediante autómatas finitos, y con esto, implementar luego el control sobre un sistema embebido. Este trabajo expli-cará la metodología, el diseño global, la imple-mentación con los resultados obtenidos de apli-cación de la técnica de autómatas finitos.

II. MÉTODO

A. Comportamiento real de la planta

Por medio del método experimental, se dará a conocer de forma clara la descripción de la plan-ta de tanques acoplados. Este sistema consta de un tanque de almacenamiento que contiene un fluido, y es donde se lleva a cabo un proceso de calentamiento y enfriamiento del agua.

Esta planta consta de un tanque, una resis-tencia, y un sensor, ver Fig. 2, los cuales llevan a cabo el proceso. Las variables a controlar son temperatura y flujo de calor. Los aspectos que se tienen en cuenta en el análisis son los paráme-tros del sistema: la resistencia y la capacitancia térmica.

El comportamiento que muestra la planta en su estado inicial, sin ningún tipo de control es el que se ve en la Fig. 3. Allí se observa que la temperatura del agua dentro del tanque sube aproximadamente hasta los 100 grados Celsius (siendo el eje vertical el valor en grados de la temperatura), donde el sistema se estabiliza.

Fig. 2. CAD DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA

Fig. 3. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA SIN CONTROL

Acorde al comportamiento de la planta, se bus-ca que la respuesta de la variable temperatura os-cile entre 75 y 76°C, y que se mantenga allí por el tiempo sea necesario. El fluido dentro del tanque tiene una altura aproximada de 0.20m.

B. Modelo matemático del sistema

Parte Continua Para el modelo del sistema térmico se tomó en

cuenta la ecuación diferencial de transferencia de calor (1).

En donde qi es la entrada de flujo de calor que induce la resistencia dentro del tanque, C es la capacitancia del tanque, R es la resistencia del


material que va a cubrir el fluido, y θ es la tempe-ratura.

R está definida, como en (2).

El sistema analizado por convección térmica, por lo tanto K, se define en (3)

El análisis se basa en la transferencia de calor de la resistencia hacia el agua, el fluido adiciona parámetros al sistema, y estos se relacionan en la Tabla I.

TABLA I. PARÁMETROS DEL FLUIDO

DATOS DE EL AGUA CONTENIDA EN EL TANQUE PARA UNA ALTURA DE 0.20 m

Masa (m) 14.72kg

Coeficiente de Convención del fluido (H) 32.76 kcal / m2 s °C

Área normal del flujo de calor (A) 0.36308m2

Según lo anterior, el valor para la resistencia R es (4):

De acuerdo a los datos obtenidos, se determi-na que la capacitancia C es (5):

El valor de flujo de calor, que provoca la resis-tencia, al calentar el fluido dentro del tanque es (6):

Si la resistencia está apagada, y el sistema está perdiendo calor, se representa la ecuación (7):

El comportamiento del sistema está descrito por la ecuación (8):

El comportamiento del sistema cuando la re-sistencia está encendida, por consiguiente en (9) se define:

Parte Discreta Los estados discretos del sistema son:

• Estado de la resistencia del tanque encendida (S1)

• Estado de la resistencia del tanque apagada (S2)

C. AUTÓMATA FINITO

En el diseño del autómata finito se crean los dos estados en los que se desea que esté el siste-ma. Se considera que el autómata empieza a fun-cionar cuando la temperatura inicial sea de 21ºC, lo que indica que esta en el estado S1, dentro de éste la resistencia está encendida, y la ecuación que describe el comportamiento del sistema en (9), cabe resaltar que la temperatura del liquido del tanque se incrementa en el estado S1. Cuan-do la variable alcanza un valor de 75ºC, el sistema cambia al estado S2, la resistencia se apaga y, por ende, la ecuación del comportamiento correspon-de a (8) y la temperatura desciende. Los estados simulados en Matlab ® se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4. AUTÓMATA PARA EL SISTEMA TÉRMICO

De acuerdo a la condición de la temperatura del medio, el sistema cambia de estado, así se mantiene que la variable temperatura oscile de 75 y 76 grados Celsius en tanque de almacena-miento.

Para la simulación del autómata, se usa Chart, es una herramienta de la librería de Simulink de Matlab ® que permite la simulación de los esta-dos, como se muestra en la Fig. 5.

En el bloque de funciones (off/on) se introdu-jeron las ecuaciones de la parte continua que es-tán en función de , se integran por medio del bloque .


Fig. 5. MODELADO DE AUTÓMATA FINITO

En el bloque de Chart en la Fig. 6 se introduce el autómata y se evalúa si el estado es encendido o apagado.

Fig. 6. BLOQUE DE CHART

La respuesta del sistema térmico con el con-trol de autómatas finitos se observa en la Fig. 7.

Fig.7. SISTEMA CONTROLADO POR AUTÓMATAS FINITOS

D. CONTROL PID

De acuerdo con el modelo de la parte conti-nua, se realizó el control PID del sistema térmico, cuya función de transferencia se muestra en la ecuación (10)

Se obtuvieron las siguientes constantes en 11: kp=15ki=0,6kd=1,6

Se simuló en la misma herramienta. Observar Figura 8.

Fig. 8. CONTROLADOR PID MODELADO EN SIMULINK DE MATLAB ®

La respuesta del sistema con el controlador PID es sub-amortiguada, como se muestra en la Fig. 9.

Fig. 9. RESPUESTA DEL SISTEMA TÉRMICO CON CONTROLADOR PID

III. IMPLEMENTACIÓN EN EL SISTEMA EMBEBIDO

El control diseñado por autómatas finitos para el tanque de almacenamiento, se implementó en una FPGA Cyclone II de Altera ®. Esta tarjeta tiene la facilidad que tiene su propio software llamado Quartus II, y trabajó bajo el lenguaje de programa-ción VHDL. En este sistema es necesario realizar una secuencia para programar el sistema embebi-do que se muestra en el Diagrama 1.

(11)


DIAGRAMA 1. SECUENCIA DE DISEÑO EN FPGA

Debido a la aplicación no se realizó la división en módulos ya sea en top-dow y buttom-up. Esta metodología consiste, en donde el diseño com-plejo se divide en diseños más sencillos que se pueden describir más fácilmente. Mientras que la metodología bottom – up consiste en construir un diseño complejo a partir de módulos, ya dise-ñados más simples. En la práctica, el diseño usa generalmente ambas metodologías [13].

Los datos procedentes del tanque de almace-namiento a la tarjeta, se tienen tanto los digitales (on/off de la resistencia) como los análogos, que se obtiene de la señal linealizada del sensor PT 100 que tiene una variación de 2,095 V (75 ° C) y 2,340 V (21 ° C), el voltaje y la temperatura son inversamente proporcional.

El sistema embebido no tiene conversor ADC, lo cual fue necesario anexar un integrado ADC0804, la implementación se muestra en el esquema de la Fig. 10. Con el conversor se obtiene una señal de 8 bits. Debido a que el cambio es pequeño, se decidió usar como referencia 2,45 V para una mayor sensibilidad. Una vez digitalizado el dato, se procede en realizar el programa. Se crea una señal de salida que dará ON/ OFF de la resisten-cia térmica. También se añadió 3 vectores: el pri-mero, recepción de la señal digital del conversor, el segundo y el tercero se declaran como salidas, para visualización de la temperatura a todo ins-tante, en un display de 7 segmentos.

Fig. 10. CONVERSOR ADC0804

De acuerdo a las etapas definidas, se realiza la síntesis, la compilación del código y se convierte en el lenguaje de acuerdo a la tarjeta que se utili-za. Ver Fig. 11.

Fig. 11 SÍNTESIS DE PROGRAMA

Se procede a hacer la designación de los pi-nes, con Pin Planner (Ver Fig. 12), que permite di-reccionar cada componente de los vectores.

Fig. 12. PIN PLANNER

Para la asignación de pin de salida, se muestra un ejemplo en la Fig. 13, el cual indica que la re-sistencia debe encenderse.

Fig. 13. EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE PINES EN PIN PLANNER


Luego se enruta los pines anteriormente selec-cionados, y se genera los archivos con los que se va programar el sistema embebido. Una vez reali-zado este procedimiento se implementa el control en tarjeta.

Como se muestra en la Fig. 14, en el sistema embebido para este caso en el tanque hay una temperatura de 66°C y como lo indica el led de color verde la parte inferior derecha de la tarjeta, la resistencia térmica está encendida.

Fig. 14. FPGA EN FUNCIONAMIENTO

IV. CONCLUSIONES

La representación del proceso se realizó, te-niendo en cuenta la interacción de la dinámica continua y la dinámica a través de eventos, utili-zando autómatas finitos.

El control implementado por autómatas finitos, permitió reducir el número de orden de la ecuación diferencial, lo que facilita el análisis del sistema.

Se realizó satisfactoriamente la implementa-ción del control ON/OFF de la resistencia térmica del tanque de almacenamiento, que comparado con el controlador PID el tiempo de respuesta es más efectivo.

Con la simulación realizada se comprueba que en los sistemas híbridos, se puede implementar el autómata finito, y se observa que el cambio de es-tado del sistema discreto muestra el cambio o el comportamiento de la variable continua que para el caso es la temperatura.

La implementación del control por autómatas finitos en un sistema embebido, no es necesario dedicar un computador para controlar un sistema, ya que estos están específicamente diseñados y

optimizados para resolver un problema en especí-fico.

IV REFERENCIAS

[1] Zhang Si-Bing, Chen Jie, Wang Ya. “A formal verifica-tion method of hybrid system and simulation”, in Proc. 3rd IEEE International Conference on Computer Scien-ce and Information Technology (ICCSIT). Conf., pp. 411-415

[2] R. Alur, T. Henzinger, G. Lderriere, and G. Pappas. Dis-crete Abstractions of hybrid systems. In Proceedings of IEEE, volume 88, pages 971-984, 2000.

[3] Nedialkov N. Mohrenschildt M. “Rigorous Simulation of Hybrid Dynamic Systems with Symbolic and Interval Methods”, in Proc. American Control Conference, Pro-ceedings of the 2002. Conf., pp 140-147.

[4] Fourlas F., Kyriakopoulos K., Vournas C. “Hybrid sys-tem modeling for power system”, IEEE Circuits and Systems Magazine, Vol. 4, no. 3, pp 16-23. Oct. 2004

[5] Alberto M., Schwer I., Cámara v., Fumero Y. Matemáti-ca Discreta: Con aplicaciones a las ciencias de la pro-gramación y computación, Argentina, Ed. UNL, 2005.

[6] WOLFRAM S. Anew Kind of Science, Estados Unidos, Ed. Wolfram Media; 2002.

[7] HOPCROFT J., MOTWANI R., ULLMAN J. Introducción a la teoría de autómatas, lenguajes y computación, Es-paña, Ed. ADDISON-WESLEY; 2002.

[8] CRUZ B., LARA E. Control híbrido de un sistema elec-tromecánico de llenado de botellas. En Congreso Na-cional de Control Automático A.M.C.A, Universidad Au-tónoma de Nuevo León, Monterrey, 24-26 Oct. 2007.

[9] Cruz B., Avilés J., Lara E. “Diseño de un controlador basado en el modelo del autómata híbrido”, Revista académica de la FI-UADY, vol.13, no. 2, pp. 5-12, En. / Abr. 2009

[10] Cruz B. “Modelación y análisis de un sistema híbrido: Un caso de estudio con un sistema de tanques”, Re-vista Académica de la FI-UADY, Vol.10, no.2, pp. 5 15. May/ Ag. 2006

[11] Hrúz B., Zhou M. Modeling and control of discrete-event dynamical systems, Londres, Ed. Springer-Verlag, 2007

[12] Wilmshurst T. An Introduction to the Design of Small Scale Embedded Systems with examples from PIC, 80C51 and 68HC05/08 Microcontrollers, Gran Breta-ña, Ed. Palgrave Foundations, 2003.

[13] Alonso F., Martínez L., Segovia F. Introducción a la In-geniería del Software: Modelos de desarrollo de pro-gramas, España, Ed. Delta Publicaciones, 2005.

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Autor(es), Nombre de la publicación, Título de la revista, Volumen, Número, páginas y año. Deben ir en fuente Arial, Tamaño 7.Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution sys-tem protection,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.LibrosAutor, Nombre del libro, Edición, Editorial, Año, páginas.Ejemplo: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, vol. I. New York: Wiley, 1950, p. 81.

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square brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal):


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Books: Author, Name of the book, Edition, Editorial, Year, pages. Example: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, bowl. I. New York: Wiley, 1950, P. 81.

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