DIRECTIVOS Fr. Faustino Corchuelo Alfaro, O.P. Rector Fr. Guillermo León Villa Hincapié, O.P. Vicerrector Académico Fr. Fernando Cajicá Gamboa, O.P. Decano División de Ingenierías y 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: • • • • Índice Bibliográfico Nacional - PUBLINDEX Sistema regional de información en línea para revistas científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal. - LATINDEX EBSCO Publishing Índice Actualidad Iberoamericana - CIT Cadaartículoesresponsabilidaddesuautorynoreflejalaposicióndelarevista.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 E-mail: [email protected] - [email protected] Bucaramanga - Santander DIRECTIVOS Fr. Faustino Corchuelo Alfaro, O.P. Rector Fr. Guillermo León Villa Hincapié, O.P. Vicerrector Académico Fr. Fernando Cajicá Gamboa, O.P. Decano División de Ingenierías y 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: • • • • Índice Bibliográfico Nacional - PUBLINDEX Sistema regional de información en línea para revistas científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal. - LATINDEX EBSCO Publishing Índice Actualidad Iberoamericana - CIT Cadaartículoesresponsabilidaddesuautorynoreflejalaposicióndelarevista.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 E-mail: [email protected] - [email protected] Bucaramanga - Santander 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. [email protected] 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 [email protected] 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 [email protected] 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. 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. [2] C. Luis, Q. River, C. César, L. Liñán. Wild: Wifi based Long Distance. Lima, Pontificia Universidad Católica del Perú, 2009, 180 p. [3] 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, pp.1359-1372, October 2010. [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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21 [9] [10] [11] [12] T, Daniele, G, Alessandro Stefanelli, Riccardo, F. Benedetta, C. Fluvio, Reliability and scalability analysis of Low cost long distance IP-Based wireless networks, innovations for digital inclusion ITU-T Kaleidoscope event, Mar del Plata, 2009. T. Daniele, G. Alessandro, Stefanelli, Riccardo, F. Benedetta, V. Piergiorgi, Performance of Low Cost Radios in the Implementation of Long Distance Wireless Links, iXem Labs, Politecnico di Torino, Italy, 2008. T. Daniele, G. Alessandro Stefanelli, Riccardo, F, Benedetta, C. Fluvio, An independent, Low Cost and Open Source Solution for the realization of wireless links over huge multikilometric Distance, p.495-498, IEEE Radio and Wireless Symposium, 2008. K. P., Rabin. Multi-Tier Network Architecture for Long Distance Rural Wireless Networks in Developing Regions. California, 2009, Trabajo de grado (Ph.D. en filosofía en ciencias de las computación). University of California at Berkeley, Electrical Engineering and Computer Science. Transactions on Mobile Computing, p. 15, Vol. 9, No. 6, 2010. [22] K. Chebrolu, B. Raman, S. Sen. Long-Distance 802.11b Links: Performance Measurements and Experience. In ACMMOBICOM, 2006. [23] D . Aguayo, J. Bicket, S. Biswas, G. Judd, and Robert M. Link-level Measurements from an 802.11b Mesh Network. In SIGCOMM, Aug 2004. [24] P. Barsocchi, G. Oligeri y F. Potorti. Frame error model in rural Wi-Fi networks. IEEE Transactions on wireless communications, Marzo 2009. [25] P. Guangyu and T. Henderson, Validation of ns-3 802.11b PHY model. Boeing Research and Technology, The Boeing Company, MAY 2009. [26] M. B. Pursley, Fellow, IEEE, and T. C. Royster IV, Properties and Performance of the IEEE 802.11b Complementary-Code-Key Signal Sets, IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 57, NO. 2, FEBRUARY 2009. [13] S. Anmol, N. Sergiu, P. Rabin, S. Sonesh, BREWER, Eric, S. Lakshminarayanan. Packet Loss Characterization in WiFi-based Long Distance Networks, Universidad de California Berkeley, Universidad de Colorado, Universidad de Nueva York, IEEE INFOCOM, 2007, pp 312-320. [27] M. Kwiatkowska, G. Norman and J. Sproston. Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wireless Local Area Network Protocol. In H. Hermanns and R. Segala (editors) Proc. PAPM/PROBMIV’02, volume 2399 of Lecture Notes in Computer Science, pages 169-187, Springer. July 2002. [14] R. A. Andrade, P. H Salas, D. S. Paredes, “Tecnología Wi-Fi”, Argentina, 2008 pp. 1–116. [28] [15] I. 802.11-2007, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Rev. 2007, technical report, IEEE CS, 2007. N. Sandra Salmerón, Parametrización de IEEE 802.11e EDCA para la priorización del tráfico VoIP en redes extensas para zonas rurales de países en vías de desarrollo, Madrid, trabajo de grado Máster, Universidad Rey Juan Carlos, ETSI de Telecomunicación, 2007. [16] Excerpts from FCC Rules part 15 relative to “Unlicensed Spread Spectrum radio systems” believed to be current as of July 23, 1996. [29] W. Grote, C. Ávila y A. Molina. Análisis de máximo desempeño para un WLAN operando a tasas fijas o adaptativas usando el estándar IEEE802.11a/b/g. Ingeniare. Rev. chil. ing. 2007, Vol.15, No.3, pp. 320-327. [17] P. Caleb, S. Douglas, G. Dirk, The Stability of The Longley-Rice Irregular Terrain Model for Typical Problems, University of Colorado at Boulder, 2011. [30] [18] G. A. Hufford, A. G. Longley, W. A. Kissick, “A guide to use of the ITS irregular terrain model in the area prediction mode,” U.S. Dep. Commerce, Boulder, CO, NTIA Rep. 82-100, Apr. 1982. S. Delgadillo, D. Guzmán, A. Muller y W. Grote. Análisis experimental de un ambiente Wi-Fi multicelda. Rev. Fac. Ing. - Univ. Tarapacá [online]. 2005, Vol.13, No.3, pp. 45-52. ISSN 0718-1337. [31] P. Rabin, N. Sergiu, S. Sonesh, S. Anmol, S. Lakshminarayanan, Eric. Brewer. WiLDNet: Design and Implementation of High Performance WiFi Based Long Distance Networks, TIER Group, Universidad de California Berkeley, Universidad de Colorado, Universidad de Nueva York, Boulder, 2007. [32 G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function,” IEEE J. Selected Areas in Comm, Vol. 18, No. 3, pp. 535-547, Mar. 2000. [33] G. Bianchi and I. Tinnirello, “Remarks on IEEE 802.11 DCF Performance Analysis,” IEEE Comm. Letters, vol. 9, no. 8, pp. 765-767, Aug. 2005. [19] T. S. Rappaport, Wireless Communications Principles and Practice, 2th. Ed., Prentice Hall, New Jersey, pp. 70-71, 2002. [20] Fabricante de Radios Wi-Fi IEEE802.11 Ubiquity Networks, (online), citado en abril 2011, Disponible en: <http://ubnt.com/>. [21] F. J. Simo Reigadas, A. Martínez Fernández, F. J. Ramos-López, J. Seoane-Pascual, Modeling and Optimizing IEEE 802.11 DCF for Long-Distance Links”, IEEE Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz [34] M. Kwiatkowska, G. Norman and J. Sproston. Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wireless Local Area Network Protocol. In H. Hermanns and R. Segala (editors) Proc. PAPM/PROBMIV’02, Vol. 2399 of Lecture Notes in Computer Science, pages 169187, Springer. July 2002. [35] D. K. Puthal y B. Sahoo, A Finite State Model for IEEE 802.11 Wireless LAN MAC DCF, Emerging Trends in Engineering & Technology, International Conference on, pp. 258-263, First International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, 2008. [36] R. P. Keith, G. Jared,How to Guide on JPerf and IPerf, Wireless LAN profesionals 2011. 21 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 [email protected] Gerardo Granados Acuña Esp. en Telecomunicaciones, Universidad Autónoma de Bucaramanga Docente Auxiliar ECBTI- UNAD [email protected] 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 24 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32 la relación entre los factores y la respuesta, con la finalidad de comprender mejor cómo es la 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 26 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32 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 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 [1] S. M. Kumar, S. Nutan, and J.K. Diwedi, “Power Line Communication: A Survey”. International Conference On Recent Trends in Engineering, Technology & Management, Bundelkhand Institute of Engineering & Technology, Jhansi, India. Feb. 27, 2011. [2] HomePlug 1.0 Specification, HomePlug Power line Alliance, Jun. 2001. [3] G. Held, “Understanding Broadband over Power Line”, cap.1, Ed. Auerbach Publications, 2006. [4] N. Pavlidou, A.J. Han Vinck, and J. Yazdani, “Power Line Communications: State of the Art and Future Trends”, IEEE Communications Magazine, vol. 41, no. 4, pp. 34-40, Apr. 2003. [5] Yousuf S., El-Shafei M., “Power Line Communications: An Overview - Part I.” Proc. of the 4th International Conference on Information Technology, Dubai, pp 218-222, Nov. 2007. [6] X. Carcelle, “Power Line Communications in practice”, cap. 11, Boston, Ed. Artech House, 2006. [7] D.C. Montgomery, “Diseño y Análisis de Experimentos”. Ed. México, Limusa-Wiley, 2003. [8] R. Martínez y N. Martínez, “Diseño de Experimentos Análisis de datos estándar y no estándar”, Bogotá D.C., Ed. Universidad Nacional de Colombia, 1997. [9] R.O. Kuehl, “Principios estadísticos para el diseño y análisis de investigaciones”. México. Ed.Thompson, 2006. [10] W. Moreno, “Aplicaciones al diseño y análisis de experimentos”. Bucaramanga, Ediciones UIS, 2002. 31 32 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32 [11] H. Gutiérrez, “Análisis y diseño de experimentos”, Ed. México, McGraw-Hill, 2008. [12] J. Misurec and M. Orgon, “Modeling of Power Line Transfer of Data for Computer Simulation”, International Journal of Communication Networks and Information Security (IJCNIS), vol. 3, no. 2, 104-111, Aug. 2011. [13] 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 [email protected] [email protected] 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 [email protected] [email protected] Diego Fernando Salgado Castro Ingeniero Electrónico Universidad del Quindío Grupo GITUQ [email protected] 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. REFERENCES [1] Oleg I. Sheluhin, Sergey M. Smolskiy, Andrey V. Osin. (2007). SELF-SIMILAR PROCESSES IN TELECOMMUNICATION. John wiley & sons, ltd. [2] Villy B. Iversen (2001). TELETRAFFIC ENGINEERING HANDBOOK. Technical university of Denmark [3] Jeremiah F. Hayes, Thimma V. J. Ganesh Babu. (2004). MODELING AND ANALYSIS OF TELECOMUNICATIONS NETWORKS. John wiley & sons, inc, Hoboken, New jersey. [4] Xiao-hu Ge, Yang Yang, Cheng-Xiang Wang, YingZhuang Liu, Chuang Liu, Lin Xiang (2009) “Characteristics analysis and modeling of frame traffic in 802.11 wireless networks,” John Wiley& Sons, Ltd. [5] G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE 802.111Distributed Coordination Function,” IEEE Journal on SelectedAreas in Communications, Vol. 18, No. 3, March 2000. [6] Y.C. Tay and K.C. Chua, “A Capacity Analysis for the IEEE802.11 MAC Protocol,” Wireless Networks 7, 159171, March2001. [7] B. Bellalta, M. Oliver, M. Meo and M. Guerrero (2005) “A Simple Model of the IEEE 802.11 MAC Protocol with Heterogeneous Traffic Flows,” Belgrade, Serbia and Montenegro. [8] Ken Duffy, David Malone, and Douglas J. Leith, (2005) “Modeling the 802.11 Distributed Coordination Function in Non-Saturated Conditions,” IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, VOL. 9, NO. 8. 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, Salgado [9] Georges Fiche & Gerard Hebuterne (1988) “Communicating Systems & Networks: Traffic & Performance,”London and Sterling, VA. [10] Walter Grote H. Claudio Ávila C. Alexis Molina B. (2007) “ANÁLISIS DE MÁXIMO DESEMPEÑO PARA WLAN OPERANDO A TASAS FIJAS O ADAPTIVAS USANDO EL ESTÁNDAR IEEE 802.11 a/b/g,” Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 15 Nº 3. [11] Evelio Astaiza Hoyos, Héctor Fabio Bermúdez, Pablo Andrés Gutiérrez (2007) “Simulación De Sistemas De Telecomunicaciones”, Ed Padilla Bejarano, Ferney ISBN: 978-958-44-2583-6 V, 300 page, 150 [12] Ulf Lamping, Richard Sharpe, and Ed Warnicke (2004) “Wireshark User’s Guide,” 35094 for Wireshark 1.4 [13] Dimitrios P. Pezaros, Manolis Sifalakis, and David Hutchison “On the Long-Range Dependent Behavior of Unidirectional Packet Delay of Wireless Traffic,” Lancaster, UK [14] Arcadio Reyes Lecuona, (2001) “MODELADO DE TRÁFICO DECLIENTES WWW” universidad de Málaga [15] P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997 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 [email protected] 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 [email protected] 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 45 46 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51 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]. 47 48 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51 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- 49 50 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51 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. nications, 2008 (PIMRC 2008), IEEE, pp. 1-5, Sep. 2008. [8] C. S. Lee, “IPTV over Next Generation Networks in ITUT”, in Proc. 2nd IEEE/IFIP International Workshop on Broadband Convergence Networks (BcN’07), IEEE, pp. 1-18, May. 2007. [9] E. Mikoczy, “Next generation of multimedia services NGN based IPTV architecture”, in Proc. 15th International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP 2008), IEEE, pp. 523-526, Jun. 2008. [10] ITU-T Rec. Y.1910, “IPTV functional architecture,” Sep. 2008. [11] ITU-T Rec. Y.2001, “General overview of NGN,” Dec. 2004. [12] ETSI TS 182 028 V3.5.1, “NGN integrated IPTV subsystem Architecture,” Feb. 2011. [13] ETSI TS 182 027 V3.5.1, “IPTV Architecture; IPTV Functions Supported by the IMS Subsystem,” Mar. 2011. [14] M. Volk, J. Guna, A. Kos and J. Bester, “Quality-Assured Provisioning of IPTV Services within the NGN Environment,” IEEE Communications Magazine, vol. 46, No. 5, pp. 118-126, May. 2008. [15] E. Mikoczy, D. Sivchenko, E. Xu and J. Moreno. “IPTV Services over IMS: Architecture and Standardization,” IEEE Trans. Communications Magazine, vol. 46, No. 5, pp. 128-135, May. 2008. [16] M. A. Qadeer and A. H. Khan, “Multimedia Distribution over IPTV and its Integration with IMS”, in Proc.2010 International Conference on in Data Storage and Data Engineering (DSDE 2010), IEEE, pp. 101-105, Feb. 2010 [17] Y. Sun, Y. Dong, Z. Zhao, X. Wen, and W. Zheng, “Enhanced Multimedia Services Based on Integrated IMSMBMS Architecture in LTE Networks,” in Proc. 2010 6th International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), pp. 1-5, Sep. 2010. [18] 3GPP TS 26.346 V10.2.0, “Multimedia Broadcast/ Multicast Service (MBMS); Protocols and codecs,” Nov. 2011. [19] S. Park, S. Jeong, C. Hwang and M. El Zarki, “Mobile IPTV: Approaches, Challenges, Standards, and QoS Support,” IEEE Trans. Internet Computing, vol. 13, no. 3, pp. 23-31, May 2009. [20] O. Oyman, J. Foerster, T. Yong-joo and L. Seong-Choon, “Toward enhanced mobile video services over WiMAX 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. REFERENCIAS [1] Analysys Research, “Global Mobile Broadband: Market potential for 3G LTE (Long Term Evolution),” p. 93, Jan. 2008. [2] Cisco Systems, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011–2016,” p. 29, Feb. 2012. [3] O. Oyman, J. Foerster, Yong-joo Tcha, and Seong-Choon Lee, “Toward enhanced mobile video services over WiMAX and LTE,” IEEE Trans. Communications Magazine, vol. 48, no. 8, pp. 68-76, Aug. 2010. [4] M. Schwalb, iTV Handbook: Technologies and Standards, Ed. Prentice Hall, 2003. [5] ITU Press, “ITU Paves the Way for Next-Generation 4G Mobile Broadband Technologies,” ITU, Oct. 2010. Available: http://www.itu.int/net/pressoffice/press_releases/2010/40.aspx. [6] M. Baker, “LTE-Advanced Physical Layer,” in Proc. IMTAdvanced Evaluation Workshop, 3GPP, Beijing, pp. 1 -48, Dec. 2009. [7] I. Siomina and S. Wanstedt, “The Impact of QoS Support on the End User Satisfaction in LTE Networks with Mixed Traffic,” in Proc. IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Commu- Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos [21] A. Al-Hezmi, Y. Rebahi, T. Magedanz and S. Arbanowski, “Towards an interactive IPTV for mobile subscribers,” in Proc. International Conference on Digital Telecommunications, IEEE, Francer, pp. 1-45, Aug. 2006 [36] 3GPP TS 23.401 V10.8.0, “General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access”, Jul. 2012 [22] J. Goldberg and T. Kernen, “Network structures - the Internet, IPTV and QoE”, EBU Technical Review, pp. 1-11, Oct. 2007 [37] 3GPP TS 23.228 V11.3.0, “IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2,” Dec. 2011. [23] FG IPTV-ID-0025, “Overall definition and description of IPTV in the business role model,” ITU-T, p. 4, Jul. 2006. [38] [24] C. Palau, J. Martinez-Nohales, J. Mares, B. Molina and M. Esteve. “On mobile video streaming IPTV,” in Proc. 10th International Conference on Telecommunications, IEEE, pp. 457-462, Jun. 2009. D. Durán, R. Cerón, J. Arciniegas, “Architecture for the Support of the Video on Demand Service for Virtual Academic Communities on IPTV”, in Proc. 2011 6th Colombian Computing Congress (CCC), IEEE, pp. 1-7, May. 2011. [39] Osiatis, “ITIL V3 Gestión de servicios de TI”, 2010, Available: http://itilv3.osiatis.es/itil.php [40] Alcatel Lucent, “LTE Evolved Packet System Architecture,” 2011. Available: http://lte.alcatel-lucent.com/ locale/en_us/downloads/ LTE_poster.pdf. [41] 3GPP TS 23.203 V11.4.0, “Policy and charging control architecture,” Dec. 2011 [42] R. J. Vale, H. Viswanathan, “eMBMS for More Efficient Use of Spectrum,” Technology and Research E-Zine, Alcatel-Lucent, Nov. 2011. Available: http://www2. alcatel-lucent.com/blogs/techzine/ 2011/embms-formore-efficient-use-of-spectrum/ [43] R. Gomes, F. Álvarez, F. Casadeball, R. Ferrús, J. Pérez and O. Sallent, LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles, Fundación Vodafone, 2010. [25] ITU-T FG IPTV-ID-0026, “Classifications of IPTV Service and Its Meaning,” Jul. 2006. [26] S. Zeadally, H. Moustafa and F. Siddiqui, “Internet Protocol Television (IPTV): Architecture, Trends, and Challenges,” IEEE Trans. Systems Journal, vol. 5, no. 4, pp. 518-527, Dec. 2011. [27] J. Kim, T. Um, W. Ryu, B. Lee y M. Hahn, “Heterogeneus Networks and Terminal-Aware QoS/QoE-Guaranteed Mobile IPTV Service”. IEEE Communications Magazine, vol. 46, no. 5, pp. 110-117, May. 2008. [28] J. Liu, S. G. Rao, B. Li, and H. Zhang, “Opportunities and challenges of peer-to-peer internet video broadcast,” in Special Issue on Recent Advances in Distributed Multimedia Communications, IEEE, 2007, pp. 11-24. [29] F. Sandu, S. Cserey and E. Mile-Ciobanu, “Simulating of LTE Signaling,” Advances in Electrical and Computer Engineering, AECE, vol. 10, no. 2, pp. 108-114, May. 2010. [30] 3GPP TS 36.300 V10.6.0, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2,” Dec. 2011. [31] 3GPP TS 24.301 V11.1.0, “Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3,” Dec. 2011. [32] 3GPP TS 36.331 V10.4.0, “E-UTRA; Radio Resource Control (RRC) Protocol specification,” Dec. 2011. [33] 3GPP TS 36.323 V10.1.0, “E-UTRA; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification,” Mar. 2011. [34] 3GPP TS 36.322 V10.0.0, “E-UTRA; Radio Link Control (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 [email protected] Leidy Andrea Ruiz Rodríguez Ingeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia Joven Investigador Grupo InnovaTIC, Universidad Piloto de Colombia [email protected] Óscar Elías Herrera Bedoya Doctor en Telecomunicaciones, Universidad Politécnica de Valencia Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC, Universidad Piloto de Colombia [email protected] 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. 53 54 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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 55 56 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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 57 58 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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, Herrera 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. 59 60 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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 [1] 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] BPMN, Documents Associated with Business Process Model and Notation (BPMN) Version 2.0. Julio 2012. [Online]. Disponible en: http://www.bpmn.org/. [4] BPMN Elements and Attributes V4. Julio 2012. [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. [9] Workflow Management Coalition (WfMC). Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.wfmc.org/ . 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 [10] Jon Puke. XPDL – The silent Workhouse of BPM P1.Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.wfmc.org/Published-Research/Article/ View-category.html. [11] BPD, Catalog of Business Modeling and Management Specifications. Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.omg. org/technology/documents/br_pm_spec_catalog.htm [12] Process Definition Interface- XML Process Definition Language, Package Meta Model. Workflow Management Coalition (WfMC). P 14.Julio 2012. [Online]. Disponible en :http:// www.wfmc.org/. [13] Appian, Appian BPM Suite: Mobiles. Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.appian. com/bpm-software/bpm-components/mobile-bpm. jsp. [14] S. A. White, XPDL and BPMN, Future Strategies Inc. WFMC, P 222. Octubre 26 2011. [Online].Disponible en: http://www.bpmn.org/ Documents/XPDL_BPMN. pdf. [15] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parser for Your iPhone Project. Disponible en: http://www. raywenderlich.com/553/how-to-chose-the-best-xmlparser-for-your-iphone-project. Noviembre 25 2011. [16] Apple Inc. Plist Mac OS X. Noviembre 30 2011. [Online]. Disponible en: http://developer. apple.com/library/mac/#documentation/Darwin/Reference/Manpages/man5/plist.5.html. [17] Apple Inc. Plist Mac OS X Noviembre 30 2011. [Online]. Disponible en: http://developer. apple.com/library/mac/#documentation/Darwin/Reference/Manpages/man5/plist.5.html. [18] W3School. XPath Tutorial. Agosto 2011. [Online].Disponible en: http://www.w3schools. com/xpath/ [19] F. Roberto. Algoritmos, estructuras de datos. Programación orientada a objetos. Ecoe ediciones 2005. Bogotá p. 273. [20] BizAgi, BizAgiModeler. Noviembre 25 2011. [Online]. Disponible en: http://www.bizagi.com/ [21] Xcode. Developer tolos. Julio 2012 [Online]. Disponible en: https://developer.apple.com/ technologies/tools/. [22] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parser for Your iPhone Project. Noviembre 2011. [Online]. Disponible en: http://www. raywenderlich.com/553/howto-chose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project. [23] Apple, iTunes. Diciembre 2 2011. [Online]. Disponible en: http://www.apple.com/es/itunes/. [24] BPMN. OMG, Object Managment Group. Business Process Modeling Notation. Agosto 2011. [Online].http:// www.bpmn.org/ [25] D. Meza, L. Ruiz. Aplicación en entornos móvil para el modelamiento de procesos de negocio. Universidad Piloto de Colombia. Julio 2012. 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 [email protected] Camilo Andrés Ramírez Prieto Estudiante de Ingeniería Electrónica, Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia [email protected] 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 [email protected] [email protected] 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 63 64 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 65 66 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. 67 68 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. 69 70 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71 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. [1] N. Arias, J. Meneses, y M. Suárez, “Medida de la Orientación, Posición y Desplazamiento en el Plano de un Objeto por Codificación de Fase, ”Bistua: Revista de la Facultad de Ciencias Básicas, Vol. 7, No.. 2, pp. 1-8, julio – diciembre, 2009. [2] N. Arias, Reconstrucción 3D a manos libres: Estrategia de posicionamiento global, Tesis Doctoral, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, COLOMBIA. 2010 [3] N. Reina, Análisis Teórico – Experimental de un Sistema de Franjas Radiales: Aplicaciones en Posicionamiento Global de un Objeto, Tesis pregrado, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia. 2010. [4] M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi,“Fourier-transform method of fringepattern analysis for computer-based topography and interferometry”, J. Opt. Soc. Am.,vol. 72, pp. 156-160, 1982. [5] Z. Pérez, L. Romero,Sistema Óptico de Reconstrucción Tridimensional para la detección de Ampollas en Recubrimientos, Tesis Pregrado, Universidad Industrial de Santander, 2004. [6] Q. Kemao, “Windowed Fourier transform for fringe pattern analysis,” Applied Optics, vol. 43, pp. 2695–702, 2004. [7] Q. Kemao, “Two-dimensional windowed Fourier transform for fringe pattern analysis: Principles, applications and implementations,” Optics and Lasers in Engineering, vol. 45, pp.304–17, 2007. 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 [8] Z. Wang Z andH. Ma, “Advanced continuous wavelet transform algorithm for digital interferogram analysis and processing,” Optical Engineering, Vol. 45, pp. 045601, 2006. [9] P. Sandoz, “Wavelet transform as a processing tool in white-light interferometry,” Optics Letters, Vol. 22, pp. 1065–1067, 1997. [10] L. Oriat and E. Lantz, “Subpixel detection of the center of an object using a spectral phase algorithm on the image”, Pattern Recognition, Vol. 31, No. 6, pp. 761771, June 1998. [11] J. Meneses, T. Gharbi and P. Humbert, “Phase Unwrapping algorithm for images with high noise content basedon a local histogram,” Appl. Opt. vol. 44, No. 1, pp. 1207-15,2005. 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 [email protected] Carolina Guzmán Luna Bacterióloga PhD, Universidad Industrial de Santander Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia [email protected] Humberto Escalante Hernández Ingeniero Químico PhD Industrial de Santander Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia [email protected] 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]. [1] P. Barrera, X. Salas, L. Castro, C. Ortiz and H. Escalante, “Estudio preliminar de la bioproducción de metano a partir de los residuos del proceso de beneficio del fique”, (Preliminary study for methane bioproduction fromthewastegeneratedinthefiqueproduction).Revista Ion, vol. 22, n°1, pp. 21-25, 2009. [2] C González, León and P. A. García, “Different pretreatments for increasing the anaerobic biodegradability in swine manure”, Bioresource Technology, vol. 99, n° 18, pp. 8710–8714, 2008. [3] A.T.W.M. Hendriks and G. Zeeman, “Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass”, Bioresource Technology, vol. 100, n° 1, pp. 10–18, 2009. [4] S. Prasad, A. Singh and H.C. Joshi, “Ethanol as an alternative fuel from agricultural, industrial and urban residues”, Resources, Conservation and Recycling, vol. 50, n°1, pp. 1-39, 2007. [5] C. Sullivan, P. Burrell, W. Clarke and L. Blackall, “Comparison of cellulose solubilisation rates in rumen and landfill leachate inoculated reactors”, Bioresource Technology, vol. 97 n°18, pp. 2356-2363, 2006. [6] I. M. Buendía, F. J. Fernández, J. Villaseñor and L. Rodríguez, “Feasibility of anaerobic co-digestion as a IV. CONCLUSIONS Particle-size reduction has been the most commonly used factor to describe the increase in substrate surface area resulting from a pre-treatment [25]. Pretreatment proved to be suitable for appli- Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante implications in dairy cattle. Methods for Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition”, Symposium, Journal of Dairy Science, vol.74, n°10, pp. 35833597, 1991. treatment option of meat industry wastes”, Bioresource Technology, vol. 100, n°6, pp. 1903-1909, 2009. [7] [8] [9] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi and B. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisal pulp and fish wastes”, Bioresource Technology, vol. 95, n°1, pp. 19-24, 2004. [18] G. Miller, “Use of DinitrosaIicyIic Acid Reagent for Determination of Reducing Sugar”. Analytical Chemistry, vol. 31, n°3, pp. 426-428,1959. [19] G. K. Anderson and G. Yang, “Determination of bicarbonate and total volatile acid concentration in anaerobic digesters using a simple titration”, Water Environment Research 64, pp. 53–59, 1992. [20] S. Kusch, H. Oechsner and T. Jungbluth, “Biogas production with horse dung in solid-phase digestion systems”. Bioresource technology, vol. 99, n°5, pp. 1280-1292, 2007. [21] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio de la etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz”, (Study of the hydrolytic stage of anaerobic degradation of starch in corn residue), Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Departamento de Procesos Químicos, Biotecnológicos y Ambientales, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004. [22] V. Vavilin, B. Fernandez, J. Palatsi and X. Flotats, “Hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic material: An overview”, Waste Management, vol. 28, n° 6, pp. 939-951, 2008. [23] D. J. Hills and K. Nakano, “Effects of particle size on anaerobic digestion of tomato solid wastes”, Agricultural wastes, vol. 10, n°4, pp. 285-295, 1984. G. Lettinga, S. Rebac and G. Zeeman, “Challenge of psychrophilic anaerobic wasterwater treatment”, Trends in Biotechnology, vol. 19, n°9, pp.363-370, 2001. [24] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi and B. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisal pulp and fish wastes”. Bioresource Technology. Vol.95, n°1, pp. 19-24. 2004. L.M. Palmowski and J.A. Müller, “Anaerobic degradation of organic materials - significance of the substrate surface area”, Water Science & Technology, vol.47, n°12, pp.231-238 2003. [25] M. Carlsson, A. S. Lagerkvist, F. Morgan Sagastume. “The effects of substrate pre-treatment on anaerobic digestion systems: A review”. Waste Management, vol 32, n° 9, pp. 1634-1650. Z.B. Yue, H.Q. Yu, H. Harada and Y.Y. Li, “Optimization of anaerobic acidogenesis of an aquatic plant, Canna indical by rumen cultures”, Water Research, vol. 41, n°11, pp. 2361-2370, 2006. R. Chamy, O. Cofré, D. Alcazar and P. Chinga, “Codigestión de RSU y lodos aerobios residuales, como alternativa a procesos de tratamiento tradicionales”, (Co-digestion of MSW and aerobic waste sludge as an alternative to traditional treatment processes), Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental 1-7, 2002. [10] S. Rebac, J. Ruskova, S. Gerbens, J. Van Lier, A. Stams and G. Lettinga, “High-Rate Anaerobic Treatment of Wastewater under Psychrophilic Conditions”, Journal of Fermentation and Bioengineering, vol.47, n°12, pp. 231-238, 1995. [11] A. J. Ward, P.J. Hobbs, P.J. Holliman and D. Jones, “Optimization of the Anaerobic Digestion of Agricultural Resources”, Bioresource Technology, vol. 99, n°17, pp. 7928–7940, 2008. [12] [13] [14] S. Sharma, I. Mishra, M. Sharma and J. Saini, “Effect of particle size on biogas generation from biomass residues”,Biomass y Bioenergy, vol.17, n° 4, pp. 251263, 1988. [15] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio de la etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz”, (Study of the hydrolytic stage of anaerobic degradation of starch in corn residue), Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Departamento de Procesos Químicos, Biotecnológicos y Ambientales, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004. [16] Guía ambiental del subsector fiquero, (Environmental Guide fique’s Subsector), Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Colombia, edición 2, pp. 21-58, 2006. [17] P.J. Van Soest, J.B. Robertson and B.A. Lewis, “Carbohydrate methodology, metabolism, and nutritional 77 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 [email protected] Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D Proffessor, Chemical Engineering, UIS [email protected] Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc Assistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTA [email protected] 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. REFERENCES [1] [2] Centro Nacional de Producción más Limpia y Tecnologías Ambientales. CNPMLTA. ¨Proyecto Gestión Ambiental en la Industria de Curtimbre. Manual Sectorial Ambiental¨. Febrero de 2004. Medellín. Colombia Disponible en internet: http://www.sirac.info/Curtiembres/html/Archivos/ Publicaciones/Manual.pdf. VERGARA, Marisol V. POIRRIER, Paola. TORRES, Rodrigo. Influencia del porcentaje de solidos totales y nutriente en la cinética de biodegradación de sustratos orgánicos. Centro de estudios e investigaciones ambientales (CEIAM). Universidad industrial de Santander y Colciencias. Octubre de 2009 Disponible en: http://ciia.uniandes.edu.co/ Simabiotpresent/DIA%201/7.%20Vergara.pdf. [3] Asociación Colombiana de Industriales de Calzado, el Cuero y sus Manufacturas. ACICAM. ¨Informe Sectorial Enero a diciembre de 2010¨ Febrero de 2011. Bogotá. Colombia. Disponible en internet: http://www.acicam. org/documents/comovaelsectorDICIEMBRE2010.pdf. [4] YEHUDA FRIEDMANN. Method of Producing A New Material From Waste Leather. U.S Patent Office # 2827413. Mar 18, 1958 [5] FRANK WOODRUFF. Artificial Leather Manufacture. U.S Patent Office # 1945173. Jan 30, 1934 [6] BEVAN, Graham, FORMATION OF SHEET MATERIAL USING HYDROENTANGLEMENT. United Kingdom Intellectual Property Office. WO/2001/094673,Dec 12, 2001 [7] J. YANIK, O.YILMAZ, I.C. KANDARLI, M.YUKSEL, M.SAGLAM. Conversion of leather waste to useful products. Resources, Conservation and Recycling.Vol.49, 436-448. (2007). [8] KINDLEIN W., ALVES L.H., SEADI GUANABARA A. Proposal of wet blue leather remainder and synthetic fabrics reuse. Journal of cleaner productions. 2007, P. 1-6 [9] United States Patent. Patent number 4, 287,252. DIMITER, S. Reconstituted leather and method of manufacture. Appl. 184,656. Sep 1, 1981 [10] US Patent Number 4,497,871. HENKE, E.W. Reconstituted leather and method of manufacturing same. Appl. 489,001. Feb 5, 1985 [11] World Intellectual Property organization International Bureau. Appl.No. 98/18863. DA FONTE, J. Process of recycling leather residues and Productions of composite materials. Appl. Pct. / pt97/00008. May 7, 1998 [12] United States Patent 5,958,554. ADDIE, B., FALLS, C. Reconstituted leather product and process. Appl. 08/658,682. Sep 28, 1999 [13] YILDIRIM ERBIL, H. 2008.Vinyl Acetate Emulsion Polymerization and Copolymerization whit Acrylic Monomers. Vinyl Acetate Copolymerization whit Acrylic Monomers. Recuperado de la base de la base de datos CRCnetBase [14] GEDDES, K. Polyvinyl and Ethylene Vinyl Acetates. En: PIZZI, A. MUTTAL, K.L. En: Handbook of Adhesives Technology. 2ª ed., New York. Cap. 35. Recuperado de la base de datos CRCnetBase. 2003. [15] KEIMEL, A. Historical Development of Adhesives and Adhesive Bonding. En: Handbook of adhesive Technology. 2ª ed., New York. Cap. 1. Recuperado de la base de datos CRCnetBase. 2003. 83 84 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84 [16] DAMICO Denis, J. Reactive Acrylic Adhesives. En: PIZZI, A. MUTTAL, K.L. Handbook of Adhesives Technology. 2ª ed., New York. Cap. 38. 2003. [17] MONTGOMERY, Douglas C. y RUNGER, George C. Applied statistics and probability for engineers. 3ª ed., Arizona. John Wiley & Sons Inc. 706p. 2003. [18] El portal del cuero. Disponible en: http://www.portaldelcuero.com/informa/informa04.asp. [19] SILVA Paulina. Propiedades físicas y químicas del cuero para calzado de seguridad. Tecnología en Marcha. Vol. 18-1, 2005. pp 37 - 47. [20] TURTON, Richard and others. Analysis, Synthesis and design of chemical processes. 3a ed. New Jersey, Prentice Hall. 1068p. 1998 [21] Entrevista telefónica: Polímeros y derivados. 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 [email protected] Mauricio Giraldo Orozco Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana Docente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica, Universidad Pontificia Bolivariana Medellín, Colombia [email protected] César Nieto Londoño Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana Docente e Investigador Grupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial, Universidad Pontificia Bolivariana Medellín, Colombia [email protected] 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 86 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 [1] B. Ramos-Alvarado, P. Li, H. Liu, A. Hernández-Gurerrero, “CFD study of liquid-cooled heat sinks with microchannel flow field configurations for electronics, fuel cells, and concentrated solar cells,” Applied Thermal Engineering, vol. 31, no 14, pp. 2494-2507,Oct. 2011. [2] T. L. Ngo, Y. Kato, K. Nikitin, T. Ishizuka, “Heat transfer and pressure drop correlations of microchannel heat exchangers with S-shaped and zigzag fins for carbon dioxide cycles,” Experimental Thermal and fluid Science, Vol. 32, No. 2, pp. 560- 570, Nov. 2007. [3] C. H. Li, P. Hodgins, C.N. Hunter, A.A. Voevodin, J.G. Jones, G.P. Peterson, “ Comparison study of liquid replenishing impacts on critical heat flux and heat transfer coefficient of nucleate pool boiling on multiscale modulated porous structures,” J. Heat and Mass Transfer, vol.54, pp. 3146-3155, May 2011. [4] Q. Yuan, R.A. Williams, N. Arvanti, “Innovations in high throughput manufacturing of uniform emulsions and capsules,” Advanced Powder Technologies, Vol. 21, No. 6, pp. 599-608, Nov 2010. [5] B.V. Antohe, J.L. Lage, D.C. Price, R.M. Weber, “Numerical characterization of micro heat exchangers using experimentally tested porous aluminium layers,” Int. J. Heat and Fluid Flow, vol. 17, no. 6, pp. 594-603, Dec 1996. [6] P.X. Jiang, M.H. Fan, G.S. Si, Z.P. Ren, “Thermal-hydraulic performance of small scale micro-channel and porousmedia heat exchangers,” Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 44. No. 5, pp.1039-1051, Mar 2001. [7] D. Trebotich,G. Miller, “Simulation of flow and transport at the micro (pore) scale,” 2nd International Conference on Porous Media and its Applications in Sience and Engineering,USA, 17-21 jun. 2007. [8] M.E. Vanegas, R. Quijada, D. Serafini, “Microporous membrane preparated via thermally induced phase separation from metallocenic syndiotactic polypropylenes,” Polymer, Vol. 50, No. 9, pp. 2081-2086, abr 2009. 94 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94 [9] S.L. Lee, J.H. Yang, “Modeling of Darcy-Forchheimer drag for fluid flow across a bank of circular cylinders,” Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol 40, No. 13, pp 3149-3155, Sep 1997. [10] C. Nieto, R. Mejía, J. Agudelo, “Dinámica de fluidos computacional aplicada al estudio de regeneradores térmicos,” DYNA, año 71, No. 143, pp. 81-93, Nov 2004. [11] L.A. Patiño, H.J. Espinoza, D. Suárez, “Convección de calor transitoria en el flujo de fluidos a través de lechos empacados,” Universidad, Ciencia y Tecnología, Vol. 9. No. 36, pp. 210-216, Dic 2005. [12] M. Giraldo, Y. Ding, R.A. Williams, “ Boundary integral study of nanoparticle flow behavior in the proximity of a solid wall,” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 41, No. 8, pp. 503 -512, 2008. [13] A. Faghri, Y. Zhang, J. Howell, Advance Heat and Mass Transfer, Global Digital Press, 2010, p. 956. [14] A. Bejan, Convection Heat Transfer 3rd ed., Wiley InterScience, New York, 1948. pp. 694. 15] S. Ergun, “Fluid flow through packed columns,” Chemical Engineering Progress, Vol. 48, No. 2, pp. 89-94, 1952._ 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 [email protected] 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 [email protected] 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 [email protected] 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 96 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. [12] Modelling of a downdraft biomass gasifierwith finite rate kinetics in the reduction zone. Roy PC, Datta A, Chakraborty N. s.l. : Int J Energy Res, 2009, Vol. v.33:51. REFERENCIAS [13] Modeling of smoldering process in porous biomass fuel rod. Roshmi A, Murthy J, Hajaligol M. s.l. : Fuel 2004, 2004, Vols. 83:1527–36. [14] Reed TB, Das A. Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. Colorado : Solar Energy Research Institute, 1988. [15] Steam gasification of biomass in a fluidised-bed of olivine particles. Rapagna S, Jand N, Kiennemann A, Foscolo PU. s.l. : Biomass Bioenergy, 2000, Vols. v.19:187–97. [16] Biomass gasification in a bubbling fluidized bed reactor: experiments and modeling. Radmanesh R, Chaouki J, Guy C. s.l. : AIChe J, 2006, Vol. v.52:72. [17] R, Rauch. Biomass gasification to produce synthesis gas for fuels and chemicals, report made for IEA Bioenergy Agreement. s.l. : Task 33: Thermal Gasification of Biomass, 2003. [18] Energy production from biomass (part 3): gasification technologies. P., McKendry. s.l. : Bioresour Technol, 2002, Vols. v.83:55–63. [19] Combustion and gasification in fluidized beds. P., Basu. Londres : Combustion and gasification in fluidized beds., 2006. [20] Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. P, McKendry. s.l. : BioresourTechnol, 2002, Vols. v.83:37–46. [21] National, Instruments. Legacy NI CompactDAQ Chassis. [En línea] 2011. http://sine.ni.com/nips/cds/ view/ p/lang/en/nid/202545. [22] Use of neural nets for dynamic modeling and control of chemical process systems. N.P. Bhat, T.J. McAvoy,. s.l. : Computers Chem. Engineering, 1990, Vols. 14-4. [23] Stassen HEM, Knoef HAM. Small scale gasification systems. Twente, Netherland : The Netherlands: Biomass Technology Group, University of Twente, 1993. Sustainable biomass power for rural India: Case study of biomass gasifier for village electrification. Centre for Sustainable Technologies, Indian Institute of Science. N. H. Ravindranath, H. I. Somashekar, S. Dasappa and C. N. Jayasheela Reddy. Bangalore, India : CURRENT SCIENCE, OCTOBER 2004, Vols. v87, NO. 7, 10 . [24] S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. Procesos de Gasificación de materiales orgánicos. Grupo de investigación en Mecanismos de desarrollo Limpio y gestión Energétic. Bogotá : Universidad Nacional de Colombia, Primera Edición, 2008. An assessment of a Biomass Gasification based Power Plant in the Sunderbans. Center For Development and Environment Policy,. Mukhopadhyay, K. Joka, India, Indian Institute of Management Calcutta : Biomass and Bioenergy, 2004, Vol. 27-pp.253 – 264. [25] Perspectiva de la Comisión Europea en la biomasa y la conversión termoquímica de residuos. Maniatis [1] Proceedings of the 8th International Conference on Machine Learning and Cybernetics: Kinetic model establishment and verification of the biomass gasification fluidised bed. Zhong LD, Mei WH, Hong Z. 2009. [2] Experimental investigation of a downdraft biomass gasifier. Zainal ZA, Rifau A, Quadir GA, Seetharamu KN. s.l. : Biomass Bioenergy, 2002, Vol. v.23:283. [3] Biomass resources and conversion in Japan: the current situation and projections to 2010 and 2050. Yoshioka T, Hirata S, Matsumura Y, Sakanishi KW. s.l. : Biomass Bioenergy, 2005, Vol. p. 29. [4] INPUT AND OUTPUT CONSTRAINED MULTIPLE-MODELS PREDICTIVE CONTROL FOR GASIFIER Machine Learning and Cybernetics, 2009 International Conference. Yong Wang, Jun-Hong, Yue, Y. Wang. China : s.n., 12-15 July 2009. [5] Yang YB, Yamauchi H, Nasserzadeh V, Swithenbank J. Effect of fuel devolatilization on the combustion of wood chips and incineration of simulated municipal wastes in packed bed. s.l. : FUEL, 2003. [6] X., Li. Biomass gasification in circulating fluidized bed, PhD dissertation. Vancouver, Canada : University of British Columbia, 2002. [7] ESTATE ESTIMATION-BASED CONTROL OF A COAL GASIFIER. Wilson, J.A. Chew, M. y Jones, W. Reino Unido : Univ. of Nottingham, control Theory and Applications, IEE Proceedings, Vols. v153, p. 268-276. [8] [9] [10] [11] VEGA. Process Presure transmitter VEGABAR. [En línea] 2010. http://www.vega.com/en/Process_pressure_VEGABAR14.htm. AN EQUILIBRIUM MODEL FOR BIOMASS GASIFICATION PROCESSES M. RUGGIERO Y G. MANFRIDA. Stecco Facoltá, Sergio. Florence, Italy : Dipartimento di energética. di Ingegneria, Universitá di Firenze. VíaS.Marta 3 Renewable Energy, 1999, Vols. Volume 16, Issues 1-4, January-April 1999. 104 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105 Aprovechamiento de los Biocombustibles. Grupo de investigación en Mecanismos de desarrollo Limpio y gestión Energética. Bogotá : Universidad Nacional de Colombia. Primera edición, 2008. K, Guiu G, Riesgo J. In: Bridgwater AV : Pyrolysis and gasification of biomass and waste, Proceedings of an Expert Meeting, 2002, Vols. pp. 1–18. [26] An equilibrium model for biomass gasification processes. M. Ruggiero, G. Manfrida. s.l. : Renewable Energy, 1999, Vols. V 16, Issues 1-4, P 106-1109. ISSN 09601481, 10.1016/S0960-1481(98)00429-7. [27] PSE’97 ESCAPE 7 Symposium. M. Morari, H.L. Lee,. Trondheim, Norway : s.n., 1997. [28] An experimental study on biomass air–steam gasification in a fluidized bed. Lv PM, Xiong ZH, Chang J, Wu CZ, Chen Y, Zhu JX. s.l. : Bioresour Technol, 2004, Vols. v.95:95–101. [29] [39] I. Ahmed *, A.K. Gupta. Pyrolysis and gasification of food waste: Syngas characteristics and char gasification kinetics. Maryland, United States : The Combustion Laboratory, University of Maryland, Department of Mechanical Engineering, College Park, 2010. MD 20742. [40] HBM, España. Celda de pesaje sencilla 5kg a 1Ton. [En línea] 2010. http://www.hbm.com/es/menu/productos/componentes-para-pesaje/celulas-de-carga/ single/categorie/weighing-load-cells/product/z6/backPID/load-cells/. High-temperature air and steam gasification of densified biofuels. Lucas C, Szewczyk D, Blasiak W, Mochida S. s.l. : Biomass Bioenergy, 2004, Vol. v.27:563. [41] Effect of woody biomass components on air–steam gasification. Hanaoka T, Inoue S, Uno S, Ogi T, Minowa T. s.l. : Biomass Bioenergy, 2005, Vols. v28:69–76. [30] Fermentación de las Fuentes de biomasa. Estado actual y sus perspectivas. Lin Y, Tanaka S. s.l. : ApplMicrobiolBiotechnol, 2006. [42] [31] L, Carlos. High temperature air/steam gasification of biomass in an updraft fixed bed type gasifier. PhD thesis. Stockholm, Sweden : Royal Institute of Technology, Energy Furnace and Technology, 2005. The development of a computer model for a fixed bed gasifieran its use for optimization an control. Gobel B, Henriksen U, Jensen TK, Qvale B, Houbak N. s.l. : BioresourTechnol, 2007, Vol. v.98:52. [43] Biomass gasification in atmospheric and bubbling fluidized bed: effect of the type of gasifying agent on the product distribution. Gil J, Corella J, Aznar MP, Caballero MA. s.l. : Biomass Bioenergy, 1999, Vols. 17:389– 403. . [44] Evaluation of cyclone gasifier performance for gasification of sugar cane Residue part 1: gasification of bagasse. Gabra M, Pettersson E, Backman R, Kjellstrom B. s.l. : Biomass Bioenergy, 2001, Vol. v.21:351. [32] Kotas, T.J. The exergy method of thermal plant analysi. Malabar : Krieger Pub, 1995. ISBN 0894649418. [33] Kishore VVN, editor. Renewable energy engineering & technology: a knowledge compendium. New Delhi : TERI Press, 2008. [34] The air gasification of woody biomass from short rotation forests: PhD Thesis. K., Senelwa. New Zealand : Massey University, 1997. [45] [35] Identification of a pilot scale fluidised-bed coal gasification unit by using neural networks. J.M. Nougue Â, Y.G. Pan, E. Velo, L. Puigjaner. Barcelona, Spain : Chemical Engineering Department, E.T.S.E.I.B, Universidad Politécnica de Catalunya, Diagonal 647,, 2000, Vols. E-08028. Pyrolysis, a promising route for biomass utilization, Bioresource Technology. G. Maschio, C. Koufopanos, A. Lucchesi. s.l. : Bioresource Technology, 1992, Vols. Volume 42, Issue 3, P 219-231. ISSN 0960-8524, 10.1016/0960-8524(92)90025-S. [46] Kinetic models comparison for steam gasification of different nature fuel chars. Fermoso J, Arias B, Pevida C, Plaza MG, Rubiera F, Pis JJ. s.l. : J Therm Anal Calorim, 2008, Vol. v.91:86. [47] EMERSON, prosses management. [En línea] 2011. http://www2.emersonprocess.com/en-US/brands/ rosemountanalytical/PGA/process-gas-analyzers/XE/ Pages/index.aspx . [48] The kinetics of combustion of chars derived from sewage sludge. Dennis JS, Lambert RS, Milne AJ, Scott SA, Hayhurst AN. s.l. : Fuel 2005, 2005, Vol. v.84:117. [49] Colombia., Universidad Nacional de. ADVANCED GASIFIERCONTROL v.10. [Downloaded on March 06, 2010 at 08:29:52 EST from IEEE Xplore. Restrictions apply. COMPUTING & CONTROL ENGINEERING JOURNAL] Bo- [36] J. Ochoa, M. C. Cassanello, P. R. Bonelli and A. L. Cukierman. CO2 gasification of Argentinean coal chars: a kinetic characterization. Programa de Investigación y Desarrollo de Fuentes Alternativas de Materias Primas y Energía (PINMATE). Buenos Aires, Argentina : Departamento de Industrias, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. Intendente Guiraldes 2620. Ciudad Universitaria, 2001. [37] Neural networks for control systems Ð a survey. J. Hunt, D. Sbarbaro, R. Zbikowski, P.J. Gawthrop. s.l. : Automatica, 1992, Vols. 28-6. [38] J., Sierra F. Guerrero C. Arango. Tecnologías para el Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos, Sierra, Guerrero gotá : Authorized licensed use limited to: Universidad Nacional de Colombia., JUNE 1999. [50] THE SECOND ALSTOM BENCHMARK CHALLENGE ON GASIFIER CONTROL. Benchmark, Alstom. s.l. : Control Theory and Applications, IEE Proceedings, S.F., Vols. v153, p. 254-261. [51] Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M. Thermal Design and optimization. s.l. : John Wiley & Sons, 1996. [52] Le Point sur la gazéification de la biomase: DOSSIER COGÉNÉRATION. Francia : Revue Bois Energie , 2003, Vol. N°1/2003. [53] Diseño y construcción de un gasificador de lecho fluidizado a escala de laboratorio para el tratamiento térmico de los residuos de tabaco. Cuba : Universidad de Pinar del Río, 2005, Vol. P. 20. 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 [email protected] 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, [email protected] 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. 108 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 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 109 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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 • 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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 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. REFERENCIAS [1] C. H. Lee, C. T. Chang, K. S. Fan and T. C. Chang. “An overview of recycling and treatment of scrap computers”.Journal of Hazardous Materials. Vol. 114, No. 1–3 pp. 93–100, 2004, ISSN: 0304–3894. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2004.07.013. [2] J. H. Zhang and L. Cai. “An autofocusing measurement system with a piezoelectric translator”.IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 2, No. 3, pp. 213–216. 1997. ISSN:1083–4435. DOI: 10.1109/3516.622974. [3] J. H. Zhang and L. Cai. “Profilometry using an optical stylus with interferometric readout”. Measurement Science & Technology.Vol. 8, No. 5, pp. 546–549, 1997. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/8/5/013. [4] K. Ehrmann, A. Ho and K. Schindhelm.“A 3D optical profilometer using a compact disc reading head”. Measurement Science and Technology. Vol 9, No. 8, pp. 1259–1265, 1998. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/9/8/019. [5] A. Bartoli, P. Poggi, F. Quercioli and B. Tiribilli. “Fast one dimensional profilometer with a compact disc pickup”. Applied Optics.Vol. 40, No. 7, pp. 1044–1048, 2001. ISSN: 2155–3165. DOI: 10.1364/AO.40.001044. [6] A. Bartoli, P. Poggi, F. Quercioli, B. Tiribilli and M. Vassalli. “Optical profilometer with a standalone scanning sensor head”. Optical Engineering. Vol. 40, No. 12, pp. 2852–2859, 2001. ISSN: 00913286. DOI: 10.1117/1.1417494. [7] K. C. Fan, C. L. Chu and J. I. Mou.“Development of a low-cost autofocusing probe for profile measurement”. Measurement Science and Technology. Vol. 12, No. 12, pp. 2137–2146, 2001. ISSN: 0957–0233.DOI: 10.1088/0957-0233/12/12/315. [8] N. Islam, R. Parkin, M. Jackson and P. Mueller.“A novel surface profile measurement system”. AU Journal of Technology. Vol. 10, No. 3, pp. 203–209, 2007. Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona 115 [9] J. Benschop and G. Rosmalen.“Confocal compact scanning optical microscope based on compact disc technology”. Applied Optics. Vol. 30, No. 10, pp. 1179–1184, 1991. ISSN: 2155-3165. DOI: 10.1364/ AO.30.001179. [19] K. C. Fan, Y. Fei and X. Yu. “Development of a microCMM”. Proceedings of the International Manufacturing Leaders Forum on Global Competitive Manufacturing. Adelaide, Australia. 27th February - 2nd March 2005. [10] F. Quercioli, B. Tiribilli, C. Ascoli, P. Baschieri and C. Frediani.“Monitoring of an atomic force microscope cantilever with a compact disk pickup”. Review of Scientific Instruments. Vol. 70, No. 9, pp. 3620–3624, 1999. ISSN: 0034–6748. DOI: 10.1063/1.1149969. [20] K. C. Fan, Z. F. Lai, P. Wu, Y. C. Chen, Y. Chen and G. Jäger. “A displacement spindle in a micro/nano level”. Measurement Science and Technology. Vol. 18, No. 6, pp. 1710–1717, 2007. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/18/6/S07. [11] E. T. Hwu, K. Y. Huang, S. K. Hung and I. S. Hwang.“Measurement of cantilever displacement using a compact disk /digital versatile disk pickup head”. Japanese Journal of Applied Physics. Vol. 45, No. 3B, pp. 2368–2371, 2006. ISSN: 1347–4065. DOI: 10.1143/JJAP.45.2368 [21] S. Morris, R. Pratt, M. Hughes, R. Kouzes, K. Pitts and E. Robinson. “DVD based electronic pulser”. IEEE Transactions on Nuclear Science.Vol. 53, No. 4, pp. 2303–2307, 2006. ISSN: 0018-9499. DOI: 10.1109/ TNS.2006.877859. [12] E. T. Hwu, S. K. Hung, C. W. Yang and I. S. Hwang.“Simultaneous detection of translational and angular displacements of micromachined elements”.Applied Physics Letters, Vol. 91, No. 22, pp. 221908–221908-3, 2007. ISSN: 0003-6951. DOI: 10.1063/1.2817750. [22] C. L. Chu and C. H. Lin. “Development of an optical accelerometer with a DVD pick-up head”. Measurement Science and Technology.Vol. 16, No. 12, pp. 2498–2502, 2005. ISSN: 0957–0233. DOI: doi:10.1088/0957-0233/16/12/014. [23] C. L. Chu, C. H. Lin and K. C. Fan. “Two-dimensional optical accelerometer based on commercial DVD pick-up head”. Measurement Science and Technology. Vol. 18, No. 1, pp. 265–274, 2007. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/18/1/033. [24] C. L. Chu and C. Y. Chiu.“Development of a low-cost nanoscale touch trigger probe based on two commercial DVD pick-up heads”. Measurement Science and Technology. Vol. 18, No. 7, pp. 1831–1842, 2007. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/18/7/006. [25] C. L. Jones. “Cryptographic hash functions and CD-based optical biosensors”. Problems of Nonlinear Analysis in Engineering Systems.Vol. 2, No. 23, pp. 17–36, 2005. ISSN: 1727-687X. [26] A. Tibbe, B. De Grooth, J. Greve, C. Rao, G. Dolan and L. Terstappen. “Cell analysis system based on compact disk technology”. Cytometry.Vol. 47, No. 3, pp. 173–182, 2002. ISSN: 0196–4763. DOI: 10.1002/ cyto.10061. [27] J. Kim, G. Liu and L. Lee. “Lens-scanning Raman microspectroscopy system using compact disc optical pickup technology”. Optics Express. Vol. 13, No. 12, pp. 4780–4785, 2005. ISSN: 1094–4087.DOI: 10.1364/OPEX.13.004780. [28] S. Lange et al. “Measuring bimolecular binding events with a compact disc player device”. AngewandteChemie. Vol. 45, No. 2, pp. 270–273, 2005. ISSN: 15213757.DOI: 10.1002/anie.200501243. [29] S. Kostner and M. Vellekoop. “Particle and cell detection using a DVD pickup head”. Biennial Report of The Society for Micro- and Nanoelectronics, 2005–2006, pp. 401–404. [13] [14] [15] [16] E. T. Hwu, S. K. Hung, C. W. Yang, K. Y. Huang and I. S. Hwang. “Real-time detection of linear and angular displacements with a modified DVD optical head”. Nanotechnology. Vol. 19, No. 11, pp. 115501–115507, 2008. ISSN: 0957-4484. DOI: 10.1088/09574484/19/11/115501. E. T. Hwu, H. Illers, L. Jusko and H. U. Danzebrink. “A hybrid scanning probe microscope (SPM) module based on a DVD optical head”. Measurement Science and Technology. Vol. 20, No. 8, pp.1–8, 2009. ISSN: 09570233. DOI: doi:10.1088/0957-0233/20/8/084005. F. Quercioli, A. Mannoni& B. Tiribilli. “Correlation optical velocimetry with a compact disk pickup”. Applied Optics.Vol. 36, No. 25, pp. 6372–6375, 1997. ISSN: 2155-3165. DOI: 10.1364/AO.36.006372. F. Quercioli, A. Mannoni& B. Tiribilli. “Laser Doppler velocimetry with a compact disc pickup”. Applied Optics. Vol.37, No. 25, pp. 5932–5937, 1998. ISSN: 2155316. DOI: 10.1364/AO.37.005932. [17] F. Quercioli, B. Tiribilli and A. Bartoli. “Interferometry with optical pickups”. Optics Letters. Vol. 24, No. 10, pp. 670–672, 1999. ISSN: 1539-4794. DOI: 10.1364/OL.24.000670. [18] K. C. Fan, C. L. Chu, J. L. Liao and J. I. Mou. “Development of a high-precision straightness measuring system with DVD pick-up head”. Measurement Science and Technology.Vol. 14, No. 1, pp. 47–54, 2003. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/14/1/307. 116 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 [30] S. Kostner and M. Vellekoop.“Low cost cytometer based on a DVD pickup head”. Eleventh International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences. Paris, France, 2007, pp. 739–741. [42] N. Tan, Ö.F. Özgüven, y M.M. Özyetkin. “Robust stability analysis of fractional order interval polynomials” .ISA Transactions. Vol. 48, No. 2, 166–172, 2009. ISSN: 0019-0578. DOI: 10.1016/ j.isatra.2009.01.002. [31] S. Kostner and M. Vellekoop. “Cell analysis in a microfluidic cytometer applying a DVD pickup head”. Sensors and Actuators B Vol. 132, No. 2, pp. 512–517, 2008. ISSN: 0925-4005. DOI: 10.1016/j.snb.2007.11.038. [43] L. Meng, y D. Xue. ”Design of an optimal fractionalorder PID controller using Multi-Objective GA optimization”. IEEE Chinese Control and Decision Conference, 2009, 3849–3853. [32] V. Yim, S. Y. Lee, S. Kim and J. Y. Park. “Multipurpose DVD pick-up scanner for analysis of microfluidics and micromechanical structures”. 30th Annual International IEEE EMBS Conference.Vancouver, Canada, 2008. pp. 2749–2751. [44] J.Y. Cao, y B.G. Cao. “Design of Fractional Order Controllers Based on Particle Swarm Optimization”.1st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.Marina Mandarin, Singapore. 24-26 May 2006, pp. 1–6. [33] K. H. Kim, S. Y. Lee, S. Kim, S. H. Lee and S. G. Jeong. “A new DNA chip detection mechanism using optical pick-up actuators”. Microsystem Technologies. Vol. 13, No. 8–10, pp.1359–1369, 2007. ISSN: 1432–1858. DOI: 10.1007/s00542-006-0367-9. [45] C.H. Lee, y F.K Chang. “Fractional-order PID controller optimization via improved electromagnetism–like algorithm”. Expert Systems with Applications. Vol. 37, No. 12, 8871–8878, 2010. ISSN: 0957-4174. DOI:10.1016/ j.eswa.2010.06.009. [34] K. H. Kim, S. Y. Lee, S. Kim and S. G. Jeong. “DNA microarray scanner with a DVD pick-up head”. Current Applied Physics. Vol. 8, No. 6, pp. 687–69, 2008, ISSN: 1567-1739. DOI: 10.1016/j.cap.2007.04.047. [46] N. Matsunaga, K. Sasano, and H. Okajima. “An Implementation of Fractional–order PID Controller with Dynamic Quantizer considering the Memory Constraint”. IEEE International Conference on Control Applications, Yokohama, Japan, 2010. Pp. 2409–2414. [35] K. H. Park et al. “Bio-information scanning technology using an optical pick-up head”. Ultramicroscopy. Vol. 108, No. 10, pp. 1319–1324, 2008. ISSN: 03043991. DOI: 10.1016/j.ultramic.2008.04. 074. [47] A. Pisano, M.R. Rapai, y E. Usai. “On second-order sliding-mode control of fractional-order dynamics”. American Control Conference, AACC. Baltimore, USA, 2010. Pp. 6680–6685. [36] T. R. Armstrong and M. P. Fitzgerald. “An autocollimator based on the laser head of a compact disc player”. Measurement Science and Technology.Vol. 3, No. 11, pp. 1072–1076, 1992. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/3/11/009. [48] R. Zhang, y S. Yang, “Adaptive synchronization of fractional-order chaotic systems via a single driving variable”. Nonlinear Dynamics.Vol. 66, No. 4, pp. 831–837, 2011. ISSN: 1573-269X. DOI: 10.1007/s11071-0119944-2. [37] M. Felton. “CD simplicity”.Analytical Chemistry.Vol. 75, No. 13, pp. 302A–306A, 2003. ISSN: 1520-6882. DOI: 10.1021/ac031357z. [49] [38] C. A. Monje, Y Chen, B. M. Vinagre, D.Xue, and V. Feliu, “Fractional-order systems and controls :fundamentals and applications”. Springer-Verlag.1st Edition. 415 p. London, England. ISBN: 978-1849963343. 2010. F. Padula, A.Visioli,. “Tuning rules for optimal PID and fractional order PID controllers”. Journal of Process Control. Vol. 21, No. 1, 69–81, 2011. ISSN: 09591524. DOI: 10.1016/j.jprocont.2010.10. 006. [50] R. Dorf and R. Bishop. “Sistemas de control moderno”. Pearson Prentice Hall, 10a Ed. 882 p. Madrid, España. ISBN: 978–8420544014. 2005. [51] P.Maybeck. Stochastic models, estimation and control, Vol 1. Academic Press, New York, 1979, 423 p. [52] K. Iskakov, A. Albu-Schaeffer, M. Schedl, G. Hirzinger and V. Lopota. “Influence of sensor quantization on the control performance of robotics actuators”. Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.San Diego, CA, USA, Oct 29 - Nov 2, pp. 1085–1092. [53] D. Valério and J. S. da Costa. “Ninteger: a non-integer control toolbox for Matlab”. Proccedings of the 1st IFAC Workshop on Fractional Differentiation and its Applications, FDA’06, Bordeaux, France, 2004, 6 p. [39] A. Oustaloup, P. Melchior, P. Lanusse, O. Coisand F. Dancla. “The CRONE toolbox for Matlab”. IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design, CACSD 2000, Anchorage, USA, 2000.190– 195. [40] C.Monje. “Tuning and Auto-tuning of Fractional Order Controllers for Industry Applications”. Control Engineering Practice. Vol. 16.No. 7. Pp.798-812. 2008. [41] D. Valerio, J.S. Da Costa. “Tuning rules for fractional PIDs”. Advances in Fractional Calculus: Theoretical Developments and Applications.Springer 1st Ed. Pp.463–476. Dordrecht, The Neterlands. ISNB: 978-14020-6041-0. 2007. Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona [54] P. Ortiz, J. Ramírez and L.Cardona. “Modelo matemático y control de un sistema de fluidos”. 1a. edición. Medellín 2011: instituto tecnológico metropolitano. ISBN 978-958-8743-08-0. [55] L. Cardona, P. Ortiz and A. Restrepo. “Modelado y control de posición de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica” 3er Congreso internacional de Ingeniería mecatrónica. UNAB. Vol. 2, No 1. 2011. 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 [email protected] 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 [email protected] 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. REFERENCIAS [1] E. Coto, “Método de Segmentación de Imágenes Médicas,” 2003. [2] Instituto Nacional de Cancerología, “Casos nuevos de cáncer de mama, según estadio clínico al ingreso y régimen de afiliación.” 2009. [3] F. R. Narváez E., “Sistema de Anotación para Apoyo en el Seguimiento y Diagnóstico de Cáncer de Seno,” Universidad Nacional de Colombia, 2010. [4] American College of Radiology (ACR), Breast Imaging Reporting and Data System, 4th ed. 2003. [5] A. M. Knutzen and J. J. Gisvold, “Likelihood of malignant disease for various categories of mammographically detected, nonpalpable breast lesions.,” in Mayo Clinic proceedings. Mayo Clinic, 1993, Vol. 68, p. 454. [6] S. Banik, R. M. Rangayyan, and J. E. L. Desautels, “Detection of Architectural Distortion in Prior Mammograms,” Medical Imaging, IEEE Transactions on, vol. 30, no. 2, pp. 279–294, 2011. [7] D. A. Gómez Betancur, “Método de detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria a partir de imágenes radiológicas,” Universidad Nacional de Colombia, 2012. [8] M. D. Phillips, “Invasive Lobular Breast Carcinoma: Pathology And Genetics Reflected By MRI,” The WorldCare Clinical (WCC) Note, Vol. 4, 2010. [9] T. Matsubara, T. Ichikawa, T. Hara, H. Fujita, S. Kasai, T. Endo, and T. Iwase, “Novel method for detecting mammographic architectural distortion based on concentration of mammary gland,” in International Congress Series, 2004, vol. 1268, pp. 867–871. [10] B. C. Yankaskas, M. J. Schell, R. E. Bird, and D. A. Desrochers, “Reassessment of breast cancers missed du- Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch ring routine screening mammography: a communitybased study,” American Journal of Roentgenology, vol. 177, no. 3, p. 535, 2001. [11] M. Bustamante, G. Lefranc, A. Núñez, and M. G. Pesce, “Calculo De La Amplitud Dispersada En Mamografias, Usando Como Modelo De Degradacion El Filtro Bosso.,” PHAROS, Vol. 8, No. 1, 2001. [12] H. D. Cheng, X. J. Shi, R. Min, L. M. Hu, X. P. Cai, and H. N. Du, “Approaches for automated detection and classification of masses in mammograms,” Pattern Recognition, vol. 39, no. 4, pp. 646–668, 2006. [13] J. Tang, R. M. Rangayyan, J. Xu, I. El Naqa, and Y. Yang, “Computer-aided detection and diagnosis of breast cancer with mammography: Recent advances,” Information Technology in Biomedicine, IEEE Transactions on, Vol. 13, No. 2, pp. 236–251, 2009. [14] R. M. Rangayyan and T. M. Nguyen, “Fractal Analysis of Contours of Breast Masses in Mammograms,” Journal of Digital Imaging, Vol. 20, pp. 223–237, Oct. 2006. [15] T. Matsubara, T. Ichikawa, T. Hara, H. Fujita, S. Kasai, T. Endo, and T. Iwase, “Automated detection methods for architectural distortions around skinline and within mammary gland on mammograms,” International Congress Series, vol. 1256, no. 0, pp. 950–955, Jun. 2003. [16] N. Eltonsy, G. D. Tourassi, and A. Elmaghraby, “Investigating performance of a morphology-based CAD scheme in detecting architectural distortion in screening mammograms,” Proc. 20th Int. Congr. Exhib. Comput. Assist. Radiol. Surg, pp. 336–338, 2006. [17] G. D. Tourassi, D. M. Delong, and C. E. Floyd, “A study on the computerized fractal analysis of architectural distortion in screening mammograms,” Physics in Medicine and Biology, Vol. 51, pp. 1299–1312, Mar. 2006. [18] R. M. Rangayyan, S. Prajna, F. J. Ayres, and J. E. L. Desautels, “Detection of architectural distortion in prior screening mammograms using Gabor filters, phase portraits, fractal dimension, and texture analysis,” International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Vol. 2, No. 6, pp. 347–361, 2008. [19] S. Prajna, R. M. Rangayyan, F. J. Ayres, and J. E. L. Desautels, “Detection of architectural distortion in mammograms acquired prior to the detection of breast cancer using texture and fractal analysis,” in Proceedings of SPIE, 2008, Vol. 6915, p. 691529. [20] R. M. Rangayyan, S. Banik, and J. E. L. Desautels, “Computer-aided detection of architectural distortion in prior mammograms of interval cancer,” Journal of Digital Imaging, Vol. 23, No. 5, pp. 611–631, 2010. [21] S. Russell, InteligenciaArtificial-UnEnfoqueModerno, 2nd ed. 2004. 127 [22] T. Nakashima, G. Schaefer, Y. Yokota, and H. Ishibuchi, “A weighted fuzzy classifier and its application to image processing tasks,” Fuzzy sets and systems, Vol. 158, No. 3, pp. 284–294, 2007. [23] H. Ishibuchi and T. Nakashima, “Effect of rule weights in fuzzy rule-based classification systems,” Fuzzy Systems, IEEE Transactions on, Vol. 9, No. 4, pp. 506– 515, 2001. [24] R. M. Haralick, K. Shanmugam, and I. Dinstein, “Textural Features for Image Classification,” IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 3, No. 6, pp. 610–621, Nov. 1973. [25] M. Amadasun and R. King, “Textural features corresponding to textural properties,” IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 19, no. 5, pp. 1264–1274, Oct. 1989. [26] H. Tamura, S. Mori, and T. Yamawaki, “Textural Features Corresponding to Visual Perception,” IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 8, No. 6, pp. 460–473, Jun. 1978. [27] D.-Y. Tsai and K. Kojima, “Measurements of texture features of medical images and its application to computer-aided diagnosis in cardiomyopathy,” 2005. 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. [email protected] Diego Rodríguez Mora Ingeniero en Mecatrónica. Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia. Auxiliar de Investigación. Universidad Militar Nueva Granada. [email protected] Jenny Gutiérrez Calderón Ingeniero en Mecatrónica. Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia. Joven Investigador. Universidad Militar Nueva Granada. [email protected] 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 [email protected] Óscar Avilés Sánchez Ph.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas. Director de programa de Mecatrónica Universidad Militar Nueva Granada. Bogotá, Colombia [email protected] 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 . 132 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134 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 134 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134 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. 411-415 [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 Revista ITECKNE Instrucciones Generales • • • • • • • • • • • Los artículos deberán ser enviados en formato digital al correo electrónico e-mail: [email protected]. Los trabajos se aceptan para la publicación previo proceso de revisión de su calidad académica y científica. Todo artículo postulado para publicación debe ser original o inédito, y no puede estar postulado para publicación simultáneamente en otras revistas. En la página web de la Revista Iteckne se halla disponible la declaración de originalidad y cesión de derechos, que los autores deberán diligenciar y enviar al Comité Editorial, junto con el artículo. La revista Iteckne requiere a los autores que concedan la propiedad de sus derechos de autor, para que su artículo y materiales sean reproducidos, publicados, editados, fijados, comunicados y transmitidos públicamente en cualquier forma o medio, así como su distribución en el número de ejemplares que se requieran y su comunicación pública, en cada una de sus modalidades, incluida su puesta a disposición del público a través de medios electrónicos, ópticos o de otra cualquier tecnología, para fines exclusivamente científicos, culturales, de difusión y sin fines de lucro. El Comité Editorial hace una primera evaluación, después de la cual, el trabajo puede ser rechazado sin evaluación adicional o se acepta para la evaluación de los pares académicos externos. Por lo anterior, no se asegura a los autores la publicación inmediata de dicho artículo. La decisión de rechazar un trabajo es definitiva e inapelable. Los trabajos pueden ser rechazados en esta primera evaluación porque no cumplen con los requisitos de redacción, presentación, estructura o no son suficientemente originales y/o pertinentes con la publicación a editar. Los trabajos que son aceptados en esta primera etapa, son enviados a los pares académicos externos (árbitros) expertos en el área respectiva, cuyas identidades no serán conocidas por el autor y, a su vez, los pares evaluadores tampoco conocerá la(s) identidad(es) del(los) autor(es). Si el trabajo es aceptado, pero con la recomendación de hacer modificaciones, se le devolverá al (los) autor(es) junto con las recomendaciones de los árbitros para que preparen una nueva versión corregida para lo cual disponen del tiempo que le indique el Comité Editorial. Los autores deben remitir la nueva versión con una carta física o correo electrónico en la que expliquen detalladamente los cambios efectuados, de acuerdo con las recomendaciones recibidas. El Editor junto con el Comité Editorial determinarán su aceptación, considerando el concepto de los evaluadores y las correcciones realizadas por el(los) autor(es). Los árbitros realizarán la evaluación de acuerdo al formato correspondiente establecido por la revista y sólo serán publicados los artículos que superen en la calificación cualitativa en la escala de 1 a 50, 35 puntos. En todos los casos se comunicarán a los autores los resultados del proceso de evaluación con los argumentos que sustenten la decisión del Comité Editorial y/o el Comité de Arbitraje. Un árbitro podrá calificar dos (2) artículos de diferentes autores al tiempo, de igual forma un artículo podrá ser calificado por dos árbitros diferentes, ya sean internos, nacionales o internacionales. Los integrantes del Comité Editorial y Comité de Arbitraje, no deberán evaluar sus propios productos, en caso tal que actúen como autores dentro de la misma publicación. Los trabajos no publicados serán archivados como artículos rechazados o en proceso de aceptación. La dirección de la revista ITECKNE no se responsabiliza por el contenido de los artículos, ni por su publicación en otros medios. El contenido de cada artículo es responsabilidad exclusiva de su(s) autor(es) y no compromete a la Universidad. 136 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 135 - 137 Forma de Presentación de los Artículos. Todos los documentos postulantes a ser publicados deberán tener las partes requeridas y cumplir con los apartados descritos a continuación: De las partes del documento El documento debe contener: Titulo, Title, Autor (es), Resumen, Palabras clave, Abstract, Keywords, Introducción, Contenido del documento, Conclusiones, Apéndice(s), Agradecimientos, Bibliografía De la redacción Para lograr un buen estilo se recomienda respetar rigurosamente la sintaxis, la ortografía y las reglas gramaticales pertinentes. Se debe redactar en forma impersonal (la forma impersonal corresponde a la forma reflexiva, por ejemplo: se hace, se define, se definió, se contrastó). El trabajo debe estar exento de errores dactilográficos, ortográficos, gramaticales y de redacción. Para resaltar, puede usarse letra cursiva o negrilla. De la Puntuación • • Después de punto seguido se deja un espacio; y de punto aparte una interlínea. Los dos puntos se escriben inmediatamente después de la palabra, seguidos de un espacio y el texto comienza con minúsculas. De los requerimientos físicos del artículo: (ver plantilla revista ITECKNE) • • • • • • • • • • • • El tamaño de la página será carta, con márgenes superior e inferior de 20 mm; izquierdo y derecho de 25 mm. El documento se desarrollará en dos columnas con separación central de 4,3 mm. El diseño de encabezado y pie de página debe estar a un centímetro de la hoja. El contenido del documento debe desarrollarse a espacio sencillo, dejando una línea cada vez que se desea iniciar un párrafo. El texto del contenido del artículo se formalizará con tipo de fuente Arial tamaño 10. La numeración del documento se iniciará desde la Nomenclatura en caso de existir una, hasta las conclusiones del documento. Los agradecimientos, apéndices y referencias bibliográficas, no son consideradas como Secciones numeradas del documento. Las tablas deberán llevar numeración continua, comenzando en Tabla I., referenciando posteriormente su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la tabla con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. (Ver plantilla revista Iteckne). Las Figuras deberán llevar numeración continua, comenzando en Fig. 1. referenciando posteriormente su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la figura, con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. Nótese que “Fig.” se ha escrito abreviada y hay doble espacio antes del texto. Las figuras incluidas en el contenido del artículo deben ser originales, suficientemente claras, para facilitar la edición de la revista. Todas las figuras deben ser enviadas por separado en formato jpg con una resolución entre 240 y 300 dpi (puntos por pulgada). Las tablas y figuras del documento, deberán ir referenciadas en el cuerpo del artículo. Dicha referencia debe ir en letra Arial tamaño 7, en la parte inferior de la figura o tabla, tabulado a la izquierda. Las columnas de la última página deben ser concluidas con un largo igual o simétrico. Las referencias ubicadas al final del documento (mínimo 15), según el formato IEEE. Deberán ir enumeradas consecutivamente (Número entre corchetes [1], y con el siguiente formato: Instrucciones a los autores Revista ITECKNE 137 Artículos de revistas científicas • • • • Autor(es), Nombre de la publicación, Título de la revista, Volumen, Número, páginas y año. Deben ir en fuente Arial, Tamaño 7. Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution 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 abreviatura o nomenclatura. Las viñetas usadas para señalización especial, será el punto, de fuente Symbol y tamaño 8. En caso de que los artículos contengan fórmulas matemáticas, deben estar digitadas en fuente Arial 10, mediante el editor de ecuaciones de Microsoft. El artículo deberá tener un mínimo de 4 caras de hoja y un máximo de 10 caras de hoja de contenido, en el formato establecido por la revista. Instructions to the authors, ITECKNE Journal General instructions • • • • • • • • • • • • The articles must be sent in digital format to the following email address: [email protected]. Their academic and scientific quality will be reviewed prior to being accepted for publication. The articles are accepted for publication after their academic and scientific quality have been reviewed. All articles postulated for publication must be original or unpublished, and cannot be postulated for publication simultaneously in other journals. The declaration of originality and copyright assignment is available in the Iteckne Journal webpage. The authors must sign it and send it to the Publishing Committee, along with the article. The Iteckne journal requires the authors to grant the property of their author’s rights, so that their article and materials are reproduced, published, edited, fixed, communicated and publicly transmitted in any form or means, as well as their distribution in any required number of units and their public communication, in each of their modalities, including putting them at the disposal of the public through electronic, optical or any other means of technology, for exclusively scientific, cultural, broadcasting and nonprofit aims. The Publishing Committee makes a first evaluation, after which the work can be rejected without any additional evaluation or accepted for evaluation of the external academic pairs. The previous statement does not assure the immediate publication of the article. The decision to reject a work is definitive and unquestionable. The works can be rejected in this first evaluation because they do not fulfill the writing requirements, presentation, and structure or are not original enough and/or pertinent with the publication to be published. The works that are accepted in this first stage are sent to the external academic peers (referees) experts in the respective area, whose identities will not be known by the author and, similarly, the evaluating peers will not know the identity/ies of the author /s. If the work is accepted, but with the recommendation to make modifications, it will be given back to the author/s along with the recommendations from the referees so that he/they prepare a new corrected version within the time indicated by the Publishing Committee. The authors must send the new version with a physical letter or an e-mail in which they explain in detail the changes made, in accordance with the received recommendations. The Publisher along with the Publishing Committee will determine its acceptance, considering the concept of the evaluators and the corrections made by the author/s. The referees will carry out the evaluation according to the corresponding format established by the journal and they will only publish the articles with over 35 points in the qualitative qualification scale from 1 to 50. The authors will always be informed about the results of the process of evaluation that sustain the decision of the Publishing Committee and/or the Referees. An academic peer (referee) will be able to grade two (2) articles by different authors at once; similarly, an article can be graded by two different referees, which can be internal, national or international. The members of the Publishing and Referees Committees must not evaluate their own products, in case they act like authors within the same publication. The non-published works will be filed as rejected articles or articles in process of acceptance. The editorial board of the ITECKNE journal does not take responsibility for the content of the articles, nor for their publication in other means. The content of each article is exclusive responsibility of their authors and not the University’s. Instructions to the authors, ITECKNE Journal 139 Presentation of Articles All articles applying to be published must have the requirements described below: Concerning the parts of the document The document must contain: Title, Author/s, Summary, Abstract, Keywords, Introduction, Content of the document, Conclusions, Appendix (s) Acknowledgements, Bibliography Concerning the writing In order to obtain a good style it is recommended to respect the syntax, spelling and grammar rules rigorously. The article must be written in impersonal form (it corresponds to the passive form, for example: it is done, it is defined, it was defined, it was contrasted). The work must be free of typing, orthographic, grammar and writing errors. Italics or bold type can be used to highlight. Concerning the punctuation • • Leave one space after a period; and start a new line after a full-stop. Colons are written immediately after the word, followed by a space and the text begins with small letters. Concerning the physical requirements of the article: (see template from ITECKNE magazine) • • • • • • • • • • • • The article must be written on letter size paper/format, with top and bottom margins of 20 mm; left and right, 25 mm. The document must be in two-column format with a central space of 4.3 mm (see template in Iteckne journal). The design of the header and footer must be of 1 centimeter. The content of the document must be written on single space, leaving a line when starting a new paragraph. The font must be Arial 10. 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 considered as numbered sections in the document. The tables will take continuous numbering, beginning with Table I., referencing afterwards their title, in all caps, located at the top part of the table with center tab, in Arial 8. (see template in Iteckne journal). The Figures will take continuous numbering, beginning with Fig 1. referencing afterwards their title, in all caps, located at the top part of the figure with center tab, in Arial 8. Note that " Fig." has been written abbreviated and with double space before the text. The figures in the content of the article must be original, clear enough to facilitate the edition of the journal. Every Figure and Table included in the paper must be referred to from the text (Source: XXX). These references must go in Arial 7, in the lower part of the figure or table, left tab. The columns in the last page must have an equal or symmetrical length. The references located at the end of the paper, must be numbered consecutively (Number between square brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal): 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. [email protected] 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 [email protected] 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 [email protected] 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. 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. [2] C. Luis, Q. River, C. César, L. Liñán. Wild: Wifi based Long Distance. Lima, Pontificia Universidad Católica del Perú, 2009, 180 p. [3] 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, pp.1359-1372, October 2010. [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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21 [9] [10] [11] [12] T, Daniele, G, Alessandro Stefanelli, Riccardo, F. Benedetta, C. Fluvio, Reliability and scalability analysis of Low cost long distance IP-Based wireless networks, innovations for digital inclusion ITU-T Kaleidoscope event, Mar del Plata, 2009. T. Daniele, G. Alessandro, Stefanelli, Riccardo, F. Benedetta, V. Piergiorgi, Performance of Low Cost Radios in the Implementation of Long Distance Wireless Links, iXem Labs, Politecnico di Torino, Italy, 2008. T. Daniele, G. Alessandro Stefanelli, Riccardo, F, Benedetta, C. Fluvio, An independent, Low Cost and Open Source Solution for the realization of wireless links over huge multikilometric Distance, p.495-498, IEEE Radio and Wireless Symposium, 2008. K. P., Rabin. Multi-Tier Network Architecture for Long Distance Rural Wireless Networks in Developing Regions. California, 2009, Trabajo de grado (Ph.D. en filosofía en ciencias de las computación). University of California at Berkeley, Electrical Engineering and Computer Science. Transactions on Mobile Computing, p. 15, Vol. 9, No. 6, 2010. [22] K. Chebrolu, B. Raman, S. Sen. Long-Distance 802.11b Links: Performance Measurements and Experience. In ACMMOBICOM, 2006. [23] D . Aguayo, J. Bicket, S. Biswas, G. Judd, and Robert M. Link-level Measurements from an 802.11b Mesh Network. In SIGCOMM, Aug 2004. [24] P. Barsocchi, G. Oligeri y F. Potorti. Frame error model in rural Wi-Fi networks. IEEE Transactions on wireless communications, Marzo 2009. [25] P. Guangyu and T. Henderson, Validation of ns-3 802.11b PHY model. Boeing Research and Technology, The Boeing Company, MAY 2009. [26] M. B. Pursley, Fellow, IEEE, and T. C. Royster IV, Properties and Performance of the IEEE 802.11b Complementary-Code-Key Signal Sets, IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 57, NO. 2, FEBRUARY 2009. [13] S. Anmol, N. Sergiu, P. Rabin, S. Sonesh, BREWER, Eric, S. Lakshminarayanan. Packet Loss Characterization in WiFi-based Long Distance Networks, Universidad de California Berkeley, Universidad de Colorado, Universidad de Nueva York, IEEE INFOCOM, 2007, pp 312-320. [27] M. Kwiatkowska, G. Norman and J. Sproston. Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wireless Local Area Network Protocol. In H. Hermanns and R. Segala (editors) Proc. PAPM/PROBMIV’02, volume 2399 of Lecture Notes in Computer Science, pages 169-187, Springer. July 2002. [14] R. A. Andrade, P. H Salas, D. S. Paredes, “Tecnología Wi-Fi”, Argentina, 2008 pp. 1–116. [28] [15] I. 802.11-2007, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Rev. 2007, technical report, IEEE CS, 2007. N. Sandra Salmerón, Parametrización de IEEE 802.11e EDCA para la priorización del tráfico VoIP en redes extensas para zonas rurales de países en vías de desarrollo, Madrid, trabajo de grado Máster, Universidad Rey Juan Carlos, ETSI de Telecomunicación, 2007. [16] Excerpts from FCC Rules part 15 relative to “Unlicensed Spread Spectrum radio systems” believed to be current as of July 23, 1996. [29] W. Grote, C. Ávila y A. Molina. Análisis de máximo desempeño para un WLAN operando a tasas fijas o adaptativas usando el estándar IEEE802.11a/b/g. Ingeniare. Rev. chil. ing. 2007, Vol.15, No.3, pp. 320-327. [17] P. Caleb, S. Douglas, G. Dirk, The Stability of The Longley-Rice Irregular Terrain Model for Typical Problems, University of Colorado at Boulder, 2011. [30] [18] G. A. Hufford, A. G. Longley, W. A. Kissick, “A guide to use of the ITS irregular terrain model in the area prediction mode,” U.S. Dep. Commerce, Boulder, CO, NTIA Rep. 82-100, Apr. 1982. S. Delgadillo, D. Guzmán, A. Muller y W. Grote. Análisis experimental de un ambiente Wi-Fi multicelda. Rev. Fac. Ing. - Univ. Tarapacá [online]. 2005, Vol.13, No.3, pp. 45-52. ISSN 0718-1337. [31] P. Rabin, N. Sergiu, S. Sonesh, S. Anmol, S. Lakshminarayanan, Eric. Brewer. WiLDNet: Design and Implementation of High Performance WiFi Based Long Distance Networks, TIER Group, Universidad de California Berkeley, Universidad de Colorado, Universidad de Nueva York, Boulder, 2007. [32 G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function,” IEEE J. Selected Areas in Comm, Vol. 18, No. 3, pp. 535-547, Mar. 2000. [33] G. Bianchi and I. Tinnirello, “Remarks on IEEE 802.11 DCF Performance Analysis,” IEEE Comm. Letters, vol. 9, no. 8, pp. 765-767, Aug. 2005. [19] T. S. Rappaport, Wireless Communications Principles and Practice, 2th. Ed., Prentice Hall, New Jersey, pp. 70-71, 2002. [20] Fabricante de Radios Wi-Fi IEEE802.11 Ubiquity Networks, (online), citado en abril 2011, Disponible en: <http://ubnt.com/>. [21] F. J. Simo Reigadas, A. Martínez Fernández, F. J. Ramos-López, J. Seoane-Pascual, Modeling and Optimizing IEEE 802.11 DCF for Long-Distance Links”, IEEE Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz [34] M. Kwiatkowska, G. Norman and J. Sproston. Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 Wireless Local Area Network Protocol. In H. Hermanns and R. Segala (editors) Proc. PAPM/PROBMIV’02, Vol. 2399 of Lecture Notes in Computer Science, pages 169187, Springer. July 2002. [35] D. K. Puthal y B. Sahoo, A Finite State Model for IEEE 802.11 Wireless LAN MAC DCF, Emerging Trends in Engineering & Technology, International Conference on, pp. 258-263, First International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, 2008. [36] R. P. Keith, G. Jared,How to Guide on JPerf and IPerf, Wireless LAN profesionals 2011. 21 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 [email protected] Gerardo Granados Acuña Esp. en Telecomunicaciones, Universidad Autónoma de Bucaramanga Docente Auxiliar ECBTI- UNAD [email protected] 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 24 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32 la relación entre los factores y la respuesta, con la finalidad de comprender mejor cómo es la 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 26 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32 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 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 [1] S. M. Kumar, S. Nutan, and J.K. Diwedi, “Power Line Communication: A Survey”. International Conference On Recent Trends in Engineering, Technology & Management, Bundelkhand Institute of Engineering & Technology, Jhansi, India. Feb. 27, 2011. [2] HomePlug 1.0 Specification, HomePlug Power line Alliance, Jun. 2001. [3] G. Held, “Understanding Broadband over Power Line”, cap.1, Ed. Auerbach Publications, 2006. [4] N. Pavlidou, A.J. Han Vinck, and J. Yazdani, “Power Line Communications: State of the Art and Future Trends”, IEEE Communications Magazine, vol. 41, no. 4, pp. 34-40, Apr. 2003. [5] Yousuf S., El-Shafei M., “Power Line Communications: An Overview - Part I.” Proc. of the 4th International Conference on Information Technology, Dubai, pp 218-222, Nov. 2007. [6] X. Carcelle, “Power Line Communications in practice”, cap. 11, Boston, Ed. Artech House, 2006. [7] D.C. Montgomery, “Diseño y Análisis de Experimentos”. Ed. México, Limusa-Wiley, 2003. [8] R. Martínez y N. Martínez, “Diseño de Experimentos Análisis de datos estándar y no estándar”, Bogotá D.C., Ed. Universidad Nacional de Colombia, 1997. [9] R.O. Kuehl, “Principios estadísticos para el diseño y análisis de investigaciones”. México. Ed.Thompson, 2006. [10] W. Moreno, “Aplicaciones al diseño y análisis de experimentos”. Bucaramanga, Ediciones UIS, 2002. 31 32 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32 [11] H. Gutiérrez, “Análisis y diseño de experimentos”, Ed. México, McGraw-Hill, 2008. [12] J. Misurec and M. Orgon, “Modeling of Power Line Transfer of Data for Computer Simulation”, International Journal of Communication Networks and Information Security (IJCNIS), vol. 3, no. 2, 104-111, Aug. 2011. [13] 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 [email protected] [email protected] 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 [email protected] [email protected] Diego Fernando Salgado Castro Ingeniero Electrónico Universidad del Quindío Grupo GITUQ [email protected] 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. REFERENCES [1] Oleg I. Sheluhin, Sergey M. Smolskiy, Andrey V. Osin. (2007). SELF-SIMILAR PROCESSES IN TELECOMMUNICATION. John wiley & sons, ltd. [2] Villy B. Iversen (2001). TELETRAFFIC ENGINEERING HANDBOOK. Technical university of Denmark [3] Jeremiah F. Hayes, Thimma V. J. Ganesh Babu. (2004). MODELING AND ANALYSIS OF TELECOMUNICATIONS NETWORKS. John wiley & sons, inc, Hoboken, New jersey. [4] Xiao-hu Ge, Yang Yang, Cheng-Xiang Wang, YingZhuang Liu, Chuang Liu, Lin Xiang (2009) “Characteristics analysis and modeling of frame traffic in 802.11 wireless networks,” John Wiley& Sons, Ltd. [5] G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE 802.111Distributed Coordination Function,” IEEE Journal on SelectedAreas in Communications, Vol. 18, No. 3, March 2000. [6] Y.C. Tay and K.C. Chua, “A Capacity Analysis for the IEEE802.11 MAC Protocol,” Wireless Networks 7, 159171, March2001. [7] B. Bellalta, M. Oliver, M. Meo and M. Guerrero (2005) “A Simple Model of the IEEE 802.11 MAC Protocol with Heterogeneous Traffic Flows,” Belgrade, Serbia and Montenegro. [8] Ken Duffy, David Malone, and Douglas J. Leith, (2005) “Modeling the 802.11 Distributed Coordination Function in Non-Saturated Conditions,” IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, VOL. 9, NO. 8. 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, Salgado [9] Georges Fiche & Gerard Hebuterne (1988) “Communicating Systems & Networks: Traffic & Performance,”London and Sterling, VA. [10] Walter Grote H. Claudio Ávila C. Alexis Molina B. (2007) “ANÁLISIS DE MÁXIMO DESEMPEÑO PARA WLAN OPERANDO A TASAS FIJAS O ADAPTIVAS USANDO EL ESTÁNDAR IEEE 802.11 a/b/g,” Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 15 Nº 3. [11] Evelio Astaiza Hoyos, Héctor Fabio Bermúdez, Pablo Andrés Gutiérrez (2007) “Simulación De Sistemas De Telecomunicaciones”, Ed Padilla Bejarano, Ferney ISBN: 978-958-44-2583-6 V, 300 page, 150 [12] Ulf Lamping, Richard Sharpe, and Ed Warnicke (2004) “Wireshark User’s Guide,” 35094 for Wireshark 1.4 [13] Dimitrios P. Pezaros, Manolis Sifalakis, and David Hutchison “On the Long-Range Dependent Behavior of Unidirectional Packet Delay of Wireless Traffic,” Lancaster, UK [14] Arcadio Reyes Lecuona, (2001) “MODELADO DE TRÁFICO DECLIENTES WWW” universidad de Málaga [15] P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997 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 [email protected] 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 [email protected] 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 45 46 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51 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]. 47 48 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51 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- 49 50 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51 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. nications, 2008 (PIMRC 2008), IEEE, pp. 1-5, Sep. 2008. [8] C. S. Lee, “IPTV over Next Generation Networks in ITUT”, in Proc. 2nd IEEE/IFIP International Workshop on Broadband Convergence Networks (BcN’07), IEEE, pp. 1-18, May. 2007. [9] E. Mikoczy, “Next generation of multimedia services NGN based IPTV architecture”, in Proc. 15th International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP 2008), IEEE, pp. 523-526, Jun. 2008. [10] ITU-T Rec. Y.1910, “IPTV functional architecture,” Sep. 2008. [11] ITU-T Rec. Y.2001, “General overview of NGN,” Dec. 2004. [12] ETSI TS 182 028 V3.5.1, “NGN integrated IPTV subsystem Architecture,” Feb. 2011. [13] ETSI TS 182 027 V3.5.1, “IPTV Architecture; IPTV Functions Supported by the IMS Subsystem,” Mar. 2011. [14] M. Volk, J. Guna, A. Kos and J. Bester, “Quality-Assured Provisioning of IPTV Services within the NGN Environment,” IEEE Communications Magazine, vol. 46, No. 5, pp. 118-126, May. 2008. [15] E. Mikoczy, D. Sivchenko, E. Xu and J. Moreno. “IPTV Services over IMS: Architecture and Standardization,” IEEE Trans. Communications Magazine, vol. 46, No. 5, pp. 128-135, May. 2008. [16] M. A. Qadeer and A. H. Khan, “Multimedia Distribution over IPTV and its Integration with IMS”, in Proc.2010 International Conference on in Data Storage and Data Engineering (DSDE 2010), IEEE, pp. 101-105, Feb. 2010 [17] Y. Sun, Y. Dong, Z. Zhao, X. Wen, and W. Zheng, “Enhanced Multimedia Services Based on Integrated IMSMBMS Architecture in LTE Networks,” in Proc. 2010 6th International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), pp. 1-5, Sep. 2010. [18] 3GPP TS 26.346 V10.2.0, “Multimedia Broadcast/ Multicast Service (MBMS); Protocols and codecs,” Nov. 2011. [19] S. Park, S. Jeong, C. Hwang and M. El Zarki, “Mobile IPTV: Approaches, Challenges, Standards, and QoS Support,” IEEE Trans. Internet Computing, vol. 13, no. 3, pp. 23-31, May 2009. [20] O. Oyman, J. Foerster, T. Yong-joo and L. Seong-Choon, “Toward enhanced mobile video services over WiMAX 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. REFERENCIAS [1] Analysys Research, “Global Mobile Broadband: Market potential for 3G LTE (Long Term Evolution),” p. 93, Jan. 2008. [2] Cisco Systems, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011–2016,” p. 29, Feb. 2012. [3] O. Oyman, J. Foerster, Yong-joo Tcha, and Seong-Choon Lee, “Toward enhanced mobile video services over WiMAX and LTE,” IEEE Trans. Communications Magazine, vol. 48, no. 8, pp. 68-76, Aug. 2010. [4] M. Schwalb, iTV Handbook: Technologies and Standards, Ed. Prentice Hall, 2003. [5] ITU Press, “ITU Paves the Way for Next-Generation 4G Mobile Broadband Technologies,” ITU, Oct. 2010. Available: http://www.itu.int/net/pressoffice/press_releases/2010/40.aspx. [6] M. Baker, “LTE-Advanced Physical Layer,” in Proc. IMTAdvanced Evaluation Workshop, 3GPP, Beijing, pp. 1 -48, Dec. 2009. [7] I. Siomina and S. Wanstedt, “The Impact of QoS Support on the End User Satisfaction in LTE Networks with Mixed Traffic,” in Proc. IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Commu- Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos [21] A. Al-Hezmi, Y. Rebahi, T. Magedanz and S. Arbanowski, “Towards an interactive IPTV for mobile subscribers,” in Proc. International Conference on Digital Telecommunications, IEEE, Francer, pp. 1-45, Aug. 2006 [36] 3GPP TS 23.401 V10.8.0, “General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access”, Jul. 2012 [22] J. Goldberg and T. Kernen, “Network structures - the Internet, IPTV and QoE”, EBU Technical Review, pp. 1-11, Oct. 2007 [37] 3GPP TS 23.228 V11.3.0, “IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2,” Dec. 2011. [23] FG IPTV-ID-0025, “Overall definition and description of IPTV in the business role model,” ITU-T, p. 4, Jul. 2006. [38] [24] C. Palau, J. Martinez-Nohales, J. Mares, B. Molina and M. Esteve. “On mobile video streaming IPTV,” in Proc. 10th International Conference on Telecommunications, IEEE, pp. 457-462, Jun. 2009. D. Durán, R. Cerón, J. Arciniegas, “Architecture for the Support of the Video on Demand Service for Virtual Academic Communities on IPTV”, in Proc. 2011 6th Colombian Computing Congress (CCC), IEEE, pp. 1-7, May. 2011. [39] Osiatis, “ITIL V3 Gestión de servicios de TI”, 2010, Available: http://itilv3.osiatis.es/itil.php [40] Alcatel Lucent, “LTE Evolved Packet System Architecture,” 2011. Available: http://lte.alcatel-lucent.com/ locale/en_us/downloads/ LTE_poster.pdf. [41] 3GPP TS 23.203 V11.4.0, “Policy and charging control architecture,” Dec. 2011 [42] R. J. Vale, H. Viswanathan, “eMBMS for More Efficient Use of Spectrum,” Technology and Research E-Zine, Alcatel-Lucent, Nov. 2011. Available: http://www2. alcatel-lucent.com/blogs/techzine/ 2011/embms-formore-efficient-use-of-spectrum/ [43] R. Gomes, F. Álvarez, F. Casadeball, R. Ferrús, J. Pérez and O. Sallent, LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles, Fundación Vodafone, 2010. [25] ITU-T FG IPTV-ID-0026, “Classifications of IPTV Service and Its Meaning,” Jul. 2006. [26] S. Zeadally, H. Moustafa and F. Siddiqui, “Internet Protocol Television (IPTV): Architecture, Trends, and Challenges,” IEEE Trans. Systems Journal, vol. 5, no. 4, pp. 518-527, Dec. 2011. [27] J. Kim, T. Um, W. Ryu, B. Lee y M. Hahn, “Heterogeneus Networks and Terminal-Aware QoS/QoE-Guaranteed Mobile IPTV Service”. IEEE Communications Magazine, vol. 46, no. 5, pp. 110-117, May. 2008. [28] J. Liu, S. G. Rao, B. Li, and H. Zhang, “Opportunities and challenges of peer-to-peer internet video broadcast,” in Special Issue on Recent Advances in Distributed Multimedia Communications, IEEE, 2007, pp. 11-24. [29] F. Sandu, S. Cserey and E. Mile-Ciobanu, “Simulating of LTE Signaling,” Advances in Electrical and Computer Engineering, AECE, vol. 10, no. 2, pp. 108-114, May. 2010. [30] 3GPP TS 36.300 V10.6.0, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2,” Dec. 2011. [31] 3GPP TS 24.301 V11.1.0, “Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3,” Dec. 2011. [32] 3GPP TS 36.331 V10.4.0, “E-UTRA; Radio Resource Control (RRC) Protocol specification,” Dec. 2011. [33] 3GPP TS 36.323 V10.1.0, “E-UTRA; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification,” Mar. 2011. [34] 3GPP TS 36.322 V10.0.0, “E-UTRA; Radio Link Control (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 [email protected] Leidy Andrea Ruiz Rodríguez Ingeniero de Sistemas, Universidad Piloto de Colombia Joven Investigador Grupo InnovaTIC, Universidad Piloto de Colombia [email protected] Óscar Elías Herrera Bedoya Doctor en Telecomunicaciones, Universidad Politécnica de Valencia Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC, Universidad Piloto de Colombia [email protected] 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. 53 54 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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 55 56 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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 57 58 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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, Herrera 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. 59 60 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61 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 [1] 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] BPMN, Documents Associated with Business Process Model and Notation (BPMN) Version 2.0. Julio 2012. [Online]. Disponible en: http://www.bpmn.org/. [4] BPMN Elements and Attributes V4. Julio 2012. [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. [9] Workflow Management Coalition (WfMC). Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.wfmc.org/ . 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 [10] Jon Puke. XPDL – The silent Workhouse of BPM P1.Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.wfmc.org/Published-Research/Article/ View-category.html. [11] BPD, Catalog of Business Modeling and Management Specifications. Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.omg. org/technology/documents/br_pm_spec_catalog.htm [12] Process Definition Interface- XML Process Definition Language, Package Meta Model. Workflow Management Coalition (WfMC). P 14.Julio 2012. [Online]. Disponible en :http:// www.wfmc.org/. [13] Appian, Appian BPM Suite: Mobiles. Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en: http://www.appian. com/bpm-software/bpm-components/mobile-bpm. jsp. [14] S. A. White, XPDL and BPMN, Future Strategies Inc. WFMC, P 222. Octubre 26 2011. [Online].Disponible en: http://www.bpmn.org/ Documents/XPDL_BPMN. pdf. [15] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parser for Your iPhone Project. Disponible en: http://www. raywenderlich.com/553/how-to-chose-the-best-xmlparser-for-your-iphone-project. Noviembre 25 2011. [16] Apple Inc. Plist Mac OS X. Noviembre 30 2011. [Online]. Disponible en: http://developer. apple.com/library/mac/#documentation/Darwin/Reference/Manpages/man5/plist.5.html. [17] Apple Inc. Plist Mac OS X Noviembre 30 2011. [Online]. Disponible en: http://developer. apple.com/library/mac/#documentation/Darwin/Reference/Manpages/man5/plist.5.html. [18] W3School. XPath Tutorial. Agosto 2011. [Online].Disponible en: http://www.w3schools. com/xpath/ [19] F. Roberto. Algoritmos, estructuras de datos. Programación orientada a objetos. Ecoe ediciones 2005. Bogotá p. 273. [20] BizAgi, BizAgiModeler. Noviembre 25 2011. [Online]. Disponible en: http://www.bizagi.com/ [21] Xcode. Developer tolos. Julio 2012 [Online]. Disponible en: https://developer.apple.com/ technologies/tools/. [22] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parser for Your iPhone Project. Noviembre 2011. [Online]. Disponible en: http://www. raywenderlich.com/553/howto-chose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project. [23] Apple, iTunes. Diciembre 2 2011. [Online]. Disponible en: http://www.apple.com/es/itunes/. [24] BPMN. OMG, Object Managment Group. Business Process Modeling Notation. Agosto 2011. [Online].http:// www.bpmn.org/ [25] D. Meza, L. Ruiz. Aplicación en entornos móvil para el modelamiento de procesos de negocio. Universidad Piloto de Colombia. Julio 2012. 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 [email protected] Camilo Andrés Ramírez Prieto Estudiante de Ingeniería Electrónica, Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia [email protected] 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 [email protected] [email protected] 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 63 64 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 65 66 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. 67 68 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. 69 70 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71 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. [1] N. Arias, J. Meneses, y M. Suárez, “Medida de la Orientación, Posición y Desplazamiento en el Plano de un Objeto por Codificación de Fase, ”Bistua: Revista de la Facultad de Ciencias Básicas, Vol. 7, No.. 2, pp. 1-8, julio – diciembre, 2009. [2] N. Arias, Reconstrucción 3D a manos libres: Estrategia de posicionamiento global, Tesis Doctoral, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, COLOMBIA. 2010 [3] N. Reina, Análisis Teórico – Experimental de un Sistema de Franjas Radiales: Aplicaciones en Posicionamiento Global de un Objeto, Tesis pregrado, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia. 2010. [4] M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi,“Fourier-transform method of fringepattern analysis for computer-based topography and interferometry”, J. Opt. Soc. Am.,vol. 72, pp. 156-160, 1982. [5] Z. Pérez, L. Romero,Sistema Óptico de Reconstrucción Tridimensional para la detección de Ampollas en Recubrimientos, Tesis Pregrado, Universidad Industrial de Santander, 2004. [6] Q. Kemao, “Windowed Fourier transform for fringe pattern analysis,” Applied Optics, vol. 43, pp. 2695–702, 2004. [7] Q. Kemao, “Two-dimensional windowed Fourier transform for fringe pattern analysis: Principles, applications and implementations,” Optics and Lasers in Engineering, vol. 45, pp.304–17, 2007. 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 [8] Z. Wang Z andH. Ma, “Advanced continuous wavelet transform algorithm for digital interferogram analysis and processing,” Optical Engineering, Vol. 45, pp. 045601, 2006. [9] P. Sandoz, “Wavelet transform as a processing tool in white-light interferometry,” Optics Letters, Vol. 22, pp. 1065–1067, 1997. [10] L. Oriat and E. Lantz, “Subpixel detection of the center of an object using a spectral phase algorithm on the image”, Pattern Recognition, Vol. 31, No. 6, pp. 761771, June 1998. [11] J. Meneses, T. Gharbi and P. Humbert, “Phase Unwrapping algorithm for images with high noise content basedon a local histogram,” Appl. Opt. vol. 44, No. 1, pp. 1207-15,2005. 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 [email protected] Carolina Guzmán Luna Bacterióloga PhD, Universidad Industrial de Santander Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia [email protected] Humberto Escalante Hernández Ingeniero Químico PhD Industrial de Santander Docente Tiempo Completo, Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia [email protected] 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]. [1] P. Barrera, X. Salas, L. Castro, C. Ortiz and H. Escalante, “Estudio preliminar de la bioproducción de metano a partir de los residuos del proceso de beneficio del fique”, (Preliminary study for methane bioproduction fromthewastegeneratedinthefiqueproduction).Revista Ion, vol. 22, n°1, pp. 21-25, 2009. [2] C González, León and P. A. García, “Different pretreatments for increasing the anaerobic biodegradability in swine manure”, Bioresource Technology, vol. 99, n° 18, pp. 8710–8714, 2008. [3] A.T.W.M. Hendriks and G. Zeeman, “Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass”, Bioresource Technology, vol. 100, n° 1, pp. 10–18, 2009. [4] S. Prasad, A. Singh and H.C. Joshi, “Ethanol as an alternative fuel from agricultural, industrial and urban residues”, Resources, Conservation and Recycling, vol. 50, n°1, pp. 1-39, 2007. [5] C. Sullivan, P. Burrell, W. Clarke and L. Blackall, “Comparison of cellulose solubilisation rates in rumen and landfill leachate inoculated reactors”, Bioresource Technology, vol. 97 n°18, pp. 2356-2363, 2006. [6] I. M. Buendía, F. J. Fernández, J. Villaseñor and L. Rodríguez, “Feasibility of anaerobic co-digestion as a IV. CONCLUSIONS Particle-size reduction has been the most commonly used factor to describe the increase in substrate surface area resulting from a pre-treatment [25]. Pretreatment proved to be suitable for appli- Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante implications in dairy cattle. Methods for Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition”, Symposium, Journal of Dairy Science, vol.74, n°10, pp. 35833597, 1991. treatment option of meat industry wastes”, Bioresource Technology, vol. 100, n°6, pp. 1903-1909, 2009. [7] [8] [9] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi and B. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisal pulp and fish wastes”, Bioresource Technology, vol. 95, n°1, pp. 19-24, 2004. [18] G. Miller, “Use of DinitrosaIicyIic Acid Reagent for Determination of Reducing Sugar”. Analytical Chemistry, vol. 31, n°3, pp. 426-428,1959. [19] G. K. Anderson and G. Yang, “Determination of bicarbonate and total volatile acid concentration in anaerobic digesters using a simple titration”, Water Environment Research 64, pp. 53–59, 1992. [20] S. Kusch, H. Oechsner and T. Jungbluth, “Biogas production with horse dung in solid-phase digestion systems”. Bioresource technology, vol. 99, n°5, pp. 1280-1292, 2007. [21] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio de la etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz”, (Study of the hydrolytic stage of anaerobic degradation of starch in corn residue), Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Departamento de Procesos Químicos, Biotecnológicos y Ambientales, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004. [22] V. Vavilin, B. Fernandez, J. Palatsi and X. Flotats, “Hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic material: An overview”, Waste Management, vol. 28, n° 6, pp. 939-951, 2008. [23] D. J. Hills and K. Nakano, “Effects of particle size on anaerobic digestion of tomato solid wastes”, Agricultural wastes, vol. 10, n°4, pp. 285-295, 1984. G. Lettinga, S. Rebac and G. Zeeman, “Challenge of psychrophilic anaerobic wasterwater treatment”, Trends in Biotechnology, vol. 19, n°9, pp.363-370, 2001. [24] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi and B. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisal pulp and fish wastes”. Bioresource Technology. Vol.95, n°1, pp. 19-24. 2004. L.M. Palmowski and J.A. Müller, “Anaerobic degradation of organic materials - significance of the substrate surface area”, Water Science & Technology, vol.47, n°12, pp.231-238 2003. [25] M. Carlsson, A. S. Lagerkvist, F. Morgan Sagastume. “The effects of substrate pre-treatment on anaerobic digestion systems: A review”. Waste Management, vol 32, n° 9, pp. 1634-1650. Z.B. Yue, H.Q. Yu, H. Harada and Y.Y. Li, “Optimization of anaerobic acidogenesis of an aquatic plant, Canna indical by rumen cultures”, Water Research, vol. 41, n°11, pp. 2361-2370, 2006. R. Chamy, O. Cofré, D. Alcazar and P. Chinga, “Codigestión de RSU y lodos aerobios residuales, como alternativa a procesos de tratamiento tradicionales”, (Co-digestion of MSW and aerobic waste sludge as an alternative to traditional treatment processes), Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental 1-7, 2002. [10] S. Rebac, J. Ruskova, S. Gerbens, J. Van Lier, A. Stams and G. Lettinga, “High-Rate Anaerobic Treatment of Wastewater under Psychrophilic Conditions”, Journal of Fermentation and Bioengineering, vol.47, n°12, pp. 231-238, 1995. [11] A. J. Ward, P.J. Hobbs, P.J. Holliman and D. Jones, “Optimization of the Anaerobic Digestion of Agricultural Resources”, Bioresource Technology, vol. 99, n°17, pp. 7928–7940, 2008. [12] [13] [14] S. Sharma, I. Mishra, M. Sharma and J. Saini, “Effect of particle size on biogas generation from biomass residues”,Biomass y Bioenergy, vol.17, n° 4, pp. 251263, 1988. [15] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio de la etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz”, (Study of the hydrolytic stage of anaerobic degradation of starch in corn residue), Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Departamento de Procesos Químicos, Biotecnológicos y Ambientales, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004. [16] Guía ambiental del subsector fiquero, (Environmental Guide fique’s Subsector), Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Colombia, edición 2, pp. 21-58, 2006. [17] P.J. Van Soest, J.B. Robertson and B.A. Lewis, “Carbohydrate methodology, metabolism, and nutritional 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 [email protected] Mario Álvarez Cifuentes, Ph. D Proffessor, Chemical Engineering, UIS [email protected] Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc Assistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTA [email protected] 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. REFERENCES [1] [2] Centro Nacional de Producción más Limpia y Tecnologías Ambientales. CNPMLTA. ¨Proyecto Gestión Ambiental en la Industria de Curtimbre. Manual Sectorial Ambiental¨. Febrero de 2004. Medellín. Colombia Disponible en internet: http://www.sirac.info/Curtiembres/html/Archivos/ Publicaciones/Manual.pdf. VERGARA, Marisol V. POIRRIER, Paola. TORRES, Rodrigo. Influencia del porcentaje de solidos totales y nutriente en la cinética de biodegradación de sustratos orgánicos. Centro de estudios e investigaciones ambientales (CEIAM). Universidad industrial de Santander y Colciencias. Octubre de 2009 Disponible en: http://ciia.uniandes.edu.co/ Simabiotpresent/DIA%201/7.%20Vergara.pdf. [3] Asociación Colombiana de Industriales de Calzado, el Cuero y sus Manufacturas. ACICAM. ¨Informe Sectorial Enero a diciembre de 2010¨ Febrero de 2011. Bogotá. Colombia. Disponible en internet: http://www.acicam. org/documents/comovaelsectorDICIEMBRE2010.pdf. [4] YEHUDA FRIEDMANN. Method of Producing A New Material From Waste Leather. U.S Patent Office # 2827413. Mar 18, 1958 [5] FRANK WOODRUFF. Artificial Leather Manufacture. U.S Patent Office # 1945173. Jan 30, 1934 [6] BEVAN, Graham, FORMATION OF SHEET MATERIAL USING HYDROENTANGLEMENT. United Kingdom Intellectual Property Office. WO/2001/094673,Dec 12, 2001 [7] J. YANIK, O.YILMAZ, I.C. KANDARLI, M.YUKSEL, M.SAGLAM. Conversion of leather waste to useful products. Resources, Conservation and Recycling.Vol.49, 436-448. (2007). [8] KINDLEIN W., ALVES L.H., SEADI GUANABARA A. Proposal of wet blue leather remainder and synthetic fabrics reuse. Journal of cleaner productions. 2007, P. 1-6 [9] United States Patent. Patent number 4, 287,252. DIMITER, S. Reconstituted leather and method of manufacture. Appl. 184,656. Sep 1, 1981 [10] US Patent Number 4,497,871. HENKE, E.W. Reconstituted leather and method of manufacturing same. Appl. 489,001. Feb 5, 1985 [11] World Intellectual Property organization International Bureau. Appl.No. 98/18863. DA FONTE, J. Process of recycling leather residues and Productions of composite materials. Appl. Pct. / pt97/00008. May 7, 1998 [12] United States Patent 5,958,554. ADDIE, B., FALLS, C. Reconstituted leather product and process. Appl. 08/658,682. Sep 28, 1999 [13] YILDIRIM ERBIL, H. 2008.Vinyl Acetate Emulsion Polymerization and Copolymerization whit Acrylic Monomers. Vinyl Acetate Copolymerization whit Acrylic Monomers. Recuperado de la base de la base de datos CRCnetBase [14] GEDDES, K. Polyvinyl and Ethylene Vinyl Acetates. En: PIZZI, A. MUTTAL, K.L. En: Handbook of Adhesives Technology. 2ª ed., New York. Cap. 35. Recuperado de la base de datos CRCnetBase. 2003. [15] KEIMEL, A. Historical Development of Adhesives and Adhesive Bonding. En: Handbook of adhesive Technology. 2ª ed., New York. Cap. 1. Recuperado de la base de datos CRCnetBase. 2003. 83 84 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84 [16] DAMICO Denis, J. Reactive Acrylic Adhesives. En: PIZZI, A. MUTTAL, K.L. Handbook of Adhesives Technology. 2ª ed., New York. Cap. 38. 2003. [17] MONTGOMERY, Douglas C. y RUNGER, George C. Applied statistics and probability for engineers. 3ª ed., Arizona. John Wiley & Sons Inc. 706p. 2003. [18] El portal del cuero. Disponible en: http://www.portaldelcuero.com/informa/informa04.asp. [19] SILVA Paulina. Propiedades físicas y químicas del cuero para calzado de seguridad. Tecnología en Marcha. Vol. 18-1, 2005. pp 37 - 47. [20] TURTON, Richard and others. Analysis, Synthesis and design of chemical processes. 3a ed. New Jersey, Prentice Hall. 1068p. 1998 [21] Entrevista telefónica: Polímeros y derivados. 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 [email protected] Mauricio Giraldo Orozco Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana Docente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica, Universidad Pontificia Bolivariana Medellín, Colombia [email protected] César Nieto Londoño Ph.D. Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana Docente e Investigador Grupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial, Universidad Pontificia Bolivariana Medellín, Colombia [email protected] 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 86 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 [1] B. Ramos-Alvarado, P. Li, H. Liu, A. Hernández-Gurerrero, “CFD study of liquid-cooled heat sinks with microchannel flow field configurations for electronics, fuel cells, and concentrated solar cells,” Applied Thermal Engineering, vol. 31, no 14, pp. 2494-2507,Oct. 2011. [2] T. L. Ngo, Y. Kato, K. Nikitin, T. Ishizuka, “Heat transfer and pressure drop correlations of microchannel heat exchangers with S-shaped and zigzag fins for carbon dioxide cycles,” Experimental Thermal and fluid Science, Vol. 32, No. 2, pp. 560- 570, Nov. 2007. [3] C. H. Li, P. Hodgins, C.N. Hunter, A.A. Voevodin, J.G. Jones, G.P. Peterson, “ Comparison study of liquid replenishing impacts on critical heat flux and heat transfer coefficient of nucleate pool boiling on multiscale modulated porous structures,” J. Heat and Mass Transfer, vol.54, pp. 3146-3155, May 2011. [4] Q. Yuan, R.A. Williams, N. Arvanti, “Innovations in high throughput manufacturing of uniform emulsions and capsules,” Advanced Powder Technologies, Vol. 21, No. 6, pp. 599-608, Nov 2010. [5] B.V. Antohe, J.L. Lage, D.C. Price, R.M. Weber, “Numerical characterization of micro heat exchangers using experimentally tested porous aluminium layers,” Int. J. Heat and Fluid Flow, vol. 17, no. 6, pp. 594-603, Dec 1996. [6] P.X. Jiang, M.H. Fan, G.S. Si, Z.P. Ren, “Thermal-hydraulic performance of small scale micro-channel and porousmedia heat exchangers,” Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 44. No. 5, pp.1039-1051, Mar 2001. [7] D. Trebotich,G. Miller, “Simulation of flow and transport at the micro (pore) scale,” 2nd International Conference on Porous Media and its Applications in Sience and Engineering,USA, 17-21 jun. 2007. [8] M.E. Vanegas, R. Quijada, D. Serafini, “Microporous membrane preparated via thermally induced phase separation from metallocenic syndiotactic polypropylenes,” Polymer, Vol. 50, No. 9, pp. 2081-2086, abr 2009. 94 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94 [9] S.L. Lee, J.H. Yang, “Modeling of Darcy-Forchheimer drag for fluid flow across a bank of circular cylinders,” Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol 40, No. 13, pp 3149-3155, Sep 1997. [10] C. Nieto, R. Mejía, J. Agudelo, “Dinámica de fluidos computacional aplicada al estudio de regeneradores térmicos,” DYNA, año 71, No. 143, pp. 81-93, Nov 2004. [11] L.A. Patiño, H.J. Espinoza, D. Suárez, “Convección de calor transitoria en el flujo de fluidos a través de lechos empacados,” Universidad, Ciencia y Tecnología, Vol. 9. No. 36, pp. 210-216, Dic 2005. [12] M. Giraldo, Y. Ding, R.A. Williams, “ Boundary integral study of nanoparticle flow behavior in the proximity of a solid wall,” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 41, No. 8, pp. 503 -512, 2008. [13] A. Faghri, Y. Zhang, J. Howell, Advance Heat and Mass Transfer, Global Digital Press, 2010, p. 956. [14] A. Bejan, Convection Heat Transfer 3rd ed., Wiley InterScience, New York, 1948. pp. 694. 15] S. Ergun, “Fluid flow through packed columns,” Chemical Engineering Progress, Vol. 48, No. 2, pp. 89-94, 1952._ 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 [email protected] 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 [email protected] 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 [email protected] 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 96 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. [12] Modelling of a downdraft biomass gasifierwith finite rate kinetics in the reduction zone. Roy PC, Datta A, Chakraborty N. s.l. : Int J Energy Res, 2009, Vol. v.33:51. REFERENCIAS [13] Modeling of smoldering process in porous biomass fuel rod. Roshmi A, Murthy J, Hajaligol M. s.l. : Fuel 2004, 2004, Vols. 83:1527–36. [14] Reed TB, Das A. Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. Colorado : Solar Energy Research Institute, 1988. [15] Steam gasification of biomass in a fluidised-bed of olivine particles. Rapagna S, Jand N, Kiennemann A, Foscolo PU. s.l. : Biomass Bioenergy, 2000, Vols. v.19:187–97. [16] Biomass gasification in a bubbling fluidized bed reactor: experiments and modeling. Radmanesh R, Chaouki J, Guy C. s.l. : AIChe J, 2006, Vol. v.52:72. [17] R, Rauch. Biomass gasification to produce synthesis gas for fuels and chemicals, report made for IEA Bioenergy Agreement. s.l. : Task 33: Thermal Gasification of Biomass, 2003. [18] Energy production from biomass (part 3): gasification technologies. P., McKendry. s.l. : Bioresour Technol, 2002, Vols. v.83:55–63. [19] Combustion and gasification in fluidized beds. P., Basu. Londres : Combustion and gasification in fluidized beds., 2006. [20] Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. P, McKendry. s.l. : BioresourTechnol, 2002, Vols. v.83:37–46. [21] National, Instruments. Legacy NI CompactDAQ Chassis. [En línea] 2011. http://sine.ni.com/nips/cds/ view/ p/lang/en/nid/202545. [22] Use of neural nets for dynamic modeling and control of chemical process systems. N.P. Bhat, T.J. McAvoy,. s.l. : Computers Chem. Engineering, 1990, Vols. 14-4. [23] Stassen HEM, Knoef HAM. Small scale gasification systems. Twente, Netherland : The Netherlands: Biomass Technology Group, University of Twente, 1993. Sustainable biomass power for rural India: Case study of biomass gasifier for village electrification. Centre for Sustainable Technologies, Indian Institute of Science. N. H. Ravindranath, H. I. Somashekar, S. Dasappa and C. N. Jayasheela Reddy. Bangalore, India : CURRENT SCIENCE, OCTOBER 2004, Vols. v87, NO. 7, 10 . [24] S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. Procesos de Gasificación de materiales orgánicos. Grupo de investigación en Mecanismos de desarrollo Limpio y gestión Energétic. Bogotá : Universidad Nacional de Colombia, Primera Edición, 2008. An assessment of a Biomass Gasification based Power Plant in the Sunderbans. Center For Development and Environment Policy,. Mukhopadhyay, K. Joka, India, Indian Institute of Management Calcutta : Biomass and Bioenergy, 2004, Vol. 27-pp.253 – 264. [25] Perspectiva de la Comisión Europea en la biomasa y la conversión termoquímica de residuos. Maniatis [1] Proceedings of the 8th International Conference on Machine Learning and Cybernetics: Kinetic model establishment and verification of the biomass gasification fluidised bed. Zhong LD, Mei WH, Hong Z. 2009. [2] Experimental investigation of a downdraft biomass gasifier. Zainal ZA, Rifau A, Quadir GA, Seetharamu KN. s.l. : Biomass Bioenergy, 2002, Vol. v.23:283. [3] Biomass resources and conversion in Japan: the current situation and projections to 2010 and 2050. Yoshioka T, Hirata S, Matsumura Y, Sakanishi KW. s.l. : Biomass Bioenergy, 2005, Vol. p. 29. [4] INPUT AND OUTPUT CONSTRAINED MULTIPLE-MODELS PREDICTIVE CONTROL FOR GASIFIER Machine Learning and Cybernetics, 2009 International Conference. Yong Wang, Jun-Hong, Yue, Y. Wang. China : s.n., 12-15 July 2009. [5] Yang YB, Yamauchi H, Nasserzadeh V, Swithenbank J. Effect of fuel devolatilization on the combustion of wood chips and incineration of simulated municipal wastes in packed bed. s.l. : FUEL, 2003. [6] X., Li. Biomass gasification in circulating fluidized bed, PhD dissertation. Vancouver, Canada : University of British Columbia, 2002. [7] ESTATE ESTIMATION-BASED CONTROL OF A COAL GASIFIER. Wilson, J.A. Chew, M. y Jones, W. Reino Unido : Univ. of Nottingham, control Theory and Applications, IEE Proceedings, Vols. v153, p. 268-276. [8] [9] [10] [11] VEGA. Process Presure transmitter VEGABAR. [En línea] 2010. http://www.vega.com/en/Process_pressure_VEGABAR14.htm. AN EQUILIBRIUM MODEL FOR BIOMASS GASIFICATION PROCESSES M. RUGGIERO Y G. MANFRIDA. Stecco Facoltá, Sergio. Florence, Italy : Dipartimento di energética. di Ingegneria, Universitá di Firenze. VíaS.Marta 3 Renewable Energy, 1999, Vols. Volume 16, Issues 1-4, January-April 1999. 104 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105 Aprovechamiento de los Biocombustibles. Grupo de investigación en Mecanismos de desarrollo Limpio y gestión Energética. Bogotá : Universidad Nacional de Colombia. Primera edición, 2008. K, Guiu G, Riesgo J. In: Bridgwater AV : Pyrolysis and gasification of biomass and waste, Proceedings of an Expert Meeting, 2002, Vols. pp. 1–18. [26] An equilibrium model for biomass gasification processes. M. Ruggiero, G. Manfrida. s.l. : Renewable Energy, 1999, Vols. V 16, Issues 1-4, P 106-1109. ISSN 09601481, 10.1016/S0960-1481(98)00429-7. [27] PSE’97 ESCAPE 7 Symposium. M. Morari, H.L. Lee,. Trondheim, Norway : s.n., 1997. [28] An experimental study on biomass air–steam gasification in a fluidized bed. Lv PM, Xiong ZH, Chang J, Wu CZ, Chen Y, Zhu JX. s.l. : Bioresour Technol, 2004, Vols. v.95:95–101. [29] [39] I. Ahmed *, A.K. Gupta. Pyrolysis and gasification of food waste: Syngas characteristics and char gasification kinetics. Maryland, United States : The Combustion Laboratory, University of Maryland, Department of Mechanical Engineering, College Park, 2010. MD 20742. [40] HBM, España. Celda de pesaje sencilla 5kg a 1Ton. [En línea] 2010. http://www.hbm.com/es/menu/productos/componentes-para-pesaje/celulas-de-carga/ single/categorie/weighing-load-cells/product/z6/backPID/load-cells/. High-temperature air and steam gasification of densified biofuels. Lucas C, Szewczyk D, Blasiak W, Mochida S. s.l. : Biomass Bioenergy, 2004, Vol. v.27:563. [41] Effect of woody biomass components on air–steam gasification. Hanaoka T, Inoue S, Uno S, Ogi T, Minowa T. s.l. : Biomass Bioenergy, 2005, Vols. v28:69–76. [30] Fermentación de las Fuentes de biomasa. Estado actual y sus perspectivas. Lin Y, Tanaka S. s.l. : ApplMicrobiolBiotechnol, 2006. [42] [31] L, Carlos. High temperature air/steam gasification of biomass in an updraft fixed bed type gasifier. PhD thesis. Stockholm, Sweden : Royal Institute of Technology, Energy Furnace and Technology, 2005. The development of a computer model for a fixed bed gasifieran its use for optimization an control. Gobel B, Henriksen U, Jensen TK, Qvale B, Houbak N. s.l. : BioresourTechnol, 2007, Vol. v.98:52. [43] Biomass gasification in atmospheric and bubbling fluidized bed: effect of the type of gasifying agent on the product distribution. Gil J, Corella J, Aznar MP, Caballero MA. s.l. : Biomass Bioenergy, 1999, Vols. 17:389– 403. . [44] Evaluation of cyclone gasifier performance for gasification of sugar cane Residue part 1: gasification of bagasse. Gabra M, Pettersson E, Backman R, Kjellstrom B. s.l. : Biomass Bioenergy, 2001, Vol. v.21:351. [32] Kotas, T.J. The exergy method of thermal plant analysi. Malabar : Krieger Pub, 1995. ISBN 0894649418. [33] Kishore VVN, editor. Renewable energy engineering & technology: a knowledge compendium. New Delhi : TERI Press, 2008. [34] The air gasification of woody biomass from short rotation forests: PhD Thesis. K., Senelwa. New Zealand : Massey University, 1997. [45] [35] Identification of a pilot scale fluidised-bed coal gasification unit by using neural networks. J.M. Nougue Â, Y.G. Pan, E. Velo, L. Puigjaner. Barcelona, Spain : Chemical Engineering Department, E.T.S.E.I.B, Universidad Politécnica de Catalunya, Diagonal 647,, 2000, Vols. E-08028. Pyrolysis, a promising route for biomass utilization, Bioresource Technology. G. Maschio, C. Koufopanos, A. Lucchesi. s.l. : Bioresource Technology, 1992, Vols. Volume 42, Issue 3, P 219-231. ISSN 0960-8524, 10.1016/0960-8524(92)90025-S. [46] Kinetic models comparison for steam gasification of different nature fuel chars. Fermoso J, Arias B, Pevida C, Plaza MG, Rubiera F, Pis JJ. s.l. : J Therm Anal Calorim, 2008, Vol. v.91:86. [47] EMERSON, prosses management. [En línea] 2011. http://www2.emersonprocess.com/en-US/brands/ rosemountanalytical/PGA/process-gas-analyzers/XE/ Pages/index.aspx . [48] The kinetics of combustion of chars derived from sewage sludge. Dennis JS, Lambert RS, Milne AJ, Scott SA, Hayhurst AN. s.l. : Fuel 2005, 2005, Vol. v.84:117. [49] Colombia., Universidad Nacional de. ADVANCED GASIFIERCONTROL v.10. [Downloaded on March 06, 2010 at 08:29:52 EST from IEEE Xplore. Restrictions apply. COMPUTING & CONTROL ENGINEERING JOURNAL] Bo- [36] J. Ochoa, M. C. Cassanello, P. R. Bonelli and A. L. Cukierman. CO2 gasification of Argentinean coal chars: a kinetic characterization. Programa de Investigación y Desarrollo de Fuentes Alternativas de Materias Primas y Energía (PINMATE). Buenos Aires, Argentina : Departamento de Industrias, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. Intendente Guiraldes 2620. Ciudad Universitaria, 2001. [37] Neural networks for control systems Ð a survey. J. Hunt, D. Sbarbaro, R. Zbikowski, P.J. Gawthrop. s.l. : Automatica, 1992, Vols. 28-6. [38] J., Sierra F. Guerrero C. Arango. Tecnologías para el Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos, Sierra, Guerrero gotá : Authorized licensed use limited to: Universidad Nacional de Colombia., JUNE 1999. [50] THE SECOND ALSTOM BENCHMARK CHALLENGE ON GASIFIER CONTROL. Benchmark, Alstom. s.l. : Control Theory and Applications, IEE Proceedings, S.F., Vols. v153, p. 254-261. [51] Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M. Thermal Design and optimization. s.l. : John Wiley & Sons, 1996. [52] Le Point sur la gazéification de la biomase: DOSSIER COGÉNÉRATION. Francia : Revue Bois Energie , 2003, Vol. N°1/2003. [53] Diseño y construcción de un gasificador de lecho fluidizado a escala de laboratorio para el tratamiento térmico de los residuos de tabaco. Cuba : Universidad de Pinar del Río, 2005, Vol. P. 20. 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 [email protected] 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, [email protected] 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. 108 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 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 109 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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 • 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 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 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. REFERENCIAS [1] C. H. Lee, C. T. Chang, K. S. Fan and T. C. Chang. “An overview of recycling and treatment of scrap computers”.Journal of Hazardous Materials. Vol. 114, No. 1–3 pp. 93–100, 2004, ISSN: 0304–3894. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2004.07.013. [2] J. H. Zhang and L. Cai. “An autofocusing measurement system with a piezoelectric translator”.IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 2, No. 3, pp. 213–216. 1997. ISSN:1083–4435. DOI: 10.1109/3516.622974. [3] J. H. Zhang and L. Cai. “Profilometry using an optical stylus with interferometric readout”. Measurement Science & Technology.Vol. 8, No. 5, pp. 546–549, 1997. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/8/5/013. [4] K. Ehrmann, A. Ho and K. Schindhelm.“A 3D optical profilometer using a compact disc reading head”. Measurement Science and Technology. Vol 9, No. 8, pp. 1259–1265, 1998. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/9/8/019. [5] A. Bartoli, P. Poggi, F. Quercioli and B. Tiribilli. “Fast one dimensional profilometer with a compact disc pickup”. Applied Optics.Vol. 40, No. 7, pp. 1044–1048, 2001. ISSN: 2155–3165. DOI: 10.1364/AO.40.001044. [6] A. Bartoli, P. Poggi, F. Quercioli, B. Tiribilli and M. Vassalli. “Optical profilometer with a standalone scanning sensor head”. Optical Engineering. Vol. 40, No. 12, pp. 2852–2859, 2001. ISSN: 00913286. DOI: 10.1117/1.1417494. [7] K. C. Fan, C. L. Chu and J. I. Mou.“Development of a low-cost autofocusing probe for profile measurement”. Measurement Science and Technology. Vol. 12, No. 12, pp. 2137–2146, 2001. ISSN: 0957–0233.DOI: 10.1088/0957-0233/12/12/315. [8] N. Islam, R. Parkin, M. Jackson and P. Mueller.“A novel surface profile measurement system”. AU Journal of Technology. Vol. 10, No. 3, pp. 203–209, 2007. Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona 115 [9] J. Benschop and G. Rosmalen.“Confocal compact scanning optical microscope based on compact disc technology”. Applied Optics. Vol. 30, No. 10, pp. 1179–1184, 1991. ISSN: 2155-3165. DOI: 10.1364/ AO.30.001179. [19] K. C. Fan, Y. Fei and X. Yu. “Development of a microCMM”. Proceedings of the International Manufacturing Leaders Forum on Global Competitive Manufacturing. Adelaide, Australia. 27th February - 2nd March 2005. [10] F. Quercioli, B. Tiribilli, C. Ascoli, P. Baschieri and C. Frediani.“Monitoring of an atomic force microscope cantilever with a compact disk pickup”. Review of Scientific Instruments. Vol. 70, No. 9, pp. 3620–3624, 1999. ISSN: 0034–6748. DOI: 10.1063/1.1149969. [20] K. C. Fan, Z. F. Lai, P. Wu, Y. C. Chen, Y. Chen and G. Jäger. “A displacement spindle in a micro/nano level”. Measurement Science and Technology. Vol. 18, No. 6, pp. 1710–1717, 2007. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/18/6/S07. [11] E. T. Hwu, K. Y. Huang, S. K. Hung and I. S. Hwang.“Measurement of cantilever displacement using a compact disk /digital versatile disk pickup head”. Japanese Journal of Applied Physics. Vol. 45, No. 3B, pp. 2368–2371, 2006. ISSN: 1347–4065. DOI: 10.1143/JJAP.45.2368 [21] S. Morris, R. Pratt, M. Hughes, R. Kouzes, K. Pitts and E. Robinson. “DVD based electronic pulser”. IEEE Transactions on Nuclear Science.Vol. 53, No. 4, pp. 2303–2307, 2006. ISSN: 0018-9499. DOI: 10.1109/ TNS.2006.877859. [12] E. T. Hwu, S. K. Hung, C. W. Yang and I. S. Hwang.“Simultaneous detection of translational and angular displacements of micromachined elements”.Applied Physics Letters, Vol. 91, No. 22, pp. 221908–221908-3, 2007. ISSN: 0003-6951. DOI: 10.1063/1.2817750. [22] C. L. Chu and C. H. Lin. “Development of an optical accelerometer with a DVD pick-up head”. Measurement Science and Technology.Vol. 16, No. 12, pp. 2498–2502, 2005. ISSN: 0957–0233. DOI: doi:10.1088/0957-0233/16/12/014. [23] C. L. Chu, C. H. Lin and K. C. Fan. “Two-dimensional optical accelerometer based on commercial DVD pick-up head”. Measurement Science and Technology. Vol. 18, No. 1, pp. 265–274, 2007. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/18/1/033. [24] C. L. Chu and C. Y. Chiu.“Development of a low-cost nanoscale touch trigger probe based on two commercial DVD pick-up heads”. Measurement Science and Technology. Vol. 18, No. 7, pp. 1831–1842, 2007. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/18/7/006. [25] C. L. Jones. “Cryptographic hash functions and CD-based optical biosensors”. Problems of Nonlinear Analysis in Engineering Systems.Vol. 2, No. 23, pp. 17–36, 2005. ISSN: 1727-687X. [26] A. Tibbe, B. De Grooth, J. Greve, C. Rao, G. Dolan and L. Terstappen. “Cell analysis system based on compact disk technology”. Cytometry.Vol. 47, No. 3, pp. 173–182, 2002. ISSN: 0196–4763. DOI: 10.1002/ cyto.10061. [27] J. Kim, G. Liu and L. Lee. “Lens-scanning Raman microspectroscopy system using compact disc optical pickup technology”. Optics Express. Vol. 13, No. 12, pp. 4780–4785, 2005. ISSN: 1094–4087.DOI: 10.1364/OPEX.13.004780. [28] S. Lange et al. “Measuring bimolecular binding events with a compact disc player device”. AngewandteChemie. Vol. 45, No. 2, pp. 270–273, 2005. ISSN: 15213757.DOI: 10.1002/anie.200501243. [29] S. Kostner and M. Vellekoop. “Particle and cell detection using a DVD pickup head”. Biennial Report of The Society for Micro- and Nanoelectronics, 2005–2006, pp. 401–404. [13] [14] [15] [16] E. T. Hwu, S. K. Hung, C. W. Yang, K. Y. Huang and I. S. Hwang. “Real-time detection of linear and angular displacements with a modified DVD optical head”. Nanotechnology. Vol. 19, No. 11, pp. 115501–115507, 2008. ISSN: 0957-4484. DOI: 10.1088/09574484/19/11/115501. E. T. Hwu, H. Illers, L. Jusko and H. U. Danzebrink. “A hybrid scanning probe microscope (SPM) module based on a DVD optical head”. Measurement Science and Technology. Vol. 20, No. 8, pp.1–8, 2009. ISSN: 09570233. DOI: doi:10.1088/0957-0233/20/8/084005. F. Quercioli, A. Mannoni& B. Tiribilli. “Correlation optical velocimetry with a compact disk pickup”. Applied Optics.Vol. 36, No. 25, pp. 6372–6375, 1997. ISSN: 2155-3165. DOI: 10.1364/AO.36.006372. F. Quercioli, A. Mannoni& B. Tiribilli. “Laser Doppler velocimetry with a compact disc pickup”. Applied Optics. Vol.37, No. 25, pp. 5932–5937, 1998. ISSN: 2155316. DOI: 10.1364/AO.37.005932. [17] F. Quercioli, B. Tiribilli and A. Bartoli. “Interferometry with optical pickups”. Optics Letters. Vol. 24, No. 10, pp. 670–672, 1999. ISSN: 1539-4794. DOI: 10.1364/OL.24.000670. [18] K. C. Fan, C. L. Chu, J. L. Liao and J. I. Mou. “Development of a high-precision straightness measuring system with DVD pick-up head”. Measurement Science and Technology.Vol. 14, No. 1, pp. 47–54, 2003. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/14/1/307. 116 ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117 [30] S. Kostner and M. Vellekoop.“Low cost cytometer based on a DVD pickup head”. Eleventh International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences. Paris, France, 2007, pp. 739–741. [42] N. Tan, Ö.F. Özgüven, y M.M. Özyetkin. “Robust stability analysis of fractional order interval polynomials” .ISA Transactions. Vol. 48, No. 2, 166–172, 2009. ISSN: 0019-0578. DOI: 10.1016/ j.isatra.2009.01.002. [31] S. Kostner and M. Vellekoop. “Cell analysis in a microfluidic cytometer applying a DVD pickup head”. Sensors and Actuators B Vol. 132, No. 2, pp. 512–517, 2008. ISSN: 0925-4005. DOI: 10.1016/j.snb.2007.11.038. [43] L. Meng, y D. Xue. ”Design of an optimal fractionalorder PID controller using Multi-Objective GA optimization”. IEEE Chinese Control and Decision Conference, 2009, 3849–3853. [32] V. Yim, S. Y. Lee, S. Kim and J. Y. Park. “Multipurpose DVD pick-up scanner for analysis of microfluidics and micromechanical structures”. 30th Annual International IEEE EMBS Conference.Vancouver, Canada, 2008. pp. 2749–2751. [44] J.Y. Cao, y B.G. Cao. “Design of Fractional Order Controllers Based on Particle Swarm Optimization”.1st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.Marina Mandarin, Singapore. 24-26 May 2006, pp. 1–6. [33] K. H. Kim, S. Y. Lee, S. Kim, S. H. Lee and S. G. Jeong. “A new DNA chip detection mechanism using optical pick-up actuators”. Microsystem Technologies. Vol. 13, No. 8–10, pp.1359–1369, 2007. ISSN: 1432–1858. DOI: 10.1007/s00542-006-0367-9. [45] C.H. Lee, y F.K Chang. “Fractional-order PID controller optimization via improved electromagnetism–like algorithm”. Expert Systems with Applications. Vol. 37, No. 12, 8871–8878, 2010. ISSN: 0957-4174. DOI:10.1016/ j.eswa.2010.06.009. [34] K. H. Kim, S. Y. Lee, S. Kim and S. G. Jeong. “DNA microarray scanner with a DVD pick-up head”. Current Applied Physics. Vol. 8, No. 6, pp. 687–69, 2008, ISSN: 1567-1739. DOI: 10.1016/j.cap.2007.04.047. [46] N. Matsunaga, K. Sasano, and H. Okajima. “An Implementation of Fractional–order PID Controller with Dynamic Quantizer considering the Memory Constraint”. IEEE International Conference on Control Applications, Yokohama, Japan, 2010. Pp. 2409–2414. [35] K. H. Park et al. “Bio-information scanning technology using an optical pick-up head”. Ultramicroscopy. Vol. 108, No. 10, pp. 1319–1324, 2008. ISSN: 03043991. DOI: 10.1016/j.ultramic.2008.04. 074. [47] A. Pisano, M.R. Rapai, y E. Usai. “On second-order sliding-mode control of fractional-order dynamics”. American Control Conference, AACC. Baltimore, USA, 2010. Pp. 6680–6685. [36] T. R. Armstrong and M. P. Fitzgerald. “An autocollimator based on the laser head of a compact disc player”. Measurement Science and Technology.Vol. 3, No. 11, pp. 1072–1076, 1992. ISSN: 0957–0233. DOI: 10.1088/0957-0233/3/11/009. [48] R. Zhang, y S. Yang, “Adaptive synchronization of fractional-order chaotic systems via a single driving variable”. Nonlinear Dynamics.Vol. 66, No. 4, pp. 831–837, 2011. ISSN: 1573-269X. DOI: 10.1007/s11071-0119944-2. [37] M. Felton. “CD simplicity”.Analytical Chemistry.Vol. 75, No. 13, pp. 302A–306A, 2003. ISSN: 1520-6882. DOI: 10.1021/ac031357z. [49] [38] C. A. Monje, Y Chen, B. M. Vinagre, D.Xue, and V. Feliu, “Fractional-order systems and controls :fundamentals and applications”. Springer-Verlag.1st Edition. 415 p. London, England. ISBN: 978-1849963343. 2010. F. Padula, A.Visioli,. “Tuning rules for optimal PID and fractional order PID controllers”. Journal of Process Control. Vol. 21, No. 1, 69–81, 2011. ISSN: 09591524. DOI: 10.1016/j.jprocont.2010.10. 006. [50] R. Dorf and R. Bishop. “Sistemas de control moderno”. Pearson Prentice Hall, 10a Ed. 882 p. Madrid, España. ISBN: 978–8420544014. 2005. [51] P.Maybeck. Stochastic models, estimation and control, Vol 1. Academic Press, New York, 1979, 423 p. [52] K. Iskakov, A. Albu-Schaeffer, M. Schedl, G. Hirzinger and V. Lopota. “Influence of sensor quantization on the control performance of robotics actuators”. Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.San Diego, CA, USA, Oct 29 - Nov 2, pp. 1085–1092. [53] D. Valério and J. S. da Costa. “Ninteger: a non-integer control toolbox for Matlab”. Proccedings of the 1st IFAC Workshop on Fractional Differentiation and its Applications, FDA’06, Bordeaux, France, 2004, 6 p. [39] A. Oustaloup, P. Melchior, P. Lanusse, O. Coisand F. Dancla. “The CRONE toolbox for Matlab”. IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design, CACSD 2000, Anchorage, USA, 2000.190– 195. [40] C.Monje. “Tuning and Auto-tuning of Fractional Order Controllers for Industry Applications”. Control Engineering Practice. Vol. 16.No. 7. Pp.798-812. 2008. [41] D. Valerio, J.S. Da Costa. “Tuning rules for fractional PIDs”. Advances in Fractional Calculus: Theoretical Developments and Applications.Springer 1st Ed. Pp.463–476. Dordrecht, The Neterlands. ISNB: 978-14020-6041-0. 2007. Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona [54] P. Ortiz, J. Ramírez and L.Cardona. “Modelo matemático y control de un sistema de fluidos”. 1a. edición. Medellín 2011: instituto tecnológico metropolitano. ISBN 978-958-8743-08-0. [55] L. Cardona, P. Ortiz and A. Restrepo. “Modelado y control de posición de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica” 3er Congreso internacional de Ingeniería mecatrónica. UNAB. Vol. 2, No 1. 2011. 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 [email protected] 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 [email protected] 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. REFERENCIAS [1] E. Coto, “Método de Segmentación de Imágenes Médicas,” 2003. [2] Instituto Nacional de Cancerología, “Casos nuevos de cáncer de mama, según estadio clínico al ingreso y régimen de afiliación.” 2009. [3] F. R. Narváez E., “Sistema de Anotación para Apoyo en el Seguimiento y Diagnóstico de Cáncer de Seno,” Universidad Nacional de Colombia, 2010. [4] American College of Radiology (ACR), Breast Imaging Reporting and Data System, 4th ed. 2003. [5] A. M. Knutzen and J. J. Gisvold, “Likelihood of malignant disease for various categories of mammographically detected, nonpalpable breast lesions.,” in Mayo Clinic proceedings. Mayo Clinic, 1993, Vol. 68, p. 454. [6] S. Banik, R. M. Rangayyan, and J. E. L. Desautels, “Detection of Architectural Distortion in Prior Mammograms,” Medical Imaging, IEEE Transactions on, vol. 30, no. 2, pp. 279–294, 2011. [7] D. A. Gómez Betancur, “Método de detección de distorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria a partir de imágenes radiológicas,” Universidad Nacional de Colombia, 2012. [8] M. D. Phillips, “Invasive Lobular Breast Carcinoma: Pathology And Genetics Reflected By MRI,” The WorldCare Clinical (WCC) Note, Vol. 4, 2010. [9] T. Matsubara, T. Ichikawa, T. Hara, H. Fujita, S. Kasai, T. Endo, and T. Iwase, “Novel method for detecting mammographic architectural distortion based on concentration of mammary gland,” in International Congress Series, 2004, vol. 1268, pp. 867–871. [10] B. C. Yankaskas, M. J. Schell, R. E. Bird, and D. A. Desrochers, “Reassessment of breast cancers missed du- Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch ring routine screening mammography: a communitybased study,” American Journal of Roentgenology, vol. 177, no. 3, p. 535, 2001. [11] M. Bustamante, G. Lefranc, A. Núñez, and M. G. Pesce, “Calculo De La Amplitud Dispersada En Mamografias, Usando Como Modelo De Degradacion El Filtro Bosso.,” PHAROS, Vol. 8, No. 1, 2001. [12] H. D. Cheng, X. J. Shi, R. Min, L. M. Hu, X. P. Cai, and H. N. Du, “Approaches for automated detection and classification of masses in mammograms,” Pattern Recognition, vol. 39, no. 4, pp. 646–668, 2006. [13] J. Tang, R. M. Rangayyan, J. Xu, I. El Naqa, and Y. Yang, “Computer-aided detection and diagnosis of breast cancer with mammography: Recent advances,” Information Technology in Biomedicine, IEEE Transactions on, Vol. 13, No. 2, pp. 236–251, 2009. [14] R. M. Rangayyan and T. M. Nguyen, “Fractal Analysis of Contours of Breast Masses in Mammograms,” Journal of Digital Imaging, Vol. 20, pp. 223–237, Oct. 2006. [15] T. Matsubara, T. Ichikawa, T. Hara, H. Fujita, S. Kasai, T. Endo, and T. Iwase, “Automated detection methods for architectural distortions around skinline and within mammary gland on mammograms,” International Congress Series, vol. 1256, no. 0, pp. 950–955, Jun. 2003. [16] N. Eltonsy, G. D. Tourassi, and A. Elmaghraby, “Investigating performance of a morphology-based CAD scheme in detecting architectural distortion in screening mammograms,” Proc. 20th Int. Congr. Exhib. Comput. Assist. Radiol. Surg, pp. 336–338, 2006. [17] G. D. Tourassi, D. M. Delong, and C. E. Floyd, “A study on the computerized fractal analysis of architectural distortion in screening mammograms,” Physics in Medicine and Biology, Vol. 51, pp. 1299–1312, Mar. 2006. [18] R. M. Rangayyan, S. Prajna, F. J. Ayres, and J. E. L. Desautels, “Detection of architectural distortion in prior screening mammograms using Gabor filters, phase portraits, fractal dimension, and texture analysis,” International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Vol. 2, No. 6, pp. 347–361, 2008. [19] S. Prajna, R. M. Rangayyan, F. J. Ayres, and J. E. L. Desautels, “Detection of architectural distortion in mammograms acquired prior to the detection of breast cancer using texture and fractal analysis,” in Proceedings of SPIE, 2008, Vol. 6915, p. 691529. [20] R. M. Rangayyan, S. Banik, and J. E. L. Desautels, “Computer-aided detection of architectural distortion in prior mammograms of interval cancer,” Journal of Digital Imaging, Vol. 23, No. 5, pp. 611–631, 2010. [21] S. Russell, InteligenciaArtificial-UnEnfoqueModerno, 2nd ed. 2004. 127 [22] T. Nakashima, G. Schaefer, Y. Yokota, and H. Ishibuchi, “A weighted fuzzy classifier and its application to image processing tasks,” Fuzzy sets and systems, Vol. 158, No. 3, pp. 284–294, 2007. [23] H. Ishibuchi and T. Nakashima, “Effect of rule weights in fuzzy rule-based classification systems,” Fuzzy Systems, IEEE Transactions on, Vol. 9, No. 4, pp. 506– 515, 2001. [24] R. M. Haralick, K. Shanmugam, and I. Dinstein, “Textural Features for Image Classification,” IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 3, No. 6, pp. 610–621, Nov. 1973. [25] M. Amadasun and R. King, “Textural features corresponding to textural properties,” IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 19, no. 5, pp. 1264–1274, Oct. 1989. [26] H. Tamura, S. Mori, and T. Yamawaki, “Textural Features Corresponding to Visual Perception,” IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 8, No. 6, pp. 460–473, Jun. 1978. [27] D.-Y. Tsai and K. Kojima, “Measurements of texture features of medical images and its application to computer-aided diagnosis in cardiomyopathy,” 2005. 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. [email protected] Diego Rodríguez Mora Ingeniero en Mecatrónica. Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia. Auxiliar de Investigación. Universidad Militar Nueva Granada. [email protected] Jenny Gutiérrez Calderón Ingeniero en Mecatrónica. Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia. Joven Investigador. Universidad Militar Nueva Granada. [email protected] 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 [email protected] Óscar Avilés Sánchez Ph.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas. Director de programa de Mecatrónica Universidad Militar Nueva Granada. Bogotá, Colombia [email protected] 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 . 132 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134 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 134 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134 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. 411-415 [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 Revista ITECKNE Instrucciones Generales • • • • • • • • • • • Los artículos deberán ser enviados en formato digital al correo electrónico e-mail: [email protected]. Los trabajos se aceptan para la publicación previo proceso de revisión de su calidad académica y científica. Todo artículo postulado para publicación debe ser original o inédito, y no puede estar postulado para publicación simultáneamente en otras revistas. En la página web de la Revista Iteckne se halla disponible la declaración de originalidad y cesión de derechos, que los autores deberán diligenciar y enviar al Comité Editorial, junto con el artículo. La revista Iteckne requiere a los autores que concedan la propiedad de sus derechos de autor, para que su artículo y materiales sean reproducidos, publicados, editados, fijados, comunicados y transmitidos públicamente en cualquier forma o medio, así como su distribución en el número de ejemplares que se requieran y su comunicación pública, en cada una de sus modalidades, incluida su puesta a disposición del público a través de medios electrónicos, ópticos o de otra cualquier tecnología, para fines exclusivamente científicos, culturales, de difusión y sin fines de lucro. El Comité Editorial hace una primera evaluación, después de la cual, el trabajo puede ser rechazado sin evaluación adicional o se acepta para la evaluación de los pares académicos externos. Por lo anterior, no se asegura a los autores la publicación inmediata de dicho artículo. La decisión de rechazar un trabajo es definitiva e inapelable. Los trabajos pueden ser rechazados en esta primera evaluación porque no cumplen con los requisitos de redacción, presentación, estructura o no son suficientemente originales y/o pertinentes con la publicación a editar. Los trabajos que son aceptados en esta primera etapa, son enviados a los pares académicos externos (árbitros) expertos en el área respectiva, cuyas identidades no serán conocidas por el autor y, a su vez, los pares evaluadores tampoco conocerá la(s) identidad(es) del(los) autor(es). Si el trabajo es aceptado, pero con la recomendación de hacer modificaciones, se le devolverá al (los) autor(es) junto con las recomendaciones de los árbitros para que preparen una nueva versión corregida para lo cual disponen del tiempo que le indique el Comité Editorial. Los autores deben remitir la nueva versión con una carta física o correo electrónico en la que expliquen detalladamente los cambios efectuados, de acuerdo con las recomendaciones recibidas. El Editor junto con el Comité Editorial determinarán su aceptación, considerando el concepto de los evaluadores y las correcciones realizadas por el(los) autor(es). Los árbitros realizarán la evaluación de acuerdo al formato correspondiente establecido por la revista y sólo serán publicados los artículos que superen en la calificación cualitativa en la escala de 1 a 50, 35 puntos. En todos los casos se comunicarán a los autores los resultados del proceso de evaluación con los argumentos que sustenten la decisión del Comité Editorial y/o el Comité de Arbitraje. Un árbitro podrá calificar dos (2) artículos de diferentes autores al tiempo, de igual forma un artículo podrá ser calificado por dos árbitros diferentes, ya sean internos, nacionales o internacionales. Los integrantes del Comité Editorial y Comité de Arbitraje, no deberán evaluar sus propios productos, en caso tal que actúen como autores dentro de la misma publicación. Los trabajos no publicados serán archivados como artículos rechazados o en proceso de aceptación. La dirección de la revista ITECKNE no se responsabiliza por el contenido de los artículos, ni por su publicación en otros medios. El contenido de cada artículo es responsabilidad exclusiva de su(s) autor(es) y no compromete a la Universidad. 136 IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 135 - 137 Forma de Presentación de los Artículos. Todos los documentos postulantes a ser publicados deberán tener las partes requeridas y cumplir con los apartados descritos a continuación: De las partes del documento El documento debe contener: Titulo, Title, Autor (es), Resumen, Palabras clave, Abstract, Keywords, Introducción, Contenido del documento, Conclusiones, Apéndice(s), Agradecimientos, Bibliografía De la redacción Para lograr un buen estilo se recomienda respetar rigurosamente la sintaxis, la ortografía y las reglas gramaticales pertinentes. Se debe redactar en forma impersonal (la forma impersonal corresponde a la forma reflexiva, por ejemplo: se hace, se define, se definió, se contrastó). El trabajo debe estar exento de errores dactilográficos, ortográficos, gramaticales y de redacción. Para resaltar, puede usarse letra cursiva o negrilla. De la Puntuación • • Después de punto seguido se deja un espacio; y de punto aparte una interlínea. Los dos puntos se escriben inmediatamente después de la palabra, seguidos de un espacio y el texto comienza con minúsculas. De los requerimientos físicos del artículo: (ver plantilla revista ITECKNE) • • • • • • • • • • • • El tamaño de la página será carta, con márgenes superior e inferior de 20 mm; izquierdo y derecho de 25 mm. El documento se desarrollará en dos columnas con separación central de 4,3 mm. El diseño de encabezado y pie de página debe estar a un centímetro de la hoja. El contenido del documento debe desarrollarse a espacio sencillo, dejando una línea cada vez que se desea iniciar un párrafo. El texto del contenido del artículo se formalizará con tipo de fuente Arial tamaño 10. La numeración del documento se iniciará desde la Nomenclatura en caso de existir una, hasta las conclusiones del documento. Los agradecimientos, apéndices y referencias bibliográficas, no son consideradas como Secciones numeradas del documento. Las tablas deberán llevar numeración continua, comenzando en Tabla I., referenciando posteriormente su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la tabla con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. (Ver plantilla revista Iteckne). Las Figuras deberán llevar numeración continua, comenzando en Fig. 1. referenciando posteriormente su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la figura, con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. Nótese que “Fig.” se ha escrito abreviada y hay doble espacio antes del texto. Las figuras incluidas en el contenido del artículo deben ser originales, suficientemente claras, para facilitar la edición de la revista. Todas las figuras deben ser enviadas por separado en formato jpg con una resolución entre 240 y 300 dpi (puntos por pulgada). Las tablas y figuras del documento, deberán ir referenciadas en el cuerpo del artículo. Dicha referencia debe ir en letra Arial tamaño 7, en la parte inferior de la figura o tabla, tabulado a la izquierda. Las columnas de la última página deben ser concluidas con un largo igual o simétrico. Las referencias ubicadas al final del documento (mínimo 15), según el formato IEEE. Deberán ir enumeradas consecutivamente (Número entre corchetes [1], y con el siguiente formato: Instrucciones a los autores Revista ITECKNE 137 Artículos de revistas científicas • • • • Autor(es), Nombre de la publicación, Título de la revista, Volumen, Número, páginas y año. Deben ir en fuente Arial, Tamaño 7. Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution 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 abreviatura o nomenclatura. Las viñetas usadas para señalización especial, será el punto, de fuente Symbol y tamaño 8. En caso de que los artículos contengan fórmulas matemáticas, deben estar digitadas en fuente Arial 10, mediante el editor de ecuaciones de Microsoft. El artículo deberá tener un mínimo de 4 caras de hoja y un máximo de 10 caras de hoja de contenido, en el formato establecido por la revista. Instructions to the authors, ITECKNE Journal General instructions • • • • • • • • • • • • The articles must be sent in digital format to the following email address: [email protected]. Their academic and scientific quality will be reviewed prior to being accepted for publication. The articles are accepted for publication after their academic and scientific quality have been reviewed. All articles postulated for publication must be original or unpublished, and cannot be postulated for publication simultaneously in other journals. The declaration of originality and copyright assignment is available in the Iteckne Journal webpage. The authors must sign it and send it to the Publishing Committee, along with the article. The Iteckne journal requires the authors to grant the property of their author’s rights, so that their article and materials are reproduced, published, edited, fixed, communicated and publicly transmitted in any form or means, as well as their distribution in any required number of units and their public communication, in each of their modalities, including putting them at the disposal of the public through electronic, optical or any other means of technology, for exclusively scientific, cultural, broadcasting and nonprofit aims. The Publishing Committee makes a first evaluation, after which the work can be rejected without any additional evaluation or accepted for evaluation of the external academic pairs. The previous statement does not assure the immediate publication of the article. The decision to reject a work is definitive and unquestionable. The works can be rejected in this first evaluation because they do not fulfill the writing requirements, presentation, and structure or are not original enough and/or pertinent with the publication to be published. The works that are accepted in this first stage are sent to the external academic peers (referees) experts in the respective area, whose identities will not be known by the author and, similarly, the evaluating peers will not know the identity/ies of the author /s. If the work is accepted, but with the recommendation to make modifications, it will be given back to the author/s along with the recommendations from the referees so that he/they prepare a new corrected version within the time indicated by the Publishing Committee. The authors must send the new version with a physical letter or an e-mail in which they explain in detail the changes made, in accordance with the received recommendations. The Publisher along with the Publishing Committee will determine its acceptance, considering the concept of the evaluators and the corrections made by the author/s. The referees will carry out the evaluation according to the corresponding format established by the journal and they will only publish the articles with over 35 points in the qualitative qualification scale from 1 to 50. The authors will always be informed about the results of the process of evaluation that sustain the decision of the Publishing Committee and/or the Referees. An academic peer (referee) will be able to grade two (2) articles by different authors at once; similarly, an article can be graded by two different referees, which can be internal, national or international. The members of the Publishing and Referees Committees must not evaluate their own products, in case they act like authors within the same publication. The non-published works will be filed as rejected articles or articles in process of acceptance. The editorial board of the ITECKNE journal does not take responsibility for the content of the articles, nor for their publication in other means. The content of each article is exclusive responsibility of their authors and not the University’s. Instructions to the authors, ITECKNE Journal 139 Presentation of Articles All articles applying to be published must have the requirements described below: Concerning the parts of the document The document must contain: Title, Author/s, Summary, Abstract, Keywords, Introduction, Content of the document, Conclusions, Appendix (s) Acknowledgements, Bibliography Concerning the writing In order to obtain a good style it is recommended to respect the syntax, spelling and grammar rules rigorously. The article must be written in impersonal form (it corresponds to the passive form, for example: it is done, it is defined, it was defined, it was contrasted). The work must be free of typing, orthographic, grammar and writing errors. Italics or bold type can be used to highlight. Concerning the punctuation • • Leave one space after a period; and start a new line after a full-stop. Colons are written immediately after the word, followed by a space and the text begins with small letters. Concerning the physical requirements of the article: (see template from ITECKNE magazine) • • • • • • • • • • • • The article must be written on letter size paper/format, with top and bottom margins of 20 mm; left and right, 25 mm. The document must be in two-column format with a central space of 4.3 mm (see template in Iteckne journal). The design of the header and footer must be of 1 centimeter. The content of the document must be written on single space, leaving a line when starting a new paragraph. The font must be Arial 10. 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 considered as numbered sections in the document. The tables will take continuous numbering, beginning with Table I., referencing afterwards their title, in all caps, located at the top part of the table with center tab, in Arial 8. (see template in Iteckne journal). The Figures will take continuous numbering, beginning with Fig 1. referencing afterwards their title, in all caps, located at the top part of the figure with center tab, in Arial 8. Note that " Fig." has been written abbreviated and with double space before the text. The figures in the content of the article must be original, clear enough to facilitate the edition of the journal. Every Figure and Table included in the paper must be referred to from the text (Source: XXX). These references must go in Arial 7, in the lower part of the figure or table, left tab. The columns in the last page must have an equal or symmetrical length. The references located at the end of the paper, must be numbered consecutively (Number between square brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal): 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.