DIRECTIVOS
Fr. Faustino Corchuelo Alfaro, O.P.
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Fr. Guillermo León Villa Hincapié, O.P.
Vicerrector Académico
Fr. Fernando Cajicá Gamboa, O.P.
Decano División de Ingenierías y
Arquitectura
Fr. José Rodrigo Arias Duque, O.P.
Vicerrector Administrativo-Financiero
EDITOR
Luis Ómar Sarmiento Álvarez, M.Sc, PhD(c)
Coordinadora editorial
Lizeth Johanna Alvarado Rueda, M.Sc.
COMITÉ EDITORIAL
Luis 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.D
Universidad Santo Tomás,
Bucaramanga, Colombia
Alberto González Salvador, Ph.D
Universidad Politécnica de Valencia
Valencia, España
José Millet Roig, Ph.D
Universidad Politécnica de Valencia
Valencia, España
Oscar Elías Herrera Bedoya, Ph.D
Universidad Piloto de Colombia
Bogotá, Colombia
CORRECCIÓN ORTOGRÁFICA Y DE
ESTILO
Ciro Antonio Rozo Gauta
IMPRESIÓN
Distrigraf
PERIODICIDAD
PRODUCCIÓN CREATIVA
Departamento de Publicaciones
Directora Dpto. Publicaciones
C.P. Luz Marina Manrique Cáceres
Diseño y Diagramación
Pub. Luis Alberto Barbosa Jaime
Semestral
© Universidad Santo Tomás
ISSN 1692 - 1798
COMITÉ CIENTÍFICO
Yudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.D.
Universidad Santo Tomás,
Bucaramanga, Colombia
Miguel Eugenio Arias Flórez, Ph.D
Universidad Santo Tomás
Bogotá, Colombia
Jairo Claret Puente Brugés, Ph.D
Universidad Santo Tomás,
Bucaramanga, Colombia
Gabriel Ordonez Plata, Ph.D
Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
Homero Ortega Boada, Ph.D
Universidad Industrial de Santander
Ministerio TIC
Colombia
Héctor Esteban González, Ph.D
Universidad Politécnica de Valencia
Valencia, España
Juan Carlos Guerri Cebolleda
Universidad Politécnica de Valencia
Valencia, España
La revista ITECKNE ha sido aceptata en los siguientes índices bibliograficos y bases bibliograficas:
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Índice Actualidad Iberoamericana - CIT
Cadaartículoesresponsabilidaddesuautorynoreflejalaposicióndelarevista.Seautorizalareproduccióndelosartículossiemprey
cuandosecitealautorylarevistaIteckne.Agradecemoselenvíodeunacopiadelareproducciónaestadirección:UniversidadSanto
Tomás,FacultadesdeIngeniería.
Carrera 18 No. 9-27 Servicio al Cliente Iteckne Teléfono: + 57 7 6800801 Ext. 1411- 1421 Fax: 6800801 Ext. 1346
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Contenido
Revista ITECKNE Vol 9 Nº 2 julio - diciembre de 2012
Editorial...........................................................................................................................................................................5
Luis Ómar Sarmiento Álvarez
ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia
Performance analysis of the IEEE802.11 for the conectivity of rural zones in Colombia..........................................7
Óscar 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........22
Juan 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 Network
Evaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en redes IEEE 802.11
- Caso de Estudio Red QRD..........................................................................................................................................33
Evelio Astaiza Hoyos, Diego Fernando Salgado Castro, Héctor F. Bermúdez Orozco
Arquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-avanced
Functional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks...................40
Diego 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 ios
Multilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard.......................52
Daniel 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 información
de fase de una rejilla radial
Simultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phase
information of a radial grid..........................................................................................................................................62
Luis 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 Bagasse
Influencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la producción de metano
a partir del bagazo de fique.........................................................................................................................................72
Liliana del Pilar Castro Molano, Humberto Escalante Hernández, Carolina Guzmán Luna
Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinyl
Acetate and ester acrylic to obtain recovered leather
Evaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-polimérica
De vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de cuero.................................................................................78
Danny Guillermo Cañas Rojas, Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc, Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas.....................................................................85
Computational evaluation of fluid flow through porous membranes
Tatiana López Montoya, César Nieto Londoño, Mauricio Giraldo Orozco
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión
al Estado del Arte
Modeling of the biomass gasification process for energy recovery: Review for the actual
tecnology.......................................................................................................................................................................95
José 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 óptica
Fractional PID controller designed for a CD pickup head position control to be used
in optical microscopy..................................................................................................................................................106
Paula Andrea Ortiz Valencia, Lorena Cardona Rendón
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de
la Arquitectura de la Glándula Mamaria
Decision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion..................................................118
Duván Alberto Gómez Betancur, John Willian Branch Bedoya
Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos
Coupled tanks system temperature control using finite automata...........................................................................128
Nathalie Cañón Forero, Jenny Gutiérrez Calderón, Óscar Avilés Sánchez, Diego Rodríguez Mora,
Darío Amaya Hurtado
Instrucciones a los autores Revista ITECKNE..........................................................................................................135
Instructions to the authors, ITECKNE Journal..........................................................................................................138
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 (Fuente 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 internacionales, 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.
Editorial
La 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, discusión y formación orientada a la profesionalización de los editores de revistas 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 ejemplo, 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 desde 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 científicas 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 número, la revista cuenta con un ISSN digital como forma de incorporación
al sistema OA.
Finalmente, la Dra. Bonilla hizo dos alusiones que merecen ser analizadas. La primera, referente al nuevo modelo de clasificación de Publindex, 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 Comité 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 continúa 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 impacto de las publicaciones científicas nacionales, entre las que sobresalen,
“cuidar de la calidad en los resultados más que la cantidad; escribir en varios 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 investigadores nacionales e internacionales, utilizar bibliografía los más reciente
posible nacional e internacional; reconocer el trabajo de otros investigadores 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, compartió 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 descriptivas de patentes. Es un enfoque que debería ser tenido en cuenta,
especialmente por los grupos de investigación y sus respectivas universidades, 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 difusión del conocimiento científico con el objetivo de llegar a audiencias no
especializadas, con lo cual no sólo fortalece la visibilidad de sus artículos, 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 conclusiones 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 colombiana 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 labor más para el editor y su equipo de trabajo: verificar que las autocitaciones 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 sistema 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, M.Sc.
luisomar.sarmiento@gmail.com
Editor
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la
conectividad de zonas rurales de Colombia
Performance analysis of t he IEEE802.11 for the conectivity
of rural zones in Colombia
Óscar Gualdrón González
Ph. D en Física, Université Laval Canada
Docente Tiempo Completo, Director Grupo CPS,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
ogualdron@uis.edu.co
Ricardo Andrés Díaz Suárez
MIE en Ingeniería electrónica,
Universidad Industrial de Santander
Docente Medio Tiempo, Investigador Grupo GITI,
Universidad Cooperativa de Colombia UCC
Bucaramanga, Colombia
ricardo.diazsu@campusucc.edu.co
Resumen— Dentro de este artículo se presenta las características de desempeño del estándar IEEE802.11 en
enlaces punto a punto de largo alcance sobre emplazamientos rurales en Colombia. Para explicar este desempeño primero se realiza una descripción detallada del
comportamiento de la capa física y MAC en el despliegue de redes de largo alcance, esto se realiza mediante
análisis de la regulación existente para la máxima potencia 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 ACKTimeout que hacen parte del control de acceso al medio e inciden en la implementación de radio enlaces de
varios kilómetros. Posteriormente a partir de unos modelos 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 diseñados y construidos en laboratorio, se realizan un grupo
de medidas experimentales de throughput UDP saturado en enlaces punto-punto entre Bucaramanga y emplazamientos 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.
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 implementation of radio links of several kilometers. Following from
this theoretical models in the literature and one proposed 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 communication photovoltaic powered laboratory designed and
built, a group performed experimental measurements
of saturated UDP throughput in point to point links between Bucaramanga and rural sites surrounding metropolitan area in the range of 0-10.4 km distances, measurements are performed using the iperf traffic generator
sending UDP packets of unidirectional and bidirectional,
then the measurements are compared with those obtained theoretically.
Palabras clave— IEEE802.11, largo alcance, Física,
MAC, Modelo, Throughput, Iperf.
Abstract— In this paper, we present the performance 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 detailed 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
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 desprotegidas, lo cual permite que abunde el analfabetismo, se carezca de buenos mecanismos
de salubridad pública, no exista prevención remota 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-
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado:06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
8
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
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 conectividad en zonas rurales están determinados por
las limitaciones económicas, las severas condiciones ambientales, el costo de los equipos de
comunicación, la carencia de infraestructura,
los costos de licencia en la banda del espectro electromagnético, la carencia de un buen
suministro eléctrico, el mantenimiento de los
equipos y los costos que imponen los ISP (proveedores de servicio de internet) para acceder
al backbone.[1][3][6]
Considerado lo anterior se necesitan tecnologías de comunicación con buenas prestaciones y de bajo costo, que permitan disminuir la
brecha digital y contribuir al desarrollo de estos emplazamientos al conectarlos con el resto
del mundo.
En el mercado existen diferentes tecnológicas 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 Coaxial Networks), Redes PLC (Power Line Communications), EV-DO (Evolution-Data Optimized), GPRS (General Packet Radio Service) y
Wi-Fi (Wireless Fidelity). A partir de las características de desempeño y costo algunos estudios consideran a Wi-Fi como una de las mejores alternativas para la conectividad de zonas
rurales. [7][8]
Debido a la masificación en el uso de radios Wi-Fi su costo ha disminuido considerablemente, además, si se considera que estos
operan en la banda ISM (Industrial, científica y
médica), sus velocidades de transmisión máxima 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 ofrecer soluciones de conectividad de banda ancha, además, si se incorpora que al realizar variaciones en los tiempos definidos en la capa
MAC (CSMA/CA) y física definidos en el estándar o modificado el control de acceso al medio
(TDMA) se puede utilizar para desplegar redes
de área extensa con buenas prestaciones, estos aspectos descritos presentan a WiFi como
una de las mejores opciones para ofrecer conectividad en zonas rurales. Esto ha incentivado 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 propietarios para conectar emplazamientos rurales.
En la actualidad existen algunas mediciones experimentales de throughput sobre el estándar IEEE802.11 en algunas zonas rurales
de la Amazonia Peruana (1-50km) [6] y en emplazamientos rurales en Europa 10-300km [9]
[10][11], además existen estudios de desempeño 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 especifican algunas características del estándar
IEEE802.11 el cual está diseñado y optimizado
para redes de área local, en la segunda sección 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 desempeño 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 bidireccional sobre enlaces punto a punto IEEE802.11
de largo alcance, realizando el análisis cuando
el flujo del tráfico es unidireccional y bidireccional además se propone un modelo para el
cálculo del throughput basado en una máquina
de estados que representa la función de coordinación 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 throughput sobre enlaces punto a punto de largo al-
Análisis 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 ensanchado 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 sensado de portadora. [14][15]En el estándar IEEE
802.11g en su capa física define la multiplexación por división de frecuencias ortogonales
OFDM para el envío de datos, la cual fracciona
el canal en un número de subcanales ortogonales los cuales deben ser usados en paralelo 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 señal 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 Coordination Function), aunque en los radios Wi-Fi
comerciales el más implementado es el distribuido 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 Frame Space), lo cual depende si la estación estuvo 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 selecciona de forma pseudo aleatoria de una distribución uniforme a partir del intervalo de valores.
[0,CW min] Cada vez que la estación transmisora
considera el canal libre CS/CCA (Carrier Sense/Clear Channel Assessment), decrementa
un slot. Si encuentra el canal ocupado la estación congela el algoritmo backoff hasta que encuentre el canal libre durante un DIFS. Cuando
el número de ranuras llega a cero la estación
comienza a transmitir. Al terminar la transmisión 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 estaciones 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 [0,2 i CW min] dondei especifica 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]
9
10
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
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 recepción de los radios WiFi comerciales y la máxima
PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente).
Después se introduce la presencia de FER (Frame 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 sensitividad que impone el radio para cada tipo de
modulación y las pérdidas presentes por propagación.
En el caso de Colombia la regulación que existe 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 impone una restricción de 30dBm de potencia transmitida 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, aspecto fundamental para conectar emplazamientos 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 nivel de sensitividad) para cada velocidad de transmisión [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 primera de ellas es del tipo burst (generados principalmente 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 despreciables 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 características del FER:
• La dependencia del FER (frame error rate) con
respecto a la relación señal a ruido es muy cercana a su valor teórico para el IEEE802.11b/g.
En el estándar IEEE 802.11b/g existe una pequeña ventana donde si el SNR se encuentra
entre 4 a 6 dB, el BER es aproximadamente
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
•
•
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 distancia 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 ancho 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 transmisión del estándar IEEE802.11b.
Fig. 3. PAQUETES RECIBIDOS VS. EL NIVEL DE SEÑAL RECIBIDA CONSIDERANDO UN NIVEL DE RUIDO DE -101.7DBM.
Fuente: Autor del proyecto.
Como se puede apreciar en la Fig. 3 la ventana 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 implícitamente el tiempo.
La capa MAC no impone restricciones al límite 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, aunque 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 estándar se introduce el parámetro coverage class
permite incrementar el valor de AirPropagationTime 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 recibir un ACK que confirma que la transmisión fue
exitosa. Si no se recibe una confirmación dentro
de ese intervalo de tiempo la estación transmisora considera que la transmisión fue fallida y
vuelve a invocar el algoritmo backoff para realizar otra transmisión. Para enlaces de larga distancia 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 manera más conveniente de acuerdo a la distancia.[4][15][21]
DIFS: Es el tiempo durante el cual una estación debe sensar el canal libre antes de programar 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 inicializar 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 garantizar 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-
11
12
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
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 considerar 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 ocurrir 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 describe 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 generar 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 transmisora evaluar el canal y de notificar ese
estado a la capa MAC.
• El tiempo que tarda una estación destino cambiar de estado recepción al de transmisión.
• El tiempo de propagación.
Cuando se utiliza el Slottime definido en el estándar 20 y 9μs para IEEE802.11b/g respectivamente, 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 estaciones aumenta. [4][15][21]
Si se considera el valor del Slottime de tal forma que sea igual al intervalo de vulnerabilidad
(slottime ≈2δ) las estaciones colisionarían solamente si transmiten en un mismo slot como se
puede apreciar en la Fig. 4, por lo tanto, los retardos 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 comparable 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 maximiza pero aumentan los retardos y los paquetes perdidos. Para un valor de slottime<δ se incrementa
el intervalo de vulnerabilidad el número de colisiones aumenta, los retardos se incrementan y el
throughput disminuye.
Fig. 5. EL VALOR DEL SLOTTIME ES CERCANO AL TIEMPO DE
PAGACIÓN
PRO-
Fuente: Adaptado por los autores de [6] [21] [28]
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:
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
Donde LPaquete_UDP se refiere al tamaño del paquete 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 describe en la Fig. 6.
Fig. 6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA TRANSACCIÓN
UDP SOBRE IEEE802.11
(0,CWmin) donde el tiempo promedio de la ventana 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.
Fuente: Autor del proyecto
Primero la estación transmisora verifica que
el canal se encuentre libre durante un TDIFS para
inicializar la ventana de contención, la cual se disminuye hasta que la ventana llega a cero la estación. 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 sobre el estándar IEEE802.11b/g considerados los
tiempos de propagación está dado por 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 señal 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.
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 encuentra 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 comunicación ideal, el FER=0, es decir, las transmisiones son exitosas, por lo tanto la variable pseudo
aleatoria con distribución uniforme de la ventana
de contención es seleccionada del intervalo de
Con la ecuación (1), considerado un paquete UDP de 1440bites y utilizado el estándar
IEEE802.11b a 11Mbps, un canal de comunicación ideal, es decir, el BER=0 y que los temporizadores del ACK no expiran y los demás parámetros 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].
13
14
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
TABLA II
Valores para los parámetros en el modelo UDP Unidireccional
Parámetro
Definición
Valor
802.11b
Valor
802.11g
Unidad
CW_min
Tamaño de la
ventana contienda
mínima
31
15
Slots
TSlottime
Tiempo 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
TPreambulo
Duración 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
RTasa
Tasa de Transmisión
Capa física
1, 2,
5.5,11.
6, 9,
12, 18,
24,36,
48,54
Mbps
R Basic
Tasa de transmisión
capa física ACK.
1, 2
6, 9, 12,
18, 24
Mbps
TSignal_EXT
Extensión de Señal
-
6
µs
L802.11_ACK
Longitud 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
Para el cálculo del throughput UDP saturado Bidireccional se puede utilizar el modelo de
Bianchi (El cual se basa en la cadena bidimensional 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 estación 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 Bidireccional 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.
Fuente: Autor del proyecto.
Fig. 7. THROUGHPUT UDP UNIDIRECCIONAL ESTÁNDAR
IEEE802.11B A 11MBPS
Fuente: Autor del proyecto.
Fuente: Autor del proyecto
Este mismo análisis se puede utilizar para calcular el throughput UDP unidireccional con los protocolos 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.
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 vulnerabilidad 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
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
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 vulnerabilidad 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 construyó 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 determina el tiempo de transmisión exitosa y el tiempo de
colisión considerado el algoritmo backoff el cual genera un retardo que depende del estado del canal
ya sea que se encuentre libre u ocupado y el número 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
Para diferenciar en cuáles casos se llega al
estado de transmisión exitosa y en cuáles ocurre
una colisión se toman consideraciones presentadas en el modelo J. Simo en la definición intervalo
del IV (intervalo de vulnerabilidad), para definir el
intervalo de colisión (IC), definido como el intervalo 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 transmitir de manera simultánea. La ventana seleccionada de forma pseudo aleatoria para STA es CWa
y para STB es CWb. La estación que tenga la menor ventana de contención transmite, pero debido
a la distancia entre ellas, la otra estación no detecta 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 propagación y el tiempo que tarda el mecanismo CCA
en determinar que el canal se encuentra ocupado,
IC=δ+CCATime. También se puede calcular el número de slots dentro de los cuales puede ocurrir
una colisión el cual se nombra como ICN (Intervalo 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 definido por J. Simo [21].
Conocido el número de slots que puede transcurrir 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 determina la ocurrencia de colisión. De acuerdo a lo
anterior se considera que una colisión existe si:
Fuente: Adaptado de Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wireless Local Area Network Protocol [34] y A Finite State Model for IEEE 802.11
Wireless LAN MAC DCF [35]
15
16
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
Para calcular el throughput en un enlace punto 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 multiplicado por el tamaño promedio de los paquetes
entre el tiempo que transcurre para realizar el envío 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 estación 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 ecuación (12) se reescribe de la siguiente forma:
Ecuación (16):
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) respectivamente, estas dependen del estado transmisión, 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 retransmisiones, los valores que pueden tomar las variables
aleatorias se expresan a continuación.
Donde NR es el número máximo de retransmisiones 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 Tabla 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
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.
Fuente: Autor del proyecto.
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
III. MEDICIONES DE throughput
Para las mediciones experimentales de throughput se diseñó un grupo de prototipos Wi-Fi autónomos 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
17
Para las pruebas de laboratorio se uso un cable coaxial para emular las pérdidas por propagación en el enlace punto a punto considerando las
distancias 0, 5, 10Km.
Para cada nodo de comunicación se le ajustaron los tiempos de la capa MAC para mejorar el
desempeño sobre redes de largo alcance, los parámetros 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 bidireccional sea cercano al máximo, todo estos parámetros se ajustaron con el driver de MADWIFI el
cual sirve como controlador sobre el chip Atheros
AR5414 que hace parte del radio XR2.
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 utilizado para la construcción de cada uno de los nodos
que hacen parte del enlace de comunicación.
TABLA III
Hardware utilizado para las pruebas
Dispositivo
Motherboard 1
Motherboard 2
Referencia
Características
ALIX2D2
CPU: 500 MHz, AMD Geode
LX800
DRAM: 256 MB DDR (on
board )
Storage: CompactFlash socket
2 miniPCI
Firmware: Award tinyBIOS
Soekris
net4801-48
CPU: 233 MHz, AMD Geode
SC1100
SDRAM: 128 Mbyte (on board)
Storage: CompactFlash
1 Mini-PCI socket
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 realizados 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 introdujeron por software los retardos por propagación.
Para las pruebas de campo abierto se seleccionaron diferentes puntos en Bucaramanga y zonas
circundantes al área metropolitana (zonas rurales)
en los que se disponía de seguridad para los equipos de medición y los nodos Wi-Fi autónomos durante la permanencia de las pruebas.
TABLA IV
Sitios seleccionados para las pruebas de campo
Nodo
Latitud
Longitud
A
7° 8’26.09”N
73° 7’17.87”O
Altura (m)
991
B
7° 8’21.0”N
73° 7’16.1”O
990
Radios
Ubiquiti (XR2)
Chipset atheros AR5414 32-bit
mini-PCI Type IIIA
C
7° 7’59.81”N
73° 7’17.08”O
1000
Sistema Operativo
Linux Voyage
Version 0.6.2
D
7° 7’39.90”N
73° 7’15.80”O
998
Driver
MADWIFI
madwifi-modules-2.6.30voyage_0.9.4~rc2-1+
7.0-1_i386.deb
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
Antenas
HG2424
24 dBi
Cable
LMR400
2 metros
Fuente: Autor del proyecto.
Fuente: Autor del proyecto.
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
En la figura 12 se presenta la ubicación de
cada uno de los emplazamientos seleccionados.
Fig. 12. SITIOS SELECCIONADOS PARA LOS ENLACES DE COMUNICACIÓN
ciar la existencia de interferencia en el canal de
comunicación, lo cual aumentó el número de paquetes medidos, esta medición se realizó sobre
en el punto I de la Fig. 12.
Fig. 13. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL IEEE802.11B
Fuente: Autor del proyecto
A continuación en la Tabla V se describe los diferentes enlaces punto a punto construido en campo abierto y su respectiva configuración del ACKTimeout y el slottime.
Fuente: Autor del proyecto.
Fig. 14. MEDICIÓN DEL ESPECTRO EN LA BANDA DE 2.4GHZ
TABLA V
Enlaces de comunicación establecidos en campo
Enlaces
A-B
Slottime (ms)
Distancia
(km)
11g
11b
Acktimeout
(ms)
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
Fuente: Autor del proyecto
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 laboratorio para cada una de las diferentes distancias.
En la Fig. 13 se puede apreciar que las pruebas 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 medidas obtenidas para la distancia de 5.01Km esto
se debe a que en este lugar funcionan unos sistemas de comunicación que operan en la banda
de 2.4GHz el cual se encuentra en el rango de frecuencias donde opera nuestro sistema de comunicación. 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-
Fuente: Autor del proyecto
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
Fuente: Autor del proyecto
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
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 predecir el throughput UDP que se obtuvo en el campo abierto.
Fig. 16. PRUEBAS DE CAMPO UDP BIDIRECCIONAL IEEE802.11B
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.
REFERENCIAS
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CONCLUSIONES
Se realizó e implementó una metodología
para caracterizar el desempeño del estándar
IEEE802.11 en un radio enlace de largo alcance, Donde se logró determinar el throughput UDP
máximo que se puede obtener de acuerdo a la distancia 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 zonas rurales de la geografía colombiana.
Para predecir el throughput saturado bidimensional 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 alcance.
En los enlaces de comunicación en los que se
encontraba presente interferencia disminuyó considerablemente 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.
19
20
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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
Juan Carlos Vesga Ferreira
M. Sc. en Telecomunicaciones,
Universidad Pontificia Bolivariana
Docente Auxiliar ECBTI- UNAD
juan.vesga@unad.edu.co
Gerardo Granados Acuña
Esp. en Telecomunicaciones,
Universidad Autónoma de Bucaramanga
Docente Auxiliar ECBTI- UNAD
gerardo.granados@unad.edu.co
Resumen— El rendimiento es sin duda uno de los aspectos 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 particular. Básicamente, los parámetros más comunes para
evaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utilización del canal y diversas medidas de retardo.
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 various points of view, allowing to incorporate other forms
of evaluation depending on the object of interest in particular. Basically, the most common parameters for evaluating the performance of a network are: Throughput,
use of the channel and various measures of delay.
Throughput, es la capacidad de un enlace de transportar 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 transmisión (TCP o UDP) y el tipo de datos de tráfico (HTTP,
FTPy otros).
Throughput, is defined as the capacity of a link to carry 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 connection depending on the protocol used for the transmission (TCP or UDP) and the data type of traffic (HTTP,
FTP, etc. ).
Un objetivo muy importante al analizar el throughput se encuentra relacionado con la calidad del servicio
(QoS / Quality of Service) en la red, la cual juega un papel importante a la hora de evaluar la eficiencia de una
red centrada en aplicaciones sensibles al tiempo, tales
como: video y audio, entre otras.
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 important role in assessing the efficiency of a network centered in time-sensitive applications, such as: video and
audio, among others.
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 tomacorriente en un punto de conexión para el usuario, sin
la necesidad de cableados adicionales a los existentes.
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 design of LANS and broadband communications through
the Power network, converting any wall socket in a connection point for the user, without the need for additional wiring to the existing ones.
Este artículo presenta un análisis experimental sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN sobre PLC, bajo el uso de adaptadores de red soportados
con el estándar HomePlug 1.0.
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.
Palabras clave— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA,
Modelo estadístico
Keywords— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, Statistic Model
Recibido: 02/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32
Análisis 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 característica del canal y efecto multipath [1], entre
otros aspectos; que afecta considerablemente su
óptimo desempeño. Además, es muy difícil obtener un modelo significativo de este canal, debido
a la constante conexión y desconexión de dispositivos.
Una de las principales características de la tecnología 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 comportamiento de la tecnología PLC durante el desarrollo del
experimento.
La red PLC está sujeta a limitaciones relacionadas 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 trabaja 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 mayor interés dentro del análisis global en las redes
LAN, debido al efecto que produce sobre el usuario final. Puede ser definido según diversos puntos
de vista, permitiendo con ello incorporar otras formas de evaluación dependiendo del objeto de interés 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 cantidad 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 mensaje
TM: Tiempo de transmisión del mensaje
TACC: Tiempo de acceso al medio
La mayoría de los métodos empleados para las
mediciones se caracterizan por hacer evaluaciones de la conexión entre hosts enviando algún patrón 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 determinar la variación del Throughput en la red LAN
según: el tamaño del paquete, el número de estaciones 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 experimentos es decidir cuáles pruebas o tratamientos 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 secuencia de etapas o actividades que deben realizarse 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 necesidades 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 respuestas (Throughput). Es decir, se busca estudiar
23
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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 relación y generar conocimiento que permita tomar
acciones y decisiones que mejoren el desempeño
del proceso [7].
Para estudiar la manera cómo influye cada factor 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 niveles 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 experimento, 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 diseño 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 activos en la red y distancia entre el PC (Cliente) y el
Servidor. Cada factor presenta un número específico 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 diseño 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 experimental recomienda el uso de una técnica estadística para el análisis e interpretación de los datos.
En el caso particular del diseño factorial, la técnica sugerida es el análisis de varianza [8]. En
estadística, el análisis de la varianza (ANOVA, según terminología inglesa) es una colección de modelos 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 separar la variación total en las partes con la que
contribuye cada fuente de variación en el experimento [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 vista 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 arrojados por el ANOVA [9]-[11].
El uso del análisis de varianza no obedece a realizar comparaciones por capricho o para descubrir
lo evidente. La comparación de tratamientos surge
como una necesidad en la lógica de pretender tomar una decisión, en la solución de un problema o
como paso importante para el mejor entendimiento de un proceso [7]. En el contexto de un problema de investigación surge la necesidad de realizar
alguna comparación de tratamientos con el fin de
elegir la mejor alternativa o tener una mejor comprensión del comportamiento de la variable de interés en cada uno de los distintos tratamientos.
La estrategia normalmente se basa en obtener una muestra representativa de mediciones de
cada uno de los tratamientos, y con base en las
medias y varianzas muestrales construir un modelo estadístico que describa el comportamiento de
esta comparación [8]-[10]. El modelo estadístico
describe el comportamiento de la variable observada y en cada diseño incorpora un término adicional por cada factor. El modelo es una manera
de expresar matemáticamente todo lo que se supone 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
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
con ello establecer una relación de causalidad, y
sentar las bases para el modelo empírico de predicción.
III. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO
En la actualidad, existen diferentes herramientas software que permiten realizar mediciones sobre una red. La mayoría de herramientas
opera mediante configuraciones cliente/servidor, al enviar paquetes de un host a otro, generar situaciones de tráfico controladas y aleatorias 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 situaciones que requieren evaluar el rendimiento de una
red, se utilizará Iperf como herramienta software
para la medición del Throughput y otros parámetros relacionados con retardos propios de la red
LAN sobre PLC bajo el estándar HomePlug 1.0.
Iperf es una herramienta diseñada para medir el rendimiento del ancho de banda vía TCP
y UDP. Iperf reporta throughput, retardo (delay),
Jitter (variación del retardo) y pérdidas de datagramas, que permite manipular diversos parámetros del tráfico generado [12].
Para establecer una comunicación entre dos
equipos, uno de ellos debe configurase como
servidor y otro como cliente. El experimento consiste en conectar diversos equipos de cómputo,
haciendo uso de adaptadores PLC-ethernet separados entre sí a una distancia conocida. Iperf
generará tráfico desde cada uno de los PC hacia
el Servidor acorde con la configuración de parámetros establecida [13].
Fig. 1. ESQUEMA DE CONEXIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LA RED PLC CON
FINES EXPERIMENTALES
forma de conexión de cada uno de los equipos.
Como dato adicional para el experimento, los
adaptadores se ubicaron dentro del mismo circuito (fase) eléctrico.
Tal como se mencionó anteriormente, se consideraron para el desarrollo del experimento tres
factores: tamaño del paquete, número de PC activos 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 especificaciones del fabricante)
• Distancia entre PC-Cliente y Servidor:
5m,10m,20m,30m
Con referencia a la distancia, se utilizaron valores 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 técnicas, tabla II:
TABLA II
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ADAPTADORES USADOS
Característica
Protocol/Standards:
Valor
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
Soporta (FEC)
4 niveles de prioridad de paquetes en forma
aleatoria
Quality of Service:
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)
1 x Power LED
Fuente: Los Autores
La Figura 1, muestra una topología bus utilizada para la implementación de la red PLC y la
LED Indicators:
1 x Powerline Activity Status LED
1 x Ethernet Link/Activity Status LED
Fuente: los autores
25
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Dadas las condiciones experimentales descritas 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 efectos dado por:
En donde:
a=Tamaños del paquete
b=distancias entre estaciones
c=Número de estaciones o host en la red PLC
n=Número de réplicas del experimento
Yijkl= 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 independiente 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 factores Tamaño del Paquete y Distancia entre host
(AC)ik= Efecto de la interacción entre los factores Tamaño del paquete y Número de host
(BC)jk= Efecto de la interacción entre los factores Distancia entre Host y Número de host
(ABC)ijk= Efecto de la interacción de los tres factores
εijkl= Error aleatorio
El estudio factorial de tres factores (A,B,C) permite 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 niveles utilizado en cada factor. Para el caso particular, se tienen siete efectos de interés sin considerar 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
HA: Efecto ABC ≠ 0
Ho: Efecto ABC = 0,
Para casos en los que todos los factores del
experimento son fijos, es posible formular y probar
fácilmente hipótesis acerca de los efectos principales 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 niveles 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 Procedimiento
Variable dependiente: Throughput
Factores:
• 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 supeditada a que los supuestos del modelo se cumplan.
Estos supuestos del modelo de ANOVA son: normalidad, varianza constante (igual varianza de
los tratamientos) e independencia. Esto es, la
respuesta (Y) debe tener una distribución normal, con la misma varianza en cada tratamiento
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
y las mediciones deben ser independientes. Estos supuestos sobre (Y) se traducen en supuestos 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 varianza) 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
FIG. 3. VALORES RESIDUALES DE THROUGHPUT EN PAPEL ORDINARIO
Fuente: los autores
En la figura anterior, correspondiente a la gráfica de probabilidad, se observa el cumplimiento
del supuesto de normalidad de los residuos, debido 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.
Fuente: Los Autores
En la Figura 2 donde se relacionan los valores 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 aumento. Sin embargo, esta violación no es tan fuerte
como para generar un impacto significativo en
el momento de emitir conclusiones sobre el modelo 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 observaciones realizadas en cada uno de los factores, ya que este hecho puede llegar a impactar
en la dispersión aparente de cada tratamiento.
Supuesto de Normalidad
Un procedimiento para verificar el supuesto
de normalidad de los residuos, consiste en graficar los residuos en una gráfica de probabilidad
normal, la cual se incluye en la mayoría de los
programas estadísticos.
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 independencia donde los valores residuales se encuentran distribuidos de manera aleatoria sobre
la horizontal.
VI. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS
EFECTOS ACTIVOS
A través del uso del software estadístico Statgraphics, se realizó un análisis multifactorial de
la varianza para Throughput, el cual realiza varios
tests y gráficos para determinar qué factores tienen un efecto estadísticamente significativo en el
Throughput como variable de salida.
27
28
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32
En la Tabla III se muestra el resultado del análisis de Varianza correspondiente al Throughput:
Fig. 5. INTERACCIÓN ENTRE DISTANCIA Y HOST
TABLA III
ANOVA 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: Statgraphics Plus 5.1
En la Figura 5 se evidencia de manera visual una
muy poca importancia de la interacción entre la distancia y el número de host existente en la red, consideradas 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 cercana 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
Fuente: los autores
Al efecto cuyo p-value sea menor al valor especificado 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 varios 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 inferiores a 0,05 (A,B,C yAC), estos factores tienen
efecto estadísticamente significativo en throughput para un 95,0% de confianza para los cuales la
hipótesis Ho se rechaza.
Por otro lado, los efectos que no influyen estadísticamente en el modelo (AB, BC y ABC), se podría considerar el eliminarlos y enviat sus efectos
sobre el modelo al término del error (ε). Es muy importante 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 Tamaño del Paquete y Número de host o estaciones
existentes en la red PLC.
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
En la Figura 6 se evidencia un efecto considerable en la interacción de los factores, tamaño del
paquete y número de estaciones, debido al aspecto 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 paquete y el número de estaciones; y, que la mayor influencia 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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
En la Figura 7 se evidencia una muy poca importancia de la interacción entre el tamaño del paquete y la distancia entre estaciones, ya que las
líneas se encuentran casi paralelas entre sí. Sin
embargo, debido a que la pendiente de las rectas tiende a aumentar considerablemente a medida 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 hipótesis alternativa HA : μi ≠ μj para algún i ≠ j, es necesario investigar cuáles tratamientos resultaron
diferentes o cuáles tratamientos provocan la diferencia, 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 comúnmente utilizado en la comparación de pares
de medias de tratamientos, el cual consiste en
comparar las diferencias entre medias muestrales con el valor crítico dado por:
se obtiene del análisis
Donde
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 significancia 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 valor absoluto sea mayor que Tα. A diferencia de los
métodos LSD y Duncan, el método de Tukey trabaja 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 considerar uno o más pares como significativamente diferentes cuando su diferencia real es igual a cero.
29
Según el tamaño del Paquete
TABLA 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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Cuando se rechaza Ho mediante el ANOVA, y
se concluye que no hay igualdad entre medias poblacionales de los tratamientos, pero no se tiene
información específica sobre cuáles tratamientos
son diferentes entre sí, el análisis de medias permite hacer una comparación visual y estadística
de las medias de los tratamientos. A continuación
se muestran los resultados de medias por mínimos 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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Según la Distancia
TABLA V
MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN LA DISTANCIA ENTRE ESTACIONES
Nivel
Frec
Media
Error
Estándar
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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32
Fig. 9. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN
EL FACTOR DISTANCIA
reflejo efectos significativos en el comportamiento del Throughput, lo cual es coherente con los resultados obtenidos previamente.
VIII. CONCLUSIONES
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Según el número de Host
TABLA VI.
MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL NÚMERO DEL HOST
Nivel
Frec
Media
Error
Estándar
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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Fig. 10. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN
EL FACTOR NÚMERO DE HOST
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Frecuencia Total: 720
Media Total: 1,32951
En 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. Según el análisis de medias, los mejores promedios
se obtuvieron a medida que el tamaño del paquete aumentó y la cantidad de host existentes en la
red era reducido. La distancia entre los host no
La implementación de redes PLC no debe ser
considerada como un reemplazo de las tecnologías existentes, sino como una solución complementaria que trabaja en conjunto con otras tecnologías de acceso. PLC ofrece una instalación
simple y rápida en donde solo es necesario conectar un adaptador o MÓDEM PLC, convirtiendo
cualquier toma de corriente en un punto de acceso a la red; lo que permite la transmisión simultánea de voz, datos y video sobre un mismo medio;
se origina la prestación de múltiples servicios:
acceso a Internet de Banda Ancha, telefonía local 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 factorial, cuyo objetivo consiste en estudiar el efecto
de varios factores sobre una o varias respuestas
(Throughput). Para el caso particular se implementó un diseño factorial de 6x4x6=144 combinaciones de tratamientos o puntos experimentales, 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 satisfactoriamente a cada una de las necesidades en el proceso
de investigación. El número de replicas del experimento fue cinco (5), las cuales se consideraron
suficiente garantía para medir los efectos principales y las interacciones, para un total de 720 mediciones de la variable respuesta.
En todo modelo, es importante saber combinar parámetros, variables, relaciones funcionales y restricciones que formen los componentes
que desarrollan la función objetivo. El análisis de
varianza (ANOVA) permitió descomponer la variabilidad de Throughput en cada una de las contribuciones por factor, bajo un nivel de confianza
del 95,0%. El análisis de varianza identificó cua-
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
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 Tamaño del Paquete y Número de host o estaciones
existentes en la red PLC.
Según el análisis de medias, los mejores promedios se obtuvieron a medida que el tamaño del
paquete aumentaba y la cantidad de host existentes en la red era reducido. La distancia entre los
host no reflejó efectos significativos en el comportamiento 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 considerable en la interacción de los factores tamaño
del paquete y número de estaciones, debido al aspecto quebrado de las líneas. Según la pendiente
de las rectas en los gráficos de interacción se puede 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 estaciones que se encuentren activas en la red PLC.
La validez de los resultados obtenidos en cualquier 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 propuesto para el Throughput, cumplen a satisfacción con cada uno de los supuestos, y se garantiza 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 adquisición 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 diversas 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 inmersos en el proceso de comunicación.
La intención final de este estudio es establecer las bases para evaluar el comportamiento del
Jitter, el cual se encuentra directamente relacionado con el rendimiento de la red PLC implementada, 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 tamaño del paquete; bajo las condiciones de la red
eléctrica existentes en ambientes corporativos y
residenciales. Sin embargo, es importante considerar que los resultados obtenidos pueden estar
sujetos a modificaciones y ajustes posteriores debido al grado de sensibilidad de los instrumentos
utilizados para realizar la medición y las condiciones existentes en la red en el momento de llevar a
cabo el experimento.
REFERENCIAS
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Communication: A Survey”. International Conference
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32
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Boston, Ed. Wit Press, 2010
Performance Evaluation of Self-Similar Models for
Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case
for the QRD Network
Evaluación 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 Cauca
Profesor Asistente - Universidad del Quindío.
Investigador grupo GITUQ
eastaiza@uniquindio.edu.co
eastaizah@unicauca.edu.co
Héctor F. Bermúdez Orozco
PhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones,
Universidad de Vigo-España
MsC Electrónica y Telecomunicaciones,
Universidad del Cauca
Profesor Asistente - Universidad del Quindío.
Investigador grupo GITUQ
hfbermudez@uniquindio.edu.co
hebermudez@unicauca.edu.co
Diego Fernando Salgado Castro
Ingeniero Electrónico
Universidad del Quindío
Grupo GITUQ
dfsc984@hotmail.com
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 stage, the most suitable traffic models are selected for the
current characteristics of the QRD network such as outof-saturation operation and management of heterogeneous traffic. In the third stage, we define a performance metric that is used to evaluate the traffic patterns
through simulation.
Keywords— QRD, WLAN, MAC, time slot, contention window, self-similarity, traffic, correlation, goodness of fit
test, snnifer.
I. INTRODUCTION
In the recent years, wireless networks have become popular for the design of access networks
due to their potential benefits with respect to wired networks. Since the standard IEEE 802.11 has
been widely accepted for the design of these networks, a detailed study of this standard provides
useful tools to design and plan proper networks,
and to meet user requirements with respect to information management and services.
This paper presents the performance evaluation of one popular method to model WLAN
802.11networks. This model takes into account
an exponential backoff protocol under non-saturated stations and heterogeneous-traffic-flow conditions to compute the throughput of the distributed 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 actual data from the “Quindío Región Digital” (QRD)
network.
The model under analysis assumes that the probabilities of packet collision of a packet is constant
and independent on the state and station regardless the number of retransmissions. This assumption, validated through simulations, shows high-accurate 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
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
34
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
network. Sections 4 and 5 include the performance evaluation of the model under study, which take
into account real conditions such as non-saturated
stations and heterogeneous traffic. Section 6 presents the simulation results that verify the performance 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 distributed 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 transmitted senses the channel activity. If the channel is
found inactive during a period of time equal to
the distributed interframe space (DIFS), the station 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 before 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 consecutive transmissions of a new packet even if the
channel is found inactive during a DIFS. To improve 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 I
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), where 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 doubled until reach its maximum value CWmax = 2mCWmin. 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 detected 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 counter reaches zero. Fig. 1 depicts this operation.
Since CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/
Collision Avoidance) is not based on the station capabilities 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 interval 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 detecting channel inactivity during a DIFS until the end
of an ACK. If the transmitting station does not receive 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 previous two-way transmission approach is called basic
access mechanism. DCF defines an additional and
optional four-way transmission approach. This mechanism is called RTS/CTS, which is shown in Fig. 2.
Fig.1. BASIC ACCESS MECHANISM
Slot 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
Source: P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control
(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997.
Performance 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
grouped according to the arrival time and length
of each packet. In this way, histograms and goodness 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
Source: P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control
(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997.
The station that requires a packet transmission must wait until the channel is found inactive
during a DIFS, following the backoff rules explained 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 period 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 detected 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 information about packets [12]. This information is
The methodology of goodness of fit test proposed by Kolmogorov-Smirnov [11] is used to determine the distribution functions for the arrival-packet 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
Source: Author of the project
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.
35
36
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
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 average length of 1452.76 bytes are transmitted to
any rate such as 1, 2, 11 or 54 Mbps, the maximum 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 analysis takes into account the time involved in solving
collisions.
Fig. 5. THROUGHPUT IN THE QRD NETWORK AS A FUNCTION OF THE
NUMBER OF STATIONS
A random process {X(t),t∈R} is called H-sssi if it
is self-similar with a parameter H, and it has stationary increments.
• Lemma 1 [2]
It is assumed that {X(t),t∈R} is a non-degnerative 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 pathological case. While the case H > 1 is forbidden since
the stationary condition in this process is cumulative. In practice, the range 0 < H ≤ 0.5 can be
excluded because this cumulative process is called short range dependence (SRD). For practical
purposes only the range 0.5 < H < 1 is relevant. In
this range, the correlation factor for the cumulative process Y(t):
has the following form:
C. M / G / ∞ Queue
Source: Author of the project
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 independently. In other words, the Hurst parameter is
obtained separately for the data frame, the control
frame, and the management frame, and those values 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]
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 arrivals within the slot time are used for service before 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
Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD Network - Astaiza, Bermúdez,
Salgado
time, and P(S > k) is the autocorrelation function.
In practice, it is necessary to obtain the autocorrelation function r(k), which could be used to compute the distribution required for the service time.
In particular,
802.11 network. The variations of the H parameter are shown in Fig. 6.
r(k) is the same ρk, i.e., the offered traffic,
which is replaced in the throughput Sk(n):
Whatever P(S>O) = 1 and r(0) = 1, by definition,
M[S] = 1 / [1-r(1)]. Then, for the long-range dependence (LRD),
Up to this point, all parameters are replaced to
solve the above equation except the Hurst parameter, 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 values 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 describes 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 describe effectively the real traffic in wireless WLAN
networks.
Where α = r(1) = 1 – M[S]. As a result, the arrival 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 procedure 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 times. Since N is a Poisson process, the assignment
of each arrival inside the interval corresponds to a
uniform distribution (the distribution of interval times 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 above, is given by
Fig. 6. EFFECT OF THE HURST PARAMETER ON THE THROUGHPUT
Since
Source: Author of the project
then
where k is Waverage or the average time of a packet 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
V. RESULTS
The graphical results for the model under study
for the QRD network (a WLAN IEEE 802.11g network) 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 model in blue.
From this figure, we can say that the model describes from good way the conditions of real traffic.
37
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
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:
0.941
Since the correlation coefficient is close to one,
it is concluded that the model provide a strong correlation 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.
provides an estimation of the self-similarity degree 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 Poisson process for the arrival time and the probability of packet collision independently on the previous 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 networks and heterogeneous traffic, i.e., streaming
and elastic flows. Hence, it was feasible to perform a comparison under normal conditions, and
these simulation results are close to real data.
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Source: Author of the project
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, defining 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 selfsimilarity of the traffic turns out relevant once the
random process becomes similar at different scales, but this model (self-similar model) is no longer 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
Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD Network - Astaiza, Bermúdez,
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39
Arquitectura funcional para la implementación de
mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-Avanced
Functional architecture for the implementation of Mobile IPTV
over LTE and LTE-Avanced networks
Diego Fernando Rueda Pepinosa
MSc(c) en Ingeniería – Telecomunicaciones
Universidad Nacional de Colombia
Investigador del Grupo de GITUN.
Universidad Nacional de Colombia.
Bogotá, Colombia
dfruedap@unal.edu.co
Zoila Inés Ramos Rodríguez
PhD.(c) en Ingeniería - Telecomunicaciones, Universidad de
Telecomunicaciones e Informática de Moscú. Profesor Asociado,
Líder del Grupo GITUN. Universidad Nacional de Colombia.
Bogotá, Colombia
ziramosd@unal.edu.co
Resumen— La televisión digital móvil sobre el protocolo
de Internet (Mobile IPTV) requiere que las redes de móviles provean los recursos y los mecanismos necesarios
para garantizar la calidad en los contenidos entregados
a los usuarios. Las características técnicas de las tecnologías de banda ancha móvil LTE y LTE-Advanced las perfilan como las redes capaces para soportar el despliegue 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.
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 Exabytes 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 estimación 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 comunicaciones móviles que permitirá a los operadores
contar con una plataforma global para soportar
las próximas generaciones de servicios con la calidad 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
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; Multicast/Broadcast Multimedia Service (MBMS); Functional
Architecture.
I. INTRODUCCIÓN
El crecimiento del número de usuarios, la multiplicidad 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
Recibido: 26/03/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51
Arquitectura 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 arquitectura 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 trabajos relacionados con la temática tratada en esta
investigación, en la parte III se revisan los principales aspectos para el despliegue del servicio de
Mobile IPTV, seguidamente, en la parte IV se analiza 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 investigación se pueden citar inicialmente a [8] y [9],
donde los autores realizan la revisión y comparación de las arquitecturas funcionales recomendadas por la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (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 Networks) [11].
La primera arquitectura fue definida para el
despliegue de IPTV sobre redes que no son NGN
(Non-NGN IPTV), la segunda presenta una arquitectura basada en NGN sin la inclusión del Subsistema Multimedia IP (IMS, IP Multimeda Subsystem) (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 control en las sesiones, el lanzamiento del servicio y
los mecanismos autenticación, autorización y contabilidad (AAA, Authentication, Authorization, and
Accounting) así como para la aplicación de políticas, control de admisión y gestión de recursos.
Dichos trabajos están orientados hacia la implementación de IPTV en entornos NGN.
En [17] se realiza un estudio de la señalización para la prestación de servicios de video sobre redes LTE integrando el IMS junto al servicio
de MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) [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 arquitectura funcional para orientar la implementación
del servicio Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A
con el objetivo de garantizar la calidad de los contenidos 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 cualquier dispositivo, inclusive mientras están en movimiento [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 debidamente gestionados y controlados para asegurar la
calidad en los contenidos entregados [21] [22].
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51
La implementación de la IPTV está definida
por una cadena de valor conformada por el proveedor 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 transmitido por la red IP del operador de red [24]. Del
lado del usuario, este debe disponer de un dispositivo que le permita la recepción y decodificación 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 definición estándar (SD, Standar Definition) [25].
Los servicios selectivos mejorados abarcan 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 Recorder), entre otros. Esta categoría ofrece servicios 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 preferencias [25].
Finalmente, se tienen los servicios interactivos de IPTV como: T-information (noticias,
tiempo, tráfico, y otros), T-commerce (compras,
subastas, y transacciones bancarias, entre
otros), T-communication (correo, video teléfono, 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 interactivas 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 desplegados y utilizados. Entre los retos más importantes
que deben ser abordados por parte de los proveedores del servicio y los operadores de red están:
• Propagación en el enlace inalámbrico: se presentan 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 afecta calidad de la recepción de contenidos de
IPTV [26].
• Velocidad de transmisión de datos del enlace
inalámbrico: el incremento en el tráfico de datos móviles limita la capacidad de la red para
mantener la tasa de datos mínima para la entrega de servicios de IPTV [26].
• QoS y QoS: los parámetros de desempeño
de la red como velocidad de transmisión, retardo, 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 implementar una red móvil que cubra todas las
áreas geográficas puede conllevar como solución 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 distintos equipos para acceder al servicio de IPTV
como TV, computadores, smartphones y tablets, que ofrecen capacidades diferentes en
procesamiento, almacenamiento, tamaño y
resolución de pantalla lo que impacta directamente en la visualización de los contenidos e
interfaces de usuario [26].
• Retardo de inicio de reproducción de contenidos: 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 receptores, y el tiempo de decodificación de los
contenidos de A/V. Esta característica afecta
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
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 rápido 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 retardo de decodificación [28].
• Mercados de consumo: Existe la posibilidad
de la baja demanda por parte de los consumidores 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 atractivas [26].
Regulación y normatividad: la regulación existente para el despliegue de Mobile IPTV es escasa
y aun no se tiene una normatividad clara al respecto toda vez que se trata de un servicio novedoso y que aun no ha sido ampliamente desplegado.
D. Capas de la arquitectura
La arquitectura funcional para la implementación 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.
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 EUTRAN 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 (NonAccess 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 protocolo NAS comunica al UE con la Entidad de Gestión
de la Movilidad (MME, Mobility Management Entity) 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 establecimiento y mantenimiento de las portadoras
de radio, la gestión de la conexión RRC, la trasferencia del contexto de UE durante el handover y
para los reportes de medidas como la Información
de la Calidad del Canal (CQI, Channel Quality Information) desde el UE [32].
Fig. 2. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE CONTROL
Fig. 1. ARQUITECTURA FUNCIONAL DE ALTO NIVEL
Fuente: [30].
Fuente: autores del proyecto
1) Capa de Acceso: corresponde a la Red de
Acceso por Radio Terrestre Universal - Evolucionada (E-UTRAN, Evolved - Universal Terrestrial Radio
Access Network) de las redes LTE/LTEA. La E-
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 Convergence 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 Encabezados Robusta (ROCH, Robust Header Compression), el cifrado y la protección de la integri-
43
44
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51
dad de los datos transmitidos [33]. La subcapa
RLC tiene a cargo la segmentación y concatenación de los paquetes de datos, y el manejo de las
retransmisiones mediante Solicitudes de Repetición 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 Adaptativas (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 características del canal de radio y su respectivo informe
a las capas superiores, ejecuta funciones de procesamiento de radio frecuencia (RF) incluida configuración 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 I
CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA PHY EN LAS REDES LTE/LTE-A
Características
Esquema de acceso
LTE
UL
LTE-A
SC-FDMA
DL
Ancho de banda de RF
Tasa de bits pico
Modulación
Multiplexación espacial
Fuente: autores del artículo
OFDMA
20 MHz
100 MHz
DL
300 Mbps
1 Gbps
UL
75 Mbps
500 Mbps
QPSK, 16QAM, 64QAM
MIMO
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 servicio 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 conectividad IPv4/IPv6, la administración de las políticas 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 paquetes 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 gestión de sesiones, enrutamiento, el lanzamiento de
servicios, numeración, interacción con los facilitadores de servicio NGN (presencia, mensajería,
gestión de grupos, y otros), movilidad, calidad de
servicio, control de portadoras y una solución unificada 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 mientras están en movimiento. El IMS también permite el control flexible del servicio de IPTV debido
al que el manejo de sesiones se basa en el Protocolo de Inicio de Sesión (SIP, Session Initiation
Protocol) [15]. Otro escenario para los servicios de
IPTV basados en IMS está en traspaso de las sesiones entre diferentes dispositivos con lo cual el
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
usuario podrá continuar observando el contenido
así cambie de UE.
La capa de control está constituida por las entidades para el control de sesiones de llamada
(CSCF, Call Session Control Funtion), y se utilizan
para el establecimiento de las sesiones multimedia entre los usuarios y para preparar la entrega
de los servicios solicitados según las características de la sesión del usuario [15]. Dichas características como el perfil de usuario, políticas,
suscripciones, preferencias, entre otros, se almacenan 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 programación, 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 entidad para el control del servicio de IPTV (SCF, Service Control Funtion) y la entidad encargada de la
entregar (MDF, Media Delivery funtion) y controlar (MCF, Media Control Funtion) los contenidos
multimedia.
5) Capa de gestión: proporciona funciones de
gestión y comunicaciones para la operación, administración 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 incidencias futuras; la gestión de incidentes que afecten 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 relaciona 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 proveedores de servicios; el mantenimiento de los
acuerdos de nivel de servicio y del portafolio de
servicios [39].
6) Proveedor de Contenidos: es la entidad propietaria 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 contenidos 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 productores 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
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E. Descripción detallada de la arquitectura
Los principales componentes de la arquitectura 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 identificación de los usuarios, la decodificación de los
contenidos, despliegue de las imágenes, reproducción del audio y ejecución de las aplicaciones interactivas que conforman los servicios de
IPTV. El UE contiene el módulo de identificación
de suscriptor universal (USIM, Universal Subscriber 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 interfaz de radio LTE/LTE-A para el enlace ascendente 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 Management), incluido el control de las portadoras de radio, el control de admisión a los recursos de radio,
la gestión de la movilidad (MM, Mobility Management) y la planificación del enlace ascendente y
descendente. Adicionalmente en el UP el eNB se
encarga de la compresión de encabezado IP y cifrado 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 información de búsqueda (paging) originada desde
la MME y de la información de operación y mantenimiento [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 handover vertical) y los procedimientos para la gestión
de las sesiones (establecer y mantener la conectividad 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 actúa como soporte de la movilidad en el plano de
usuario durante los handover entre eNB de la misma 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 datos 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 nivel de transporte en el enlace descenderte y ascendente, 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 externas 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 PDNGW 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 carga, 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 Control). 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 portadoras y las políticas adecuadas a los flujos del servicio según los requisitos de desempeño [41]. Las
portadoras y políticas permiten que la red pueda
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
identificar los flujos de paquetes asociados a un
servicio para dar el tratamiento preferente y con
ello garantizar los recursos necesarios para mantener 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 manejarán 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 contratado 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 objetivos 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 arquitectura el P-CSCF se conecta con el PCRF para la asignación 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 entidad 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 responsable de la autenticación de los usuarios y la
gestión de las sesiones. Las políticas del suscriptor almacenadas en el HSS controlan las operaciones 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 señalización 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 proporcionar la información del servicio y las preferencias 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 servicio, 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 servicios de IPTV realizadas por los usuarios; la autorización 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 experiencia del usuario y el control del crédito [15].
13) Entidad multimedia de IPTV (MDF/MCF):
Desempeña funciones para la entrega y el control de los contenidos multimedia asociados a la
IPTV. Las funciones del MDF son el manejo de la
entrega de los flujos multimedia usando el Protocolo de Tiempo Real (RTP, Real Time Protocol); el
almacenamiento de los contenidos multimedia e
información del servicio; el procesamiento, codificación y decodificación de contenidos multimedia
en varios formatos y la protección de contenido
[15].
Entre tanto, las principales actividades realizadas 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 políticas para la distribución y gestión de contenidos; el
mapeo de la identificación del contenido y su ubicación en el MDF; la interacción con el UE mediante el uso de comandos RTSP para la reproducción
del contenido; la recopilación de información estadística sobre el uso del servicio y la generación de
información de facturación [15].
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14) Servicio de multidifusión y difusión multimedia (MBMS): En las redes LTE/LTE-A el servicio
MBMS ofrece un modo de distribución punto-multipunto como una alternativa valiosa a la unidifusión cuando un gran número de usuarios acceden
simultáneamente al mismo contenido. Por ejemplo, durante la transmisión en vivo de un programa de televisión muchos flujos serian enviados
individualmente con el mismo contenido a los
usuarios. Pero con la multidifusión se toma ventaja 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 multidifusión hace más eficiente el uso del espectro y reduce 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 multidifusión para múltiple celdas (MCE, Multi-cell/multicast 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 paquetes IP de multidifusión a todos los eNB que forman 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 entidad MME.
Finalmente la entidad MCE, que corresponde
a una función lógica y puede residir en otro elemento de la red como en un eNB, realiza el control 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 decisiones 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 paquetes externas como por ejemplo a Internet o a
una Intranet corporativas. El servicio de conectividad IP se denomina conexión PDN y se caracteriza 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 velocidad 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 transmisión. Por tanto, la adaptación de la QoS de las
conexiones PDN a las características de los servicios permite que la red LTE/LTE-A proporcione
una buena experiencia de uso a los usuarios a la
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
vez que posibilita una gestión eficiente de los recursos 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 portador EPS (EPS Bearer Service). Un servicio portador EPS realiza la transferencia de paquetes IP
que tienen asociados unos parámetros de QoS y
la plantilla TFT (Trafic Flow Template), que es utilizada para seleccionar el flujo de paquetes IP al
que debe proveerse QoS. En este sentido, todos
los paquetes IP asociados a un determinado servicio 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 subscripción del usuario y/o a las políticas de uso recibidas desde el sistema PCC. Para los sistemas de
IPTV esta característica es determinante para garantizar los recursos necesarios y con ello brindar
la QoS manteniendo los parámetros de desempeño dentro de los niveles aceptables. Los procedimientos 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 procedimiento de registro en función de si la red de acceso utilizada es E-UTRAN o cualquiera de las otras
redes de acceso alternativas 3GPP y no 3GPP contempladas.
2) Procedimiento de petición de servicio (Service 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) mantenga abiertos los servicios portadores EPS en la red
troncal. Este procedimiento permite una reactivación rápida del plano de usuario cuando el terminal pasa de ocupado a conectado.
3) Petición de conexión PDN solicitada por el
terminal (UE Requested PDN Connectivity): Las redes 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 registro.
4) Activación, modificación y desactivación de
los servicios portadores EPS dedicados (EPS Bearer Activation/Modification/Deactivation): La gestión 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 servicios puede estar vinculada al control dinámico
de QoS ofrecido por el subsistema PCC.
5) Modificación del servicio portador solicitada 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 pueden ser a nivel de los parámetros de QoS como en
los filtros de paquetes que determina la composición 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, modificación 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 redes 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 proporcionar calidad del servicio.
La adecuada gestión de mecanismos y políticas 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 necesarios 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 implementación de servicio de Mobile IPTV en redes LTE/LTEA se basa en el uso del IMS como componente
esencial para el control de sesiones, el lanzamiento del servicio, mecanismos AAA, la aplicación de
políticas, el control de admisión y la gestión de
recursos. También se plantea la inclusión del ser-
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vicio de multidifusión y difusión de multimedia
(NMBS) de as redes LTE/ LTE-A para lograr optimizar 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 definición de un modelo de red LTE en el cual se simulará el tráfico generado por un servicio de Mobile
IPTV con el objetivo de evaluar los principales parámetros de desempeño de la red ante distintas
configuraciones.
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and LTE,” IEEE Trans. Communications Magazine, vol.
48, no. 8, pp. 68-76, Aug. 2010.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo presentó los resultados parciales
de la de tesis de Maestría en Ingeniería – Telecomunicaciones: 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 Universidad Nacional de Colombia – GITUN.
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51
Multilistas aplicadas a la implementación de un
parseador de XML para la definición de XPDL 2.2
en objective c para iOS
Multilists applied to an XML parser implementation in Objective C
for iOS for XPDL 2.2 standard
Daniel Iván Meza Lara
Ingeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia
Joven Investigador Grupo InnovaTIC,
Universidad Piloto de Colombia
danielmezal@gmail.com
Leidy Andrea Ruiz Rodríguez
Ingeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia
Joven Investigador Grupo InnovaTIC,
Universidad Piloto de Colombia
Leidy.ruiz.r@gmail.com
Óscar Elías Herrera Bedoya
Doctor en Telecomunicaciones,
Universidad Politécnica de Valencia
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC,
Universidad Piloto de Colombia
oscar-herrera@unipiloto.edu.co
Resumen— En este trabajo se expone la implementación 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 problemática 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 (BusinessProcessModeling Notation) para la representación de procesos 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, Parser, Procesos de Negocio, XPDL.
Abstract— With the creation of the standard language BPMN(Business Process Modeling Notation) used
to represent business processes, the XPDL(XML Process Definition Language) is generated, which describes the data flow information of the process using a
XML(Extensible Markup Language) schema. This document shows the implementation of data structures on
the development of a parser which allows the interpretation of XPDL files in the 2.2 version; using together
multi-lists and the XPDL meta-model, the interpretation 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-
guage for iOS, which is pretended to innovate in the
mobile platform field.
Keywords— BPMN, GDataXML, Objective C, Parser, Business Process, XPDL.
I. INTRODUCCIÓN
En este artículo, se presenta un modelo para
la implementación de estructuras de datos complejas 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 elementos propios del modelado de procesos de negocio bajo el lenguaje BPMN (Business ProcessModelingNotation)[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
Recibido: 02/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61
Multilistas 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 propias 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 inclusión 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 pueda presentarse dentro del proceso diagramado;
posteriormente se realiza la ampliación y definición de los tipos de objetos creando así un metamodelo.
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 denominadas multilistas que, al ser implementadas al
esquema, buscan de forma sencilla acceder a los
elementos y sus respectivos atributos; las multilistas 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 definido previamente; con esto se asegura que cada
elemento incluido dentro del estándar BPMN, desde un Pool hasta un elemento DataStore, cree un
nodo índice propio y se conecte al elemento próximo 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 proceso, 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 archivos de forma dinámica y sin alterar el rendimiento
de la memoria en el dispositivo, lo cual es importante al desarrollar aplicaciones para dispositivos
móviles de Apple [8].
Para concluir con la implementación del parseador se realizan pruebas tanto del rendimiento 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 proceso, 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 esquema BPD (Business ProcessDiagram)[11].
Obtenida la abstracción de los elementos usados en el BPMN y establecidas relaciones entre
ellos, el paso siguiente es crear el diagrama conceptual (ver Fig. 3), el cual conllevará a la creación
del metamodelo propio del XPDL.
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El modelo conceptual contiene, además de los
elementos definidos del BPMN, el tipo de relaciones que se establecen entre los objetos, creando así un paquete llamado BPD, el cual mantiene
cada elemento en un contenedor interno (Package); dependiendo de los elementos se establece
una relación de acuerdo a cuantos elementos podrían 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
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 individual 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 entidades por especificación de participantes, los cuales se establecen en el nivel de paquetes en vez
del nivel de definición individual de procesos (ver
Fig. 4).
Fig. 4 METAMODELO XPDL
Fig. 3 DEFINICIÓN DEL MODELO CONCEPTUAL PARA XPDL
La estructura jerárquica del metamodelo permite 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
La definición del paquete permite la especificación de un número de atributos de definición de
elementos, los cuales serán aplicados en definición de procesos individuales contenidos dentro
del paquete.
El lenguaje XPDL y BPMN son muy similares, se
organizan en forma de organigrama [13], una forma simple de ver sus similitudes es mostrar gráficamente (ver Tabla I) elementos específicos en el
código XPDL que representa un objeto gráfico en
el proceso.
Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de xml para la definición de xpdl 2.2 en objective c para ios - Meza, Ruiz,
Herrera
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 presentada en los archivos XML, se debe programar
de manera lógica la búsqueda de elementos
internos y sus atributos, esto se logra mediante 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, requiere 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 referente a las definiciones XML como XML Documents para aplicaciones ejecutadas en OSX [14],
por tal razón es primordial crear un parseador propio para la definición del XPDL; dado que existen
diferentes librerías que permiten realizar el parseo, 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 documento 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 cualquier 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 parsers 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 mientras se consume lo mínimo de recursos de
memoria. Salva tiempo porque no realiza validaciones, no soporta XPath y solo se puede
realizar lectura de archivos XML.
• GDataXML: Parser DOM de estilo NSXML, desarrollado por Google, que permite la manipulación sencilla de objetos dentro del XML.
Como la estructura del XPDL se crea a partir
de un modelo XML, se deduce que sus nodos jerárquicos 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 estructura del lenguaje XML, por ello inicialmente la
interpretación del documento XPDL con la ayuda
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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 documento, 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 parser SAX no pueden ser utilizados, ya que se necesita leer el documento completamente para sólo
buscar un elemento específico.
Ya que el parser de tipo SAX, no permite realizar búsquedas internas en el documento, se decide 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 especifico del árbol en el XPDL.
De los parsers de tipo DOM se descartan TouchXML y TBXML, ya que estos no permiten la escritura de archivos XML y no son útiles para la implementación del diagramador.
Al implementar GDataXML, se observa que
este parser incorpora libxml2 por defecto y permite realizar tanto la lectura como la escritura de archivos 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 proceso 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 retornan elementos o atributos abstraídos del XPDL.
GdataXML provee dos interfaces, una de ellas
es GDataXMLNode que contiene métodos privados, 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 atributos 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 objetos del lenguaje XPDL 2.2; posteriormente se define el XPath [18], este es el encargado de recorrer
el árbol jerárquico del documento XPDL, que permite 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 dentro 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 representación gráfica del proceso. La siguiente figura
describe el proceso de lectura que realiza el parser 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.
Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de xml para la definición de xpdl 2.2 en objective c para ios - Meza, Ruiz,
Herrera
Posterior a la abstracción de los objetos y sus
atributos, estos se almacenan dentro de un arreglo que guarda al elemento hijo, este elemento se
introduce en otra lista que representa al nodo padre, creando así una lista doblemente enlazada.
(Ver Fig. 6).
Fig. 6 ESTRUCTURA LISTA DOBLEMENTE ENLAZADA PARA EL NODO
POOLS.
si el nodo es o no un espacio vacío, se toma como
nodo significativo, de tal manera que no se cumplía 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 enlazadas, que conectadas entre sí por medio del
atributo id de cada elemento, permiten una fácil
interpretación de los objetos y una apropiada ejecución 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 camino lo determina el campo clave sobre el cual se
realice la búsqueda [19].
A. Creación de Multilistas
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 implementar 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 mediante métodos de conservación para los nodos,
en la lectura del documento XPDL no hubo problema alguno. Mientras que en la creación de un
nuevo documento, el esquema se creaba con nodos 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 elemento hubiera sido creado; dicho de otro modo,
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 encabezado 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 primer 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 secundario denominado IDLane, el cual permite tener
acceso a los atributos de este elemento.
Cada elemento, además, está conectado a
otra multilista denominada NODEGRAPHICSINFOS, que contiene información referente al tamaño, 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 estándar XPDL con niveles propios del lenguaje en su
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versión 2.2, la cual, agrupa objetos de manera individual con sus atributos, coordenadas y demás
especificaciones.
B. Estructuración del XPDL
Tomado como referencia y observada la creación del archivo XPDL generado por BizAgiModeler® [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 cuales se observaba la jerarquía y la validez del documento XPDL creados por el modelador BizAgiModeler; como resultado se obtuvo el árbol de
jerarquías del proceso con sus elementos y atributos (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 II
Estructura 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 anteriormente 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 realizan ciertas modificaciones para que el parseador 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 = [doc
nodesForXPath:@”//fb:Pools/fb:Pool”namespaces:ns
error: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 velocidad de los diferentes parsers.
Las figuras que se muestran a continuación
dan a conocer cómo interactúan los distintos parsers dentro del dispositivo y el tiempo (tomado en
segundos) que les toma incluir la información de
un archivo XML de 900KB de prueba, que contiene las mejores canciones en iTunes[19].
La evaluación se realiza con 10 ejecuciones de
las cuales se observan los resultados para tomar
Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de xml para la definición de xpdl 2.2 en objective c para ios - Meza, Ruiz,
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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 velocidad 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
B. Pruebas de la ejecución del parser dentro de
Objective C.
En estas pruebas se evaluaron diferentes archivos 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 documento del XPDL.
FIG. 10 PRUEBA DE ARCHIVOS CON EL PARSER XPDL.
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 menos 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
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 recorrido general en los métodos para buscar variables 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 representan 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 hilos que se ejecutan durante la ejecución normal
del programa. (Ver Fig. 12).
Fig. 12 PRUEBAS DE HILOS DE EJECUCIÓN
A partir de esto, se genera una serie de pruebas 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 Activity dentro del XPDL.
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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 estructuras de datos llamadas multilistas, permite almacenar de manera sencilla y eficiente los valores de
cada elemento contenidos dentro del documento
XPDL.
Dado que estas estructuras son únicas y complejas, se percibe la necesidad de incorporar un
parser que haga de moderador entre los objetos del BPMN y el lenguaje XPDL.
El procedimiento más relevante de la investigación 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 implementación 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 cuales 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 dispositivo en el momento de la ejecución del parseador, 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 parseo (ver Fig. 11).
Como resultado satisfactorio, se realizó la
inserción y validación del parseador dentro del
proyecto de grado denominado Aplicación en entornos móvil para el modelamiento de procesos
de negocio [25], en el cual se implementó el parseador 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 supuesto, el usuario final.
De igual forma, y como trabajo futuro, se pueden 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 reglas propias de una estructura XSD.
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61
Medida simultánea de rotaciones y traslaciones
de un objeto en el plano a partir de la información
de fase de una rejilla radial
Simultaneous measurement of the rotation and traslation of an object
in the plane using phase information of a radial grid
Luis Alejandro Galindo Vega
Estudiante de Ingeniería Electrónica,
Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
sanalejox18@hotmail.com
Camilo Andrés Ramírez Prieto
Estudiante de Ingeniería Electrónica,
Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
gamada5@hotmail.com
Jaime Enrique Meneses Fonseca
Ph. D. SciencesPourL’ingenieur
Profesor Titular, Investigador Grupo GOTS,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
Jaime Guillermo Barrero Pérez
Ingeniero Electricista,
Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo CEMOS,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
jbarrero@uis.edu.co
jaimen@uis.edu.co
Resumen— En este artículo se presenta una estrategia
que permite determinar de forma simultánea la posición y orientación de un objeto en el plano. El método
consiste en analizar un sistema de franjas radiales adherido 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 método de la Transformada de Fourier y se realiza la transformación 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 influencia de los parámetros del sistema de franjas radiales 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 digital image process to determine its phase. This process
requires the coordinates of the center with sub-pixel accuracy and the radial axis of the fringes. Using the Fourier transform method and performing a transformation
of coordinate systems from rectangular coordinate into
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 technique 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 angular 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 necesidad de determinar con precisión el desplazamiento 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 lineales, sensores inductivos y sensores laser son
los instrumentos más utilizados para tal fin, algunos de ellos limitados en resolución y en rango de
medida.
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71
Medida 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 óptica 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 Tridimensional (R3D) portátil. Los resultados obtenidos 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 matemático previo permite determinar que un sistema de
franjas radiales puede ser usado para medir rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano. [3]
La técnica desarrollada en este trabajo consiste en adquirir una imagen de un sistema de franjas radiales o rejilla radial; mediante un algoritmo
computacional de procesamiento de imágenes se
determinan las coordenadas del centro de la rejilla en el plano. La extracción de su fase geométrica 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 máscara que define la región con franjas en la imagen. 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 corresponde al argumento la función coseno de (1), se
caracteriza por tener un comportamiento lineal en
función de la variable θy no depende de r, teniendo la misma distribución espacial de un sistema
de franjas rectangulares en coordenadas cartesianas.
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 sistema de franjas radiales es posible determinar su
orientación y posición en el plano. Aunque en la literatura se encuentra poca información acerca de
un método directo para extraer la fase a este tipo
de distribuciones, se plantea la estrategia de hacer 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 calcular 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 Transformada 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 transformada de Fourier, es posible determinar las
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71
coordenadas del centro de la rejilla radial con alta
precisión [10].
• Desplazamiento en el dominio espacial: aa
transformada de Fourier de una función desplazada presenta un término de fase lineal
que depende del desplazamiento.
el corrimiento y minimiza el contenido frecuencial
de la parte imaginaria. La Fig.4 muestra la trayectoria 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
Simetría para señales real y par: La transformada de Fourier de una función par es netamente
real.
FIG. 2. IMAGEN EMPLEADA PARA VALIDAR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDA
DEL CENTRO
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
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. Determinada 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 imaginaria es cero. Debido a la influencia del ruido se
desarrolló un procedimiento iterativo que estima
C. Conversión de sistemas de coordenadas
Las ecuaciones (4) y (5) muestran la conversión de sistemas coordenados rectangulares a
polares, siendo y las coordenadas del centro de la
rejilla radial, calculadas por el procedimiento indicado anteriormente.
Medida 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
FIG. 8. TRANSFORMADA DE FOURIER
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. 9. FILTRO PASA-BANDAS
FIG.5. CONVERSIÓN DE SISTEMAS COORDENADOS
FIG. 10. COMPONENTE TF {} FILTRADA
FIG. 6. SISTEMA DE FRANJAS TRANSFORMADO
FIG. 11. COMPONENTES REAL E IMAGINARIA
FIG. 12. FASE CONTINUA
D. Extracción de la fase
Haciendo uso del método de la Transformada
de Fourier [4] para sistemas rectangulares, se extrae l a f a s e d el sistema de franjas transformado. 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
Realizada la transformada de Fourier se encuentran 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
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71
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 discontinuidades 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 después de eliminar las discontinuidades.
El procedimiento anterior es aplicado a la imagen 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 transformación de coordenadas inversas: radiales a rectangulares definidas por (6) y (7).
FIG. 13. FASE OBTENIDA DEL MÉTODO DE LA TRANSFORMADA DE FOURIER APLICADO A LA IMAGEN DE LA FIG. 6
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 función 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 discontinua. La máscara empleada en la rejilla radial
hace que el sistema tenga simetría con respecto
al centro y se pueda emplear el procedimiento indicado 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 desplazamiento espacial en el plano introducido a la
rejilla.
FIG. 15. PROCESO PARA EL CÁLCULO DE FASE DEL
SISTEMA DE FRANJAS RADIALES.
FIG. 14. FASE DEL SISTEMA DE FRANJAS RADIALES DE LA FIG. 5
Medida 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
La posición angular de la rejilla es determinada 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 define 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 interpoladas 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 evaluación del método constó de un sistema de rotación 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 determinó que un pixel equivale a 754.15µm sobre la
rejilla radial.
Para evaluar traslación se desplazó manualmente la rejilla a intervalos de 100 µm. Para
cada posición se adquirieron 50 imágenes. La
posición inicial se asumió como punto de referencia del desplazamiento.
La Fig. 16 muestra las coordenadas del centro 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 corresponde a 1.88 µm sobre el objeto, como se puede
observar en la Fig. 17.
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71
FIG. 17. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA UNA POSICIÓN
La Fig. 18 muestra el error medido como la diferencia entre la posición esperada y la posición
calculada con el método, para cada rejilla en función 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
A. Influenciadeltamañoynúmerodefranjas
enelcálculodelcentro.
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 angular, para rejillas de igual tamaño.
FIG. 18. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL
PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
FIG. 21. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS
DE DIFERENTE TAMAÑO
FIG. 19. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
El tamaño es otra variable importante en el
procedimiento. Para tal fin se evaluó el error introducido 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.
Medida 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
La evaluación en rotación se hizo con desplazamientos 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.
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 franjas, con las que se evaluó la diferencia entre valor
teórico y experimental de las posiciones angulares.
FIG. 24. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y
EXPERIMENTAL PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
En la Fig. 22, cada punto representa el ángulo
de orientación de la rejilla radial para las diferentes desplazamientos angulares, empleando la posición angular de un sector con franjas.
Según la resolución de la imagen el ángulo mínimo que se puede medir a precisión pixel es de
0.08952 grados que corresponde a:
FIG. 25. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
donde 640 es el número de pixeles horizontales 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 tiene precisión subpixel, es decir, el método puede
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.
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FIG. 26. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y
EXPERIMENTAL PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO.
todo permite medir desplazamientos y rotaciones
a valores inferiores a los definidos por el pixelado
realizado por la cámara CCD. También se demuestra 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 evaluación experimental del método propuesto con otro
sistema que mida rotaciones y/o traslaciones de
precisiones conocidas.
AGRADECIMIENTOS
FIG. 27. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
La investigación fue apoyada por la Vicerrectoría de Investigaciones y Extensión de la Universidad Industrial de Santander, Colombia (Proyecto
No. 5184: Posicionamiento global de alta resolución a campo extendido por visión estéreo: Aplicaciones en metrología óptica).
REFERENCIAS
De igual forma se evaluó el comportamiento
del tamaño de la rejilla para igual número de franjas. Como era de esperarse el error en el cálculo
del ángulo de orientación de la rejilla radial es menor, cuando el tamaño es mayor, Fig. 26 y Fig. 27.
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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 procesamiento digital de imágenes sobre una rejilla con franjas 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 evaluaciones experimentales demuestran que el mé-
Medida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la información de fase de una rejilla radial - Galindo,
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71
Influence of Particle Size and Temperature on
Methane Production From Fique’s Bagasse
Influencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la
producción de metano a partir del bagazo de fique
Liliana del Pilar Castro Molano
Ingeniera Química PhD, Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Universidad San Buenaventura
Cartagena, Colombia
lcastro@usbctg.edu.co
Carolina Guzmán Luna
Bacterióloga PhD, Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
caguzlun@uis.edu.co
Humberto Escalante Hernández
Ingeniero Químico PhD Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
escala@uis.edu.co
Abstract— The aim of this work was to evaluate the effect of particle size of fique`s bagasse (FB) on anaerobic biodegradation
and biogas production, by means of co-digestion of this lignocellulosic substrate using both bovine ruminal fluid and pig manure
as inoculums. Anaerobic reactors were incubated by 8 days. Reducing 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. Reduction of bagasse particle size increased reducing sugars formation and improved substrate mass transfer to microbial inoculums. 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 concentration 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, Lignocellulosic 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 ruminal 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, ácidos grasos volátiles y producción de metano, usando tres tamaños 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 transferencia 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 biodegradación anaerobia de éste sustrato. En este sentido, la concentración de metano se incrementó un 19% cuando el bagazo se
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 todos los productos del proceso de digestión anaerobia.
Palabras clave— Digestión anaeróbica, Biogás, Bagazo de
caña de Fique, Residuos lignocelulósicos, Tratamiento mecánico.
I. INTRODUCTION
Fique´s bagasse (FB) is an agricultural by-product obtained during natural fiber process production, composed by cellulose, hemicellulose, lignin,
lipids and proteins [1]. According to its composition, bagasse is considered an important lignocellulosic biomass source [2]. Lignocellulosic wastes
are suitable substrates for anaerobic digestion
process because of its carbon source [3]. Lignocellulosic biomass digestibility is limited by factors
such as cellulose cristallinity, polymerization degree, moisture content, superficial area and lignin
content. However, high lignin content in bagasse limits hydrolytic step and bioconversion system [4].
Anaerobic biodegradation of lignocellulosic
substrates requires microbial consortia with high
hydrolytic and methanogenic activities. Bovine ruminal fluid, active anaerobic sludge, bovine and
pig manure have been previously used as biological matrices for anaerobic digestion [5]. A co-
Recibido: 06/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77
Influence 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 digestion 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 production 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 inoculum, significant biogas yield are achieved [8]. Municipal 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 biological 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 decrease cellulose polymerization grade, weak lignin bonds with carbohydrates and increase particle superficial area. This process improves mass
transfer process between inoculums and substrate. These processes increase cellulose bioavailability for enzyme biodegradation to monosaccharides. 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 relationship 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 significantly 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 seeded hectare; these are delivered to grounds and
water streams causing environmental pollution
problems [16].
A possible solution of fique´s bagasse environmental pollution problem is the utilization as substrate for biogas production. However, its high lignin content requires a specific treatment. For this
73
reason, the aim of this research was to evaluate
the effect of fique’s bagasse particle size and temperature on methane production during anaerobic
biodegradation of this substrate.
II. MATERIALS AND METHODS
A. Substrate
Fique´s Bagasse was obtained as a sub-product during natural fiber process production from
Fique Industry. Bagasse samples were conserved in cooled containers during transportation
and analysis. FB was sun dried at environmental
conditions for 36 hours. Natural particle size diameter 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. Different 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 slaughterhouse 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 anaerobic digesters is presented in Table I.
TABLE I
INOCULUM CHARACTERIZATION (RF-PM)
Parameter
RF-PM
pH
8
TS (%)
43.7
VS (%)
23.6
Alkalinity (mgCaCO3/L)
Volatile Fatty Acid – VFA (mg/L)
3100
7200
C. Experimental Design
Anaerobic fermentation experiments were carried out using fique´s bagasse with particle sizes
of 5, 2.36 and 0.85 mm. Reactors were incubated 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 Spectrophotometer [18]. VFA concentration was quantified by
74
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77
titration method [19]. Methane percentage was
determined with a PGD-IR (model Status Scientific
Controls) infrared gas detector.
Experimental results were analyzed with StatGraphics 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 characteristics, this substrate is considered a lignocellulosic
waste, for this reason the results are compared
with another investigations where this type of matrix is evaluated.
A. Effect of mechanical treatment on FB lignocellulosic structure.
1.20 and 0.87, respectively, at the same particle
size. These results indicate that mechanical treatment improves strongly the hydrolytic activity of
microbial consortia at the initial stage. This effect
can be attributed because the increase of the superficial area at smaller particle size, allowing a
better interaction between substrate and inoculums [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 enzymatic 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.
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 waste particle size. These results suggest that smaller
size particles improve mass transfer between inoculums and substrate. On the other hand, reduction of particle size decreases ADF concentration
and improve FB digestibility.
TABLE II
COMPOSITION OF THE FIQUE’S BAGASSE
Parameter
FB 5mm
FB 2.36 mm
pH
4
4
FB 0.85 mm
4
TS(%)
93.1
92
92.7
VS(%)
89.2
88.8
88.6
18.7
Cellulose(%)
41.8
23.4
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 activity, 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,
C. Effect of temperature and mechanical
treatment on VFA production.
Fig. 2 and 3 show that during Anaerobic Digestion 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 microbial consortia. The biological behavior can be
related to VFA variations. Size particle reduction
increases hydrolytic activity, producing increases
Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante
in VFA concentrations. VFA produced during acidogenic 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 PRODUCTION 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 startups 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
Fig. 3. EFFECT OF PARTICLE SIZE ON PH VARIATIONS AND VFA PRODUCTION AT 39 ºC 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, respectively showing that there are significant differences
between each experiment (IC 95%).
75
76
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77
Fig. 5. STATISTICAL ANALYSES OF FB PARTICLE SIZE EFFECT ON ADFB
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 lignocellulosic structure, probably by cellulose crystallinity 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 methane 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 Departamento Administrativo de Ciencia Tecnología
e Innovación, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural and Vicerrectoria de Investigación y Extensión - Universidad Industrial de Santander. Technical support from C. Vargas and C. Zambrano
is also hardly recognized.
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Finally, these results are according to studies carried out by Palmowski and Müller. These
authors have demonstrated that reduction in particle sizes improves anaerobic digestion of substrate, due to increases in superficial areas of available substrates for microbial metabolism [24].
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Evaluation of operating and mixing conditions of
a polymer dispersion co-vinyl acetate and ester
acrylic to obtain recovered leather
Evaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión
co-polimérica de vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de
cuero
Danny Guillermo Cañas Rojas
B.Sc Chemical Engineering, UIS
dany7987@hotmail.com
Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D
Proffessor, Chemical Engineering, UIS
malvarez@uis.edu.co
Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc
Assistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTA
jorgeguillermo12@mail.ustabuca.edu.co
Resumen— El trabajo presenta el desarrollo de un diseño 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 material, 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, correspondiendo 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 estudiados 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 material 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 aplicación 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 affected 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 characterized 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 concluded 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 usually ends up in landfills. Currently the landfill in
Recibido: 21/09/2011/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84
EVALUATION 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%, respectively. 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 seeking 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 forming 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 dispersions 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 latter 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 techniques. Moreover, DIMITER [9] patented a process
that pulverized and mixed leather fiber with a molten 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 reinforced mesh between fibers and a polyvinyl chloride 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 leather 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 casestudy, 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 adhesives [14].
It is shown that the intention of reusing waste
from tanning and leather prodcution are not isolated even for products other than those proposed
in this case.
Methodology
To determine the operating conditions of mixing 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 performed [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 measuring stress, percentage of compressibility, tear
79
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 select 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 I
RANGES 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
TABLE II
GEOMETRIC NOTATION
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
Scenario
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
To characterize the obtained samples, a Shimadzu ® 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, D601510, 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.
Figure 3 shows that the maximum tear resistance was exhibited by samples 2, 9 and 10, with
a value of 694 N exhibited by sample number 10.
EVALUATION OF OPERATING AND MIXING CONDITIONS OF A POLYMER DISPERSION CO-VINYL ACETATE AND ESTER ACRYLIC TO
OBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz
Fig. 3. SLIT TEAR RESISTANCE TEST RESULTS
Figure 4 shows that the percentage of compressibility obtained for the samples was about
10%, which is below 18.5% obtained for commercial 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 reported value of the material used in the manufacture of insoles, it was observed that lower values
were obtained.
Discussion
In figure 2 is shown, as a solid line, the average 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 reported in figure 3.
Concerning the percentage of water absorption 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 appreciated 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
Fig. 5. PERCENTAGE OF WATER ABSORPTION RESULTS
It is seen in the Pareto chart in Figure 7 how
tear strength depends significantly on the relationship binder / leather. This allows assessing
the best mixing arrangement for maintaining
the same conditions reported for maximum tensile strength under levels studied.
81
82
IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84
Fig. 7. PARETO ANALYSIS FOR TEAR STRENGHT
The summary of the best combinations found
are shown in Table III
TABLE III
OPTIMAL VALUES OF VARIABLES USED
Figure 8 shows the Pareto analysis for the percentage of compressibility test, being temperature
the main cause of the variation. For the percentage of compressibility, the best arragment corresponds when the four variables are in low level because it requires the least material deformation.
Fig. 8. PARETO ANALYSIS FOR PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY
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
% Compressibility
100
70
2/8
15
% water absorption
100
70
3/7
25
Finally, a preliminary estimate of costs for recovered leather sheets was made for production
of 1 Tons per day. This was done in order to assess 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 services, 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 4
TOTAL COSTS FOR THE FIRST YEAR IN PRODUCTION
Total cost of production (thousands $)
Pareto diagram in Figure 9 shows the variables
that cause effect on the percentage of water absorption. It is appreciated that this depends on the
pressure and temperature in their low level and
the amount of binder and water in their high one.
Fig. 9. PARETO ANALYSIS FOR WATER ABSORPTION
Initial invesment
53.000
Manufacturing direct costs
1.079.350
Fixed manufacturing costs
6.996
Total ($)
1.139.346
Dividing the total cost by the annual production, 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 dimensions, it is evident that the proposed process
for recycling leather is not viable economically,
but it is technically and environmentally. However, 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.
EVALUATION OF OPERATING AND MIXING CONDITIONS OF A POLYMER DISPERSION CO-VINYL ACETATE AND ESTER ACRYLIC TO
OBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz
CONCLUSIONS
The temperature and relation binder / leather
bear a significant influence over response variables, during pressing and mixed respectively.
The most significant factor on the four 4 response variables, based on the levels studied during the pressing stage, corresponds to the curing
temperature in the low level (70° C).
The values obtained for the percentage of compressibility and percentage of water absorption
are low compared with values obtained for commercial 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, because the increase in process water reduces the mixing time. This should be reflected in the reduction
of the mixer power consumption.
The pressure should be maintained at low level, the temperature in the low level and the relationship 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 product 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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Gto. México. 20
León,
Evaluación computacional del flujo a través de
membranas porosas
Computational evaluation of fluid flow through porous membranes
Tatiana López Montoya
Ingeniera Mecánica, Universidad Pontifica Bolivariana
Investigador auxiliar Grupo de Energía y Termodinámica,
Universidad Pontificia Bolivariana
Medellín, Colombia
tatiana.lopezmo@alfa.upb.edu.co
Mauricio Giraldo Orozco
Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana
Docente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica,
Universidad Pontificia Bolivariana
Medellín, Colombia
mauricio.giraldo@upb.edu.co
César Nieto Londoño
Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana
Docente e Investigador
Grupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial,
Universidad Pontificia Bolivariana
Medellín, Colombia
cesar.nieto@upb.edu.co
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 pequeñas. 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 empaquetamiento 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 staggered 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
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 agigantados 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 necesario para poder implementarlos en los MST. Los
micro-intercambiadores de calor ofrecen muchas
ventajas sobre sus semejantes a escalas mayores, la transferencia de calor por unidad de área
es mucho mayor, su desempeño global también
es superior y debido a su tamaño son más económicos, entre otras [1]-[2]. Debido a la reducción
de espacio por el cambio de escala, se han implementado 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 pequeños, 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].
Recibido: 15/03/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
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 transferencia de calor. Lage et al. realizaron un estudio
con matrices porosas de aluminio comprimidas
para caracterizarlas térmica e hidráulicamente enfocando su uso en micro-intercambiadores de calor
[5]. Por su parte Jiang et al. realizaron un estudio
teórico y experimental comparativo entre un microintercambiador de calor con canales (MCHE) y
un micro-intercambiador de calor con medio poroso (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 simulación 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 comportamientos puramente cinéticos, como las caídas de
presión asociadas, con el fin de aprovechar adecuadamente las ventajas evidenciadas experimentalmente en cuanto a la transferencia de calor [6].
Este trabajo se concentra en el comportamiento
de los campos de velocidades y las caídas de presión que suceden en una membrana. Con el fin de
presentar parámetros comparativos adecuados, la
membrana es simulada como un sistema de esferas en arreglo triangular, particularmente dos configuraciones diferentes espaciales y tres diámetros
diferentes, los cuales son evaluados desde los puntos 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. Finalmente, se presentan los resultados de la simulación y
las conclusiones del trabajo.
II. MEDIO POROSO COMPUTACIONAL
Generalmente los materiales porosos presentan estructuras aleatorias [8], pero dado que es
difícil establecer una estructura aleatoria representativa y, más aún, cambiar sus parámetros,
para este estudio se optó por la utilización de arreglos 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 separación entre esferas, tanto adyacentes como
tangentes, de la cara que enfrenta al flujo. En la
Fig. 2 se muestran a modo ilustrativo los espaciamientos para el arreglo de esferas de 15mm de
diámetro, las medidas de los espaciamientos están 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 esferas de 15, 18 y 32mm de diámetro.
En la Tabla I se muestran los factores de empaquetamiento (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 I
FACTOR 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 presenta 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 resultados aceptables que han sido validados con montajes experimentales [9]-[11].
Evaluación 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 NavierStokes. 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 continuación para fluidos newtonianos incompresibles:
Donde υ, P, μ y ρ corresponden a la velocidad,
presión, viscosidad dinámica y densidad, respectivamente. 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 considerar 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 atmosférica.
A. Mallado
Para la construcción de la malla se utilizó la herramienta de mallado de Ansys 12.1. La geometría
de la malla se construyó con elementos tetraédricos. 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 necesario 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 momento 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 elementos tetraédricos y 639034 nodos.
La malla se puede ver en la Fig. 3.
Fig. 3. CORTE LONGITUDINAL DE MALLA TÍPICA PARA EL CANAL Y ARREGLO DE ESFERAS
B. Método de solución
La estrategia utilizada comúnmente para la simulación del flujo en medios porosos implica la
87
88
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
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 parámetros adecuados para diferentes membranas.
Por lo tanto, este trabajo pretende simular directamente 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 volúmenes 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 suficiente para permitir un flujo laminar totalmente
desarrollado (8 diámetros hidráulicos aproximadamente).
El algoritmo que utiliza Fluent para resolver
las ecuaciones en volúmenes finitos es el método semi-implicito para acoplar las ecuaciones de
presión (SIMPLE -semi-implicit method for pressure-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 aparece 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 discretizadas 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 fluido de trabajo con dos diferentes velocidades de
entrada. Se realizaron simulaciones para ambas
configuraciones de arreglos y tres diferentes tamaños 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 permeabilidad 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 ubicado en medio de un canal cerrado se puede calcular 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, permeabilidad y el número de Reynolds para cada
una de las velocidades de entrada. El valor de la
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto
velocidad para el Re1 es de 0,001m/s y para el
Re2 es de 0,072m/s.
TABLA II
CARACTERÍSTICAS 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 presión medida entre la entrada del canal y su salida,
se pueden ver en la Fig. 5.
Como era de esperarse, para una misma configuración, a mayor número de Reynolds mayor caída de presión se tiene a través de la membrana.
Fig. 5. RESULTADOS DE LA CAÍDA DE PRESIÓN PARA LOS DIFERENTES
DIÁMETROS Y CONFIGURACIONES
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90
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La mayor caída de presión se presentó con el
arreglo de menor diámetro de esferas. Aunque el
volumen total se mantenga constante, la configuración 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 suficiente 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, equivalentemente a solo el 20%, representa una reducción
del 27.2%. Más aún, cuando el diámetro se incrementa 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 volumen 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 haber 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 configuración 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 uniforme sobre todas ellas, es decir, el flujo se reparte 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 DIFERENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2
RESPECTIVAMENTE
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto
Fig. 8. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNA
VELOCIDAD DE 0,072M/S
Fig. 9. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNA
VELOCIDAD DE 0,001M/S
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 factor interesante que se evidencia es cómo la configuración 2 tiene una pendiente mayor que la que
se presenta en la configuración 1, lo que mue entonces, 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 resultados de las diferentes configuraciones con los
resultados de los bancos de esferas con 32mm
de diámetro. Esto se debe, como ya se había manifestado 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 caída de presión es significativa, pues implica que
el flujo evita parar por el espacio ocupado por las
esferas.
91
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
La Fig. 10 muestra las líneas de corriente las
cuales describen el flujo a través del medio poroso.
Dichas líneas ilustran cómo al cambiar bruscamente de dirección, se generan regiones circulares en la superficie de las esferas, las cuales
representan las zonas de estancamiento. El comportamiento del flujo permanece de forma organizada mientras fluye a través de la zona central del
arreglo de esferas, mientras que en la parte superior e inferior al terminarse el medio poroso tienden 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 momentáneamente 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
de turbulencia y el desprendimiento de vórtices.
Las zonas de alta velocidad son más notorias en
las esferas pequeñas, pero la formación de turbulencia 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 última 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 configuración uno muestra una zona de muy baja velocidad detrás de la última capa de esferas, que
en común tienden a formar un perfil parabólico
que aumenta con el aumento del tamaño de esfera, mientras que para la configuración dos las zonas 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 DIFERENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2
RESPECTIVAMENTE
En la Fig. 11 Se muestra el contorno de velocidad, para cada tamaño de esfera y sus dos configuraciones, 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 entrar a la última capa de esferas se encuentra con
la zona de estancamiento y propicia la formación
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto
93
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 entonces concluir que un adecuado control sobre el
factor de empaquetamiento y la distribución de
las estructuras puede mejorar significativamente
el comportamiento hidrodinámico de las membranas porosas, haciéndolas una alternativa atractiva para su empleo en sistemas de transferencia
de calor y recuperación de calor.
REFERENCIAS
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 solucionadas 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 espaciamiento entre esferas, principalmente de la
cara que enfrenta al flujo perpendicularmente, tiene gran influencia sobre la caída de presión. Para
el medio poroso de menor diámetro la influencia
del espaciamiento entre esferas es menor. También se observó una interacción fuerte entre los
flujos aguas abajo de cada esfera. Presentándose
[1]
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Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa
para Aprovechamiento Energético: una Revisión al
Estado del Arte
Modeling of the biomass gasification process for energy recovery:
Review for the actual tecnology
José Ulises Castellanos
MSc en Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Colombia
Investigador Grupo MDL&GE
(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética),
Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, Colombia
jucastellanosc@unal.edu.co
Fabio Emiro Sierra Vargas
Dr. MSc. Ingeniería Mecánica, Universidad de Kassel
Docente Tiempo Completo, Líder del Grupo MDL&GE
(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética)
Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, Colombia
fesierrav@unal.edu.co
Carlos Alberto Guerrero Fajardo
Dr. MSc. Ing. Químico, Universidad Nacional de Colombia
Investigador Grupo MDL&GE (Mecanismos de Desarrollo Limpio
y Gestión Energética), Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, Colombia
caguerrerofa@unal.edu.co
Resumen— El análisis del uso de biomasa como fuente
de energía y el desarrollo de las investigaciones relacionadas con el proceso de gasificación; han originado el
planteamiento de diversos modelos para explicar y entender 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, Modelado, Redes Neuronales, Termoquímica.
Abstract— The analysis of the use of biomass for energy 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 intended to satisfy the need to quantify the energy production
and efficiency. This article presents an analysis of several gasification models based on thermodynamic equilibrium, 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 efectos del calentamiento global; han surgido investigaciones de gran importancia en el campo del
uso de la biomasa como una fuente de energía
alternativa, se reconoce que esta fuente energética, 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 procesos de biodigestión (transformaciones biológicas)
y gasificación (transformaciones termoquímicas)
[30]. El segundo de ellos, se centra en la alta eficiencia de la combustión, puesto que un balance
energético positivo, por ende, económicamente
viable depende de la eficiencia en las conversiones 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 normalmente es un gas compuesto por monóxido de
carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano,
trazas de etano y eteno, agua, nitrógeno y algunos contaminantes, como pequeñas partículas de
carbonizado, ceniza y alquitranes [38]. La energía
proveniente de este material gaseoso, determina
Recibido: 26/03/2012/ Aceptado: 08/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
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 combinaciones entre los factores anteriores, pero siempre
se busca incrementar la calidad del material gaseoso. [38][3]. Por esta razón, en el grupo de investigación “Mecanismos de Desarrollo Limpio y
Gestión Energética (MDL&GE)” de la Universidad
Nacional se planteó, hace unos años, la construcción de un gasificador con fines de investigación
para determinar la viabilidad tecnológica y socioeconómica de esta tecnología para Colombia.
II. PROCESO DE GASIFICACIÓN
La gasificación de la biomasa es una tecnología de más de cien años de antigüedad. Se trata
de un proceso cuyo objetivo es la descomposición térmica de biomasa, particularmente de los
residuos producidos en la industria agrícola, maderera 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 debajo 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 descomposición térmica en ausencia de oxígeno.
Habitualmente es dividida en pirólisis lenta y pirólisis 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 numerosas reacciones químicas a alta temperatura
(Ejemplos. Ecuaciones 1 y 2) [14].
Desde un punto de vista científico, la gasificación, se trata de una reacción endotérmica heterogénea entre el carbono contenido en la biomasa y un gas reactante, sea vapor de agua o
dióxido de carbono:
(1)
C + H2O → CO + H2
(2)
C + CO2 → 2CO
En la Figura 1 se muestran las reacciones químicas 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 elementos 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 utilizado, 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.
Modelado 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 pirólisis. 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 marginal que tiene en su carga, por ende, la imposibilidad 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 aceptable para motores de combustión interna y turbinas de gas. [2] [12]
C. Gasificador Crossdraft
Este gasificador tiene un tiempo de arranque
corto, alrededor de 5 minutos, capacidad de operar con combustibles húmedos o secos y la temperatura 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 utilizados con combustibles de bajo contenido de cenizas, 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 externamente 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 instantáneamente a la temperatura requerida. Como resultado de este tratamiento, el combustible se piroliza
97
muy rápidamente y da como resultado una mezcla de componentes con una cantidad relativamente 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 descomposición 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 reacciones 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 endotérmico, y dan como resultado dióxido de carbono (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 1015MJ/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 combustión 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-
98
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
te en la calidad y composición del gas, donde el
objetivo es la minimización de los residuos tóxicos 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 evolutivos 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 tener en cuenta retrasos en el tiempo ni variables relacionadas 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 durante 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 tomados 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 considerablemente al utilizar modelos de redes neuronales
(RNA) Figura 2. Las cuales han demostrado su utilidad 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 relaciones no lineales.
La adaptación y el aprendizaje en los sistemas 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 escala de sistemas dinámicos.
• La implementación de hardware.
• Fusión de datos. Las redes neurales pueden 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 suponer el intervalo más largo y observa la necesidad
de completar la reacción en ese tiempo; de tal manera que el modelo de equilibrio sea el apropiado.
En todos los modelos de equilibrio, un conjunto
de ecuaciones no lineales describen la conservación de las especies químicas (C, O2, H2, N, S) y las
ecuaciones adicionales, para el equilibrio térmico
de las reacciones independientes (las cuales corresponden a la minimización de la energía libre
de reacción) que permite una predicción de la salida 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 sistema lineal que, a su vez, se establece en términos 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 producto comúnmente encontradas en los procesos de
gasificación (CO, CH4, H2, C2H4, C2H6); algunas especies 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-
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,
Sierra, Guerrero
tamiento de gas perfecto para los reactivos y los
productos, de modo que no puede describir procesos 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 residuos de los reactivos. Propiedades termoquímicas de todas las especies fueron tomadas de las
tablas de JANAF [16].
Las condiciones termodinámicas, a las cuales
las reacciones tienen lugar, pueden ser manipuladas por cambios de presión, temperatura (que
puede ser incluso calculada evaluando los procesos a condiciones adiabáticas) o calor transferido
por radiación de la zona de reacción. El flujo de
biomasa así como el de aire (u Oxígeno, dependiendo 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 puede ser producido regenerativamente dentro del
gasificador. En este caso, el intercambio de calor
entre el agua y el gas tiene lugar antes de la salida 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 proporciona una descripción relativamente exacta del
balance de energía del gasificador (entrada y salida 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 irreversibilidad en el proceso de transformación de la biomasa como materia prima dentro de una corriente caliente del gas de síntesis del combustible y
también proporciona detalles internos de las distribuciones 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 composición de las diversas fuentes de biomasa, proporcionando el mismo análisis definitivo. Corrección válida para balances de energía, pero poco
aproximada con la cadena de reacciones que conducen 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 moléculas de la materia prima). La caracterización de
la biomasa se obtiene de ellos sólo porque establezca su composición, como puede ser encontrada 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 segundo orden (sección) consiste en una letra mayúscula (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 columna.
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 orden 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 simulación, se encontraron datos en experimentos
descritos en la literatura. Un ejemplo de ellos es
el gasificador [9] que utiliza un aire inyectado circulante 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
99
100
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
de lecho de flujo arrastrado. Los datos reportados
incluyen la composición del gas, un valor calorífico, la eficiencia del gasificador (incluidos ambos
valores caloríficos y calor sensible del gas a la salida 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 garantías de estabilidad nominal, optimización del rendimiento 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 proceso de gasificación limpio del carbón de alta eficiencia. 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 entrada 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 predictivo
Considerado 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 variables 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 estacionario en tiempo discreto. Para considerar el impacto
de perturbación en el modelo; el modelo debe ser
incorporado dentro de los elementos de perturbación. 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 gasificación 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 multivariable 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 (proporcional/ integral/ derivada) enlazados al flujo
alrededor de los actuadores de alimentación del
sistema. Por ejemplo, en el gasificador experimental del instituto de desarrollo tecnológico de Estados 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 gasificador del grupo MDL&GE es un modelo multivariable no-lineal, que tiene cinco entradas controlables (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 utiliza 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 carbón). Esto reduce el problema a cuatro problemas
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,
Sierra, Guerrero
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 modelo (PSINK) de dos entradas de perturbación
externa, las cuales se representan por medio de
perturbaciones inducidas por la presión. A continuación se listan las entradas y salidas controlables, 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, proporcionan un medio para inferir valores en tiempo real
de las variables claves del proceso, que no pueden medirse directamente. Estas estimaciones
de Estado pueden ser útiles para el mejoramiento del control de proceso, mediante la filtración
de Kalman (KF), la cual se aplica a un sistema
no lineal de gasificación de carbón, operada inicialmente en el marco de la estrategia de control
convencional de retroalimentación. Donde, las
perturbaciones que no son medibles en la ope-
101
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 conjunto. La principal motivación para el empleo de
estimación de estado es la obtención de los valores de las perturbaciones del proceso no medidas. 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 consecuencia el vector z [21]
En la línea de control predictivo se ha incorporado 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 intervalo de muestreo, y puede tener un efecto perjudicial sobre el rendimiento de circuito cerrado
de alcanzar el sistema estable, esto sugiere que
el control de entrada tiene limitaciones importantes 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 madera, 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 porcentaje 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 temperatura, que están distribuidos de la siguiente forma:
la T1 se encuentra ubicada en la zona de pirólisis, T2 en la zona de combustión y T3 y T4 en la
102
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
de gasificación. (Figura 3) Mediante estas implementaciones 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
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
Fuente: Grupo de Investigación MDL&GE
VIII. CONCLUSIONES
Fuente: Grupo de Investigación MDL&GE
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 perfiles 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.
Se han desarrollado diferentes tipos de modelos para sistemas de gasificación y su reacción cinética, El sistema en equilibrio con las etapas de
control por medio de redes neuronales artificiales,
hacen que el comportamiento pueda predecir situaciones extremas. En los modelos cinéticos que
predicen el progreso y la composición del producto en diferentes posiciones a lo largo de un reactor, ha sido de gran ayuda adaptarlo a un sistema
equilibrado, ya que puede predecir el máximo rendimiento posible, en un producto deseado de un
sistema de reacción. También proporciona un útil
diseño de apoyo, para evaluar el posible comportamiento 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 proyecto código 13151; “Apoyo de la DIB a tesis de
investigación en posgrado” y el Proyecto “Alianza
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,
Sierra, Guerrero
103
estratégica para la investigación de la obtención
de gas de síntesis desulfurado a partir de la gasificación de carbones colombianos” código 12651.
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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, Colombia
paulaortiz@itm.edu.co
Lorena Cardona Rendón
PhD(c) Universidad Nacional de Colombia
MSc. en Ingeniería área Automática,
Universidad Pontificia Bolivariana.
Grupo Inteligencia Artificial en Educación,
Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín,
lcardon0@unalmed.edu.co
Resumen— En este artículo se diseña un control PID
tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad 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 muestra que va a ser estudiada, y se usará el cabezal de la
unidad para iluminar la muestra. Con el controlador diseñado se busca que no haya dependencia del subcódigo 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 sintonización 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.
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 simulation results, concluding about the resolution obtained,
the robustness of the controller and the viability of the
control system to be used in a microscope.
Palabras clave— Control de posición, Control Fraccional, 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 optical microscope. In such an application the disk or CD
would be replaced by a plate with the sample to be studied, 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 determine the position of the head, and for this, a computer 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
Keywords— CD , fractional control, position tracking, robust control, , optical microscopy , optical mouse.
I. INTRODUCCIÓN
Debido a las rápidas mejoras en las tecnologías de manufactura electrónica, los computadores se han convertido en productos electrónicos
de corta vida, lo que termina en una gran cantidad
de computadores desechados que pueden contaminar 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 encuentran 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 multifase homodino [17], para medir rectitud [18], para
el desarrollo de una micro-máquina de medición
por coordenadas [19][20], para crear un pulsador
Recibido: 16/07/2012/ Aceptado: 20/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117
Control 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 acelerómetro óptico [22][23], en el desarrollo de una sonda táctil tridimensional [24], para desarrollar un
biosensor óptico [25], un sistema de análisis celular [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 Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM), en Colombia, se está desarrollando un microscopio óptico
de bajo costo con platina motorizada, a partir de
una unidad de CD desechada. En este caso, en lugar de un CD, se tendría una placa con la muestra
para ser observada y el cabezal de la unidad serviría 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 cabezal 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 lograr 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 embargo, 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 codificador de un ratón optomecánico de computador,
107
mediante la técnica de mínimos cuadrados ponderados.
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 controladores 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 común manejo para todos los profesionales de esta
área de conocimiento. Adicionalmente, los controladores 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 necesidad 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 aplicar diferentes técnicas para la sintonización de
controles fraccionales, como el método ZieglerNichols [40][41], series de polinomios [42], algoritmos genéticos [43], enjambres de partículas
[44], teoría electromagnética [45], cuantificadores dinámicos [46] y modos deslizantes [47][48].
Sin embargo, muchas de las técnicas usadas presentan problemas por la cantidad de parámetros
que se requiere calcular, lo que se traduce en alta
carga computacional y altos tiempos de procesamiento, siendo esta la razón de que muchos trabajos de implementación del control fraccional se
hayan hecho sobre variables o procesos de reacción lenta, tales como el control de temperatura.
En este trabajo se optará por la aproximación
usada en [40], que consiste en un método iterativo que busca cumplir cinco condiciones de robustez. La razón es que en dicho trabajo se muestra
la posibilidad de obtener una sintonización rápida
del control con resultados robustos.
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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 (Autodesk 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 tomadas con un calibrador. Luego, las partes modeladas 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 están 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 motor.
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 construidos en un solo cuerpo, uno de los cuales engrana con el engranaje 22 (de 95 dientes y un diámetro 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).
Fuente: Autor del proyecto
En la Fig. 2 se muestra el mecanismo de movimiento 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.
Fuente: Autor del proyecto
A partir del modelado en 3D, fue posible
crear un modelo del sistema en el software Simulink, mediante un aplicativo de enlace entre
los dos programas llamado SimMechanics Link.
Esto permitió exportar las propiedades físicas
de los objetos modelados (momentos de inercia, 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.
Fuente: Autor del proyecto
En el modelo de la Fig. 3, los bloques que representan los cuerpos tienen puntos de conexión
que están determinados por coordenadas espaciales [x, y, z]. Los cuerpos se conectan entre sí a
través de uniones (revoluta, prismática) y a través
de restricciones (restricción de engranajes, actuador de velocidad). Estas últimas, no fueron exportadas por el programa SimMechanics Link, sino
que se crearon manualmente.
La restricción de engranajes expresa la relación de velocidad entre los dos engranajes se
muestra en (1):
Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona
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emplazar estos valores en (3), se obtiene que la
función de transferencia (4) para el motor de la
unidad de CD.
y
son los diámetros primitivos
(donde
de la rueda conductora y la rueda conducida, respectivamente, y , son las velocidades angulares 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 traslacional 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 rotacional alrededor del eje z, mientras la cremallera 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 velocidad de desplazamiento de la cremallera.
C. Modelo del Codificador
El codificador empleado en esta aplicación
pertenece a un ratón opto-mecánico de computador. El codificador consta de una rueda ranurada, 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 Engranaje_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):
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 controlando 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 entrada 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 manipulada) 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 N es el número de ranuras en el codificador, 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
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 motor de la unidad, estos valores son: Kmf=1,23x102V s/rad, Lf=2,189x10-3 Henrys y Rf=21Ω. Al re-
En un ratón óptico, un sensor toma fotografías
de la superficie bajo el ratón y un motor de navegación 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
110
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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 ratón 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 Método de Mínimos Cuadrados Ponderados
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 respuesta 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 fraccionales se parte del diagrama de bloques presentado
en la Fig. 4.
Fig. 4. DIAGRAMA DE BLOQUES DE ACCIONES DE CONTROL
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 pondeFuente: [38].
rados, expresada en las ecuaciones (7) y (8) [51]:
donde es la posición estimada, Z1 es la medies la varianza del error en
da del sensor 1 y
dicha medida, Z2 es la medida del sensor 2 y es
la varianza del error en dicha medida, es la varianza 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 cuantización causa respuestas del sistema con oscilaciones en el estado estable. Para solventar este problema, se aplicará la solución propuesta en [52],
que consiste en implementar un elemento de
“zona muerta” a la salida del sensor. Como efecto, se elimina la discontinuidad en 0 que ocasiona
la aparición de oscilaciones. Para que la solución
propuesta tenga efecto, se debe cumplir (9):
La acción integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error de estado estacionario,
pero hace más lenta la respuesta del sistema y
disminuye su estabilidad. Por otra parte, la acción 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 sintonización 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 propuestas 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):
Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona
3) Para rechazar los ruidos de alta frecuencia, la
función de sensibilidad T(jw) debe cumplir con (12):
forma
111
donde k=1,wn=
42.73ε = 0.71,θ = 0.018 mostrado en (16),
Para
4) Para rechazar las perturbaciones de la salida, la función de sensibilidad S(jw) debe cumplir
con (13):
Fig. 5. RESPUESTA DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO ANTE UNA SEÑAL
ESCALÓN
Para
5) Para tener un sistema robusto frente a variaciones de la ganancia, la derivada de la fase
del sistema en lazo abierto con respecto a la frecuencia del cruce de ganancia wcg debe cumplir
con (14):
Fuente: Autor del proyecto
La validación del sistema se muestra en la Fig. 6
La función de transferencia del control fraccional se muestra en (15):
Fig. 6. VALIDACIÓN DEL SISTEMA IDENTIFICADO VS. EL SISTEMA REAL
ANTE UNA SEÑAL ESCALÓN
Los márgenes de ganancia (φm) y fase (φm)
son medidas importantes de robustez que se relacionan con el factor de amortiguamiento del sistema 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 encontrar el modelo matemático lineal del sistema, lo
cual se logró mediante un proceso de identificación en lazo cerrado (ya que el sistema en lazo
abierto es inestable), según la metodología propuesta en [54]. En la Fig. 5. Se observa la respuesta del sistema para una entrada tipo escalón.
La respuesta obtenida se llevó a la toolboxident de Matlab, la cual permite obtener una función de transferencia e indica el grado de ajuste
logrado con un índice de desempeño. De esta manera se obtuvo el modelo de segundo orden de la
Fuente: Autor del proyecto
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
112
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•
Fig. 8. RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES GANANCIAS
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/s
Con 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 controlado. La verificación de los parámetros de diseño se
muestra de la Fig. 7 a la Fig. 10. En la Fig. 7 se muestra el margen de fase y de ganancia del sistema obteniéndose 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 frecuencia centrada en wcg, lo que se traduce en robustez 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 representa 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 frecuencia 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 fraccional se validó con la toolboxninteger [52].
Fuente: Autor del proyecto
Fig. 9. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD S(JW)
Fuente: Autor del proyecto
Fig. 10. ANÁLISIS DE RUIDO T(JW)
Fig. 7 ANÁLISIS DE MAGNITUD Y FASE
Fuente: Autor del proyecto
Fuente: Autor del proyecto
Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona
Finalmente, para evaluar el comportamiento
del sistema con el control diseñado, se incorporó la cuantización de los sensores al diagrama de
bloques mostrado en la Figura 11.
Fig. 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA QUE INCORPORA EL CONTROL DISEÑADO Y LA CUANTIZACIÓN DE LOS SENSORES
113
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
Fuente: Autor del proyecto
El resultado obtenido se presenta en un grupo
de tres gráficas en la Fig. 12. Una, muestra la respuesta 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 obtenidas en simulación, con Matlab/Simulink.
Fig. 12. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES
POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS).
Fuente: Autor del proyecto
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 resultados 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 rápida 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 comparado con un control PID convencional, obteniéndose
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 convencional 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
114
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En general, un control tipo fraccional presenta 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, presentando 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 unidad 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 combinación de un codificador de un ratón optomecánico 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 respuesta 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. Adicionalmente, 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 sensores, es apta para la aplicación en el desarrollo de
un microscopio óptico.
Se concluye también que el empleo de un control tipo fraccional para esta aplicación presenta
ventajas frente a los controles PID de orden entero, tanto en el tiempo de estabilización como en
robustez frente a perturbaciones. Adicionalmente,
con la metodología de diseño iterativa implementada, se logró un diseño rápido y un resultado robusto 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 código P10237 y “Metodología para modelar y controlar un sistema de combustión utilizando cálculo
fraccional” con código PM12104 ambos proyectos financiados por el Instituto Tecnológico Metropolitano – 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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117
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para
la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de
la Glándula Mamaria
Decision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural
Distortion
Duván Alberto Gómez Betancur
MSc (c) Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,
Universidad Nacional de Colombia
Investigador Grupo GIDIA, Universidad Nacional de Colombia
Medellín, Colombia
dagomezbe@unal.edu.co
Resumen— La distorsión de la arquitectura es un cambio anormal del tejido de la glándula mamaria con la consiguiente
formación de lesiones finas y espiculadas que no están asociadas a la presencia de una masa. La distorsión es el tercer hallazgo 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 disminución 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 arquitectura, mamografía, procesamiento digital de imágenes, diagnóstico 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 findings on screening mammograms.This paper presents the design,
implementation and test of a new method that serves as support 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.
John Willian Branch Bedoya
Ph.D. Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,
Universidad Nacional de Colombia
Profesor Asociado, Investigador Grupo GIDIA,
Universidad Nacional de Colombia
Medellín, Colombia
jwbranch@unal.edu.co
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 aided diagnosis.
I. INTRODUCCIÓN
En los ambientes médicos las imágenes juegan un rol prominente en el diagnóstico y tratamiento 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 temprano 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 resultado 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 patología 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 mujeres sufrirá la enfermedad a lo largo de su vida, y
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
Sistema 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 encuentran 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 despertado el interés de comunidades científicas mas
cuando se sabe que si se detecta a tiempo, se puede evitar el desenlace fatal de la enfermedad.
Para la detección temprana del cáncer de
mama existen diferentes exámenes o métodos clínicos como la resonancia magnética, la ecografía,
la biopsia, la tomografía computarizada y la biopsia 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 mamografía son: masas, microcalcificaciones, distorsiones de la arquitectura y asimetrías de densidad.
Las calcificaciones son hallazgos muy comunes en una mamografía y son consecuencias de
diminutos depósitos de calcio en el tejido mamario. En cuanto a las masas debe describirse su tamaño, forma, márgenes y calcificaciones asociadas 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, puede verse como una opacidad similar en las dos
proyecciones de una mama pero no tiene características de una masa [3].
La información restante de este artículo se estructura en cuatro secciones. En la 2 se explica la
distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria. En la 3 se describe el método propuesto. En la
4, se evalúa el método y se presentan los resultados obtenidos y en la 5 se dan las conclusiones
119
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 espiculadas 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 arquitectura como el hallazgo en el cual la arquitectura 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 referencia 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 superpuesto en el momento de la valoración de las mamografías 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]
120
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
Como se puede observar en la Fig. 1 la distorsión de la arquitectura en la mamografía se presenta 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 posteriormente malignidad en el seno. Sin embargo,
por la dificultad en la detección de la distorsión
de la arquitectura, se estima que esta anormalidad 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 trabajos que se pueden encontrar en sistemas CAD
(Computer-Aided Diagnosis) para el caso de cáncer de mama, también es cierto que mientras la
mayoría han sido dirigidos a la detección y análisis 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 distorsión alrededor de la línea de piel y un índice de
concentración para detectar distorsión de arquitectura al interior de la glándula mamaria obtenido 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 caracterización 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 mamográficos normales, una clasificación con una precisión 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 dimensión fractal se proponen métodos para detectar candidatos iniciales de distorsión de la
arquitectura en mamografías[18],[19].
Rangayyan en [20] con características de textura de Haralick para la detección de distorsiones 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 análisis discriminante lineal, 77% con una red neuronal 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 difusa como una herramienta para el control y los
sistemas expertos. Se trata de un método para el
razonamiento con expresiones lógicas que describen las pertenencias a los conjuntos difusos,
entendidos como un instrumento para la especialización 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 imprecisos, 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 problema 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 difusas del tipo if-then como base del sistema de clasificación difuso:
Regla Rj:Si x1 es Aj1 y…y xn es Ajn entonces Clase Cj con CFj
para j=1,2,...,N
donde Rj es la regla j-esima, Aj1 ... Ajn son funciones de pertenencia de los conjuntos difusos en
el intervalo [0,1], Cj es la clase, dentro del conjunto 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 reglas difusas if-then permite generar sistemas de
clasificación comprensivos con un buen comportamiento.
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch
A. Características de Textura
En un gran número de aplicaciones de procesamiento 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 textura presentes en una imagen. Un ejemplo claro de
dichas aproximaciones es el propuesto por Haralick[24] quien, basado en la premisa que la textura y el tono conservan una relación inextricable
entre ellos, propone catorce características para
describir la textura de los objetos o regiones presentes en una imagen.
Para Haralick, las propiedades de tono y textura están siempre presentes en una imagen, y
el procedimiento que sugiere para obtener las características 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 matrices espacio-dependientes de los tonos de gris,
las cuales son calculadas para diferentes ángulos y distancias de vecindad en los pixeles de la
imagen y son conocidas como GCM (Gray level CoOcurrence Matrix).
En la Fig. 2 se observa la vecindad más cercana (distancia d=1) para cualquier punto dentro
de la imagen, exceptuados los puntos ubicados
en las filas y columnas de los extremos. La vecindad-8 es utilizada para la definición de las matrices GCM en la propuesta de Haralick.
(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, correlación, suma de cuadrados, momento de diferencia inversa, suma promedio, suma de varianza,
suma de entropía, entropía, diferencia de varianza, primera medida de información de correlación,
diferencia de entropía, segunda medida de información de correlación y máximo coeficiente de
correlación.
En este trabajo se utilizan sólo cinco características de textura: energía, contraste, suma
promedio, momento de diferencia inversa y diferencia 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 I
Nomenclatura 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
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 probabilidades de ocurrencia de un par de niveles de gris
121
Energía:
122
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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 codifican información visual relativa a la textura con un
alto grado discriminatorio.
La característica de Energía se trata del cálculo 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 Energía 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 parejas de pixeles cuya intensidad difiere por n. La
dependencia n2 incrementa aún más las grandes
diferencias; por lo tanto, el valor de esta característica toma valores altos para imágenes con alto
contraste.
El Momento de Diferencia Inversa es una característica de textura que toma valores altos para
imágenes con bajo contraste debido a la dependencia inversa (i-j)2.
La Diferencia de Varianza es una medida de
cuán grande es la variación existente en las magnitudes de las transiciones de intensidad. Por ejemplo, si hay distribución equilibrada de las magnitudes de las transiciones de intensidad, entonces
el valor de diferencia de varianza será bajo, mientras 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 relación 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 detectadas al interior de la glándula mamaria.
Sin embargo, la interpretación de cada una de
las características mencionadas y su representación desde la concepción del sistema de visión humano 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 definidas 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 propone el uso de la lógica difusa ya que ésta presenta
diferentes ventajas pues al utilizar términos lingüísticos permite plantear el problema en los mismos
términos en los que lo haría un experto humano.
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch
Asimismo, el éxito de la lógica difusa radica en
el hecho de que el mundo es difuso y, por lo tanto, podría pensarse que no tiene sentido buscar
la solución a un problema no perfectamente definido 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 rangos de los valores de la función de pertenencia oscilan entre cero y uno y pueden ser considerados
como un grado de verdad. Normalmente las funciones de pertenencia de los sistemas de clasificación difuso son de forma trapezoidal, triangular
y curva S [27].
En el método propuesto en este documento, a
diferencia de las funciones de pertenencia tradicionalmente utilizadas en la literatura, se utilizan
funciones de pertenencia con distribución gaussiana, es decir, en forma de campana de Gauss.
Así, si se considera x una característica de textura cualquiera que puede ser medida sobre una
imagen. Si μ es la media de los valores de x definidos 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, normalizada 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 inicialmente las funciones de pertenencia calculando los valores de μ y de σ usando los valores de
las características de textura definidas. Así se generan diez funciones de pertenencia, cinco para
cada una de las características de textura para el
123
caso normal y cinco para cada una de las cinco
características de textura para el caso anormal.
En el método propuesto se utilizan reglas difusas 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 difusas 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 promedio de los casos normales y el valor del momento 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 clasificado 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 momento de diferencia inversa es la media de los valores de momento de diferencia inversa de los casos 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 clasificado como anormal con 99.9% de certeza.
Estas dos reglas se pueden observar gráficamente 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 valor máximo es la unidad, como se puede observar
en la Fig. 3
124
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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 variables de entrada correspondientes a las medidas
de las cinco características de textura de Haralick
seleccionadas en la investigación, como se observa en la Fig. 4.
Para cada una de las variables de entrada se
definen dos funciones de pertenencia correspondientes a los casos normal y anormal.
Debido a que el comportamiento de una característica de textura definida en cualquier imagen
está estadísticamente distribuida en forma gaussiana, las funciones de pertenencia se definen de
acuerdo con (6).
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 funciones 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:
FIG. 4. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSA
y
Finalmente, se toma el centroide o centro de
masa entre μnormal y μanormal.
Cuando μnormal =μanormal se trata de un caso sobre el cual no se puede decidir y en el presente
trabajo de investigación se toma como una falla o
error de clasificación.
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 implementadas con sus dos funciones de pertenencia
se puede observar en la Fig. 5.
IV. RESULTADOS
Como se mencionó anteriormente los componentes principales de un sistema de decisión ba-
TABLA. II.
Características de textura utilizadas y valores de media y desviación estándar calculados para el sistema de decisión difuso
Media
Característica de Textura
Suma Promedio
caso normal
Desviación Estándar
caso anormal
caso normal
caso anormal
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
125
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch
FIG. 5. EJEMPLO DE LA VARIABLE DE ENTRADA DE LA CARACTERÍSTICA
DE CONTRASTE PARA EL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO Y LAS FUNCIONES DE PERTENENCIA ASOCIADAS A LA MISMA
Posteriormente se definen las clases de salida 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 distorsión 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
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 definen de la siguiente manera:
donde
VP=Verdadero Positivo
VN=Verdadero Negativo
FP=Falso Positivo
FN=Falso Negativo
Con la extracción de las características de textura 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 respectivamente, 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.
En la Fig. 6 se observan las funciones de pertenencia 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, especificidad y precisión general. La sensibilidad es la probabilidad de un diagnóstico positivo dado el caso
de una paciente con distorsión de la arquitectura
de la glándula mamaria. La especificidad es la probabilidad de un diagnóstico negativo dado el caso
de una paciente que no presenta distorsión de la
arquitectura de la glándula mamaria. La precisión
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%, Especificidad 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 método 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 bastante difícil ya que en cada investigación reporta-
126
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
da los conjuntos de datos e imágenes varían de
un trabajo a otro.
V. CONCLUSIONES
Los resultados del desempeño del método demuestran 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 alcanzar 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 arquitectura 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 distorsión 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 asimetrías 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 porcentajes de sensibilidad, especificidad y precisión
general, en los sistemas de diagnóstico asistido
por computador. Por esta razón para trabajos futuros se podría realizar un proceso de afinación
de las funciones de pertenencia propias de los
conjuntos difusos propuestas en este documento, 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 distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria
desarrollado, resulta ser una base importante
para la investigación aplicada, ya que los resultados obtenidos a nivel de precisión general hacen
posible que se pueda llevar a un entorno real y encontrar aplicación local o regional incluso ampliado el alcance del mismo método, para que además 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 medición de la calidad del servicio diagnóstico prestado por los radiólogos ya expertos.
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Control de Temperatura para un Sistema de
Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos
Coupled tanks system temperature control using finite automata
Nathalie Cañón Forero
Ingeniero en Mecatrónica.
Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.
Auxiliar de Investigación.
Universidad Militar Nueva Granada.
U1800871@unimilitar.edu.co
Diego Rodríguez Mora
Ingeniero en Mecatrónica.
Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.
Auxiliar de Investigación.
Universidad Militar Nueva Granada.
U1800941@unimilitar.edu.co
Jenny Gutiérrez Calderón
Ingeniero en Mecatrónica.
Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.
Joven Investigador.
Universidad Militar Nueva Granada.
gav@unimilitar.edu.co
Darío Amaya Hurtado
Ph.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.
Docente de Tiempo Completo Líder de Grupo GAV.
Universidad Militar Nueva Granada.
Bogotá, Colombia
gav@unimilitar.edu.co
Óscar Avilés Sánchez
Ph.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.
Director de programa de Mecatrónica
Universidad Militar Nueva Granada.
Bogotá, Colombia
oscar.aviles@unimilitar.edu.co
Resumen— En este trabajo se realizó, el modelado y diseño 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 herramienta 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. Posteriormente, se establecieron los requerimientos y restricciones 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 StateFlow 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 comparación de los comportamientos obtenidos en cada caso.
Se verificó que es una técnica de fácil uso e implementación con gran eficiencia en tiempos de respuesta.
Palabras clave— Autómata Finito, Sistema Hibrido, sistema embebido.
Abstract— This work was performed, modeling and control 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),
was used finite automata as a tool for modeling and control.
Initially, the mathematical model was obtained, which
corresponds to the continuous dynamic, variable temperature 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 development requirements and restrictions system that emerged from the analysis, which complement the analysis
of the same, obtaining the representation of the process
and control, a dynamic hybrid concept, using automata 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 obtained in each case. Verifying that the technique is easy
to use and implement with high efficiency in response
times.
Keywords— Finite automaton, hybrid systems, embedded system.
I. INTRODUCCIÓN
Un sistema hibrido es un sistema dinámico
que tiene transferencia en estados discretos y variación en estados continuos. El comportamiento
dinámico de la parte continua se describe por medio de ecuaciones diferenciales ordinarias, mien-
Recibido: 21/09/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134
Control 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 discreto, 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 verifica si el sistema cumple con ciertas reglas. Los
sistemas híbridos son usados, por ejemplo, en los
modelos de procesos continuos que son controlados por controladores lógicos o sistemas embebidos [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 superior, se puede representar el mismo sistema por
un conjunto de ecuaciones simples, usualmente
la teoría de grafos es la más común para el modelado 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 empezado 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 determinados eventos [5].
Los autómatas finitos simples implícitamente
se han utilizado en las máquinas electromecánicas hace más de un siglo. Una versión formal de
ellas apareció en 1943 en McCulloch-Pitts modelos de redes neuronales. (Un análogo antes había
aparecido en las cadenas de Markov.) Un trabajo
intensivo sobre ellos en la década de 1950 (a veces bajo el nombre de las máquinas secuenciales)
estableció muchas propiedades básicas, incluida
la interpretación de los lenguajes regulares y equivalencia de las expresiones regulares [6].
Los autómatas se comenzaron a implementar en las áreas que requiriesen de procesos con
129
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 sistemas híbridos, donde la reducción en la complejidad del orden de dicho modelo es muy notoria, de
ahí la importancia de su utilización. [8]
Un autómata finito es básicamente un reconocedor 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 autómata 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 autómata 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 permita alcanzar un mayor desarrollo en distintas ramas 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 computador, 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,
130
IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134
oculto a la vista, y forma parte de un todo de mayores dimensiones [12]. La Fig. 1 muestra el esquema de un sistema embebido.
Fig. 2. CAD DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA
Fig. 1. EJEMPLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO [10]
De acuerdo a lo anterior se plantea el objetivo
de controlar la variable temperatura de un sistema de tanques acoplados mediante autómatas
finitos, y con esto, implementar luego el control
sobre un sistema embebido. Este trabajo explicará la metodología, el diseño global, la implementación con los resultados obtenidos de aplicación de la técnica de autómatas finitos.
Fig. 3. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA SIN CONTROL
II. MéTODO
A. Comportamiento real de la planta
Por medio del método experimental, se dará a
conocer de forma clara la descripción de la planta 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 resistencia, 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 parámetros 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.
Acorde al comportamiento de la planta, se busca que la respuesta de la variable temperatura oscile 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
Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya,
Aviles
131
material que va a cubrir el fluido, y θ es la temperatura.
R está definida, como en (2).
El comportamiento del sistema cuando la resistencia está encendida, por consiguiente en (9)
se define:
El sistema analizado por convección térmica,
por lo tanto K, se define en (3)
Parte Discreta
Los estados discretos del sistema son:
• Estado de la resistencia del tanque encendida
(S1)
• Estado de la resistencia del tanque apagada
(S2)
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)
Coeficiente de Convención del fluido (H)
Área normal del flujo de calor (A)
14.72kg
32.76 kcal / m2 s °C
0.36308m2
Según lo anterior, el valor para la resistencia
R es (4):
De acuerdo a los datos obtenidos, se determina que la capacitancia C es (5):
El valor de flujo de calor, que provoca la resistencia, 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):
C. AUTÓMATA FINITO
En el diseño del autómata finito se crean los
dos estados en los que se desea que esté el sistema. Se considera que el autómata empieza a funcionar 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. Cuando la variable alcanza un valor de 75ºC, el sistema
cambia al estado S2, la resistencia se apaga y, por
ende, la ecuación del comportamiento corresponde 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 almacenamiento.
Para la simulación del autómata, se usa Chart,
es una herramienta de la librería de Simulink de
Matlab ® que permite la simulación de los estados, como se muestra en la Fig. 5.
En el bloque de funciones (off/on) se introdujeron las ecuaciones de la parte continua que están en función de
, se integran por medio del
bloque .
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Fig. 5. MODELADO DE AUTÓMATA FINITO
D. CONTROL PID
De acuerdo con el modelo de la parte continua, se realizó el control PID del sistema térmico,
cuya función de transferencia se muestra en la
ecuación (10)
En el bloque de Chart en la Fig. 6 se introduce
el autómata y se evalúa si el estado es encendido
o apagado.
Se obtuvieron las siguientes constantes en 11:
kp=15
ki=0,6
(11)
kd=1,6
Se simuló en la misma herramienta. Observar
Figura 8.
Fig. 8. CONTROLADOR PID MODELADO EN SIMULINK DE MATLAB ®
Fig. 6. BLOQUE DE CHART
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
La respuesta del sistema térmico con el control de autómatas finitos se observa en la Fig. 7.
Fig.7. SISTEMA CONTROLADO POR AUTÓMATAS FINITOS
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 programación VHDL. En este sistema es necesario realizar
una secuencia para programar el sistema embebido que se muestra en el Diagrama 1.
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DIAGRAMA 1. SECUENCIA DE DISEÑO EN FPGA
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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 utiliza. Ver Fig. 11.
Fig. 11 SÍNTESIS DE PROGRAMA
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 complejo 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 diseñados más simples. En la práctica, el diseño usa
generalmente ambas metodologías [13].
Los datos procedentes del tanque de almacenamiento 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 resistencia térmica. También se añadió 3 vectores: el primero, recepción de la señal digital del conversor,
el segundo y el tercero se declaran como salidas,
para visualización de la temperatura a todo instante, en un display de 7 segmentos.
Fig. 10. CONVERSOR ADC0804
Se procede a hacer la designación de los pines, con Pin Planner (Ver Fig. 12), que permite direccionar 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 resistencia debe encenderse.
Fig. 13. EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE PINES EN PIN PLANNER
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Luego se enruta los pines anteriormente seleccionados, y se genera los archivos con los que se
va programar el sistema embebido. Una vez realizado 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.
optimizados para resolver un problema en específico.
IV REFERENCIAS
[1]
Zhang Si-Bing, Chen Jie, Wang Ya. “A formal verification method of hybrid system and simulation”, in Proc.
3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology (ICCSIT). Conf., pp.
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[2]
R. Alur, T. Henzinger, G. Lderriere, and G. Pappas. Discrete 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, Proceedings of the 2002. Conf., pp 140-147.
[4]
Fourlas F., Kyriakopoulos K., Vournas C. “Hybrid system 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. Matemática Discreta: Con aplicaciones a las ciencias de la programación 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, España, Ed. ADDISON-WESLEY; 2002.
[8]
CRUZ B., LARA E. Control híbrido de un sistema electromecánico de llenado de botellas. En Congreso Nacional de Control Automático A.M.C.A, Universidad Autónoma 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”, Revista 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 Bretaña, Ed. Palgrave Foundations, 2003.
[13]
Alonso F., Martínez L., Segovia F. Introducción a la Ingeniería del Software: Modelos de desarrollo de programas, España, Ed. Delta Publicaciones, 2005.
Fig. 14. FPGA EN FUNCIONAMIENTO
IV. CONCLUSIONES
La representación del proceso se realizó, teniendo en cuenta la interacción de la dinámica
continua y la dinámica a través de eventos, utilizando 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 implementación 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 estado 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
Instrucciones a los autores
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Instrucciones Generales
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Artículos de revistas científicas
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en fuente Arial, Tamaño 7.
Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution system protection,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.
Libros
Autor, 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 utilizarlas en el título y el resumen. El término completo representado por la abreviatura debe preceder dicha
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The document numbering must begin with the Nomenclature, if there is one, and end with the conclusions of the document. The acknowledgements, appendices and bibliographical references, are not
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The tables will take continuous numbering, beginning with Table I., referencing afterwards their title, in
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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.
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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):
140
IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 138 - 140
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 Microsoft equation editor.
The article must have a minimum of 4 pages and a maximum of 20 pages, in the format established
by the journal.
Contenido
Revista ITECKNE Vol 9 Nº 2 julio - diciembre de 2012
Editorial...........................................................................................................................................................................5
Luis Ómar Sarmiento Álvarez
ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia
Performance analysis of the IEEE802.11 for the conectivity of rural zones in Colombia..........................................7
Óscar 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........22
Juan 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 Network
Evaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en redes IEEE 802.11
- Caso de Estudio Red QRD..........................................................................................................................................33
Evelio Astaiza Hoyos, Diego Fernando Salgado Castro, Héctor F. Bermúdez Orozco
Arquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-avanced
Functional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks...................40
Diego 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 ios
Multilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard.......................52
Daniel 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 información
de fase de una rejilla radial
Simultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phase
information of a radial grid..........................................................................................................................................62
Luis 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 Bagasse
Influencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la producción de metano
a partir del bagazo de fique.........................................................................................................................................72
Liliana del Pilar Castro Molano, Humberto Escalante Hernández, Carolina Guzmán Luna
Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinyl
Acetate and ester acrylic to obtain recovered leather
Evaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-polimérica
De vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de cuero.................................................................................78
Danny Guillermo Cañas Rojas, Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc, Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas.....................................................................85
Computational evaluation of fluid flow through porous membranes
Tatiana López Montoya, César Nieto Londoño, Mauricio Giraldo Orozco
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión
al Estado del Arte
Modeling of the biomass gasification process for energy recovery: Review for the actual
tecnology.......................................................................................................................................................................95
José 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 óptica
Fractional PID controller designed for a CD pickup head position control to be used
in optical microscopy..................................................................................................................................................106
Paula Andrea Ortiz Valencia, Lorena Cardona Rendón
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de
la Arquitectura de la Glándula Mamaria
Decision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion..................................................118
Duván Alberto Gómez Betancur, John Willian Branch Bedoya
Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos
Coupled tanks system temperature control using finite automata...........................................................................128
Nathalie Cañón Forero, Jenny Gutiérrez Calderón, Óscar Avilés Sánchez, Diego Rodríguez Mora,
Darío Amaya Hurtado
Instrucciones a los autores Revista ITECKNE..........................................................................................................135
Instructions to the authors, ITECKNE Journal..........................................................................................................138
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 (Fuente 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 internacionales, 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.
Editorial
La 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, discusión y formación orientada a la profesionalización de los editores de revistas 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 ejemplo, 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 desde 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 científicas 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 número, la revista cuenta con un ISSN digital como forma de incorporación
al sistema OA.
Finalmente, la Dra. Bonilla hizo dos alusiones que merecen ser analizadas. La primera, referente al nuevo modelo de clasificación de Publindex, 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 Comité 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 continúa 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 impacto de las publicaciones científicas nacionales, entre las que sobresalen,
“cuidar de la calidad en los resultados más que la cantidad; escribir en varios 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 investigadores nacionales e internacionales, utilizar bibliografía los más reciente
posible nacional e internacional; reconocer el trabajo de otros investigadores 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, compartió 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 descriptivas de patentes. Es un enfoque que debería ser tenido en cuenta,
especialmente por los grupos de investigación y sus respectivas universidades, 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 difusión del conocimiento científico con el objetivo de llegar a audiencias no
especializadas, con lo cual no sólo fortalece la visibilidad de sus artículos, 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 conclusiones 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 colombiana 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 labor más para el editor y su equipo de trabajo: verificar que las autocitaciones 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 sistema 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, M.Sc.
luisomar.sarmiento@gmail.com
Editor
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la
conectividad de zonas rurales de Colombia
Performance analysis o f t he IEEE802.11 f or t he conectivity
of rural zones in Colombia
Óscar Gualdrón González
Ph. D en Física, Université Laval Canada
Docente Tiempo Completo, Director Grupo CPS,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
ogualdron@uis.edu.co
Ricardo Andrés Díaz Suárez
MIE en Ingeniería electrónica,
Universidad Industrial de Santander
Docente Medio Tiempo, Investigador Grupo GITI,
Universidad Cooperativa de Colombia UCC
Bucaramanga, Colombia
ricardo.diazsu@campusucc.edu.co
Resumen— Dentro de este artículo se presenta las características de desempeño del estándar IEEE802.11 en
enlaces punto a punto de largo alcance sobre emplazamientos rurales en Colombia. Para explicar este desempeño primero se realiza una descripción detallada del
comportamiento de la capa física y MAC en el despliegue de redes de largo alcance, esto se realiza mediante
análisis de la regulación existente para la máxima potencia 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 ACKTimeout que hacen parte del control de acceso al medio e inciden en la implementación de radio enlaces de
varios kilómetros. Posteriormente a partir de unos modelos 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 diseñados y construidos en laboratorio, se realizan un grupo
de medidas experimentales de throughput UDP saturado en enlaces punto-punto entre Bucaramanga y emplazamientos 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.
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 implementation of radio links of several kilometers. Following from
this theoretical models in the literature and one proposed 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 communication photovoltaic powered laboratory designed and
built, a group performed experimental measurements
of saturated UDP throughput in point to point links between Bucaramanga and rural sites surrounding metropolitan area in the range of 0-10.4 km distances, measurements are performed using the iperf traffic generator
sending UDP packets of unidirectional and bidirectional,
then the measurements are compared with those obtained theoretically.
Palabras clave— IEEE802.11, largo alcance, Física,
MAC, Modelo, Throughput, Iperf.
Abstract— In this paper, we present the performance 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 detailed 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
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 desprotegidas, lo cual permite que abunde el analfabetismo, se carezca de buenos mecanismos
de salubridad pública, no exista prevención remota 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-
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado:06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
8
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
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 conectividad en zonas rurales están determinados por
las limitaciones económicas, las severas condiciones ambientales, el costo de los equipos de
comunicación, la carencia de infraestructura,
los costos de licencia en la banda del espectro electromagnético, la carencia de un buen
suministro eléctrico, el mantenimiento de los
equipos y los costos que imponen los ISP (proveedores de servicio de internet) para acceder
al backbone.[1][3][6]
Considerado lo anterior se necesitan tecnologías de comunicación con buenas prestaciones y de bajo costo, que permitan disminuir la
brecha digital y contribuir al desarrollo de estos emplazamientos al conectarlos con el resto
del mundo.
En el mercado existen diferentes tecnológicas 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 Coaxial Networks), Redes PLC (Power Line Communications), EV-DO (Evolution-Data Optimized), GPRS (General Packet Radio Service) y
Wi-Fi (Wireless Fidelity). A partir de las características de desempeño y costo algunos estudios consideran a Wi-Fi como una de las mejores alternativas para la conectividad de zonas
rurales. [7][8]
Debido a la masificación en el uso de radios Wi-Fi su costo ha disminuido considerablemente, además, si se considera que estos
operan en la banda ISM (Industrial, científica y
médica), sus velocidades de transmisión máxima 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 ofrecer soluciones de conectividad de banda ancha, además, si se incorpora que al realizar variaciones en los tiempos definidos en la capa
MAC (CSMA/CA) y física definidos en el estándar o modificado el control de acceso al medio
(TDMA) se puede utilizar para desplegar redes
de área extensa con buenas prestaciones, estos aspectos descritos presentan a WiFi como
una de las mejores opciones para ofrecer conectividad en zonas rurales. Esto ha incentivado 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 propietarios para conectar emplazamientos rurales.
En la actualidad existen algunas mediciones experimentales de throughput sobre el estándar IEEE802.11 en algunas zonas rurales
de la Amazonia Peruana (1-50km) [6] y en emplazamientos rurales en Europa 10-300km [9]
[10][11], además existen estudios de desempeño 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 especifican algunas características del estándar
IEEE802.11 el cual está diseñado y optimizado
para redes de área local, en la segunda sección 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 desempeño 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 bidireccional sobre enlaces punto a punto IEEE802.11
de largo alcance, realizando el análisis cuando
el flujo del tráfico es unidireccional y bidireccional además se propone un modelo para el
cálculo del throughput basado en una máquina
de estados que representa la función de coordinación 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 throughput sobre enlaces punto a punto de largo al-
Análisis 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 ensanchado 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 sensado de portadora. [14][15]En el estándar IEEE
802.11g en su capa física define la multiplexación por división de frecuencias ortogonales
OFDM para el envío de datos, la cual fracciona
el canal en un número de subcanales ortogonales los cuales deben ser usados en paralelo 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 señal 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 Coordination Function), aunque en los radios Wi-Fi
comerciales el más implementado es el distribuido 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 Frame Space), lo cual depende si la estación estuvo 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 selecciona de forma pseudo aleatoria de una distribución uniforme a partir del intervalo de valores.
[0,CW min] Cada vez que la estación transmisora
considera el canal libre CS/CCA (Carrier Sense/Clear Channel Assessment), decrementa
un slot. Si encuentra el canal ocupado la estación congela el algoritmo backoff hasta que encuentre el canal libre durante un DIFS. Cuando
el número de ranuras llega a cero la estación
comienza a transmitir. Al terminar la transmisión 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 estaciones 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 [0,2 i CW min] dondei especifica 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]
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
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 recepción de los radios WiFi comerciales y la máxima
PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente).
Después se introduce la presencia de FER (Frame 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 sensitividad que impone el radio para cada tipo de
modulación y las pérdidas presentes por propagación.
En el caso de Colombia la regulación que existe 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 impone una restricción de 30dBm de potencia transmitida 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, aspecto fundamental para conectar emplazamientos 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 nivel de sensitividad) para cada velocidad de transmisión [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 primera de ellas es del tipo burst (generados principalmente 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 despreciables 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 características del FER:
• La dependencia del FER (frame error rate) con
respecto a la relación señal a ruido es muy cercana a su valor teórico para el IEEE802.11b/g.
En el estándar IEEE 802.11b/g existe una pequeña ventana donde si el SNR se encuentra
entre 4 a 6 dB, el BER es aproximadamente
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
•
•
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 distancia 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 ancho 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 transmisión del estándar IEEE802.11b.
Fig. 3. PAQUETES RECIBIDOS VS. EL NIVEL DE SEÑAL RECIBIDA CONSIDERANDO UN NIVEL DE RUIDO DE -101.7DBM.
Fuente: Autor del proyecto.
Como se puede apreciar en la Fig. 3 la ventana 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 implícitamente el tiempo.
La capa MAC no impone restricciones al límite 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, aunque 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 estándar se introduce el parámetro coverage class
permite incrementar el valor de AirPropagationTime 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 recibir un ACK que confirma que la transmisión fue
exitosa. Si no se recibe una confirmación dentro
de ese intervalo de tiempo la estación transmisora considera que la transmisión fue fallida y
vuelve a invocar el algoritmo backoff para realizar otra transmisión. Para enlaces de larga distancia 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 manera más conveniente de acuerdo a la distancia.[4][15][21]
DIFS: Es el tiempo durante el cual una estación debe sensar el canal libre antes de programar 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 inicializar 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 garantizar 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-
11
12
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
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 considerar 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 ocurrir 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 describe 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 generar 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 transmisora evaluar el canal y de notificar ese
estado a la capa MAC.
• El tiempo que tarda una estación destino cambiar de estado recepción al de transmisión.
• El tiempo de propagación.
Cuando se utiliza el Slottime definido en el estándar 20 y 9μs para IEEE802.11b/g respectivamente, 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 estaciones aumenta. [4][15][21]
Si se considera el valor del Slottime de tal forma que sea igual al intervalo de vulnerabilidad
(slottime ≈2δ) las estaciones colisionarían solamente si transmiten en un mismo slot como se
puede apreciar en la Fig. 4, por lo tanto, los retardos 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 comparable 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 maximiza pero aumentan los retardos y los paquetes perdidos. Para un valor de slottime<δ se incrementa
el intervalo de vulnerabilidad el número de colisiones aumenta, los retardos se incrementan y el
throughput disminuye.
Fig. 5. EL VALOR DEL SLOTTIME ES CERCANO AL TIEMPO DE
PAGACIÓN
PRO-
Fuente: Adaptado por los autores de [6] [21] [28]
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:
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
Donde LPaquete_UDP se refiere al tamaño del paquete 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 describe en la Fig. 6.
Fig. 6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA TRANSACCIÓN
UDP SOBRE IEEE802.11
(0,CWmin) donde el tiempo promedio de la ventana 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.
Fuente: Autor del proyecto
Primero la estación transmisora verifica que
el canal se encuentre libre durante un TDIFS para
inicializar la ventana de contención, la cual se disminuye hasta que la ventana llega a cero la estación. 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 sobre el estándar IEEE802.11b/g considerados los
tiempos de propagación está dado por 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 señal 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.
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 encuentra 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 comunicación ideal, el FER=0, es decir, las transmisiones son exitosas, por lo tanto la variable pseudo
aleatoria con distribución uniforme de la ventana
de contención es seleccionada del intervalo de
Con la ecuación (1), considerado un paquete UDP de 1440bites y utilizado el estándar
IEEE802.11b a 11Mbps, un canal de comunicación ideal, es decir, el BER=0 y que los temporizadores del ACK no expiran y los demás parámetros 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].
13
14
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TABLA II
Valores para los parámetros en el modelo UDP Unidireccional
Parámetro
Definición
Valor
802.11b
Valor
802.11g
Unidad
CW_min
Tamaño de la
ventana contienda
mínima
31
15
Slots
TSlottime
Tiempo 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
TPreambulo
Duración 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
RTasa
Tasa de Transmisión
Capa física
1, 2,
5.5,11.
6, 9,
12, 18,
24,36,
48,54
Mbps
R Basic
Tasa de transmisión
capa física ACK.
1, 2
6, 9, 12,
18, 24
Mbps
TSignal_EXT
Extensión de Señal
-
6
µs
L802.11_ACK
Longitud 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
Para el cálculo del throughput UDP saturado Bidireccional se puede utilizar el modelo de
Bianchi (El cual se basa en la cadena bidimensional 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 estación 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 Bidireccional 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.
Fuente: Autor del proyecto.
Fig. 7. THROUGHPUT UDP UNIDIRECCIONAL ESTÁNDAR
IEEE802.11B A 11MBPS
Fuente: Autor del proyecto.
Fuente: Autor del proyecto
Este mismo análisis se puede utilizar para calcular el throughput UDP unidireccional con los protocolos 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.
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 vulnerabilidad 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
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
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 vulnerabilidad 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 construyó 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 determina el tiempo de transmisión exitosa y el tiempo de
colisión considerado el algoritmo backoff el cual genera un retardo que depende del estado del canal
ya sea que se encuentre libre u ocupado y el número 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
Para diferenciar en cuáles casos se llega al
estado de transmisión exitosa y en cuáles ocurre
una colisión se toman consideraciones presentadas en el modelo J. Simo en la definición intervalo
del IV (intervalo de vulnerabilidad), para definir el
intervalo de colisión (IC), definido como el intervalo 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 transmitir de manera simultánea. La ventana seleccionada de forma pseudo aleatoria para STA es CWa
y para STB es CWb. La estación que tenga la menor ventana de contención transmite, pero debido
a la distancia entre ellas, la otra estación no detecta 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 propagación y el tiempo que tarda el mecanismo CCA
en determinar que el canal se encuentra ocupado,
IC=δ+CCATime. También se puede calcular el número de slots dentro de los cuales puede ocurrir
una colisión el cual se nombra como ICN (Intervalo 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 definido por J. Simo [21].
Conocido el número de slots que puede transcurrir 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 determina la ocurrencia de colisión. De acuerdo a lo
anterior se considera que una colisión existe si:
Fuente: Adaptado de Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wireless Local Area Network Protocol [34] y A Finite State Model for IEEE 802.11
Wireless LAN MAC DCF [35]
15
16
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Para calcular el throughput en un enlace punto 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 multiplicado por el tamaño promedio de los paquetes
entre el tiempo que transcurre para realizar el envío 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 estación 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 ecuación (12) se reescribe de la siguiente forma:
Ecuación (16):
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) respectivamente, estas dependen del estado transmisión, 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 retransmisiones, los valores que pueden tomar las variables
aleatorias se expresan a continuación.
Donde NR es el número máximo de retransmisiones 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 Tabla 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
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.
Fuente: Autor del proyecto.
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
III. MEDICIONES DE THROUGHPUT
Para las mediciones experimentales de throughput se diseñó un grupo de prototipos Wi-Fi autónomos 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
17
Para las pruebas de laboratorio se uso un cable coaxial para emular las pérdidas por propagación en el enlace punto a punto considerando las
distancias 0, 5, 10Km.
Para cada nodo de comunicación se le ajustaron los tiempos de la capa MAC para mejorar el
desempeño sobre redes de largo alcance, los parámetros 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 bidireccional sea cercano al máximo, todo estos parámetros se ajustaron con el driver de MADWIFI el
cual sirve como controlador sobre el chip Atheros
AR5414 que hace parte del radio XR2.
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 utilizado para la construcción de cada uno de los nodos
que hacen parte del enlace de comunicación.
TABLA III
Hardware utilizado para las pruebas
Dispositivo
Motherboard 1
Motherboard 2
Referencia
Características
ALIX2D2
CPU: 500 MHz, AMD Geode
LX800
DRAM: 256 MB DDR (on
board )
Storage: CompactFlash socket
2 miniPCI
Firmware: Award tinyBIOS
Soekris
net4801-48
CPU: 233 MHz, AMD Geode
SC1100
SDRAM: 128 Mbyte (on board)
Storage: CompactFlash
1 Mini-PCI socket
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 realizados 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 introdujeron por software los retardos por propagación.
Para las pruebas de campo abierto se seleccionaron diferentes puntos en Bucaramanga y zonas
circundantes al área metropolitana (zonas rurales)
en los que se disponía de seguridad para los equipos de medición y los nodos Wi-Fi autónomos durante la permanencia de las pruebas.
TABLA IV
Sitios seleccionados para las pruebas de campo
Nodo
Latitud
Longitud
A
7° 8’26.09”N
73° 7’17.87”O
Altura (m)
991
B
7° 8’21.0”N
73° 7’16.1”O
990
Radios
Ubiquiti (XR2)
Chipset atheros AR5414 32-bit
mini-PCI Type IIIA
C
7° 7’59.81”N
73° 7’17.08”O
1000
Sistema Operativo
Linux Voyage
Version 0.6.2
D
7° 7’39.90”N
73° 7’15.80”O
998
Driver
MADWIFI
madwifi-modules-2.6.30voyage_0.9.4~rc2-1+
7.0-1_i386.deb
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
Antenas
HG2424
24 dBi
Cable
LMR400
2 metros
Fuente: Autor del proyecto.
Fuente: Autor del proyecto.
18
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21
En la figura 12 se presenta la ubicación de
cada uno de los emplazamientos seleccionados.
Fig. 12. SITIOS SELECCIONADOS PARA LOS ENLACES DE COMUNICACIÓN
ciar la existencia de interferencia en el canal de
comunicación, lo cual aumentó el número de paquetes medidos, esta medición se realizó sobre
en el punto I de la Fig. 12.
Fig. 13. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL IEEE802.11B
Fuente: Autor del proyecto
A continuación en la Tabla V se describe los diferentes enlaces punto a punto construido en campo abierto y su respectiva configuración del ACKTimeout y el slottime.
Fuente: Autor del proyecto.
Fig. 14. MEDICIÓN DEL ESPECTRO EN LA BANDA DE 2.4GHZ
TABLA V
Enlaces de comunicación establecidos en campo
Enlaces
A-B
Slottime (ms)
Distancia
(km)
11g
11b
Acktimeout
(ms)
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
Fuente: Autor del proyecto
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 laboratorio para cada una de las diferentes distancias.
En la Fig. 13 se puede apreciar que las pruebas 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 medidas obtenidas para la distancia de 5.01Km esto
se debe a que en este lugar funcionan unos sistemas de comunicación que operan en la banda
de 2.4GHz el cual se encuentra en el rango de frecuencias donde opera nuestro sistema de comunicación. 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-
Fuente: Autor del proyecto
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
Fuente: Autor del proyecto
Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz
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 predecir el throughput UDP que se obtuvo en el campo abierto.
Fig. 16. PRUEBAS DE CAMPO UDP BIDIRECCIONAL IEEE802.11B
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.
REFERENCIAS
Fuente: Autor del proyecto
[1]
G. Hernán. Wireless networks and rural development:
Opportunities for Latin America. Information technologies and international development, Vol 2, No. 3, pp.
47-56, Spring, Boston: The Massachusetts Institute of
technologies, 2005.
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C. Luis, Q. River, C. César, L. Liñán. Wild: Wifi based
Long Distance. Lima, Pontificia Universidad Católica
del Perú, 2009, 180 p.
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S, Surana, Designing Sustainable Rural Wireless Networks for Developing Regions, Trabajo de grado (PhD
filosofía en ciencia de la computación), Universidad de
California, Berkeley ,2009.
[4]
A. Gerson, C. Luis, C. David, C. César, E. David, H. Renato, L. Leopoldo, M. Jesús, M. Andrés, M. Eva Juliana,
OSUNA Pablo, CHECO Yuri Pa-, PACO Juan, QUIJANDRIA
Yvanna, QUISPE River, REY Carlos, SALMERÓN Sandra,
SÁNCHEZ Arnau, SANONI, Paola, SEOANE Joaquín,
SIMÓ, Javier y VERA Jaime. Redes inalámbricas para
zonas rurales, Lima, Pontificia Universidad Católica del
Perú Enero 2008, 252 p.
[5]
M. Afanasyev, T. Chen, G. M. Voelker, and A. C.
Snoeren, “Usage Patterns in an Urban WiFi Network,”
IEEE/ACM Transactions of Networking, vol. 18, No.5,
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[6]
S. F. Javier, Modelado y Optimización de IEEE802.11
para su Aplicación en el Despliegue de Redes Extensas en Zonas rurales aisladas de Países en Desarrollo.
Trabajo de grado (Doctor en ingeniería de telecomunicación). Universidad Politécnica Superior, Escuela
superior de ingenieros de telecomunicación, Departamento de Ingeniería y Sistemas Telemáticos 2007.
[7]
E. M. María, Guía para el Diseño e implementación
de redes inalámbricas en entornos rurales de Perú,
Trabajo de grado (Ingeniero de Telecomunicaciones),
Escuela Politécnica Superior, Universidad Autónoma
de Madrid, 2010.
[8]
P. B, Germán, Guía de tecnologías de conectividad
para acceso en áreas rurales. Unión internacional de
telecomunicaciones, Oficina de desarrollo de las telecomunicaciones, 2007, 84p.
CONCLUSIONES
Se realizó e implementó una metodología
para caracterizar el desempeño del estándar
IEEE802.11 en un radio enlace de largo alcance, Donde se logró determinar el throughput UDP
máximo que se puede obtener de acuerdo a la distancia 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 zonas rurales de la geografía colombiana.
Para predecir el throughput saturado bidimensional 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 alcance.
En los enlaces de comunicación en los que se
encontraba presente interferencia disminuyó considerablemente 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.
19
20
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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
Juan Carlos Vesga Ferreira
M. Sc. en Telecomunicaciones,
Universidad Pontificia Bolivariana
Docente Auxiliar ECBTI- UNAD
juan.vesga@unad.edu.co
Gerardo Granados Acuña
Esp. en Telecomunicaciones,
Universidad Autónoma de Bucaramanga
Docente Auxiliar ECBTI- UNAD
gerardo.granados@unad.edu.co
Resumen— El rendimiento es sin duda uno de los aspectos 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 particular. Básicamente, los parámetros más comunes para
evaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utilización del canal y diversas medidas de retardo.
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 various points of view, allowing to incorporate other forms
of evaluation depending on the object of interest in particular. Basically, the most common parameters for evaluating the performance of a network are: Throughput,
use of the channel and various measures of delay.
Throughput, es la capacidad de un enlace de transportar 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 transmisión (TCP o UDP) y el tipo de datos de tráfico (HTTP,
FTPy otros).
Throughput, is defined as the capacity of a link to carry 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 connection depending on the protocol used for the transmission (TCP or UDP) and the data type of traffic (HTTP,
FTP, etc. ).
Un objetivo muy importante al analizar el throughput se encuentra relacionado con la calidad del servicio
(QoS / Quality of Service) en la red, la cual juega un papel importante a la hora de evaluar la eficiencia de una
red centrada en aplicaciones sensibles al tiempo, tales
como: video y audio, entre otras.
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 important role in assessing the efficiency of a network centered in time-sensitive applications, such as: video and
audio, among others.
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 tomacorriente en un punto de conexión para el usuario, sin
la necesidad de cableados adicionales a los existentes.
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 design of LANS and broadband communications through
the Power network, converting any wall socket in a connection point for the user, without the need for additional wiring to the existing ones.
Este artículo presenta un análisis experimental sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN sobre PLC, bajo el uso de adaptadores de red soportados
con el estándar HomePlug 1.0.
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.
Palabras clave— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA,
Modelo estadístico
Keywords— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, Statistic Model
Recibido: 02/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32
Análisis 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 característica del canal y efecto multipath [1], entre
otros aspectos; que afecta considerablemente su
óptimo desempeño. Además, es muy difícil obtener un modelo significativo de este canal, debido
a la constante conexión y desconexión de dispositivos.
Una de las principales características de la tecnología 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 comportamiento de la tecnología PLC durante el desarrollo del
experimento.
La red PLC está sujeta a limitaciones relacionadas 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 trabaja 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 mayor interés dentro del análisis global en las redes
LAN, debido al efecto que produce sobre el usuario final. Puede ser definido según diversos puntos
de vista, permitiendo con ello incorporar otras formas de evaluación dependiendo del objeto de interés 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 cantidad 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 mensaje
TM: Tiempo de transmisión del mensaje
TACC: Tiempo de acceso al medio
La mayoría de los métodos empleados para las
mediciones se caracterizan por hacer evaluaciones de la conexión entre hosts enviando algún patrón 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 determinar la variación del Throughput en la red LAN
según: el tamaño del paquete, el número de estaciones 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 experimentos es decidir cuáles pruebas o tratamientos 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 secuencia de etapas o actividades que deben realizarse 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 necesidades 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 respuestas (Throughput). Es decir, se busca estudiar
23
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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 relación y generar conocimiento que permita tomar
acciones y decisiones que mejoren el desempeño
del proceso [7].
Para estudiar la manera cómo influye cada factor 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 niveles 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 experimento, 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 diseño 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 activos en la red y distancia entre el PC (Cliente) y el
Servidor. Cada factor presenta un número específico 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 diseño 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 experimental recomienda el uso de una técnica estadística para el análisis e interpretación de los datos.
En el caso particular del diseño factorial, la técnica sugerida es el análisis de varianza [8]. En
estadística, el análisis de la varianza (ANOVA, según terminología inglesa) es una colección de modelos 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 separar la variación total en las partes con la que
contribuye cada fuente de variación en el experimento [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 vista 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 arrojados por el ANOVA [9]-[11].
El uso del análisis de varianza no obedece a realizar comparaciones por capricho o para descubrir
lo evidente. La comparación de tratamientos surge
como una necesidad en la lógica de pretender tomar una decisión, en la solución de un problema o
como paso importante para el mejor entendimiento de un proceso [7]. En el contexto de un problema de investigación surge la necesidad de realizar
alguna comparación de tratamientos con el fin de
elegir la mejor alternativa o tener una mejor comprensión del comportamiento de la variable de interés en cada uno de los distintos tratamientos.
La estrategia normalmente se basa en obtener una muestra representativa de mediciones de
cada uno de los tratamientos, y con base en las
medias y varianzas muestrales construir un modelo estadístico que describa el comportamiento de
esta comparación [8]-[10]. El modelo estadístico
describe el comportamiento de la variable observada y en cada diseño incorpora un término adicional por cada factor. El modelo es una manera
de expresar matemáticamente todo lo que se supone 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
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
con ello establecer una relación de causalidad, y
sentar las bases para el modelo empírico de predicción.
III. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO
En la actualidad, existen diferentes herramientas software que permiten realizar mediciones sobre una red. La mayoría de herramientas
opera mediante configuraciones cliente/servidor, al enviar paquetes de un host a otro, generar situaciones de tráfico controladas y aleatorias 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 situaciones que requieren evaluar el rendimiento de una
red, se utilizará Iperf como herramienta software
para la medición del Throughput y otros parámetros relacionados con retardos propios de la red
LAN sobre PLC bajo el estándar HomePlug 1.0.
Iperf es una herramienta diseñada para medir el rendimiento del ancho de banda vía TCP
y UDP. Iperf reporta throughput, retardo (delay),
Jitter (variación del retardo) y pérdidas de datagramas, que permite manipular diversos parámetros del tráfico generado [12].
Para establecer una comunicación entre dos
equipos, uno de ellos debe configurase como
servidor y otro como cliente. El experimento consiste en conectar diversos equipos de cómputo,
haciendo uso de adaptadores PLC-ethernet separados entre sí a una distancia conocida. Iperf
generará tráfico desde cada uno de los PC hacia
el Servidor acorde con la configuración de parámetros establecida [13].
Fig. 1. ESQUEMA DE CONEXIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LA RED PLC CON
FINES EXPERIMENTALES
forma de conexión de cada uno de los equipos.
Como dato adicional para el experimento, los
adaptadores se ubicaron dentro del mismo circuito (fase) eléctrico.
Tal como se mencionó anteriormente, se consideraron para el desarrollo del experimento tres
factores: tamaño del paquete, número de PC activos 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 especificaciones del fabricante)
• Distancia entre PC-Cliente y Servidor:
5m,10m,20m,30m
Con referencia a la distancia, se utilizaron valores 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 técnicas, tabla II:
TABLA II
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ADAPTADORES USADOS
Característica
Protocol/Standards:
Valor
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
Soporta (FEC)
4 niveles de prioridad de paquetes en forma
aleatoria
Quality of Service:
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)
1 x Power LED
Fuente: Los Autores
La Figura 1, muestra una topología bus utilizada para la implementación de la red PLC y la
LED Indicators:
1 x Powerline Activity Status LED
1 x Ethernet Link/Activity Status LED
Fuente: los autores
25
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Dadas las condiciones experimentales descritas 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 efectos dado por:
En donde:
a=Tamaños del paquete
b=distancias entre estaciones
c=Número de estaciones o host en la red PLC
n=Número de réplicas del experimento
Yijkl= 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 independiente 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 factores Tamaño del Paquete y Distancia entre host
(AC)ik= Efecto de la interacción entre los factores Tamaño del paquete y Número de host
(BC)jk= Efecto de la interacción entre los factores Distancia entre Host y Número de host
(ABC)ijk= Efecto de la interacción de los tres factores
εijkl= Error aleatorio
El estudio factorial de tres factores (A,B,C) permite 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 niveles utilizado en cada factor. Para el caso particular, se tienen siete efectos de interés sin considerar 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
HA: Efecto ABC ≠ 0
Ho: Efecto ABC = 0,
Para casos en los que todos los factores del
experimento son fijos, es posible formular y probar
fácilmente hipótesis acerca de los efectos principales 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 niveles 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 Procedimiento
Variable dependiente: Throughput
Factores:
• 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 supeditada a que los supuestos del modelo se cumplan.
Estos supuestos del modelo de ANOVA son: normalidad, varianza constante (igual varianza de
los tratamientos) e independencia. Esto es, la
respuesta (Y) debe tener una distribución normal, con la misma varianza en cada tratamiento
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
y las mediciones deben ser independientes. Estos supuestos sobre (Y) se traducen en supuestos 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 varianza) 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
FIG. 3. VALORES RESIDUALES DE THROUGHPUT EN PAPEL ORDINARIO
Fuente: los autores
En la figura anterior, correspondiente a la gráfica de probabilidad, se observa el cumplimiento
del supuesto de normalidad de los residuos, debido 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.
Fuente: Los Autores
En la Figura 2 donde se relacionan los valores 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 aumento. Sin embargo, esta violación no es tan fuerte
como para generar un impacto significativo en
el momento de emitir conclusiones sobre el modelo 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 observaciones realizadas en cada uno de los factores, ya que este hecho puede llegar a impactar
en la dispersión aparente de cada tratamiento.
Supuesto de Normalidad
Un procedimiento para verificar el supuesto
de normalidad de los residuos, consiste en graficar los residuos en una gráfica de probabilidad
normal, la cual se incluye en la mayoría de los
programas estadísticos.
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 independencia donde los valores residuales se encuentran distribuidos de manera aleatoria sobre
la horizontal.
VI. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS
EFECTOS ACTIVOS
A través del uso del software estadístico Statgraphics, se realizó un análisis multifactorial de
la varianza para Throughput, el cual realiza varios
tests y gráficos para determinar qué factores tienen un efecto estadísticamente significativo en el
Throughput como variable de salida.
27
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32
En la Tabla III se muestra el resultado del análisis de Varianza correspondiente al Throughput:
Fig. 5. INTERACCIÓN ENTRE DISTANCIA Y HOST
TABLA III
ANOVA 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: Statgraphics Plus 5.1
En la Figura 5 se evidencia de manera visual una
muy poca importancia de la interacción entre la distancia y el número de host existente en la red, consideradas 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 cercana 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
Fuente: los autores
Al efecto cuyo p-value sea menor al valor especificado 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 varios 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 inferiores a 0,05 (A,B,C yAC), estos factores tienen
efecto estadísticamente significativo en throughput para un 95,0% de confianza para los cuales la
hipótesis Ho se rechaza.
Por otro lado, los efectos que no influyen estadísticamente en el modelo (AB, BC y ABC), se podría considerar el eliminarlos y enviat sus efectos
sobre el modelo al término del error (ε). Es muy importante 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 Tamaño del Paquete y Número de host o estaciones
existentes en la red PLC.
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
En la Figura 6 se evidencia un efecto considerable en la interacción de los factores, tamaño del
paquete y número de estaciones, debido al aspecto 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 paquete y el número de estaciones; y, que la mayor influencia 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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
En la Figura 7 se evidencia una muy poca importancia de la interacción entre el tamaño del paquete y la distancia entre estaciones, ya que las
líneas se encuentran casi paralelas entre sí. Sin
embargo, debido a que la pendiente de las rectas tiende a aumentar considerablemente a medida 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 hipótesis alternativa HA : μi ≠ μj para algún i ≠ j, es necesario investigar cuáles tratamientos resultaron
diferentes o cuáles tratamientos provocan la diferencia, 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 comúnmente utilizado en la comparación de pares
de medias de tratamientos, el cual consiste en
comparar las diferencias entre medias muestrales con el valor crítico dado por:
se obtiene del análisis
Donde
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 significancia 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 valor absoluto sea mayor que Tα. A diferencia de los
métodos LSD y Duncan, el método de Tukey trabaja 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 considerar uno o más pares como significativamente diferentes cuando su diferencia real es igual a cero.
29
Según el tamaño del Paquete
TABLA 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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Cuando se rechaza Ho mediante el ANOVA, y
se concluye que no hay igualdad entre medias poblacionales de los tratamientos, pero no se tiene
información específica sobre cuáles tratamientos
son diferentes entre sí, el análisis de medias permite hacer una comparación visual y estadística
de las medias de los tratamientos. A continuación
se muestran los resultados de medias por mínimos 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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Según la Distancia
TABLA V
MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN LA DISTANCIA ENTRE ESTACIONES
Nivel
Frec
Media
Error
Estándar
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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
30
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32
Fig. 9. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN
EL FACTOR DISTANCIA
reflejo efectos significativos en el comportamiento del Throughput, lo cual es coherente con los resultados obtenidos previamente.
VIII. CONCLUSIONES
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Según el número de Host
TABLA VI.
MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL NÚMERO DEL HOST
Nivel
Frec
Media
Error
Estándar
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
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Fig. 10. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚN
EL FACTOR NÚMERO DE HOST
Fuente: Statgraphics Plus 5.1
Frecuencia Total: 720
Media Total: 1,32951
En 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. Según el análisis de medias, los mejores promedios
se obtuvieron a medida que el tamaño del paquete aumentó y la cantidad de host existentes en la
red era reducido. La distancia entre los host no
La implementación de redes PLC no debe ser
considerada como un reemplazo de las tecnologías existentes, sino como una solución complementaria que trabaja en conjunto con otras tecnologías de acceso. PLC ofrece una instalación
simple y rápida en donde solo es necesario conectar un adaptador o MÓDEM PLC, convirtiendo
cualquier toma de corriente en un punto de acceso a la red; lo que permite la transmisión simultánea de voz, datos y video sobre un mismo medio;
se origina la prestación de múltiples servicios:
acceso a Internet de Banda Ancha, telefonía local 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 factorial, cuyo objetivo consiste en estudiar el efecto
de varios factores sobre una o varias respuestas
(Throughput). Para el caso particular se implementó un diseño factorial de 6x4x6=144 combinaciones de tratamientos o puntos experimentales, 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 satisfactoriamente a cada una de las necesidades en el proceso
de investigación. El número de replicas del experimento fue cinco (5), las cuales se consideraron
suficiente garantía para medir los efectos principales y las interacciones, para un total de 720 mediciones de la variable respuesta.
En todo modelo, es importante saber combinar parámetros, variables, relaciones funcionales y restricciones que formen los componentes
que desarrollan la función objetivo. El análisis de
varianza (ANOVA) permitió descomponer la variabilidad de Throughput en cada una de las contribuciones por factor, bajo un nivel de confianza
del 95,0%. El análisis de varianza identificó cua-
Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados
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 Tamaño del Paquete y Número de host o estaciones
existentes en la red PLC.
Según el análisis de medias, los mejores promedios se obtuvieron a medida que el tamaño del
paquete aumentaba y la cantidad de host existentes en la red era reducido. La distancia entre los
host no reflejó efectos significativos en el comportamiento 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 considerable en la interacción de los factores tamaño
del paquete y número de estaciones, debido al aspecto quebrado de las líneas. Según la pendiente
de las rectas en los gráficos de interacción se puede 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 estaciones que se encuentren activas en la red PLC.
La validez de los resultados obtenidos en cualquier 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 propuesto para el Throughput, cumplen a satisfacción con cada uno de los supuestos, y se garantiza 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 adquisición 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 diversas 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 inmersos en el proceso de comunicación.
La intención final de este estudio es establecer las bases para evaluar el comportamiento del
Jitter, el cual se encuentra directamente relacionado con el rendimiento de la red PLC implementada, 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 tamaño del paquete; bajo las condiciones de la red
eléctrica existentes en ambientes corporativos y
residenciales. Sin embargo, es importante considerar que los resultados obtenidos pueden estar
sujetos a modificaciones y ajustes posteriores debido al grado de sensibilidad de los instrumentos
utilizados para realizar la medición y las condiciones existentes en la red en el momento de llevar a
cabo el experimento.
REFERENCIAS
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Communication: A Survey”. International Conference
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Alliance, Jun. 2001.
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cap.1, Ed. Auerbach Publications, 2006.
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J. Anatory y N. Theethayi, “Broadband Power-Line Communication Systems: Theory and Applications”, cap. 3,
Boston, Ed. Wit Press, 2010
Performance Evaluation of Self-Similar Models for
Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case
for the QRD Network
Evaluación 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 Cauca
Profesor Asistente - Universidad del Quindío.
Investigador grupo GITUQ
eastaiza@uniquindio.edu.co
eastaizah@unicauca.edu.co
Héctor F. Bermúdez Orozco
PhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones,
Universidad de Vigo-España
MsC Electrónica y Telecomunicaciones,
Universidad del Cauca
Profesor Asistente - Universidad del Quindío.
Investigador grupo GITUQ
hfbermudez@uniquindio.edu.co
hebermudez@unicauca.edu.co
Diego Fernando Salgado Castro
Ingeniero Electrónico
Universidad del Quindío
Grupo GITUQ
dfsc984@hotmail.com
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 stage, the most suitable traffic models are selected for the
current characteristics of the QRD network such as outof-saturation operation and management of heterogeneous traffic. In the third stage, we define a performance metric that is used to evaluate the traffic patterns
through simulation.
Keywords— QRD, WLAN, MAC, time slot, contention window, self-similarity, traffic, correlation, goodness of fit
test, snnifer.
I. INTRODUCTION
In the recent years, wireless networks have become popular for the design of access networks
due to their potential benefits with respect to wired networks. Since the standard IEEE 802.11 has
been widely accepted for the design of these networks, a detailed study of this standard provides
useful tools to design and plan proper networks,
and to meet user requirements with respect to information management and services.
This paper presents the performance evaluation of one popular method to model WLAN
802.11networks. This model takes into account
an exponential backoff protocol under non-saturated stations and heterogeneous-traffic-flow conditions to compute the throughput of the distributed 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 actual data from the “Quindío Región Digital” (QRD)
network.
The model under analysis assumes that the probabilities of packet collision of a packet is constant
and independent on the state and station regardless the number of retransmissions. This assumption, validated through simulations, shows high-accurate 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
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
34
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
network. Sections 4 and 5 include the performance evaluation of the model under study, which take
into account real conditions such as non-saturated
stations and heterogeneous traffic. Section 6 presents the simulation results that verify the performance 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 distributed 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 transmitted senses the channel activity. If the channel is
found inactive during a period of time equal to
the distributed interframe space (DIFS), the station 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 before 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 consecutive transmissions of a new packet even if the
channel is found inactive during a DIFS. To improve 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 I
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), where 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 doubled until reach its maximum value CWmax = 2mCWmin. 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 detected 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 counter reaches zero. Fig. 1 depicts this operation.
Since CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/
Collision Avoidance) is not based on the station capabilities 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 interval 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 detecting channel inactivity during a DIFS until the end
of an ACK. If the transmitting station does not receive 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 previous two-way transmission approach is called basic
access mechanism. DCF defines an additional and
optional four-way transmission approach. This mechanism is called RTS/CTS, which is shown in Fig. 2.
Fig.1. BASIC ACCESS MECHANISM
Slot 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
Source: P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control
(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997.
Performance 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
grouped according to the arrival time and length
of each packet. In this way, histograms and goodness 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
Source: P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control
(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997.
The station that requires a packet transmission must wait until the channel is found inactive
during a DIFS, following the backoff rules explained 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 period 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 detected 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 information about packets [12]. This information is
The methodology of goodness of fit test proposed by Kolmogorov-Smirnov [11] is used to determine the distribution functions for the arrival-packet 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
Source: Author of the project
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.
35
36
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
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 average length of 1452.76 bytes are transmitted to
any rate such as 1, 2, 11 or 54 Mbps, the maximum 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 analysis takes into account the time involved in solving
collisions.
Fig. 5. THROUGHPUT IN THE QRD NETWORK AS A FUNCTION OF THE
NUMBER OF STATIONS
A random process {X(t),t∈R} is called H-sssi if it
is self-similar with a parameter H, and it has stationary increments.
• Lemma 1 [2]
It is assumed that {X(t),t∈R} is a non-degnerative 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 pathological case. While the case H > 1 is forbidden since
the stationary condition in this process is cumulative. In practice, the range 0 < H ≤ 0.5 can be
excluded because this cumulative process is called short range dependence (SRD). For practical
purposes only the range 0.5 < H < 1 is relevant. In
this range, the correlation factor for the cumulative process Y(t):
has the following form:
C. M / G / ∞ Queue
Source: Author of the project
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 independently. In other words, the Hurst parameter is
obtained separately for the data frame, the control
frame, and the management frame, and those values 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]
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 arrivals within the slot time are used for service before 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
Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD Network - Astaiza, Bermúdez,
Salgado
time, and P(S > k) is the autocorrelation function.
In practice, it is necessary to obtain the autocorrelation function r(k), which could be used to compute the distribution required for the service time.
In particular,
802.11 network. The variations of the H parameter are shown in Fig. 6.
r(k) is the same ρk, i.e., the offered traffic,
which is replaced in the throughput Sk(n):
Whatever P(S>O) = 1 and r(0) = 1, by definition,
M[S] = 1 / [1-r(1)]. Then, for the long-range dependence (LRD),
Up to this point, all parameters are replaced to
solve the above equation except the Hurst parameter, 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 values 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 describes 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 describe effectively the real traffic in wireless WLAN
networks.
Where α = r(1) = 1 – M[S]. As a result, the arrival 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 procedure 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 times. Since N is a Poisson process, the assignment
of each arrival inside the interval corresponds to a
uniform distribution (the distribution of interval times 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 above, is given by
Fig. 6. EFFECT OF THE HURST PARAMETER ON THE THROUGHPUT
Since
Source: Author of the project
then
where k is Waverage or the average time of a packet 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
V. RESULTS
The graphical results for the model under study
for the QRD network (a WLAN IEEE 802.11g network) 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 model in blue.
From this figure, we can say that the model describes from good way the conditions of real traffic.
37
38
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39
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:
0.941
Since the correlation coefficient is close to one,
it is concluded that the model provide a strong correlation 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.
provides an estimation of the self-similarity degree 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 Poisson process for the arrival time and the probability of packet collision independently on the previous 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 networks and heterogeneous traffic, i.e., streaming
and elastic flows. Hence, it was feasible to perform a comparison under normal conditions, and
these simulation results are close to real data.
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Source: Author of the project
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, defining 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 selfsimilarity of the traffic turns out relevant once the
random process becomes similar at different scales, but this model (self-similar model) is no longer 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
Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD Network - Astaiza, Bermúdez,
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39
Arquitectura funcional para la implementación de
mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-Avanced
Functional architecture for the implementation of Mobile IPTV
over LTE and LTE-Avanced networks
Diego Fernando Rueda Pepinosa
MSc(c) en Ingeniería – Telecomunicaciones
Universidad Nacional de Colombia
Investigador del Grupo de GITUN.
Universidad Nacional de Colombia.
Bogotá, Colombia
dfruedap@unal.edu.co
Zoila Inés Ramos Rodríguez
PhD.(c) en Ingeniería - Telecomunicaciones, Universidad de
Telecomunicaciones e Informática de Moscú. Profesor Asociado,
Líder del Grupo GITUN. Universidad Nacional de Colombia.
Bogotá, Colombia
ziramosd@unal.edu.co
Resumen— La televisión digital móvil sobre el protocolo
de Internet (Mobile IPTV) requiere que las redes de móviles provean los recursos y los mecanismos necesarios
para garantizar la calidad en los contenidos entregados
a los usuarios. Las características técnicas de las tecnologías de banda ancha móvil LTE y LTE-Advanced las perfilan como las redes capaces para soportar el despliegue 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.
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 Exabytes 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 estimación 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 comunicaciones móviles que permitirá a los operadores
contar con una plataforma global para soportar
las próximas generaciones de servicios con la calidad 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
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; Multicast/Broadcast Multimedia Service (MBMS); Functional
Architecture.
I. INTRODUCCIÓN
El crecimiento del número de usuarios, la multiplicidad 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
Recibido: 26/03/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51
Arquitectura 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 arquitectura 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 trabajos relacionados con la temática tratada en esta
investigación, en la parte III se revisan los principales aspectos para el despliegue del servicio de
Mobile IPTV, seguidamente, en la parte IV se analiza 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 investigación se pueden citar inicialmente a [8] y [9],
donde los autores realizan la revisión y comparación de las arquitecturas funcionales recomendadas por la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (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 Networks) [11].
La primera arquitectura fue definida para el
despliegue de IPTV sobre redes que no son NGN
(Non-NGN IPTV), la segunda presenta una arquitectura basada en NGN sin la inclusión del Subsistema Multimedia IP (IMS, IP Multimeda Subsystem) (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 control en las sesiones, el lanzamiento del servicio y
los mecanismos autenticación, autorización y contabilidad (AAA, Authentication, Authorization, and
Accounting) así como para la aplicación de políticas, control de admisión y gestión de recursos.
Dichos trabajos están orientados hacia la implementación de IPTV en entornos NGN.
En [17] se realiza un estudio de la señalización para la prestación de servicios de video sobre redes LTE integrando el IMS junto al servicio
de MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) [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 arquitectura funcional para orientar la implementación
del servicio Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A
con el objetivo de garantizar la calidad de los contenidos 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 cualquier dispositivo, inclusive mientras están en movimiento [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 debidamente gestionados y controlados para asegurar la
calidad en los contenidos entregados [21] [22].
41
42
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51
La implementación de la IPTV está definida
por una cadena de valor conformada por el proveedor 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 transmitido por la red IP del operador de red [24]. Del
lado del usuario, este debe disponer de un dispositivo que le permita la recepción y decodificación 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 definición estándar (SD, Standar Definition) [25].
Los servicios selectivos mejorados abarcan 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 Recorder), entre otros. Esta categoría ofrece servicios 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 preferencias [25].
Finalmente, se tienen los servicios interactivos de IPTV como: T-information (noticias,
tiempo, tráfico, y otros), T-commerce (compras,
subastas, y transacciones bancarias, entre
otros), T-communication (correo, video teléfono, 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 interactivas 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 desplegados y utilizados. Entre los retos más importantes
que deben ser abordados por parte de los proveedores del servicio y los operadores de red están:
• Propagación en el enlace inalámbrico: se presentan 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 afecta calidad de la recepción de contenidos de
IPTV [26].
• Velocidad de transmisión de datos del enlace
inalámbrico: el incremento en el tráfico de datos móviles limita la capacidad de la red para
mantener la tasa de datos mínima para la entrega de servicios de IPTV [26].
• QoS y QoS: los parámetros de desempeño
de la red como velocidad de transmisión, retardo, 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 implementar una red móvil que cubra todas las
áreas geográficas puede conllevar como solución 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 distintos equipos para acceder al servicio de IPTV
como TV, computadores, smartphones y tablets, que ofrecen capacidades diferentes en
procesamiento, almacenamiento, tamaño y
resolución de pantalla lo que impacta directamente en la visualización de los contenidos e
interfaces de usuario [26].
• Retardo de inicio de reproducción de contenidos: 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 receptores, y el tiempo de decodificación de los
contenidos de A/V. Esta característica afecta
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
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 rápido 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 retardo de decodificación [28].
• Mercados de consumo: Existe la posibilidad
de la baja demanda por parte de los consumidores 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 atractivas [26].
Regulación y normatividad: la regulación existente para el despliegue de Mobile IPTV es escasa
y aun no se tiene una normatividad clara al respecto toda vez que se trata de un servicio novedoso y que aun no ha sido ampliamente desplegado.
D. Capas de la arquitectura
La arquitectura funcional para la implementación 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.
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 EUTRAN 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 (NonAccess 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 protocolo NAS comunica al UE con la Entidad de Gestión
de la Movilidad (MME, Mobility Management Entity) 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 establecimiento y mantenimiento de las portadoras
de radio, la gestión de la conexión RRC, la trasferencia del contexto de UE durante el handover y
para los reportes de medidas como la Información
de la Calidad del Canal (CQI, Channel Quality Information) desde el UE [32].
Fig. 2. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE CONTROL
Fig. 1. ARQUITECTURA FUNCIONAL DE ALTO NIVEL
Fuente: [30].
Fuente: autores del proyecto
1) Capa de Acceso: corresponde a la Red de
Acceso por Radio Terrestre Universal - Evolucionada (E-UTRAN, Evolved - Universal Terrestrial Radio
Access Network) de las redes LTE/LTEA. La E-
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 Convergence 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 Encabezados Robusta (ROCH, Robust Header Compression), el cifrado y la protección de la integri-
43
44
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51
dad de los datos transmitidos [33]. La subcapa
RLC tiene a cargo la segmentación y concatenación de los paquetes de datos, y el manejo de las
retransmisiones mediante Solicitudes de Repetición 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 Adaptativas (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 características del canal de radio y su respectivo informe
a las capas superiores, ejecuta funciones de procesamiento de radio frecuencia (RF) incluida configuración 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 I
CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA PHY EN LAS REDES LTE/LTE-A
Características
Esquema de acceso
LTE
UL
LTE-A
SC-FDMA
DL
Ancho de banda de RF
Tasa de bits pico
Modulación
Multiplexación espacial
Fuente: autores del artículo
OFDMA
20 MHz
100 MHz
DL
300 Mbps
1 Gbps
UL
75 Mbps
500 Mbps
QPSK, 16QAM, 64QAM
MIMO
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 servicio 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 conectividad IPv4/IPv6, la administración de las políticas 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 paquetes 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 gestión de sesiones, enrutamiento, el lanzamiento de
servicios, numeración, interacción con los facilitadores de servicio NGN (presencia, mensajería,
gestión de grupos, y otros), movilidad, calidad de
servicio, control de portadoras y una solución unificada 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 mientras están en movimiento. El IMS también permite el control flexible del servicio de IPTV debido
al que el manejo de sesiones se basa en el Protocolo de Inicio de Sesión (SIP, Session Initiation
Protocol) [15]. Otro escenario para los servicios de
IPTV basados en IMS está en traspaso de las sesiones entre diferentes dispositivos con lo cual el
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
usuario podrá continuar observando el contenido
así cambie de UE.
La capa de control está constituida por las entidades para el control de sesiones de llamada
(CSCF, Call Session Control Funtion), y se utilizan
para el establecimiento de las sesiones multimedia entre los usuarios y para preparar la entrega
de los servicios solicitados según las características de la sesión del usuario [15]. Dichas características como el perfil de usuario, políticas,
suscripciones, preferencias, entre otros, se almacenan 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 programación, 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 entidad para el control del servicio de IPTV (SCF, Service Control Funtion) y la entidad encargada de la
entregar (MDF, Media Delivery funtion) y controlar (MCF, Media Control Funtion) los contenidos
multimedia.
5) Capa de gestión: proporciona funciones de
gestión y comunicaciones para la operación, administración 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 incidencias futuras; la gestión de incidentes que afecten 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 relaciona 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 proveedores de servicios; el mantenimiento de los
acuerdos de nivel de servicio y del portafolio de
servicios [39].
6) Proveedor de Contenidos: es la entidad propietaria 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 contenidos 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 productores 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
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E. Descripción detallada de la arquitectura
Los principales componentes de la arquitectura 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 identificación de los usuarios, la decodificación de los
contenidos, despliegue de las imágenes, reproducción del audio y ejecución de las aplicaciones interactivas que conforman los servicios de
IPTV. El UE contiene el módulo de identificación
de suscriptor universal (USIM, Universal Subscriber 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 interfaz de radio LTE/LTE-A para el enlace ascendente 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 Management), incluido el control de las portadoras de radio, el control de admisión a los recursos de radio,
la gestión de la movilidad (MM, Mobility Management) y la planificación del enlace ascendente y
descendente. Adicionalmente en el UP el eNB se
encarga de la compresión de encabezado IP y cifrado 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 información de búsqueda (paging) originada desde
la MME y de la información de operación y mantenimiento [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 handover vertical) y los procedimientos para la gestión
de las sesiones (establecer y mantener la conectividad 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 actúa como soporte de la movilidad en el plano de
usuario durante los handover entre eNB de la misma 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 datos 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 nivel de transporte en el enlace descenderte y ascendente, 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 externas 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 PDNGW 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 carga, 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 Control). 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 portadoras y las políticas adecuadas a los flujos del servicio según los requisitos de desempeño [41]. Las
portadoras y políticas permiten que la red pueda
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
identificar los flujos de paquetes asociados a un
servicio para dar el tratamiento preferente y con
ello garantizar los recursos necesarios para mantener 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 manejarán 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 contratado 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 objetivos 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 arquitectura el P-CSCF se conecta con el PCRF para la asignación 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 entidad 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 responsable de la autenticación de los usuarios y la
gestión de las sesiones. Las políticas del suscriptor almacenadas en el HSS controlan las operaciones 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 señalización 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 proporcionar la información del servicio y las preferencias 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 servicio, 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 servicios de IPTV realizadas por los usuarios; la autorización 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 experiencia del usuario y el control del crédito [15].
13) Entidad multimedia de IPTV (MDF/MCF):
Desempeña funciones para la entrega y el control de los contenidos multimedia asociados a la
IPTV. Las funciones del MDF son el manejo de la
entrega de los flujos multimedia usando el Protocolo de Tiempo Real (RTP, Real Time Protocol); el
almacenamiento de los contenidos multimedia e
información del servicio; el procesamiento, codificación y decodificación de contenidos multimedia
en varios formatos y la protección de contenido
[15].
Entre tanto, las principales actividades realizadas 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 políticas para la distribución y gestión de contenidos; el
mapeo de la identificación del contenido y su ubicación en el MDF; la interacción con el UE mediante el uso de comandos RTSP para la reproducción
del contenido; la recopilación de información estadística sobre el uso del servicio y la generación de
información de facturación [15].
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14) Servicio de multidifusión y difusión multimedia (MBMS): En las redes LTE/LTE-A el servicio
MBMS ofrece un modo de distribución punto-multipunto como una alternativa valiosa a la unidifusión cuando un gran número de usuarios acceden
simultáneamente al mismo contenido. Por ejemplo, durante la transmisión en vivo de un programa de televisión muchos flujos serian enviados
individualmente con el mismo contenido a los
usuarios. Pero con la multidifusión se toma ventaja 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 multidifusión hace más eficiente el uso del espectro y reduce 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 multidifusión para múltiple celdas (MCE, Multi-cell/multicast 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 paquetes IP de multidifusión a todos los eNB que forman 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 entidad MME.
Finalmente la entidad MCE, que corresponde
a una función lógica y puede residir en otro elemento de la red como en un eNB, realiza el control 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 decisiones 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 paquetes externas como por ejemplo a Internet o a
una Intranet corporativas. El servicio de conectividad IP se denomina conexión PDN y se caracteriza 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 velocidad 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 transmisión. Por tanto, la adaptación de la QoS de las
conexiones PDN a las características de los servicios permite que la red LTE/LTE-A proporcione
una buena experiencia de uso a los usuarios a la
Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos
vez que posibilita una gestión eficiente de los recursos 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 portador EPS (EPS Bearer Service). Un servicio portador EPS realiza la transferencia de paquetes IP
que tienen asociados unos parámetros de QoS y
la plantilla TFT (Trafic Flow Template), que es utilizada para seleccionar el flujo de paquetes IP al
que debe proveerse QoS. En este sentido, todos
los paquetes IP asociados a un determinado servicio 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 subscripción del usuario y/o a las políticas de uso recibidas desde el sistema PCC. Para los sistemas de
IPTV esta característica es determinante para garantizar los recursos necesarios y con ello brindar
la QoS manteniendo los parámetros de desempeño dentro de los niveles aceptables. Los procedimientos 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 procedimiento de registro en función de si la red de acceso utilizada es E-UTRAN o cualquiera de las otras
redes de acceso alternativas 3GPP y no 3GPP contempladas.
2) Procedimiento de petición de servicio (Service 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) mantenga abiertos los servicios portadores EPS en la red
troncal. Este procedimiento permite una reactivación rápida del plano de usuario cuando el terminal pasa de ocupado a conectado.
3) Petición de conexión PDN solicitada por el
terminal (UE Requested PDN Connectivity): Las redes 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 registro.
4) Activación, modificación y desactivación de
los servicios portadores EPS dedicados (EPS Bearer Activation/Modification/Deactivation): La gestión 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 servicios puede estar vinculada al control dinámico
de QoS ofrecido por el subsistema PCC.
5) Modificación del servicio portador solicitada 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 pueden ser a nivel de los parámetros de QoS como en
los filtros de paquetes que determina la composición 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, modificación 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 redes 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 proporcionar calidad del servicio.
La adecuada gestión de mecanismos y políticas 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 necesarios 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 implementación de servicio de Mobile IPTV en redes LTE/LTEA se basa en el uso del IMS como componente
esencial para el control de sesiones, el lanzamiento del servicio, mecanismos AAA, la aplicación de
políticas, el control de admisión y la gestión de
recursos. También se plantea la inclusión del ser-
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vicio de multidifusión y difusión de multimedia
(NMBS) de as redes LTE/ LTE-A para lograr optimizar 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 definición de un modelo de red LTE en el cual se simulará el tráfico generado por un servicio de Mobile
IPTV con el objetivo de evaluar los principales parámetros de desempeño de la red ante distintas
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AGRADECIMIENTOS
Este trabajo presentó los resultados parciales
de la de tesis de Maestría en Ingeniería – Telecomunicaciones: 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 Universidad Nacional de Colombia – GITUN.
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(RLC) protocol specification,” Dec. 2010.
[35]
3GPP TS 36.321 V10.4.0, “E-UTRA; Medium Access
Control (MAC) protocol specification,” Dec. 2011.
51
Multilistas aplicadas a la implementación de un
parseador de XML para la definición de XPDL 2.2
en objective c para iOS
Multilists applied to an XML parser implementation in Objective C
for iOS for XPDL 2.2 standard
Daniel Iván Meza Lara
Ingeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia
Joven Investigador Grupo InnovaTIC,
Universidad Piloto de Colombia
danielmezal@gmail.com
Leidy Andrea Ruiz Rodríguez
Ingeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia
Joven Investigador Grupo InnovaTIC,
Universidad Piloto de Colombia
Leidy.ruiz.r@gmail.com
Óscar Elías Herrera Bedoya
Doctor en Telecomunicaciones,
Universidad Politécnica de Valencia
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC,
Universidad Piloto de Colombia
oscar-herrera@unipiloto.edu.co
Resumen— En este trabajo se expone la implementación 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 problemática 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 (BusinessProcessModeling Notation) para la representación de procesos 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, Parser, Procesos de Negocio, XPDL.
Abstract— With the creation of the standard language BPMN(Business Process Modeling Notation) used
to represent business processes, the XPDL(XML Process Definition Language) is generated, which describes the data flow information of the process using a
XML(Extensible Markup Language) schema. This document shows the implementation of data structures on
the development of a parser which allows the interpretation of XPDL files in the 2.2 version; using together
multi-lists and the XPDL meta-model, the interpretation 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-
guage for iOS, which is pretended to innovate in the
mobile platform field.
Keywords— BPMN, GDataXML, Objective C, Parser, Business Process, XPDL.
I. INTRODUCCIÓN
En este artículo, se presenta un modelo para
la implementación de estructuras de datos complejas 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 elementos propios del modelado de procesos de negocio bajo el lenguaje BPMN (Business ProcessModelingNotation)[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
Recibido: 02/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61
Multilistas 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 propias 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 inclusión 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 pueda presentarse dentro del proceso diagramado;
posteriormente se realiza la ampliación y definición de los tipos de objetos creando así un metamodelo.
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 denominadas multilistas que, al ser implementadas al
esquema, buscan de forma sencilla acceder a los
elementos y sus respectivos atributos; las multilistas 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 definido previamente; con esto se asegura que cada
elemento incluido dentro del estándar BPMN, desde un Pool hasta un elemento DataStore, cree un
nodo índice propio y se conecte al elemento próximo 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 proceso, 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 archivos de forma dinámica y sin alterar el rendimiento
de la memoria en el dispositivo, lo cual es importante al desarrollar aplicaciones para dispositivos
móviles de Apple [8].
Para concluir con la implementación del parseador se realizan pruebas tanto del rendimiento 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 proceso, 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 esquema BPD (Business ProcessDiagram)[11].
Obtenida la abstracción de los elementos usados en el BPMN y establecidas relaciones entre
ellos, el paso siguiente es crear el diagrama conceptual (ver Fig. 3), el cual conllevará a la creación
del metamodelo propio del XPDL.
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El modelo conceptual contiene, además de los
elementos definidos del BPMN, el tipo de relaciones que se establecen entre los objetos, creando así un paquete llamado BPD, el cual mantiene
cada elemento en un contenedor interno (Package); dependiendo de los elementos se establece
una relación de acuerdo a cuantos elementos podrían 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
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 individual 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 entidades por especificación de participantes, los cuales se establecen en el nivel de paquetes en vez
del nivel de definición individual de procesos (ver
Fig. 4).
Fig. 4 METAMODELO XPDL
Fig. 3 DEFINICIÓN DEL MODELO CONCEPTUAL PARA XPDL
La estructura jerárquica del metamodelo permite 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
La definición del paquete permite la especificación de un número de atributos de definición de
elementos, los cuales serán aplicados en definición de procesos individuales contenidos dentro
del paquete.
El lenguaje XPDL y BPMN son muy similares, se
organizan en forma de organigrama [13], una forma simple de ver sus similitudes es mostrar gráficamente (ver Tabla I) elementos específicos en el
código XPDL que representa un objeto gráfico en
el proceso.
Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de xml para la definición de xpdl 2.2 en objective c para ios - Meza, Ruiz,
Herrera
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 presentada en los archivos XML, se debe programar
de manera lógica la búsqueda de elementos
internos y sus atributos, esto se logra mediante 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, requiere 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 referente a las definiciones XML como XML Documents para aplicaciones ejecutadas en OSX [14],
por tal razón es primordial crear un parseador propio para la definición del XPDL; dado que existen
diferentes librerías que permiten realizar el parseo, 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 documento 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 cualquier 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 parsers 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 mientras se consume lo mínimo de recursos de
memoria. Salva tiempo porque no realiza validaciones, no soporta XPath y solo se puede
realizar lectura de archivos XML.
• GDataXML: Parser DOM de estilo NSXML, desarrollado por Google, que permite la manipulación sencilla de objetos dentro del XML.
Como la estructura del XPDL se crea a partir
de un modelo XML, se deduce que sus nodos jerárquicos 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 estructura del lenguaje XML, por ello inicialmente la
interpretación del documento XPDL con la ayuda
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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 documento, 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 parser SAX no pueden ser utilizados, ya que se necesita leer el documento completamente para sólo
buscar un elemento específico.
Ya que el parser de tipo SAX, no permite realizar búsquedas internas en el documento, se decide 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 especifico del árbol en el XPDL.
De los parsers de tipo DOM se descartan TouchXML y TBXML, ya que estos no permiten la escritura de archivos XML y no son útiles para la implementación del diagramador.
Al implementar GDataXML, se observa que
este parser incorpora libxml2 por defecto y permite realizar tanto la lectura como la escritura de archivos 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 proceso 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 retornan elementos o atributos abstraídos del XPDL.
GdataXML provee dos interfaces, una de ellas
es GDataXMLNode que contiene métodos privados, 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 atributos 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 objetos del lenguaje XPDL 2.2; posteriormente se define el XPath [18], este es el encargado de recorrer
el árbol jerárquico del documento XPDL, que permite 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 dentro 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 representación gráfica del proceso. La siguiente figura
describe el proceso de lectura que realiza el parser 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.
Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de xml para la definición de xpdl 2.2 en objective c para ios - Meza, Ruiz,
Herrera
Posterior a la abstracción de los objetos y sus
atributos, estos se almacenan dentro de un arreglo que guarda al elemento hijo, este elemento se
introduce en otra lista que representa al nodo padre, creando así una lista doblemente enlazada.
(Ver Fig. 6).
Fig. 6 ESTRUCTURA LISTA DOBLEMENTE ENLAZADA PARA EL NODO
POOLS.
si el nodo es o no un espacio vacío, se toma como
nodo significativo, de tal manera que no se cumplía 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 enlazadas, que conectadas entre sí por medio del
atributo id de cada elemento, permiten una fácil
interpretación de los objetos y una apropiada ejecución 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 camino lo determina el campo clave sobre el cual se
realice la búsqueda [19].
A. Creación de Multilistas
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 implementar 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 mediante métodos de conservación para los nodos,
en la lectura del documento XPDL no hubo problema alguno. Mientras que en la creación de un
nuevo documento, el esquema se creaba con nodos 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 elemento hubiera sido creado; dicho de otro modo,
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 encabezado 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 primer 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 secundario denominado IDLane, el cual permite tener
acceso a los atributos de este elemento.
Cada elemento, además, está conectado a
otra multilista denominada NODEGRAPHICSINFOS, que contiene información referente al tamaño, 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 estándar XPDL con niveles propios del lenguaje en su
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versión 2.2, la cual, agrupa objetos de manera individual con sus atributos, coordenadas y demás
especificaciones.
B. Estructuración del XPDL
Tomado como referencia y observada la creación del archivo XPDL generado por BizAgiModeler® [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 cuales se observaba la jerarquía y la validez del documento XPDL creados por el modelador BizAgiModeler; como resultado se obtuvo el árbol de
jerarquías del proceso con sus elementos y atributos (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 II
Estructura 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 anteriormente 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 realizan ciertas modificaciones para que el parseador 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 = [doc
nodesForXPath:@”//fb:Pools/fb:Pool”namespaces:ns
error: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 velocidad de los diferentes parsers.
Las figuras que se muestran a continuación
dan a conocer cómo interactúan los distintos parsers dentro del dispositivo y el tiempo (tomado en
segundos) que les toma incluir la información de
un archivo XML de 900KB de prueba, que contiene las mejores canciones en iTunes[19].
La evaluación se realiza con 10 ejecuciones de
las cuales se observan los resultados para tomar
Multilistas aplicadas a la implementación de un parseador de xml para la definición de xpdl 2.2 en objective c para ios - Meza, Ruiz,
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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 velocidad 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
B. Pruebas de la ejecución del parser dentro de
Objective C.
En estas pruebas se evaluaron diferentes archivos 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 documento del XPDL.
FIG. 10 PRUEBA DE ARCHIVOS CON EL PARSER XPDL.
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 menos 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
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 recorrido general en los métodos para buscar variables 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 representan 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 hilos que se ejecutan durante la ejecución normal
del programa. (Ver Fig. 12).
Fig. 12 PRUEBAS DE HILOS DE EJECUCIÓN
A partir de esto, se genera una serie de pruebas 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 Activity dentro del XPDL.
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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 estructuras de datos llamadas multilistas, permite almacenar de manera sencilla y eficiente los valores de
cada elemento contenidos dentro del documento
XPDL.
Dado que estas estructuras son únicas y complejas, se percibe la necesidad de incorporar un
parser que haga de moderador entre los objetos del BPMN y el lenguaje XPDL.
El procedimiento más relevante de la investigación 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 implementación 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 cuales 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 dispositivo en el momento de la ejecución del parseador, 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 parseo (ver Fig. 11).
Como resultado satisfactorio, se realizó la
inserción y validación del parseador dentro del
proyecto de grado denominado Aplicación en entornos móvil para el modelamiento de procesos
de negocio [25], en el cual se implementó el parseador 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 supuesto, el usuario final.
De igual forma, y como trabajo futuro, se pueden 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 reglas propias de una estructura XSD.
REFERENCIAS
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XPDL, Welcome to XPDL.org. Noviembre 2011. [Online]. Disponible en: http://www. xpdl.org/
[2]
XML, Extensible Markup Language (XML). Julio 2012.
[Online]. Disponible en: http://www. w3.org/XML/.
[3]
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Model and Notation (BPMN) Version 2.0. Julio 2012.
[Online]. Disponible en: http://www.bpmn.org/.
[4]
BPMN Elements and Attributes V4. Julio 2012. [Online]. Disponible: http://www.omg.org/bpmn/ Documents/BPMN_Elements_and_Attributes.pdf
[5]
Process Definition Interface- XML Process Definition
Language, Meta Model. Workflow Management Coalition (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-tochose-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.
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61
Medida simultánea de rotaciones y traslaciones
de un objeto en el plano a partir de la información
de fase de una rejilla radial
Simultaneous measurement of the rotation and traslation of an object
in the plane using phase information of a radial grid
Luis Alejandro Galindo Vega
Estudiante de Ingeniería Electrónica,
Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
sanalejox18@hotmail.com
Camilo Andrés Ramírez Prieto
Estudiante de Ingeniería Electrónica,
Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
gamada5@hotmail.com
Jaime Enrique Meneses Fonseca
Ph. D. SciencesPourL’ingenieur
Profesor Titular, Investigador Grupo GOTS,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
Jaime Guillermo Barrero Pérez
Ingeniero Electricista,
Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo CEMOS,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
jbarrero@uis.edu.co
jaimen@uis.edu.co
Resumen— En este artículo se presenta una estrategia
que permite determinar de forma simultánea la posición y orientación de un objeto en el plano. El método
consiste en analizar un sistema de franjas radiales adherido 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 método de la Transformada de Fourier y se realiza la transformación 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 influencia de los parámetros del sistema de franjas radiales 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 digital image process to determine its phase. This process
requires the coordinates of the center with sub-pixel accuracy and the radial axis of the fringes. Using the Fourier transform method and performing a transformation
of coordinate systems from rectangular coordinate into
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 technique 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 angular 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 necesidad de determinar con precisión el desplazamiento 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 lineales, sensores inductivos y sensores laser son
los instrumentos más utilizados para tal fin, algunos de ellos limitados en resolución y en rango de
medida.
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71
Medida 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 óptica 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 Tridimensional (R3D) portátil. Los resultados obtenidos 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 matemático previo permite determinar que un sistema de
franjas radiales puede ser usado para medir rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano. [3]
La técnica desarrollada en este trabajo consiste en adquirir una imagen de un sistema de franjas radiales o rejilla radial; mediante un algoritmo
computacional de procesamiento de imágenes se
determinan las coordenadas del centro de la rejilla en el plano. La extracción de su fase geométrica 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 máscara que define la región con franjas en la imagen. 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 corresponde al argumento la función coseno de (1), se
caracteriza por tener un comportamiento lineal en
función de la variable θy no depende de r, teniendo la misma distribución espacial de un sistema
de franjas rectangulares en coordenadas cartesianas.
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 sistema de franjas radiales es posible determinar su
orientación y posición en el plano. Aunque en la literatura se encuentra poca información acerca de
un método directo para extraer la fase a este tipo
de distribuciones, se plantea la estrategia de hacer 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 calcular 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 Transformada 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 transformada de Fourier, es posible determinar las
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71
coordenadas del centro de la rejilla radial con alta
precisión [10].
• Desplazamiento en el dominio espacial: aa
transformada de Fourier de una función desplazada presenta un término de fase lineal
que depende del desplazamiento.
el corrimiento y minimiza el contenido frecuencial
de la parte imaginaria. La Fig.4 muestra la trayectoria 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
Simetría para señales real y par: La transformada de Fourier de una función par es netamente
real.
FIG. 2. IMAGEN EMPLEADA PARA VALIDAR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDA
DEL CENTRO
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
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. Determinada 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 imaginaria es cero. Debido a la influencia del ruido se
desarrolló un procedimiento iterativo que estima
C. Conversión de sistemas de coordenadas
Las ecuaciones (4) y (5) muestran la conversión de sistemas coordenados rectangulares a
polares, siendo y las coordenadas del centro de la
rejilla radial, calculadas por el procedimiento indicado anteriormente.
Medida 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
FIG. 8. TRANSFORMADA DE FOURIER
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. 9. FILTRO PASA-BANDAS
FIG.5. CONVERSIÓN DE SISTEMAS COORDENADOS
FIG. 10. COMPONENTE TF {} FILTRADA
FIG. 6. SISTEMA DE FRANJAS TRANSFORMADO
FIG. 11. COMPONENTES REAL E IMAGINARIA
FIG. 12. FASE CONTINUA
D. Extracción de la fase
Haciendo uso del método de la Transformada
de Fourier [4] para sistemas rectangulares, se extrae l a f a s e d el sistema de franjas transformado. 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
Realizada la transformada de Fourier se encuentran 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
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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 discontinuidades 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 después de eliminar las discontinuidades.
El procedimiento anterior es aplicado a la imagen 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 transformación de coordenadas inversas: radiales a rectangulares definidas por (6) y (7).
FIG. 13. FASE OBTENIDA DEL MÉTODO DE LA TRANSFORMADA DE FOURIER APLICADO A LA IMAGEN DE LA FIG. 6
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 función 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 discontinua. La máscara empleada en la rejilla radial
hace que el sistema tenga simetría con respecto
al centro y se pueda emplear el procedimiento indicado 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 desplazamiento espacial en el plano introducido a la
rejilla.
FIG. 15. PROCESO PARA EL CÁLCULO DE FASE DEL
SISTEMA DE FRANJAS RADIALES.
FIG. 14. FASE DEL SISTEMA DE FRANJAS RADIALES DE LA FIG. 5
Medida 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
La posición angular de la rejilla es determinada 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 define 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 interpoladas 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 evaluación del método constó de un sistema de rotación 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 determinó que un pixel equivale a 754.15µm sobre la
rejilla radial.
Para evaluar traslación se desplazó manualmente la rejilla a intervalos de 100 µm. Para
cada posición se adquirieron 50 imágenes. La
posición inicial se asumió como punto de referencia del desplazamiento.
La Fig. 16 muestra las coordenadas del centro 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 corresponde a 1.88 µm sobre el objeto, como se puede
observar en la Fig. 17.
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FIG. 17. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA UNA POSICIÓN
La Fig. 18 muestra el error medido como la diferencia entre la posición esperada y la posición
calculada con el método, para cada rejilla en función 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
A. Influenciadeltamañoynúmerodefranjas
enelcálculodelcentro.
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 angular, para rejillas de igual tamaño.
FIG. 18. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL
PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
FIG. 21. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS
DE DIFERENTE TAMAÑO
FIG. 19. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
El tamaño es otra variable importante en el
procedimiento. Para tal fin se evaluó el error introducido 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.
Medida 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
La evaluación en rotación se hizo con desplazamientos 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.
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 franjas, con las que se evaluó la diferencia entre valor
teórico y experimental de las posiciones angulares.
FIG. 24. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y
EXPERIMENTAL PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
En la Fig. 22, cada punto representa el ángulo
de orientación de la rejilla radial para las diferentes desplazamientos angulares, empleando la posición angular de un sector con franjas.
Según la resolución de la imagen el ángulo mínimo que se puede medir a precisión pixel es de
0.08952 grados que corresponde a:
FIG. 25. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
donde 640 es el número de pixeles horizontales 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 tiene precisión subpixel, es decir, el método puede
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.
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FIG. 26. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO Y
EXPERIMENTAL PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO.
todo permite medir desplazamientos y rotaciones
a valores inferiores a los definidos por el pixelado
realizado por la cámara CCD. También se demuestra 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 evaluación experimental del método propuesto con otro
sistema que mida rotaciones y/o traslaciones de
precisiones conocidas.
AGRADECIMIENTOS
FIG. 27. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJAS
La investigación fue apoyada por la Vicerrectoría de Investigaciones y Extensión de la Universidad Industrial de Santander, Colombia (Proyecto
No. 5184: Posicionamiento global de alta resolución a campo extendido por visión estéreo: Aplicaciones en metrología óptica).
REFERENCIAS
De igual forma se evaluó el comportamiento
del tamaño de la rejilla para igual número de franjas. Como era de esperarse el error en el cálculo
del ángulo de orientación de la rejilla radial es menor, cuando el tamaño es mayor, Fig. 26 y Fig. 27.
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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 procesamiento digital de imágenes sobre una rejilla con franjas 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 evaluaciones experimentales demuestran que el mé-
Medida 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
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71
Influence of Particle Size and Temperature on
Methane Production From Fique’s Bagasse
Influencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la
producción de metano a partir del bagazo de fique
Liliana del Pilar Castro Molano
Ingeniera Química PhD, Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Universidad San Buenaventura
Cartagena, Colombia
lcastro@usbctg.edu.co
Carolina Guzmán Luna
Bacterióloga PhD, Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
caguzlun@uis.edu.co
Humberto Escalante Hernández
Ingeniero Químico PhD Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia
escala@uis.edu.co
Abstract— The aim of this work was to evaluate the effect of particle size of fique`s bagasse (FB) on anaerobic biodegradation
and biogas production, by means of co-digestion of this lignocellulosic substrate using both bovine ruminal fluid and pig manure
as inoculums. Anaerobic reactors were incubated by 8 days. Reducing 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. Reduction of bagasse particle size increased reducing sugars formation and improved substrate mass transfer to microbial inoculums. 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 concentration 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, Lignocellulosic 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 ruminal 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, ácidos grasos volátiles y producción de metano, usando tres tamaños 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 transferencia 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 biodegradación anaerobia de éste sustrato. En este sentido, la concentración de metano se incrementó un 19% cuando el bagazo se
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 todos los productos del proceso de digestión anaerobia.
Palabras clave— Digestión anaeróbica, Biogás, Bagazo de
caña de Fique, Residuos lignocelulósicos, Tratamiento mecánico.
I. INTRODUCTION
Fique´s bagasse (FB) is an agricultural by-product obtained during natural fiber process production, composed by cellulose, hemicellulose, lignin,
lipids and proteins [1]. According to its composition, bagasse is considered an important lignocellulosic biomass source [2]. Lignocellulosic wastes
are suitable substrates for anaerobic digestion
process because of its carbon source [3]. Lignocellulosic biomass digestibility is limited by factors
such as cellulose cristallinity, polymerization degree, moisture content, superficial area and lignin
content. However, high lignin content in bagasse limits hydrolytic step and bioconversion system [4].
Anaerobic biodegradation of lignocellulosic
substrates requires microbial consortia with high
hydrolytic and methanogenic activities. Bovine ruminal fluid, active anaerobic sludge, bovine and
pig manure have been previously used as biological matrices for anaerobic digestion [5]. A co-
Recibido: 06/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77
Influence 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 digestion 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 production 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 inoculum, significant biogas yield are achieved [8]. Municipal 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 biological 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 decrease cellulose polymerization grade, weak lignin bonds with carbohydrates and increase particle superficial area. This process improves mass
transfer process between inoculums and substrate. These processes increase cellulose bioavailability for enzyme biodegradation to monosaccharides. 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 relationship 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 significantly 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 seeded hectare; these are delivered to grounds and
water streams causing environmental pollution
problems [16].
A possible solution of fique´s bagasse environmental pollution problem is the utilization as substrate for biogas production. However, its high lignin content requires a specific treatment. For this
73
reason, the aim of this research was to evaluate
the effect of fique’s bagasse particle size and temperature on methane production during anaerobic
biodegradation of this substrate.
II. MATERIALS AND METHODS
A. Substrate
Fique´s Bagasse was obtained as a sub-product during natural fiber process production from
Fique Industry. Bagasse samples were conserved in cooled containers during transportation
and analysis. FB was sun dried at environmental
conditions for 36 hours. Natural particle size diameter 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. Different 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 slaughterhouse 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 anaerobic digesters is presented in Table I.
TABLE I
INOCULUM CHARACTERIZATION (RF-PM)
Parameter
RF-PM
pH
8
TS (%)
43.7
VS (%)
23.6
Alkalinity (mgCaCO3/L)
Volatile Fatty Acid – VFA (mg/L)
3100
7200
C. Experimental Design
Anaerobic fermentation experiments were carried out using fique´s bagasse with particle sizes
of 5, 2.36 and 0.85 mm. Reactors were incubated 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 Spectrophotometer [18]. VFA concentration was quantified by
74
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77
titration method [19]. Methane percentage was
determined with a PGD-IR (model Status Scientific
Controls) infrared gas detector.
Experimental results were analyzed with StatGraphics 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 characteristics, this substrate is considered a lignocellulosic
waste, for this reason the results are compared
with another investigations where this type of matrix is evaluated.
A. Effect of mechanical treatment on FB lignocellulosic structure.
1.20 and 0.87, respectively, at the same particle
size. These results indicate that mechanical treatment improves strongly the hydrolytic activity of
microbial consortia at the initial stage. This effect
can be attributed because the increase of the superficial area at smaller particle size, allowing a
better interaction between substrate and inoculums [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 enzymatic 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.
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 waste particle size. These results suggest that smaller
size particles improve mass transfer between inoculums and substrate. On the other hand, reduction of particle size decreases ADF concentration
and improve FB digestibility.
TABLE II
COMPOSITION OF THE FIQUE’S BAGASSE
Parameter
FB 5mm
FB 2.36 mm
pH
4
4
FB 0.85 mm
4
TS(%)
93.1
92
92.7
VS(%)
89.2
88.8
88.6
18.7
Cellulose(%)
41.8
23.4
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 activity, 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,
C. Effect of temperature and mechanical
treatment on VFA production.
Fig. 2 and 3 show that during Anaerobic Digestion 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 microbial consortia. The biological behavior can be
related to VFA variations. Size particle reduction
increases hydrolytic activity, producing increases
Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante
in VFA concentrations. VFA produced during acidogenic 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 PRODUCTION 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 startups 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
Fig. 3. EFFECT OF PARTICLE SIZE ON PH VARIATIONS AND VFA PRODUCTION AT 39 ºC 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, respectively showing that there are significant differences
between each experiment (IC 95%).
75
76
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77
Fig. 5. STATISTICAL ANALYSES OF FB PARTICLE SIZE EFFECT ON ADFB
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 lignocellulosic structure, probably by cellulose crystallinity 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 methane 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 Departamento Administrativo de Ciencia Tecnología
e Innovación, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural and Vicerrectoria de Investigación y Extensión - Universidad Industrial de Santander. Technical support from C. Vargas and C. Zambrano
is also hardly recognized.
REFERENCES
Finally, these results are according to studies carried out by Palmowski and Müller. These
authors have demonstrated that reduction in particle sizes improves anaerobic digestion of substrate, due to increases in superficial areas of available substrates for microbial metabolism [24].
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IV. CONCLUSIONS
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[25]. Pretreatment proved to be suitable for appli-
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77
Evaluation of operating and mixing conditions of
a polymer dispersion co-vinyl acetate and ester
acrylic to obtain recovered leather
Evaluación de las c ondiciones de mezclado de una dispersión
co-polimérica de vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de
cuero
Danny Guillermo Cañas Rojas
B.Sc Chemical Engineering, UIS
dany7987@hotmail.com
Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D
Proffessor, Chemical Engineering, UIS
malvarez@uis.edu.co
Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc
Assistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTA
jorgeguillermo12@mail.ustabuca.edu.co
Resumen— El trabajo presenta el desarrollo de un diseño 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 material, 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, correspondiendo 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 estudiados 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 material 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 aplicación 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 affected 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 characterized 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 concluded 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 usually ends up in landfills. Currently the landfill in
Recibido: 21/09/2011/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84
EVALUATION 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%, respectively. 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 seeking 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 forming 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 dispersions 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 latter 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 techniques. Moreover, DIMITER [9] patented a process
that pulverized and mixed leather fiber with a molten 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 reinforced mesh between fibers and a polyvinyl chloride 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 leather 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 casestudy, 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 adhesives [14].
It is shown that the intention of reusing waste
from tanning and leather prodcution are not isolated even for products other than those proposed
in this case.
Methodology
To determine the operating conditions of mixing 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 performed [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 measuring stress, percentage of compressibility, tear
79
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 select 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 I
RANGES 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
TABLE II
GEOMETRIC NOTATION
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
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6
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7
-1
+1
+1
-1
8
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+1
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-1
+1
Scenario
10
+1
-1
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+1
11
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-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
To characterize the obtained samples, a Shimadzu ® 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, D601510, 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.
Figure 3 shows that the maximum tear resistance was exhibited by samples 2, 9 and 10, with
a value of 694 N exhibited by sample number 10.
EVALUATION OF OPERATING AND MIXING CONDITIONS OF A POLYMER DISPERSION CO-VINYL ACETATE AND ESTER ACRYLIC TO
OBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz
Fig. 3. SLIT TEAR RESISTANCE TEST RESULTS
Figure 4 shows that the percentage of compressibility obtained for the samples was about
10%, which is below 18.5% obtained for commercial 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 reported value of the material used in the manufacture of insoles, it was observed that lower values
were obtained.
Discussion
In figure 2 is shown, as a solid line, the average 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 reported in figure 3.
Concerning the percentage of water absorption 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 appreciated 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
Fig. 5. PERCENTAGE OF WATER ABSORPTION RESULTS
It is seen in the Pareto chart in Figure 7 how
tear strength depends significantly on the relationship binder / leather. This allows assessing
the best mixing arrangement for maintaining
the same conditions reported for maximum tensile strength under levels studied.
81
82
IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84
Fig. 7. PARETO ANALYSIS FOR TEAR STRENGHT
The summary of the best combinations found
are shown in Table III
TABLE III
OPTIMAL VALUES OF VARIABLES USED
Figure 8 shows the Pareto analysis for the percentage of compressibility test, being temperature
the main cause of the variation. For the percentage of compressibility, the best arragment corresponds when the four variables are in low level because it requires the least material deformation.
Fig. 8. PARETO ANALYSIS FOR PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY
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
% Compressibility
100
70
2/8
15
% water absorption
100
70
3/7
25
Finally, a preliminary estimate of costs for recovered leather sheets was made for production
of 1 Tons per day. This was done in order to assess 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 services, 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 4
TOTAL COSTS FOR THE FIRST YEAR IN PRODUCTION
Total cost of production (thousands $)
Pareto diagram in Figure 9 shows the variables
that cause effect on the percentage of water absorption. It is appreciated that this depends on the
pressure and temperature in their low level and
the amount of binder and water in their high one.
Fig. 9. PARETO ANALYSIS FOR WATER ABSORPTION
Initial invesment
53.000
Manufacturing direct costs
1.079.350
Fixed manufacturing costs
6.996
Total ($)
1.139.346
Dividing the total cost by the annual production, 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 dimensions, it is evident that the proposed process
for recycling leather is not viable economically,
but it is technically and environmentally. However, 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.
EVALUATION OF OPERATING AND MIXING CONDITIONS OF A POLYMER DISPERSION CO-VINYL ACETATE AND ESTER ACRYLIC TO
OBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz
CONCLUSIONS
The temperature and relation binder / leather
bear a significant influence over response variables, during pressing and mixed respectively.
The most significant factor on the four 4 response variables, based on the levels studied during the pressing stage, corresponds to the curing
temperature in the low level (70° C).
The values obtained for the percentage of compressibility and percentage of water absorption
are low compared with values obtained for commercial 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, because the increase in process water reduces the mixing time. This should be reflected in the reduction
of the mixer power consumption.
The pressure should be maintained at low level, the temperature in the low level and the relationship 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 product 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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Gto. México. 20
León,
Evaluación computacional del flujo a través de
membranas porosas
Computational evaluation of fluid flow through porous membranes
Tatiana López Montoya
Ingeniera Mecánica, Universidad Pontifica Bolivariana
Investigador auxiliar Grupo de Energía y Termodinámica,
Universidad Pontificia Bolivariana
Medellín, Colombia
tatiana.lopezmo@alfa.upb.edu.co
Mauricio Giraldo Orozco
Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana
Docente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica,
Universidad Pontificia Bolivariana
Medellín, Colombia
mauricio.giraldo@upb.edu.co
César Nieto Londoño
Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana
Docente e Investigador
Grupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial,
Universidad Pontificia Bolivariana
Medellín, Colombia
cesar.nieto@upb.edu.co
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 pequeñas. 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 empaquetamiento 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 staggered 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
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 agigantados 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 necesario para poder implementarlos en los MST. Los
micro-intercambiadores de calor ofrecen muchas
ventajas sobre sus semejantes a escalas mayores, la transferencia de calor por unidad de área
es mucho mayor, su desempeño global también
es superior y debido a su tamaño son más económicos, entre otras [1]-[2]. Debido a la reducción
de espacio por el cambio de escala, se han implementado 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 pequeños, 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].
Recibido: 15/03/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
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ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
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 transferencia de calor. Lage et al. realizaron un estudio
con matrices porosas de aluminio comprimidas
para caracterizarlas térmica e hidráulicamente enfocando su uso en micro-intercambiadores de calor
[5]. Por su parte Jiang et al. realizaron un estudio
teórico y experimental comparativo entre un microintercambiador de calor con canales (MCHE) y
un micro-intercambiador de calor con medio poroso (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 simulación 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 comportamientos puramente cinéticos, como las caídas de
presión asociadas, con el fin de aprovechar adecuadamente las ventajas evidenciadas experimentalmente en cuanto a la transferencia de calor [6].
Este trabajo se concentra en el comportamiento
de los campos de velocidades y las caídas de presión que suceden en una membrana. Con el fin de
presentar parámetros comparativos adecuados, la
membrana es simulada como un sistema de esferas en arreglo triangular, particularmente dos configuraciones diferentes espaciales y tres diámetros
diferentes, los cuales son evaluados desde los puntos 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. Finalmente, se presentan los resultados de la simulación y
las conclusiones del trabajo.
II. MEDIO POROSO COMPUTACIONAL
Generalmente los materiales porosos presentan estructuras aleatorias [8], pero dado que es
difícil establecer una estructura aleatoria representativa y, más aún, cambiar sus parámetros,
para este estudio se optó por la utilización de arreglos 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 separación entre esferas, tanto adyacentes como
tangentes, de la cara que enfrenta al flujo. En la
Fig. 2 se muestran a modo ilustrativo los espaciamientos para el arreglo de esferas de 15mm de
diámetro, las medidas de los espaciamientos están 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 esferas de 15, 18 y 32mm de diámetro.
En la Tabla I se muestran los factores de empaquetamiento (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 I
FACTOR 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 presenta 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 resultados aceptables que han sido validados con montajes experimentales [9]-[11].
Evaluación 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 NavierStokes. 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 continuación para fluidos newtonianos incompresibles:
Donde υ, P, μ y ρ corresponden a la velocidad,
presión, viscosidad dinámica y densidad, respectivamente. 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 considerar 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 atmosférica.
A. Mallado
Para la construcción de la malla se utilizó la herramienta de mallado de Ansys 12.1. La geometría
de la malla se construyó con elementos tetraédricos. 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 necesario 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 momento 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 elementos tetraédricos y 639034 nodos.
La malla se puede ver en la Fig. 3.
Fig. 3. CORTE LONGITUDINAL DE MALLA TÍPICA PARA EL CANAL Y ARREGLO DE ESFERAS
B. Método de solución
La estrategia utilizada comúnmente para la simulación del flujo en medios porosos implica la
87
88
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
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 parámetros adecuados para diferentes membranas.
Por lo tanto, este trabajo pretende simular directamente 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 volúmenes 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 suficiente para permitir un flujo laminar totalmente
desarrollado (8 diámetros hidráulicos aproximadamente).
El algoritmo que utiliza Fluent para resolver
las ecuaciones en volúmenes finitos es el método semi-implicito para acoplar las ecuaciones de
presión (SIMPLE -semi-implicit method for pressure-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 aparece 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 discretizadas 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 fluido de trabajo con dos diferentes velocidades de
entrada. Se realizaron simulaciones para ambas
configuraciones de arreglos y tres diferentes tamaños 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 permeabilidad 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 ubicado en medio de un canal cerrado se puede calcular 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, permeabilidad y el número de Reynolds para cada
una de las velocidades de entrada. El valor de la
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto
velocidad para el Re1 es de 0,001m/s y para el
Re2 es de 0,072m/s.
TABLA II
CARACTERÍSTICAS 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 presión medida entre la entrada del canal y su salida,
se pueden ver en la Fig. 5.
Como era de esperarse, para una misma configuración, a mayor número de Reynolds mayor caída de presión se tiene a través de la membrana.
Fig. 5. RESULTADOS DE LA CAÍDA DE PRESIÓN PARA LOS DIFERENTES
DIÁMETROS Y CONFIGURACIONES
89
90
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
La mayor caída de presión se presentó con el
arreglo de menor diámetro de esferas. Aunque el
volumen total se mantenga constante, la configuración 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 suficiente 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, equivalentemente a solo el 20%, representa una reducción
del 27.2%. Más aún, cuando el diámetro se incrementa 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 volumen 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 haber 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 configuración 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 uniforme sobre todas ellas, es decir, el flujo se reparte 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 DIFERENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2
RESPECTIVAMENTE
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto
Fig. 8. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNA
VELOCIDAD DE 0,072M/S
Fig. 9. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNA
VELOCIDAD DE 0,001M/S
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 factor interesante que se evidencia es cómo la configuración 2 tiene una pendiente mayor que la que
se presenta en la configuración 1, lo que mue entonces, 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 resultados de las diferentes configuraciones con los
resultados de los bancos de esferas con 32mm
de diámetro. Esto se debe, como ya se había manifestado 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 caída de presión es significativa, pues implica que
el flujo evita parar por el espacio ocupado por las
esferas.
91
92
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94
La Fig. 10 muestra las líneas de corriente las
cuales describen el flujo a través del medio poroso.
Dichas líneas ilustran cómo al cambiar bruscamente de dirección, se generan regiones circulares en la superficie de las esferas, las cuales
representan las zonas de estancamiento. El comportamiento del flujo permanece de forma organizada mientras fluye a través de la zona central del
arreglo de esferas, mientras que en la parte superior e inferior al terminarse el medio poroso tienden 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 momentáneamente 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
de turbulencia y el desprendimiento de vórtices.
Las zonas de alta velocidad son más notorias en
las esferas pequeñas, pero la formación de turbulencia 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 última 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 configuración uno muestra una zona de muy baja velocidad detrás de la última capa de esferas, que
en común tienden a formar un perfil parabólico
que aumenta con el aumento del tamaño de esfera, mientras que para la configuración dos las zonas 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 DIFERENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2
RESPECTIVAMENTE
En la Fig. 11 Se muestra el contorno de velocidad, para cada tamaño de esfera y sus dos configuraciones, 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 entrar a la última capa de esferas se encuentra con
la zona de estancamiento y propicia la formación
Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto
93
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 entonces concluir que un adecuado control sobre el
factor de empaquetamiento y la distribución de
las estructuras puede mejorar significativamente
el comportamiento hidrodinámico de las membranas porosas, haciéndolas una alternativa atractiva para su empleo en sistemas de transferencia
de calor y recuperación de calor.
REFERENCIAS
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 solucionadas 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 espaciamiento entre esferas, principalmente de la
cara que enfrenta al flujo perpendicularmente, tiene gran influencia sobre la caída de presión. Para
el medio poroso de menor diámetro la influencia
del espaciamiento entre esferas es menor. También se observó una interacción fuerte entre los
flujos aguas abajo de cada esfera. Presentándose
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Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa
para Aprovechamiento Energético: una Revisión al
Estado del Arte
Modeling of the biomass gasification process for energy recovery:
Review for the actual tecnology
José Ulises Castellanos
MSc en Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Colombia
Investigador Grupo MDL&GE
(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética),
Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, Colombia
jucastellanosc@unal.edu.co
Fabio Emiro Sierra Vargas
Dr. MSc. Ingeniería Mecánica, Universidad de Kassel
Docente Tiempo Completo, Líder del Grupo MDL&GE
(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética)
Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, Colombia
fesierrav@unal.edu.co
Carlos Alberto Guerrero Fajardo
Dr. MSc. Ing. Químico, Universidad Nacional de Colombia
Investigador Grupo MDL&GE (Mecanismos de Desarrollo Limpio
y Gestión Energética), Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, Colombia
caguerrerofa@unal.edu.co
Resumen— El análisis del uso de biomasa como fuente
de energía y el desarrollo de las investigaciones relacionadas con el proceso de gasificación; han originado el
planteamiento de diversos modelos para explicar y entender 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, Modelado, Redes Neuronales, Termoquímica.
Abstract— The analysis of the use of biomass for energy 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 intended to satisfy the need to quantify the energy production
and efficiency. This article presents an analysis of several gasification models based on thermodynamic equilibrium, 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 efectos del calentamiento global; han surgido investigaciones de gran importancia en el campo del
uso de la biomasa como una fuente de energía
alternativa, se reconoce que esta fuente energética, 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 procesos de biodigestión (transformaciones biológicas)
y gasificación (transformaciones termoquímicas)
[30]. El segundo de ellos, se centra en la alta eficiencia de la combustión, puesto que un balance
energético positivo, por ende, económicamente
viable depende de la eficiencia en las conversiones 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 normalmente es un gas compuesto por monóxido de
carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano,
trazas de etano y eteno, agua, nitrógeno y algunos contaminantes, como pequeñas partículas de
carbonizado, ceniza y alquitranes [38]. La energía
proveniente de este material gaseoso, determina
Recibido: 26/03/2012/ Aceptado: 08/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
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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 combinaciones entre los factores anteriores, pero siempre
se busca incrementar la calidad del material gaseoso. [38][3]. Por esta razón, en el grupo de investigación “Mecanismos de Desarrollo Limpio y
Gestión Energética (MDL&GE)” de la Universidad
Nacional se planteó, hace unos años, la construcción de un gasificador con fines de investigación
para determinar la viabilidad tecnológica y socioeconómica de esta tecnología para Colombia.
II. PROCESO DE GASIFICACIÓN
La gasificación de la biomasa es una tecnología de más de cien años de antigüedad. Se trata
de un proceso cuyo objetivo es la descomposición térmica de biomasa, particularmente de los
residuos producidos en la industria agrícola, maderera 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 debajo 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 descomposición térmica en ausencia de oxígeno.
Habitualmente es dividida en pirólisis lenta y pirólisis 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 numerosas reacciones químicas a alta temperatura
(Ejemplos. Ecuaciones 1 y 2) [14].
Desde un punto de vista científico, la gasificación, se trata de una reacción endotérmica heterogénea entre el carbono contenido en la biomasa y un gas reactante, sea vapor de agua o
dióxido de carbono:
(1)
C + H2O → CO + H2
(2)
C + CO2 → 2CO
En la Figura 1 se muestran las reacciones químicas 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 elementos 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 utilizado, 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.
Modelado 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 pirólisis. 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 marginal que tiene en su carga, por ende, la imposibilidad 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 aceptable para motores de combustión interna y turbinas de gas. [2] [12]
C. Gasificador Crossdraft
Este gasificador tiene un tiempo de arranque
corto, alrededor de 5 minutos, capacidad de operar con combustibles húmedos o secos y la temperatura 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 utilizados con combustibles de bajo contenido de cenizas, 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 externamente 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 instantáneamente a la temperatura requerida. Como resultado de este tratamiento, el combustible se piroliza
97
muy rápidamente y da como resultado una mezcla de componentes con una cantidad relativamente 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 descomposición 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 reacciones 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 endotérmico, y dan como resultado dióxido de carbono (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 1015MJ/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 combustión 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-
98
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
te en la calidad y composición del gas, donde el
objetivo es la minimización de los residuos tóxicos 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 evolutivos 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 tener en cuenta retrasos en el tiempo ni variables relacionadas 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 durante 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 tomados 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 considerablemente al utilizar modelos de redes neuronales
(RNA) Figura 2. Las cuales han demostrado su utilidad 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 relaciones no lineales.
La adaptación y el aprendizaje en los sistemas 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 escala de sistemas dinámicos.
• La implementación de hardware.
• Fusión de datos. Las redes neurales pueden 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 suponer el intervalo más largo y observa la necesidad
de completar la reacción en ese tiempo; de tal manera que el modelo de equilibrio sea el apropiado.
En todos los modelos de equilibrio, un conjunto
de ecuaciones no lineales describen la conservación de las especies químicas (C, O2, H2, N, S) y las
ecuaciones adicionales, para el equilibrio térmico
de las reacciones independientes (las cuales corresponden a la minimización de la energía libre
de reacción) que permite una predicción de la salida 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 sistema lineal que, a su vez, se establece en términos 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 producto comúnmente encontradas en los procesos de
gasificación (CO, CH4, H2, C2H4, C2H6); algunas especies 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-
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,
Sierra, Guerrero
tamiento de gas perfecto para los reactivos y los
productos, de modo que no puede describir procesos 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 residuos de los reactivos. Propiedades termoquímicas de todas las especies fueron tomadas de las
tablas de JANAF [16].
Las condiciones termodinámicas, a las cuales
las reacciones tienen lugar, pueden ser manipuladas por cambios de presión, temperatura (que
puede ser incluso calculada evaluando los procesos a condiciones adiabáticas) o calor transferido
por radiación de la zona de reacción. El flujo de
biomasa así como el de aire (u Oxígeno, dependiendo 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 puede ser producido regenerativamente dentro del
gasificador. En este caso, el intercambio de calor
entre el agua y el gas tiene lugar antes de la salida 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 proporciona una descripción relativamente exacta del
balance de energía del gasificador (entrada y salida 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 irreversibilidad en el proceso de transformación de la biomasa como materia prima dentro de una corriente caliente del gas de síntesis del combustible y
también proporciona detalles internos de las distribuciones 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 composición de las diversas fuentes de biomasa, proporcionando el mismo análisis definitivo. Corrección válida para balances de energía, pero poco
aproximada con la cadena de reacciones que conducen 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 moléculas de la materia prima). La caracterización de
la biomasa se obtiene de ellos sólo porque establezca su composición, como puede ser encontrada 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 segundo orden (sección) consiste en una letra mayúscula (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 columna.
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 orden 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 simulación, se encontraron datos en experimentos
descritos en la literatura. Un ejemplo de ellos es
el gasificador [9] que utiliza un aire inyectado circulante 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
99
100
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de lecho de flujo arrastrado. Los datos reportados
incluyen la composición del gas, un valor calorífico, la eficiencia del gasificador (incluidos ambos
valores caloríficos y calor sensible del gas a la salida 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 garantías de estabilidad nominal, optimización del rendimiento 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 proceso de gasificación limpio del carbón de alta eficiencia. 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 entrada 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 predictivo
Considerado 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 variables 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 estacionario en tiempo discreto. Para considerar el impacto
de perturbación en el modelo; el modelo debe ser
incorporado dentro de los elementos de perturbación. 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 gasificación 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 multivariable 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 (proporcional/ integral/ derivada) enlazados al flujo
alrededor de los actuadores de alimentación del
sistema. Por ejemplo, en el gasificador experimental del instituto de desarrollo tecnológico de Estados 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 gasificador del grupo MDL&GE es un modelo multivariable no-lineal, que tiene cinco entradas controlables (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 utiliza 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 carbón). Esto reduce el problema a cuatro problemas
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,
Sierra, Guerrero
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 modelo (PSINK) de dos entradas de perturbación
externa, las cuales se representan por medio de
perturbaciones inducidas por la presión. A continuación se listan las entradas y salidas controlables, 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, proporcionan un medio para inferir valores en tiempo real
de las variables claves del proceso, que no pueden medirse directamente. Estas estimaciones
de Estado pueden ser útiles para el mejoramiento del control de proceso, mediante la filtración
de Kalman (KF), la cual se aplica a un sistema
no lineal de gasificación de carbón, operada inicialmente en el marco de la estrategia de control
convencional de retroalimentación. Donde, las
perturbaciones que no son medibles en la ope-
101
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 conjunto. La principal motivación para el empleo de
estimación de estado es la obtención de los valores de las perturbaciones del proceso no medidas. 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 consecuencia el vector z [21]
En la línea de control predictivo se ha incorporado 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 intervalo de muestreo, y puede tener un efecto perjudicial sobre el rendimiento de circuito cerrado
de alcanzar el sistema estable, esto sugiere que
el control de entrada tiene limitaciones importantes 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 madera, 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 porcentaje 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 temperatura, que están distribuidos de la siguiente forma:
la T1 se encuentra ubicada en la zona de pirólisis, T2 en la zona de combustión y T3 y T4 en la
102
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105
de gasificación. (Figura 3) Mediante estas implementaciones 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
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
Fuente: Grupo de Investigación MDL&GE
VIII. CONCLUSIONES
Fuente: Grupo de Investigación MDL&GE
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 perfiles 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.
Se han desarrollado diferentes tipos de modelos para sistemas de gasificación y su reacción cinética, El sistema en equilibrio con las etapas de
control por medio de redes neuronales artificiales,
hacen que el comportamiento pueda predecir situaciones extremas. En los modelos cinéticos que
predicen el progreso y la composición del producto en diferentes posiciones a lo largo de un reactor, ha sido de gran ayuda adaptarlo a un sistema
equilibrado, ya que puede predecir el máximo rendimiento posible, en un producto deseado de un
sistema de reacción. También proporciona un útil
diseño de apoyo, para evaluar el posible comportamiento 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 proyecto código 13151; “Apoyo de la DIB a tesis de
investigación en posgrado” y el Proyecto “Alianza
Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,
Sierra, Guerrero
103
estratégica para la investigación de la obtención
de gas de síntesis desulfurado a partir de la gasificación de carbones colombianos” código 12651.
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105
Control PID tipo fraccional para la posición del
cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en
microscopia óptica
Fractional 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, Colombia
paulaortiz@itm.edu.co
Lorena Cardona Rendón
PhD(c) Universidad Nacional de Colombia
MSc. en Ingeniería área Automática,
Universidad Pontificia Bolivariana.
Grupo Inteligencia Artificial en Educación,
Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín,
lcardon0@unalmed.edu.co
Resumen— En este artículo se diseña un control PID
tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad 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 muestra que va a ser estudiada, y se usará el cabezal de la
unidad para iluminar la muestra. Con el controlador diseñado se busca que no haya dependencia del subcódigo 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 sintonización 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.
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 simulation results, concluding about the resolution obtained,
the robustness of the controller and the viability of the
control system to be used in a microscope.
Palabras clave— Control de posición, Control Fraccional, 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 optical microscope. In such an application the disk or CD
would be replaced by a plate with the sample to be studied, 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 determine the position of the head, and for this, a computer 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
Keywords— CD , fractional control, position tracking, robust control, , optical microscopy , optical mouse.
I. INTRODUCCIÓN
Debido a las rápidas mejoras en las tecnologías de manufactura electrónica, los computadores se han convertido en productos electrónicos
de corta vida, lo que termina en una gran cantidad
de computadores desechados que pueden contaminar 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 encuentran 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 multifase homodino [17], para medir rectitud [18], para
el desarrollo de una micro-máquina de medición
por coordenadas [19][20], para crear un pulsador
Recibido: 16/07/2012/ Aceptado: 20/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117
Control 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 acelerómetro óptico [22][23], en el desarrollo de una sonda táctil tridimensional [24], para desarrollar un
biosensor óptico [25], un sistema de análisis celular [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 Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM), en Colombia, se está desarrollando un microscopio óptico
de bajo costo con platina motorizada, a partir de
una unidad de CD desechada. En este caso, en lugar de un CD, se tendría una placa con la muestra
para ser observada y el cabezal de la unidad serviría 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 cabezal 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 lograr 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 embargo, 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 codificador de un ratón optomecánico de computador,
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mediante la técnica de mínimos cuadrados ponderados.
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 controladores 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 común manejo para todos los profesionales de esta
área de conocimiento. Adicionalmente, los controladores 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 necesidad 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 aplicar diferentes técnicas para la sintonización de
controles fraccionales, como el método ZieglerNichols [40][41], series de polinomios [42], algoritmos genéticos [43], enjambres de partículas
[44], teoría electromagnética [45], cuantificadores dinámicos [46] y modos deslizantes [47][48].
Sin embargo, muchas de las técnicas usadas presentan problemas por la cantidad de parámetros
que se requiere calcular, lo que se traduce en alta
carga computacional y altos tiempos de procesamiento, siendo esta la razón de que muchos trabajos de implementación del control fraccional se
hayan hecho sobre variables o procesos de reacción lenta, tales como el control de temperatura.
En este trabajo se optará por la aproximación
usada en [40], que consiste en un método iterativo que busca cumplir cinco condiciones de robustez. La razón es que en dicho trabajo se muestra
la posibilidad de obtener una sintonización rápida
del control con resultados robustos.
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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 (Autodesk 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 tomadas con un calibrador. Luego, las partes modeladas 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 están 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 motor.
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 construidos en un solo cuerpo, uno de los cuales engrana con el engranaje 22 (de 95 dientes y un diámetro 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).
Fuente: Autor del proyecto
En la Fig. 2 se muestra el mecanismo de movimiento 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.
Fuente: Autor del proyecto
A partir del modelado en 3D, fue posible
crear un modelo del sistema en el software Simulink, mediante un aplicativo de enlace entre
los dos programas llamado SimMechanics Link.
Esto permitió exportar las propiedades físicas
de los objetos modelados (momentos de inercia, 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.
Fuente: Autor del proyecto
En el modelo de la Fig. 3, los bloques que representan los cuerpos tienen puntos de conexión
que están determinados por coordenadas espaciales [x, y, z]. Los cuerpos se conectan entre sí a
través de uniones (revoluta, prismática) y a través
de restricciones (restricción de engranajes, actuador de velocidad). Estas últimas, no fueron exportadas por el programa SimMechanics Link, sino
que se crearon manualmente.
La restricción de engranajes expresa la relación de velocidad entre los dos engranajes se
muestra en (1):
Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona
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emplazar estos valores en (3), se obtiene que la
función de transferencia (4) para el motor de la
unidad de CD.
y
son los diámetros primitivos
(donde
de la rueda conductora y la rueda conducida, respectivamente, y , son las velocidades angulares 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 traslacional 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 rotacional alrededor del eje z, mientras la cremallera 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 velocidad de desplazamiento de la cremallera.
C. Modelo del Codificador
El codificador empleado en esta aplicación
pertenece a un ratón opto-mecánico de computador. El codificador consta de una rueda ranurada, 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 Engranaje_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):
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 controlando 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 entrada 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 manipulada) 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 N es el número de ranuras en el codificador, 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
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 motor de la unidad, estos valores son: Kmf=1,23x102V s/rad, Lf=2,189x10-3 Henrys y Rf=21Ω. Al re-
En un ratón óptico, un sensor toma fotografías
de la superficie bajo el ratón y un motor de navegación 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
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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 ratón 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 Método de Mínimos Cuadrados Ponderados
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 respuesta 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 fraccionales se parte del diagrama de bloques presentado
en la Fig. 4.
Fig. 4. DIAGRAMA DE BLOQUES DE ACCIONES DE CONTROL
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 pondeFuente: [38].
rados, expresada en las ecuaciones (7) y (8) [51]:
donde es la posición estimada, Z1 es la medies la varianza del error en
da del sensor 1 y
dicha medida, Z2 es la medida del sensor 2 y es
la varianza del error en dicha medida, es la varianza 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 cuantización causa respuestas del sistema con oscilaciones en el estado estable. Para solventar este problema, se aplicará la solución propuesta en [52],
que consiste en implementar un elemento de
“zona muerta” a la salida del sensor. Como efecto, se elimina la discontinuidad en 0 que ocasiona
la aparición de oscilaciones. Para que la solución
propuesta tenga efecto, se debe cumplir (9):
La acción integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error de estado estacionario,
pero hace más lenta la respuesta del sistema y
disminuye su estabilidad. Por otra parte, la acción 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 sintonización 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 propuestas 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):
Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona
3) Para rechazar los ruidos de alta frecuencia, la
función de sensibilidad T(jw) debe cumplir con (12):
forma
111
donde k=1,wn=
42.73ε = 0.71,θ = 0.018 mostrado en (16),
Para
4) Para rechazar las perturbaciones de la salida, la función de sensibilidad S(jw) debe cumplir
con (13):
Fig. 5. RESPUESTA DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO ANTE UNA SEÑAL
ESCALÓN
Para
5) Para tener un sistema robusto frente a variaciones de la ganancia, la derivada de la fase
del sistema en lazo abierto con respecto a la frecuencia del cruce de ganancia wcg debe cumplir
con (14):
Fuente: Autor del proyecto
La validación del sistema se muestra en la Fig. 6
La función de transferencia del control fraccional se muestra en (15):
Fig. 6. VALIDACIÓN DEL SISTEMA IDENTIFICADO VS. EL SISTEMA REAL
ANTE UNA SEÑAL ESCALÓN
Los márgenes de ganancia (φm) y fase (φm)
son medidas importantes de robustez que se relacionan con el factor de amortiguamiento del sistema 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 encontrar el modelo matemático lineal del sistema, lo
cual se logró mediante un proceso de identificación en lazo cerrado (ya que el sistema en lazo
abierto es inestable), según la metodología propuesta en [54]. En la Fig. 5. Se observa la respuesta del sistema para una entrada tipo escalón.
La respuesta obtenida se llevó a la toolboxident de Matlab, la cual permite obtener una función de transferencia e indica el grado de ajuste
logrado con un índice de desempeño. De esta manera se obtuvo el modelo de segundo orden de la
Fuente: Autor del proyecto
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
112
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•
Fig. 8. RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES GANANCIAS
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/s
Con 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 controlado. La verificación de los parámetros de diseño se
muestra de la Fig. 7 a la Fig. 10. En la Fig. 7 se muestra el margen de fase y de ganancia del sistema obteniéndose 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 frecuencia centrada en wcg, lo que se traduce en robustez 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 representa 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 frecuencia 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 fraccional se validó con la toolboxninteger [52].
Fuente: Autor del proyecto
Fig. 9. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD S(JW)
Fuente: Autor del proyecto
Fig. 10. ANÁLISIS DE RUIDO T(JW)
Fig. 7 ANÁLISIS DE MAGNITUD Y FASE
Fuente: Autor del proyecto
Fuente: Autor del proyecto
Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona
Finalmente, para evaluar el comportamiento
del sistema con el control diseñado, se incorporó la cuantización de los sensores al diagrama de
bloques mostrado en la Figura 11.
Fig. 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA QUE INCORPORA EL CONTROL DISEÑADO Y LA CUANTIZACIÓN DE LOS SENSORES
113
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
Fuente: Autor del proyecto
El resultado obtenido se presenta en un grupo
de tres gráficas en la Fig. 12. Una, muestra la respuesta 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 obtenidas en simulación, con Matlab/Simulink.
Fig. 12. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORES
POR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS).
Fuente: Autor del proyecto
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 resultados 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 rápida 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 comparado con un control PID convencional, obteniéndose
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 convencional 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
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En general, un control tipo fraccional presenta 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, presentando 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 unidad 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 combinación de un codificador de un ratón optomecánico 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 respuesta 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. Adicionalmente, 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 sensores, es apta para la aplicación en el desarrollo de
un microscopio óptico.
Se concluye también que el empleo de un control tipo fraccional para esta aplicación presenta
ventajas frente a los controles PID de orden entero, tanto en el tiempo de estabilización como en
robustez frente a perturbaciones. Adicionalmente,
con la metodología de diseño iterativa implementada, se logró un diseño rápido y un resultado robusto 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 código P10237 y “Metodología para modelar y controlar un sistema de combustión utilizando cálculo
fraccional” con código PM12104 ambos proyectos financiados por el Instituto Tecnológico Metropolitano – 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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117
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para
la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de
la Glándula Mamaria
Decision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural
Distortion
Duván Alberto Gómez Betancur
MSc (c) Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,
Universidad Nacional de Colombia
Investigador Grupo GIDIA, Universidad Nacional de Colombia
Medellín, Colombia
dagomezbe@unal.edu.co
Resumen— La distorsión de la arquitectura es un cambio anormal del tejido de la glándula mamaria con la consiguiente
formación de lesiones finas y espiculadas que no están asociadas a la presencia de una masa. La distorsión es el tercer hallazgo 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 disminución 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 arquitectura, mamografía, procesamiento digital de imágenes, diagnóstico 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 findings on screening mammograms.This paper presents the design,
implementation and test of a new method that serves as support 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.
John Willian Branch Bedoya
Ph.D. Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,
Universidad Nacional de Colombia
Profesor Asociado, Investigador Grupo GIDIA,
Universidad Nacional de Colombia
Medellín, Colombia
jwbranch@unal.edu.co
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 aided diagnosis.
I. INTRODUCCIÓN
En los ambientes médicos las imágenes juegan un rol prominente en el diagnóstico y tratamiento 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 temprano 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 resultado 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 patología 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 mujeres sufrirá la enfermedad a lo largo de su vida, y
Recibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
Sistema 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 encuentran 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 despertado el interés de comunidades científicas mas
cuando se sabe que si se detecta a tiempo, se puede evitar el desenlace fatal de la enfermedad.
Para la detección temprana del cáncer de
mama existen diferentes exámenes o métodos clínicos como la resonancia magnética, la ecografía,
la biopsia, la tomografía computarizada y la biopsia 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 mamografía son: masas, microcalcificaciones, distorsiones de la arquitectura y asimetrías de densidad.
Las calcificaciones son hallazgos muy comunes en una mamografía y son consecuencias de
diminutos depósitos de calcio en el tejido mamario. En cuanto a las masas debe describirse su tamaño, forma, márgenes y calcificaciones asociadas 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, puede verse como una opacidad similar en las dos
proyecciones de una mama pero no tiene características de una masa [3].
La información restante de este artículo se estructura en cuatro secciones. En la 2 se explica la
distorsión de la arquitectura de la glándula mamaria. En la 3 se describe el método propuesto. En la
4, se evalúa el método y se presentan los resultados obtenidos y en la 5 se dan las conclusiones
119
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 espiculadas 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 arquitectura como el hallazgo en el cual la arquitectura 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 referencia 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 superpuesto en el momento de la valoración de las mamografías 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]
120
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
Como se puede observar en la Fig. 1 la distorsión de la arquitectura en la mamografía se presenta 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 posteriormente malignidad en el seno. Sin embargo,
por la dificultad en la detección de la distorsión
de la arquitectura, se estima que esta anormalidad 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 trabajos que se pueden encontrar en sistemas CAD
(Computer-Aided Diagnosis) para el caso de cáncer de mama, también es cierto que mientras la
mayoría han sido dirigidos a la detección y análisis 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 distorsión alrededor de la línea de piel y un índice de
concentración para detectar distorsión de arquitectura al interior de la glándula mamaria obtenido 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 caracterización 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 mamográficos normales, una clasificación con una precisión 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 dimensión fractal se proponen métodos para detectar candidatos iniciales de distorsión de la
arquitectura en mamografías[18],[19].
Rangayyan en [20] con características de textura de Haralick para la detección de distorsiones 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 análisis discriminante lineal, 77% con una red neuronal 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 difusa como una herramienta para el control y los
sistemas expertos. Se trata de un método para el
razonamiento con expresiones lógicas que describen las pertenencias a los conjuntos difusos,
entendidos como un instrumento para la especialización 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 imprecisos, 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 problema 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 difusas del tipo if-then como base del sistema de clasificación difuso:
Regla Rj:Si x1 es Aj1 y…y xn es Ajn entonces Clase Cj con CFj
para j=1,2,...,N
donde Rj es la regla j-esima, Aj1 ... Ajn son funciones de pertenencia de los conjuntos difusos en
el intervalo [0,1], Cj es la clase, dentro del conjunto 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 reglas difusas if-then permite generar sistemas de
clasificación comprensivos con un buen comportamiento.
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch
A. Características de Textura
En un gran número de aplicaciones de procesamiento 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 textura presentes en una imagen. Un ejemplo claro de
dichas aproximaciones es el propuesto por Haralick[24] quien, basado en la premisa que la textura y el tono conservan una relación inextricable
entre ellos, propone catorce características para
describir la textura de los objetos o regiones presentes en una imagen.
Para Haralick, las propiedades de tono y textura están siempre presentes en una imagen, y
el procedimiento que sugiere para obtener las características 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 matrices espacio-dependientes de los tonos de gris,
las cuales son calculadas para diferentes ángulos y distancias de vecindad en los pixeles de la
imagen y son conocidas como GCM (Gray level CoOcurrence Matrix).
En la Fig. 2 se observa la vecindad más cercana (distancia d=1) para cualquier punto dentro
de la imagen, exceptuados los puntos ubicados
en las filas y columnas de los extremos. La vecindad-8 es utilizada para la definición de las matrices GCM en la propuesta de Haralick.
(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, correlación, suma de cuadrados, momento de diferencia inversa, suma promedio, suma de varianza,
suma de entropía, entropía, diferencia de varianza, primera medida de información de correlación,
diferencia de entropía, segunda medida de información de correlación y máximo coeficiente de
correlación.
En este trabajo se utilizan sólo cinco características de textura: energía, contraste, suma
promedio, momento de diferencia inversa y diferencia 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 I
Nomenclatura 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
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 probabilidades de ocurrencia de un par de niveles de gris
121
Energía:
122
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
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 codifican información visual relativa a la textura con un
alto grado discriminatorio.
La característica de Energía se trata del cálculo 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 Energía 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 parejas de pixeles cuya intensidad difiere por n. La
dependencia n2 incrementa aún más las grandes
diferencias; por lo tanto, el valor de esta característica toma valores altos para imágenes con alto
contraste.
El Momento de Diferencia Inversa es una característica de textura que toma valores altos para
imágenes con bajo contraste debido a la dependencia inversa (i-j)2.
La Diferencia de Varianza es una medida de
cuán grande es la variación existente en las magnitudes de las transiciones de intensidad. Por ejemplo, si hay distribución equilibrada de las magnitudes de las transiciones de intensidad, entonces
el valor de diferencia de varianza será bajo, mientras 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 relación 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 detectadas al interior de la glándula mamaria.
Sin embargo, la interpretación de cada una de
las características mencionadas y su representación desde la concepción del sistema de visión humano 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 definidas 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 propone el uso de la lógica difusa ya que ésta presenta
diferentes ventajas pues al utilizar términos lingüísticos permite plantear el problema en los mismos
términos en los que lo haría un experto humano.
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch
Asimismo, el éxito de la lógica difusa radica en
el hecho de que el mundo es difuso y, por lo tanto, podría pensarse que no tiene sentido buscar
la solución a un problema no perfectamente definido 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 rangos de los valores de la función de pertenencia oscilan entre cero y uno y pueden ser considerados
como un grado de verdad. Normalmente las funciones de pertenencia de los sistemas de clasificación difuso son de forma trapezoidal, triangular
y curva S [27].
En el método propuesto en este documento, a
diferencia de las funciones de pertenencia tradicionalmente utilizadas en la literatura, se utilizan
funciones de pertenencia con distribución gaussiana, es decir, en forma de campana de Gauss.
Así, si se considera x una característica de textura cualquiera que puede ser medida sobre una
imagen. Si μ es la media de los valores de x definidos 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, normalizada 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 inicialmente las funciones de pertenencia calculando los valores de μ y de σ usando los valores de
las características de textura definidas. Así se generan diez funciones de pertenencia, cinco para
cada una de las características de textura para el
123
caso normal y cinco para cada una de las cinco
características de textura para el caso anormal.
En el método propuesto se utilizan reglas difusas 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 difusas 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 promedio de los casos normales y el valor del momento 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 clasificado 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 momento de diferencia inversa es la media de los valores de momento de diferencia inversa de los casos 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 clasificado como anormal con 99.9% de certeza.
Estas dos reglas se pueden observar gráficamente 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 valor máximo es la unidad, como se puede observar
en la Fig. 3
124
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
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 variables de entrada correspondientes a las medidas
de las cinco características de textura de Haralick
seleccionadas en la investigación, como se observa en la Fig. 4.
Para cada una de las variables de entrada se
definen dos funciones de pertenencia correspondientes a los casos normal y anormal.
Debido a que el comportamiento de una característica de textura definida en cualquier imagen
está estadísticamente distribuida en forma gaussiana, las funciones de pertenencia se definen de
acuerdo con (6).
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 funciones 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:
FIG. 4. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSA
y
Finalmente, se toma el centroide o centro de
masa entre μnormal y μanormal.
Cuando μnormal =μanormal se trata de un caso sobre el cual no se puede decidir y en el presente
trabajo de investigación se toma como una falla o
error de clasificación.
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 implementadas con sus dos funciones de pertenencia
se puede observar en la Fig. 5.
IV. RESULTADOS
Como se mencionó anteriormente los componentes principales de un sistema de decisión ba-
TABLA. II.
Características de textura utilizadas y valores de media y desviación estándar calculados para el sistema de decisión difuso
Media
Característica de Textura
Suma Promedio
caso normal
Desviación Estándar
caso anormal
caso normal
caso anormal
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
125
Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch
FIG. 5. EJEMPLO DE LA VARIABLE DE ENTRADA DE LA CARACTERÍSTICA
DE CONTRASTE PARA EL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO Y LAS FUNCIONES DE PERTENENCIA ASOCIADAS A LA MISMA
Posteriormente se definen las clases de salida 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 distorsión 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
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 definen de la siguiente manera:
donde
VP=Verdadero Positivo
VN=Verdadero Negativo
FP=Falso Positivo
FN=Falso Negativo
Con la extracción de las características de textura 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 respectivamente, 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.
En la Fig. 6 se observan las funciones de pertenencia 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, especificidad y precisión general. La sensibilidad es la probabilidad de un diagnóstico positivo dado el caso
de una paciente con distorsión de la arquitectura
de la glándula mamaria. La especificidad es la probabilidad de un diagnóstico negativo dado el caso
de una paciente que no presenta distorsión de la
arquitectura de la glándula mamaria. La precisión
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%, Especificidad 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 método 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 bastante difícil ya que en cada investigación reporta-
126
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127
da los conjuntos de datos e imágenes varían de
un trabajo a otro.
V. CONCLUSIONES
Los resultados del desempeño del método demuestran 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 alcanzar 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 arquitectura 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 distorsión 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 asimetrías 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 porcentajes de sensibilidad, especificidad y precisión
general, en los sistemas de diagnóstico asistido
por computador. Por esta razón para trabajos futuros se podría realizar un proceso de afinación
de las funciones de pertenencia propias de los
conjuntos difusos propuestas en este documento, 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 distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria
desarrollado, resulta ser una base importante
para la investigación aplicada, ya que los resultados obtenidos a nivel de precisión general hacen
posible que se pueda llevar a un entorno real y encontrar aplicación local o regional incluso ampliado el alcance del mismo método, para que además 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 medición de la calidad del servicio diagnóstico prestado por los radiólogos ya expertos.
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Control de Temperatura para un Sistema de
Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos
Coupled tanks system temperature control using finite automata
Nathalie Cañón Forero
Ingeniero en Mecatrónica.
Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.
Auxiliar de Investigación.
Universidad Militar Nueva Granada.
U1800871@unimilitar.edu.co
Diego Rodríguez Mora
Ingeniero en Mecatrónica.
Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.
Auxiliar de Investigación.
Universidad Militar Nueva Granada.
U1800941@unimilitar.edu.co
Jenny Gutiérrez Calderón
Ingeniero en Mecatrónica.
Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.
Joven Investigador.
Universidad Militar Nueva Granada.
gav@unimilitar.edu.co
Darío Amaya Hurtado
Ph.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.
Docente de Tiempo Completo Líder de Grupo GAV.
Universidad Militar Nueva Granada.
Bogotá, Colombia
gav@unimilitar.edu.co
Óscar Avilés Sánchez
Ph.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.
Director de programa de Mecatrónica
Universidad Militar Nueva Granada.
Bogotá, Colombia
oscar.aviles@unimilitar.edu.co
Resumen— En este trabajo se realizó, el modelado y diseño 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 herramienta 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. Posteriormente, se establecieron los requerimientos y restricciones 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 StateFlow 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 comparación de los comportamientos obtenidos en cada caso.
Se verificó que es una técnica de fácil uso e implementación con gran eficiencia en tiempos de respuesta.
Palabras clave— Autómata Finito, Sistema Hibrido, sistema embebido.
Abstract— This work was performed, modeling and control 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),
was used finite automata as a tool for modeling and control.
Initially, the mathematical model was obtained, which
corresponds to the continuous dynamic, variable temperature 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 development requirements and restrictions system that emerged from the analysis, which complement the analysis
of the same, obtaining the representation of the process
and control, a dynamic hybrid concept, using automata 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 obtained in each case. Verifying that the technique is easy
to use and implement with high efficiency in response
times.
Keywords— Finite automaton, hybrid systems, embedded system.
I. INTRODUCCIÓN
Un sistema hibrido es un sistema dinámico
que tiene transferencia en estados discretos y variación en estados continuos. El comportamiento
dinámico de la parte continua se describe por medio de ecuaciones diferenciales ordinarias, mien-
Recibido: 21/09/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134
Control 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 discreto, 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 verifica si el sistema cumple con ciertas reglas. Los
sistemas híbridos son usados, por ejemplo, en los
modelos de procesos continuos que son controlados por controladores lógicos o sistemas embebidos [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 superior, se puede representar el mismo sistema por
un conjunto de ecuaciones simples, usualmente
la teoría de grafos es la más común para el modelado 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 empezado 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 determinados eventos [5].
Los autómatas finitos simples implícitamente
se han utilizado en las máquinas electromecánicas hace más de un siglo. Una versión formal de
ellas apareció en 1943 en McCulloch-Pitts modelos de redes neuronales. (Un análogo antes había
aparecido en las cadenas de Markov.) Un trabajo
intensivo sobre ellos en la década de 1950 (a veces bajo el nombre de las máquinas secuenciales)
estableció muchas propiedades básicas, incluida
la interpretación de los lenguajes regulares y equivalencia de las expresiones regulares [6].
Los autómatas se comenzaron a implementar en las áreas que requiriesen de procesos con
129
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 sistemas híbridos, donde la reducción en la complejidad del orden de dicho modelo es muy notoria, de
ahí la importancia de su utilización. [8]
Un autómata finito es básicamente un reconocedor 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 autómata 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 autómata 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 permita alcanzar un mayor desarrollo en distintas ramas 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 computador, 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,
130
IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134
oculto a la vista, y forma parte de un todo de mayores dimensiones [12]. La Fig. 1 muestra el esquema de un sistema embebido.
Fig. 2. CAD DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA
Fig. 1. EJEMPLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO [10]
De acuerdo a lo anterior se plantea el objetivo
de controlar la variable temperatura de un sistema de tanques acoplados mediante autómatas
finitos, y con esto, implementar luego el control
sobre un sistema embebido. Este trabajo explicará la metodología, el diseño global, la implementación con los resultados obtenidos de aplicación de la técnica de autómatas finitos.
Fig. 3. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA SIN CONTROL
II. MÉTODO
A. Comportamiento real de la planta
Por medio del método experimental, se dará a
conocer de forma clara la descripción de la planta 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 resistencia, 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 parámetros 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.
Acorde al comportamiento de la planta, se busca que la respuesta de la variable temperatura oscile 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
Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya,
Aviles
131
material que va a cubrir el fluido, y θ es la temperatura.
R está definida, como en (2).
El comportamiento del sistema cuando la resistencia está encendida, por consiguiente en (9)
se define:
El sistema analizado por convección térmica,
por lo tanto K, se define en (3)
Parte Discreta
Los estados discretos del sistema son:
• Estado de la resistencia del tanque encendida
(S1)
• Estado de la resistencia del tanque apagada
(S2)
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)
Coeficiente de Convención del fluido (H)
Área normal del flujo de calor (A)
14.72kg
32.76 kcal / m2 s °C
0.36308m2
Según lo anterior, el valor para la resistencia
R es (4):
De acuerdo a los datos obtenidos, se determina que la capacitancia C es (5):
El valor de flujo de calor, que provoca la resistencia, 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):
C. AUTÓMATA FINITO
En el diseño del autómata finito se crean los
dos estados en los que se desea que esté el sistema. Se considera que el autómata empieza a funcionar 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. Cuando la variable alcanza un valor de 75ºC, el sistema
cambia al estado S2, la resistencia se apaga y, por
ende, la ecuación del comportamiento corresponde 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 almacenamiento.
Para la simulación del autómata, se usa Chart,
es una herramienta de la librería de Simulink de
Matlab ® que permite la simulación de los estados, como se muestra en la Fig. 5.
En el bloque de funciones (off/on) se introdujeron las ecuaciones de la parte continua que están en función de
, se integran por medio del
bloque .
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Fig. 5. MODELADO DE AUTÓMATA FINITO
D. CONTROL PID
De acuerdo con el modelo de la parte continua, se realizó el control PID del sistema térmico,
cuya función de transferencia se muestra en la
ecuación (10)
En el bloque de Chart en la Fig. 6 se introduce
el autómata y se evalúa si el estado es encendido
o apagado.
Se obtuvieron las siguientes constantes en 11:
kp=15
ki=0,6
(11)
kd=1,6
Se simuló en la misma herramienta. Observar
Figura 8.
Fig. 8. CONTROLADOR PID MODELADO EN SIMULINK DE MATLAB ®
Fig. 6. BLOQUE DE CHART
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
La respuesta del sistema térmico con el control de autómatas finitos se observa en la Fig. 7.
Fig.7. SISTEMA CONTROLADO POR AUTÓMATAS FINITOS
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 programación VHDL. En este sistema es necesario realizar
una secuencia para programar el sistema embebido que se muestra en el Diagrama 1.
Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya,
Aviles
DIAGRAMA 1. SECUENCIA DE DISEÑO EN FPGA
133
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 utiliza. Ver Fig. 11.
Fig. 11 SÍNTESIS DE PROGRAMA
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 complejo 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 diseñados más simples. En la práctica, el diseño usa
generalmente ambas metodologías [13].
Los datos procedentes del tanque de almacenamiento 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 resistencia térmica. También se añadió 3 vectores: el primero, recepción de la señal digital del conversor,
el segundo y el tercero se declaran como salidas,
para visualización de la temperatura a todo instante, en un display de 7 segmentos.
Fig. 10. CONVERSOR ADC0804
Se procede a hacer la designación de los pines, con Pin Planner (Ver Fig. 12), que permite direccionar 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 resistencia debe encenderse.
Fig. 13. EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE PINES EN PIN PLANNER
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Luego se enruta los pines anteriormente seleccionados, y se genera los archivos con los que se
va programar el sistema embebido. Una vez realizado 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.
optimizados para resolver un problema en específico.
IV REFERENCIAS
[1]
Zhang Si-Bing, Chen Jie, Wang Ya. “A formal verification method of hybrid system and simulation”, in Proc.
3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology (ICCSIT). Conf., pp.
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[2]
R. Alur, T. Henzinger, G. Lderriere, and G. Pappas. Discrete 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, Proceedings of the 2002. Conf., pp 140-147.
[4]
Fourlas F., Kyriakopoulos K., Vournas C. “Hybrid system 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. Matemática Discreta: Con aplicaciones a las ciencias de la programación 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, España, Ed. ADDISON-WESLEY; 2002.
[8]
CRUZ B., LARA E. Control híbrido de un sistema electromecánico de llenado de botellas. En Congreso Nacional de Control Automático A.M.C.A, Universidad Autónoma 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”, Revista 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 Bretaña, Ed. Palgrave Foundations, 2003.
[13]
Alonso F., Martínez L., Segovia F. Introducción a la Ingeniería del Software: Modelos de desarrollo de programas, España, Ed. Delta Publicaciones, 2005.
Fig. 14. FPGA EN FUNCIONAMIENTO
IV. CONCLUSIONES
La representación del proceso se realizó, teniendo en cuenta la interacción de la dinámica
continua y la dinámica a través de eventos, utilizando 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 implementación 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 estado 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
Instrucciones a l os a utores
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en fuente Arial, Tamaño 7.
Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution system protection,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.
Libros
Autor, 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 utilizarlas en el título y el resumen. El término completo representado por la abreviatura debe preceder dicha
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Concerning the punctuation
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Colons are written immediately after the word, followed by a space and the text begins with small letters.
Concerning the physical requirements of the article: (see template from ITECKNE magazine)
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and right, 25 mm.
The document must be in two-column format with a central space of 4.3 mm (see template in Iteckne
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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 paragraph.
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references must go in Arial 7, in the lower part of the figure or table, left tab.
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square brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal):
140
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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.
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