REVISTA_ II_vol9.indd - universidad santo tomas de bucaramanga

DIRECTIVOSFr. Faustino Corchuelo Alfaro, O.P.RectorFr. Guillermo León Villa Hincapié, O.P.Vicerrector AcadémicoFr. Fernando Cajicá Gamboa, O.P.Decano División de Ingenierías yArquitecturaFr. José Rodrigo Arias Duque, O.P.Vicerrector Administrativo-FinancieroCORRECCIÓN ORTOGRÁFICA Y DEESTILOCiro Antonio Rozo GautaPRODUCCIÓN CREATIVADepartamento de PublicacionesDirectora Dpto. PublicacionesC.P. Luz Marina Manrique CáceresDiseño y DiagramaciónPub. Luis Alberto Barbosa JaimeIMPRESIÓNDistrigrafPERIODICIDADSemestral© Universidad Santo TomásISSN 1692 - 1798EDITORLuis Ómar Sarmiento Álvarez, M.Sc, PhD(c)Coordinadora editorialLizeth Johanna Alvarado Rueda, M.Sc.COMITÉ EDITORIALLuis Ómar Sarmiento Álvarez, M.Sc.Universidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaHernando Alberto Camargo García, Ph.D.Universidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaGilma Granados Oliveros, Ph.DUniversidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaAlberto González Salvador, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaJosé Millet Roig, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaOscar Elías Herrera Bedoya, Ph.DUniversidad Piloto de ColombiaBogotá, ColombiaCOMITÉ CIENTÍFICOYudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.D.Universidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaMiguel Eugenio Arias Flórez, Ph.DUniversidad Santo TomásBogotá, ColombiaJairo Claret Puente Brugés, Ph.DUniversidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaGabriel Ordonez Plata, Ph.DUniversidad Industrial de SantanderBucaramanga, ColombiaHomero Ortega Boada, Ph.DUniversidad Industrial de SantanderMinisterio TICColombiaHéctor Esteban González, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaJuan Carlos Guerri CebolledaUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaLa 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 - CITCada artículo es responsabilidad de su autor y no refleja la posición de la revista. Se autoriza la reproducción de los artículos siempre ycuando se cite al autor y la revista Iteckne. Agradecemos el envío de una copia de la reproducción a esta dirección: Universidad SantoTomás, Facultades de Ingeniería.Carrera 18 No. 9-27 Servicio al Cliente Iteckne Teléfono: + 57 7 6800801 Ext. 1411- 1421 Fax: 6800801 Ext. 1346E-mail: iteckne@gmail.com - iteckne@mail.ustabuca.edu.coBucaramanga - Santander

DIRECTIVOSFr. Faustino Corchuelo Alfaro, O.P.RectorFr. Guillermo León Villa Hincapié, O.P.Vicerrector AcadémicoFr. Fernando Cajicá Gamboa, O.P.Decano División de Ingenierías yArquitecturaFr. José Rodrigo Arias Duque, O.P.Vicerrector Administrativo-FinancieroCORRECCIÓN ORTOGRÁFICA Y DEESTILOCiro Antonio Rozo GautaPRODUCCIÓN CREATIVADepartamento de PublicacionesDirectora Dpto. PublicacionesC.P. Luz Marina Manrique CáceresDiseño y DiagramaciónPub. Luis Alberto Barbosa JaimeIMPRESIÓNDistrigrafPERIODICIDADSemestral© Universidad Santo TomásISSN 1692 - 1798EDITORLuis Ómar Sarmiento Álvarez, M.Sc, PhD(c)Coordinadora editorialLizeth Johanna Alvarado Rueda, M.Sc.COMITÉ EDITORIALLuis Ómar Sarmiento Álvarez, M.Sc.Universidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaHernando Alberto Camargo García, Ph.D.Universidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaGilma Granados Oliveros, Ph.DUniversidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaAlberto González Salvador, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaJosé Millet Roig, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaOscar Elías Herrera Bedoya, Ph.DUniversidad Piloto de ColombiaBogotá, ColombiaCOMITÉ CIENTÍFICOYudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.D.Universidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaMiguel Eugenio Arias Flórez, Ph.DUniversidad Santo TomásBogotá, ColombiaJairo Claret Puente Brugés, Ph.DUniversidad Santo Tomás,Bucaramanga, ColombiaGabriel Ordonez Plata, Ph.DUniversidad Industrial de SantanderBucaramanga, ColombiaHomero Ortega Boada, Ph.DUniversidad Industrial de SantanderMinisterio TICColombiaHéctor Esteban González, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaJuan Carlos Guerri CebolledaUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, EspañaLa 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 - CITCada artículo es responsabilidad de su autor y no refleja la posición de la revista. Se autoriza la reproducción de los artículos siempre ycuando se cite al autor y la revista Iteckne. Agradecemos el envío de una copia de la reproducción a esta dirección: Universidad SantoTomás, Facultades de Ingeniería.Carrera 18 No. 9-27 Servicio al Cliente Iteckne Teléfono: + 57 7 6800801 Ext. 1411- 1421 Fax: 6800801 Ext. 1346E-mail: iteckne@gmail.com - iteckne@mail.ustabuca.edu.coBucaramanga - Santander

ContenidoRevista ITECKNE Vol 9 Nº 2 julio - diciembre de 2012Editorial...........................................................................................................................................................................5Luis Ómar Sarmiento ÁlvarezARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓNAnálisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de ColombiaPerformance analysis of the IEEE802.11 for the conectivity of rural zones in Colombia..........................................7Óscar Gualdrón González,Ricardo Andrés Díaz SuárezAnálisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line CommunicationsAnalysis about behavior of the Throughput in LAN networks under technology Power Line Communications........22Juan Carlos Vesga Ferreira, Gerardo Granados AcuñaPerformance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11Networks – Study of Case for the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en redes IEEE 802.11- Caso de Estudio Red QRD..........................................................................................................................................33Evelio Astaiza Hoyos, Diego Fernando Salgado Castro, Héctor F. Bermúdez OrozcoArquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-avancedFunctional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks...................40Diego Fernando Rueda Pepinosa, Zoila Inés Ramos RodríguezMultilistas aplicadas a la implementación de un parseador de XML para la definiciónde XPDL 2.2 en objective c para iosMultilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard.......................52Daniel Iván Meza Lara, Óscar Elías Herrera Bedoya, Leidy Andrea Ruiz RodríguezMedida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la informaciónde fase de una rejilla radialSimultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phaseinformation of a radial grid..........................................................................................................................................62Luis Alejandro Galindo Vega, Jaime Enrique Meneses Fonseca, Camilo Andrés Ramírez Prieto,Jaime Guillermo Barrero PérezInfluence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la producción de metanoa partir del bagazo de fique.........................................................................................................................................72Liliana del Pilar Castro Molano, Humberto Escalante Hernández, Carolina Guzmán Luna

Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinylAcetate and ester acrylic to obtain recovered leatherEvaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-poliméricaDe vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de cuero.................................................................................78Danny Guillermo Cañas Rojas, Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc, Mario Álvarez Cifuentes, Ph. DEvaluación computacional del flujo a través de membranas porosas.....................................................................85Computational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López Montoya, César Nieto Londoño, Mauricio Giraldo OrozcoModelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisiónal Estado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery: Review for the actualtecnology.......................................................................................................................................................................95José Ulises Castellanos, Carlos Alberto Guerrero Fajardo, Fabio Emiro Sierra VargasControl PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicacionesen microscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head position control to be usedin optical microscopy..................................................................................................................................................106Paula Andrea Ortiz Valencia, Lorena Cardona RendónSistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones dela Arquitectura de la Glándula MamariaDecision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion..................................................118Duván Alberto Gómez Betancur, John Willian Branch BedoyaControl de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas FinitosCoupled tanks system temperature control using finite automata...........................................................................128Nathalie Cañón Forero, Jenny Gutiérrez Calderón, Óscar Avilés Sánchez, Diego Rodríguez Mora,Darío Amaya HurtadoInstrucciones a los autores Revista ITECKNE..........................................................................................................135Instructions to the authors, ITECKNE Journal..........................................................................................................138La revista ITECKNE es una publicación de la División de Ingenierías de la Universidad Santo Tomás, Seccional de Bucaramanga, integradapor las Facultades de Ingeniería de Telecomunicaciones, Ingeniería Mecatrónica, Ingeniería Industrial y Química Ambiental. Actualmentela Revista está indexada en el Índice Bibliográfico Nacional Publindex y en el Sistema Regional de Información en Línea para RevistasCientíficas de América Latina, el Caribe, España y Portugal LATINDEX, y ha sido aceptada en el sistema de bases de datos de EBSCO (FuenteAcadémica). 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 einvestigadores interesados en las áreas en las que se inscribe cada una de las publicaciones. La revista aceptará preferiblemente artículosde investigación e innovación con un alto nivel de calidad, y también aceptará artículos cortos y reportes de caso.

EditorialLa revista ITECKNE, innovación e Investigación en Ingeniería, haceparte de la Red Colombiana de Revistas de Ingeniería (RRCI). Dicha red,se ha consolidado paulatinamente como un espacio de socialización, discusióny formación orientada a la profesionalización de los editores de revistasde ingeniería en Colombia. Así mismo, constituye un organismo decooperación científica, académica y de investigación entre responsablesde la gestión editorial, con el propósito de mejorar la calidad científica yeditorial de las publicaciones en el área de ingeniería. En la búsqueda deformalización de espacios de discusión, apertura de nuevas posibilidadesde participación e intercambio de los miembros y estructuración de lastemáticas de interés de los editores, la Red organizó el Primer Workshop- Actualidad y retos en las publicaciones seriadas de CT+I, con el ánimode conocer y compartir las experiencias de los editores, investigadores,docentes y comunidad en relación con las publicaciones seriadas de CT+Iy 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 Conocimientode PUBLINDEX, nos informó cómo las instituciones de educación superiorprivadas lideran la producción de revistas indexadas en PUBLINDEX desdeal año 2009. Sin duda, esto da fe de la alta calidad editorial que semaneja en las IES privadas. Resalta también en su presentación, dentrode los ajustes a la nueva política de PUBLINDEX, la incorporación de lasTIC en la administración y producción de revistas especializadas de CT+I,y la promoción de la cultura Open Access (OA) entre las revistas científicasnacionales y su inclusión en bases de datos de acceso abierto yen repositorios. En ese sentido la revista ITECKNE, está terminando laimplementación del sistema Open Journal System (OJS) para su puestaen marcha a partir del próximo año. Adicionalmente, a partir de este número,la revista cuenta con un ISSN digital como forma de incorporaciónal 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 osuperior debe estar asociada a los Sistemas de Indexación y Resumen(SIRES). Para ello, PUBLINDEX ha reconocido y analizado 83 SIRES, delos cuales, 3 son Índices Bibliográficos Generalistas de Citaciones (IBGC),19 son Índices Bibliográficos (IB) y 61 son Bases Bibliográficas con Comitéde Selección (BBCS). En este sentido, se debe agregar una nuevafunción a los editores de revistas: revisar los requerimientos para ingresoy permanencia en dichos SIRES. Esto implica que la labor editorial continúaal menos tres años después de publicado cada número, ya que elFactor de Impacto de Revistas, uno de los indicadores empleados poralgunos SIRES, analiza el promedio de citas que reciben los documentos

de una revista en una ventana de tiempo de dos años anteriores al añode publicación. La segunda, son las sugerencias para fortalecer el impactode las publicaciones científicas nacionales, entre las que sobresalen,“cuidar de la calidad en los resultados más que la cantidad; escribir en variosidiomas; fortalecer los comités de árbitros; cuidar la autonomía de loscomités científicos, editoriales, árbitros, para garantizar la calidad en laproducción de la revista; publicar artículos en colaboración con investigadoresnacionales e internacionales, utilizar bibliografía los más recienteposible nacional e internacional; reconocer el trabajo de otros investigadoreslocales y regionales.” Por fortuna, la mayoría de estas sugerenciashacen parte de las políticas editoriales de la Revista ITECKNE.ECOPETROL se hizo presente en el Workshop, y de un lado, compartiósu enfoque para la divulgación técnico-científica como mecanismode protección para el aseguramiento del conocimiento científico desdetres escenarios clásicos: publicación de artículos o libros, presentaciónde ponencias en congresos y simposios, y elaboración de memorias descriptivasde 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 universidadeses la construcción y socialización de conocimiento social. Por otro lado,Ecopetrol presentó su revista &NNOVA, una revista que permite la difusióndel conocimiento científico con el objetivo de llegar a audiencias noespecializadas, con lo cual no sólo fortalece la visibilidad de sus artículos,sino que permite aumentar el impacto social del contenidos de suspublicaciones, y, “hacer comprensible lo complejo” como diría EstanislaoZuleta.De la presentación de Thomson Reuters, pueden sacarse dos conclusionesimportantes. La primera, que las Universidades deben generaruna política respecto a cómo deben citar sus investigadores el nombrede la Universidad, ya que se presentó el caso de una universidad colombianacitada por sus investigadores con más de 30 nombres diferentes,situación que afecta su índice de impacto. La segunda, que las revistaspueden permitir y en algunos casos propiciar las autocitaciones de susartículos siempre y cuando no superen el 20%, de donde resulta una labormás para el editor y su equipo de trabajo: verificar que las autocitacionesno superen dicho límite.Sin duda alguna, el Primer Workshop, fue un rotundo éxito, y aunadoa otras estrategias como la de COLCIENCIAS sobre capacitación en el sistemaOJS, permitirán al equipo editorial de la Revista ITECKNE, no sólomejorar la calidad científica y la visibilidad sino fortalecer el impacto denuestras publicaciones.Luis Omar Sarmiento Álvarez, M.Sc.luisomar.sarmiento@gmail.comEditor

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para laconectividad de zonas rurales de ColombiaPerformance analysis of t he IEEE802.11 for the conectivityof rural zones in ColombiaÓscar Gualdrón GonzálezPh. D en Física, Université Laval CanadaDocente Tiempo Completo, Director Grupo CPS,Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombiaogualdron@uis.edu.coRicardo Andrés Díaz SuárezMIE en Ingeniería electrónica,Universidad Industrial de SantanderDocente Medio Tiempo, Investigador Grupo GITI,Universidad Cooperativa de Colombia UCCBucaramanga, Colombiaricardo.diazsu@campusucc.edu.coResumen— Dentro de este artículo se presenta las característicasde desempeño del estándar IEEE802.11 enenlaces punto a punto de largo alcance sobre emplazamientosrurales en Colombia. Para explicar este desempeñoprimero se realiza una descripción detallada delcomportamiento de la capa física y MAC en el desplieguede redes de largo alcance, esto se realiza medianteanálisis de la regulación existente para la máxima potenciaisotrópica radiada equivalente en la banda ISM,las pérdidas por propagación, el nivel de recepción delos radios Wi-Fi comerciales, la tasa de error de frame yconsiderando como los parámetros DIFS, Slottime y AC-KTimeout que hacen parte del control de acceso al medioe inciden en la implementación de radio enlaces devarios kilómetros. Posteriormente a partir de unos modelosteóricos presentes en la literatura y uno propuestopor los autores se calcula el throughput UDP saturadounidireccional y bidireccional en función de la distanciaconsideradas las diferentes velocidades de transmisión;después con un par de prototipos de comunicación Wi-Fiautónomos alimentados con energía fotovoltaica diseñadosy construidos en laboratorio, se realizan un grupode medidas experimentales de throughput UDP saturadoen enlaces punto-punto entre Bucaramanga y emplazamientosrurales circundantes a su área metropolitanaen el rango de distancias de 0-10.4km, las medicionesse realizaron con el generador de tráfico IPERF enviandopaquetes UDP de forma unidireccional y bidireccional,posteriormente las mediciones realizadas se comparancon los obtenidos de forma teórica.Palabras clave— IEEE802.11, largo alcance, Física,MAC, Modelo, Throughput, Iperf.Abstract— In this paper, we present the performancecharacteristics of IEEE802.11 standard in point topoint reaching over rural sites in Colombia. To explainthis performance is first should be carried out a detaileddescription of the behavior of the physical and MAClayer in the deployment of long-range networks, this isdone by analyzing the existing regulation for maximumequivalent isotropic radiated power in the ISM band, thepropagation losses, the reception level of commercialWi-Fi radios, the frame error rate and considering theparameters DIFS, and ACKTimeout SLOTTIME that arepart of medium access control affect the implementationof radio links of several kilometers. Following fromthis theoretical models in the literature and one proposedby the authors calculate the saturated throughputUDP unidirectional and bidirectional function of thedistance considering the different transmission speeds;After a couple of prototype autonomous Wi-Fi communicationphotovoltaic powered laboratory designed andbuilt, a group performed experimental measurementsof saturated UDP throughput in point to point links betweenBucaramanga and rural sites surrounding metropolitanarea in the range of 0-10.4 km distances, measurementsare performed using the iperf traffic generatorsending UDP packets of unidirectional and bidirectional,then the measurements are compared with those obtainedtheoretically.Keywords— IEEE802.11, long distance, MAC, Physics,Model, Throughput, iperf.INTRODUCCIÓNEn algunas zonas rurales del mundo quehacen parte de países subdesarrollados comoColombia se carece de soluciones tecnológicasque permitan tener conectividad con el restodel mundo, como resultado estas regiones seencuentran en algunos casos marginadas y desprotegidas,lo cual permite que abunde el analfabetismo,se carezca de buenos mecanismosde salubridad pública, no exista prevención remotacontra posibles desastres naturales, estosy otros factores disminuyen sustancialmente lacalidad de vida y el posible desarrollo de estosemplazamientos. 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

8ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21ses tratan de mitigar esa situación al generarproyectos que permitan tener conectividad enestos emplazamientos e incentivan programasdonde se ofrecen las TIC, como un mecanismopara fortalecer y gestionar las iniciativas quepermitan mejorar la calidad de vida en estascomunidades. [1][2][3][4][5]Los inconvenientes para ofrecer conectividaden zonas rurales están determinados porlas limitaciones económicas, las severas condicionesambientales, el costo de los equipos decomunicación, la carencia de infraestructura,los costos de licencia en la banda del espectroelectromagnético, la carencia de un buensuministro eléctrico, el mantenimiento de losequipos y los costos que imponen los ISP (proveedoresde servicio de internet) para accederal backbone.[1][3][6]Considerado lo anterior se necesitan tecnologíasde comunicación con buenas prestacionesy de bajo costo, que permitan disminuir labrecha digital y contribuir al desarrollo de estosemplazamientos al conectarlos con el restodel mundo.En el mercado existen diferentes tecnológicasde comunicación que permiten ofrecerconectividad en zonas rurales se encuentran:VSAT (Very Small Aperture Terminal), CDMA450(Code Division Multiple Access), DECT (DigitalCordless Phone System), HFC (Hibrid Fiber CoaxialNetworks), Redes PLC (Power Line Communications),EV-DO (Evolution-Data Optimized),GPRS (General Packet Radio Service) yWi-Fi (Wireless Fidelity). A partir de las característicasde desempeño y costo algunos estudiosconsideran a Wi-Fi como una de las mejoresalternativas para la conectividad de zonasrurales. [7][8]Debido a la masificación en el uso de radiosWi-Fi su costo ha disminuido considerablemente,además, si se considera que estosoperan en la banda ISM (Industrial, científica ymédica), sus velocidades de transmisión máximaes de 11Mbps en IEEE802.11b, 54Mbpspara IEEE802.11a/g y de 300Mbps paraIEEE802.11n esto suponiendo canal de 40MHzy MIMO de 2x2. Esta tecnología permite ofrecersoluciones de conectividad de banda ancha,además, si se incorpora que al realizar variacionesen los tiempos definidos en la capaMAC (CSMA/CA) y física definidos en el estándaro modificado el control de acceso al medio(TDMA) se puede utilizar para desplegar redesde área extensa con buenas prestaciones, estosaspectos descritos presentan a WiFi comouna de las mejores opciones para ofrecer conectividaden zonas rurales. Esto ha incentivadoen los últimos años varias iniciativas tantoen grupos de investigación como en empresasal desarrollo de equipos que utilizan la capafísica de WiFi con modificaciones en el controlde acceso al medio o con protocolos propietariospara conectar emplazamientos rurales.En la actualidad existen algunas medicionesexperimentales de throughput sobre el estándarIEEE802.11 en algunas zonas ruralesde la Amazonia Peruana (1-50km) [6] y en emplazamientosrurales en Europa 10-300km [9][10][11], además existen estudios de desempeñoen redes de largo alcance considerado elemulador de canal (SR5500) para diferentesdistancias en el intervalo de (0-100km) [6][12][13].En la primera sección de este artículo se especificanalgunas características del estándarIEEE802.11 el cual está diseñado y optimizadopara redes de área local, en la segunda secciónse especifica algunas características deldesempeño de este estándar sobre una red delargo alcance que presenta un análisis de loslímites que impone la capa física consideradasla PIRE, las pérdidas por propagación, nivel deseñal recibida en el radio Wi-Fi y la tasa de errorde frames, después se presenta el desempeñoque impone la capa MAC en función de losparámetros DIFS, Slottime y ACKTimeout quehacen parte del estándar. En la tercera secciónse presentan modelos teóricos para el cálculodel throughput UDP unidireccional y bidireccionalsobre enlaces punto a punto IEEE802.11de largo alcance, realizando el análisis cuandoel flujo del tráfico es unidireccional y bidireccionalademás se propone un modelo para elcálculo del throughput basado en una máquinade estados que representa la función de coordinacióndistribuida en función de la distanciay se compara con el modelo propuesto por J.Simo [6]; en la cuarta sección se presenta ungrupo de medidas experimentales del throughputsobre enlaces punto a punto de largo al-

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz9cance en zonas rurales circundantes al áreametropolitana de Bucaramanga en el rangode 0-10.4km, estas medidas se realizaron conel generador de tráfico iperf, los nodos Wi-Fise le configuraron los parámetros analizadosen la MAC sobre el controlador del radio paramejorar el desempeño en cuanto al throughputsobre enlaces de largo alcance.II. CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA FÍSICA yMAC DEL IEEE802.11A. Capa física IEEE 802.11El estándar IEEE802.11b define en su capafísica la técnica de modulación de espectro ensanchadopor secuencia directa de alta tasaHR/DSSS define velocidades de transmisión,1, 2 y 5.5Mbps con modulaciones DBPSK,DQPSK, CCK respectivamente. El control deacceso del canal lo realiza a través del sensadode portadora. [14][15]En el estándar IEEE802.11g en su capa física define la multiplexaciónpor división de frecuencias ortogonalesOFDM para el envío de datos, la cual fraccionael canal en un número de subcanales ortogonaleslos cuales deben ser usados en paralelopara aumentar la transferencia de datos,utiliza un ancho de banda de 20MHz que seencuentra ocupado por 52 portadoras. Parala transmisión de la información, el estándarIEEE802.11g define las modulaciones 16QAMy 64QAM para 36 y 54Mbps respectivamente.El control para acceder al canal y evaluar sieste está libre combina un umbral mínimo deenergía con la capacidad de detectar una señalWi-Fi válida. [14][15]B. Capa MAC IEEE802.11La capa MAC del estándar IEEE 802.11define dos modos para su funcionamientoel primero llamado PCF (Point CoodinationFunction) y segundo DCF (Distributed CoordinationFunction), aunque en los radios Wi-Ficomerciales el más implementado es el distribuidoel cual será analizado a continuación.La función de coordinación distribuida DCFutiliza el protocolo CSMA/CA (Carrier SenseMultiple Access With Collision Avoidance) paracoordinar la forma en que varias estacionesacceden al canal de comunicación. Cuandouna estación desea transmitir un paquete enmodo DCF, primero debe activar el mecanismoCS (Carrier Sense) para determinar si hay otraestación que transmite Si encuentra el canallibre durante un intervalo de tiempo DIFS (DCFInterframe Space) o EIFS (Extended Inter FrameSpace), lo cual depende si la estación estuvoinvolucrada en su anterior transmisión enuna colisión, inicializa la etapa de contención oalgoritmo backoff el cual se encuentra divididoen ranuras. El número de ranuras se seleccionade forma pseudo aleatoria de una distribuciónuniforme a partir del intervalo de valores.[0,CW min] Cada vez que la estación transmisoraconsidera el canal libre CS/CCA (Carrier Sense/ClearChannel Assessment), decrementaun slot. Si encuentra el canal ocupado la estacióncongela el algoritmo backoff hasta que encuentreel canal libre durante un DIFS. Cuandoel número de ranuras llega a cero la estacióncomienza a transmitir. Al terminar la transmisiónla estación transmisora espera un ACKque será enviado desde la estación receptoraen el caso que no ocurra el arribo de un ACKdurante un intervalo de tiempo ACKTimeout seconsidera que existió una colisión (las estacionesno logran diferenciar una colisión de unapérdida de paquete). La estación transmisoradobla la ventana de contención y selecciona elnúmero de ranuras de forma pseudo aleatoriaa partir del intervalo [0,2 i CW min] donde i especificael número de retransmisiones en el casoque existan más colisiones en otras etapas decontención, si el paquete llega al máximo deretransmisiones este paquete se descarta.[15]En la Fig. 1. se muestra un esquema para unatransacción de un paquete con el IEEE802.11.Fig. 1. TRANSACCIÓN DE UN PAQUETE DE DATOS CON EL ESTÁNDARIEEE802.11Fuente: Estándar IEEE 802.11 [15]

10ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21C. Desempeño de la capa física del IEEE802.11sobre redes de largo alcance.El desempeño de la capa física sobre redes delargo alcance se explica en función de los límitesque impone el nivel de sensitividad en la recepciónde los radios WiFi comerciales y la máximaPIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente).Después se introduce la presencia de FER (Frameerror rate) debida a la relación RSS (Receivesignal Strength) y el nivel de ruido SNR (Signal toNoise ratio).El límite que impone la capa física delIEEE802.11 para enlaces punto a punto de largoalcance está relacionado con la máxima PIRE lacual está regulada en cada país, el nivel de sensitividadque impone el radio para cada tipo demodulación y las pérdidas presentes por propagación.En el caso de Colombia la regulación que existeen la implementación de radio enlaces punto apunto en la banda de 2.4GHz es una adaptaciónde la FCC, sección 15.247 (Regulations for LowPower, Non-Licensed Transmitters). La FCC imponeuna restricción de 30dBm de potencia transmitidacon una antena de 6dBi PIRE; además porcada 3dBi adicionales de ganancia en la antena lapotencia del transmisor se debe reducir en 1dBm.[4][16]Para predecir las pérdidas por propagación ydeterminar el nivel de señal recibida en el receptorse puede determinar a partir la ecuación de Friisconsiderado un margen de desvanecimiento. Estemargen se origina en problemas de alineación,pérdidas en los conectores, cables, orografía delterreno, fenómenos meteorológicos como lluvia onubosidad y la atenuación por árboles, un valorde desvanecimiento adecuado permite asegurarla estabilidad del radio enlace en el tiempo, aspectofundamental para conectar emplazamientosdistantes en varios kilometros. Otro modelomás apropiado para el cálculo de las pérdidas porpropagación sobre este tipo de emplazamientoses el (ITM Irregular Terrain Model/ Longley Rice),el cual considera los fenómenos de reflexión ydiffracción sobre la topografia del terreno. [17][18][19]En la Fig. 2 se presenta los límites de distanciaen función de la ganancia de las antenas para unenlace punto a punto en la banda 2.4GHz segúnla FCC 15.247. Para el cálculo de las pérdidas porpropagación se consideró el modelo de Friis conmargen de desvanecimiento de 20dB y el umbralde recepción se tomó de las especificaciones delradio XR2 (Se considera este radio por su bajo nivelde sensitividad) para cada velocidad de transmisión[6] [20] [21].Fig. 2. LÍMITE DE DISTANCIA ESTÁNDAR IEEE802.11 CONSIDERNADO ELNIVEL DE SENSITIVIDAD DEL RADIO XR2Fuente: Autor del proyectoFER (FRAME ERROR RATE) en el IEEE802.11para enlaces de largo alcance.Las variaciones en las pérdidas de frames enenlaces de largo alcance se pueden clasificar endos patrones o categorías de pérdidas. La primerade ellas es del tipo burst (generados principalmentepor interferencias externas) y la segundase atribuye a pérdidas residuales. [13]Los enlaces IEEE802.11 en áreas rurales, porlo general, presentan bajo nivel de interferenciasy, por lo tanto, las pérdidas tipo burst son despreciablesen estos sitios. Además si la relaciónseñal ruido se encuentra en el margen donde elBER

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz11del 100%, y por encima de esta ventana latasa de error es menor que el 1%.[22][23]• La FER no depende directamente de la distanciaentre los nodos, solamente de la relaciónseñal a ruido. [22][23][24]• Existe una definitiva dependencia entre elFER y cada velocidad de transmisión.[22][23]Considerando el modelo de la capa física delIEEE802.11b presentado en [25][26] y definiendoun nivel de ruido térmico de -101.7dBm con un anchode canal de 20MHz, se calcula el número depaquetes recibidos en función del RSS (ReceivedSignal Strength) para las diferentes velocidades detransmisión, mediante una MPDU (MAC protocoldata unit) de 1094 bites, enviando 200 paquetesen broadcast, bajo un canal AWGN (Additive WhiteGaussian Noise). En la Fig. 3 se presenta el númerode los paquetes recibidos comparado con el nivelde señal recibida para las velocidades de transmisióndel estándar IEEE802.11b.Fig. 3. PAQUETES RECIBIDOS VS. EL NIVEL DE SEÑAL RECIBIDA CONSIDE-RANDO UN NIVEL DE RUIDO DE -101.7DBM.Fuente: Autor del proyecto.Como se puede apreciar en la Fig. 3 la ventanade vulnerabilidad varía entre 4 y 5 dB para loscuales el FER puede variar de 1-100% como seexpresó en las características de FER lo cual nodepende de la longitud del enlace si no del nivelde señal recibida.D. Desempeño de la capa MAC delIEEE802.11 para enlaces de largo alcance.El desempeño de la capa MAC del IEEE802.11sobre enlaces de largo alcance está expresadoen función de algunos tiempos que definen elmecanismo de acceso al medio y que llevan implícitamenteel tiempo.La capa MAC no impone restricciones al límitede distancia existente entre los nodos deuna manera explícita, pero si algunos de susparámetros lo llevan de manera implícitamentecomo son el DIFS, Slottime, ACKtimeout, aunqueen la versión más reciente del estándar sedefine que el máximo AirPropagationTime (dosveces el tiempo de propagación) es de, 1μs esdecir. El estándar está diseñado para una redde área local, aunque en dicha versión del estándarse introduce el parámetro coverage classpermite incrementar el valor de AirPropagation-Time a 93μs lo que permitiría concebirlo parauna distancia de km.[15][21]A continuación se presentan los parámetrosmás incidentes que expresan característicasdel control de acceso al medio del estándarIEEE802.11 sobre redes de largo alcance.ACKTimeout: Es el intervalo de tiempo queuna estación transmisora debe esperar para recibirun ACK que confirma que la transmisión fueexitosa. Si no se recibe una confirmación dentrode ese intervalo de tiempo la estación transmisoraconsidera que la transmisión fue fallida yvuelve a invocar el algoritmo backoff para realizarotra transmisión. Para enlaces de larga distanciasi el valor del ACKTimeout es menor quedos veces el tiempo de propagación se generanretransmisiones innecesarias debido a que esteexpira, por lo tanto, el valor de ACKTimeout>2δpara utilizar el canal de transmisión de una maneramás conveniente de acuerdo a la distancia.[4][15][21]DIFS: Es el tiempo durante el cual una estacióndebe sensar el canal libre antes de programaruna nueva transmisión o reactivar la cuentaregresiva de la ventana de contención. Para unenlace de largo alcance la estación transmisorapuede determinar que el canal está libre he inicializarel algoritmo de backoff sin estarlo debidoa los tiempos de propagación, por lo tanto, esteparámetro deberá ser incrementado por lo menosen un Round trip time; además se puede garantizarque las estaciones que comparten el medio nocolisionen con los ACK en el caso de que existanmás de dos estaciones. [4][15][21]Slottime: Este parámetro incide directamentesobre la probabilidad de colisión entre las esta-

12ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21ciones que comparten el medio. Este parámetroestá definido dentro del estándar de tal formaque las estaciones que desean acceder al mediopueden colisionar si transmiten en un mismo slot,es decir, si una estación se encuentra en un slotprevio puede determinar que la otra estación haaccedido al medio y evitar la colisión. Para considerarcómo el Slottime define la probabilidad dela colisión en función de la distancia deberemosconsiderar el intervalo de vulnerabilidad el cual esel periodo de tiempo durante el cual pueden ocurrircolisiones. Esto se debe a que la transmisióny recepción no son mecanismos instantáneos, esdecir, éstos dependen del tiempo de propagaciónde la señal electromagnética entre las estaciones,el tiempo implementado en los mecanismos CS/CCA y el tiempo en que la capa física cambia demodo recepción y comienza a transmitir el primersímbolo. El intervalo de vulnerabilidad se describecon el siguiente ejemplo; cuando una estacióncomienza a transmitir datos, éstos no podrán serdetectados por las otras estaciones de manerainstantánea por lo tanto pueden considerar que elcanal está libre y comenzar a transmitir y/o generarcolisiones. Las estaciones solamente podrándeterminar que el canal está ocupado despuésde un determinado tiempo el cual debe ser, porlo 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 transmisoraevaluar el canal y de notificar eseestado a la capa MAC.• El tiempo que tarda una estación destino cambiarde estado recepción al de transmisión.• El tiempo de propagación.Cuando se utiliza el Slottime definido en el estándar20 y 9μs para IEEE802.11b/g respectivamente,al incrementar la distancia el intervalo devulnerabilidad aumenta debido número de slotsque encajan dentro del tiempo de propagación, esdecir, la probabilidad de colisión entre las estacionesaumenta. [4][15][21]Si se considera el valor del Slottime de tal formaque sea igual al intervalo de vulnerabilidad(slottime ≈2δ) las estaciones colisionarían solamentesi transmiten en un mismo slot como sepuede apreciar en la Fig. 4, por lo tanto, los retardosy paquetes perdidos disminuyen.Fig. 4. EL VALOR DEL SLOTTIME ES MAYOR O IGUAL A DOSVECES EL TIEMPO DE PROPAGACIÓNFuente: Adaptado por los autores de [6] [21] [28]Si el valor del Slottime es menor pero comparablecon el intervalo de vulnerabilidad (slottime≈δ)las estaciones podrán colisionar si transmiten enslots contiguos, el enlace pierde la simetría comose puede ver en la Fig. 5, el throughput se maximizapero aumentan los retardos y los paquetes perdidos.Para un valor de slottime

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz13Donde L Paquete_UDPse refiere al tamaño del paqueteUDP.La T Trans_UDPse considera como el tiempo quetranscurre una transacción UDP sobre el estándarIEEE802.11, el envío de un paquete UDP se describeen la Fig. 6.Fig. 6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA TRANSACCIÓNUDP SOBRE IEEE802.11(0,CW min) donde el tiempo promedio de la ventanade contención está dado por la siguienteexpresión.Para el cálculo del tiempo que transcurre alenviar un paquete de datos T Datos_UDPutilizamos lasiguiente expresión.Fuente: Autor del proyectoPrimero la estación transmisora verifica queel canal se encuentre libre durante un T DIFSparainicializar la ventana de contención, la cual se disminuyehasta que la ventana llega a cero la estación.Se procede luego a enviar el paquete UDPy cuando la estación llamada receptora lo recibeespera un tiempo T SIFSpara confirmar el arribo delpaquete con un ACK_MAC. [103]El tiempo para transmitir un segmento UDP sobreel estándar IEEE802.11b/g considerados lostiempos de propagación está dado por la siguienteexpresión:Para el IEEE802.11b.El T 802.11_ACKes el tiempo que transcurre paraque la estación receptora envíe un ACK.δ Se refiere al tiempo que tarda en viajar la señalelectromagnética entre las dos estaciones.Al utilizar el estándar IEEE802.11g T Datos_UDPyT 802.11_ACKse convierte en la ecuación 7 y 8.Cada uno de los tiempos que hacen parte de laecuación (2) se describirán a continuación.El tiempo T DIFSespacio intertrama de DCF sepresenta a continuación la siguiente expresión.Para calcular el tiempo que transcurre en laetapa contención T w_contenciónse considera queel canal de comunicación se encuentra libre deinterferencias y el nivel de señal recibida se encuentrapor encima del nivel de sensibilidad enel receptor que se define para cada velocidad detransmisión, es decir, el BER=0 (Bit error rate),por lo tanto, se considera un canal de comunicaciónideal, el FER=0, es decir, las transmisionesson exitosas, por lo tanto la variable pseudoaleatoria con distribución uniforme de la ventanade contención es seleccionada del intervalo deCon la ecuación (1), considerado un paqueteUDP de 1440bites y utilizado el estándarIEEE802.11b a 11Mbps, un canal de comunicaciónideal, es decir, el BER=0 y que los temporizadoresdel ACK no expiran y los demás parámetrostomados de la Tabla II, en la Fig. 6 sepresenta el throughput UDP unidireccional enun enlace punto a punto, estos resultados sepueden comparar con las medidas obtenidascon el emulador de canal Spirent 5500 [12][31].

14ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21TABLA IIValores para los parámetros en el modelo UDP UnidireccionalParámetroCW _minT SlottimeT w_contenciónDefiniciónTamaño de laventana contiendamínimaTiempo asignadoal slot.Tiempo promediode la ventanacontienda.Valor802.11bValor802.11gUnidad31 15 Slots20 9 µs310 67 µsT DIFSTiempo DIFS 50 28 µsT SIFSTiempo SIFS 10 10 µsT PreambuloL MPDU_frameR TasaR BasicDuración PLCPLargo/CortoSERVICE+ MAC+SNAP/LLC+ IP+UDP+ DATOS+ FCSTasa de TransmisiónCapa físicaTasa de transmisióncapa física ACK.192 /96 20 µs28+8+20+8+1440+0=15041, 2,5.5,11.1, 228+8+20+8+1440+4=15086, 9,12, 18,24,36,48,546, 9, 12,18, 24BitesMbpsMbpsT Signal_EXTExtensión de Señal - 6 µsL 802.11_ACKN DBPSLongitud del frame802.11 AckNúmero de data bitspor símbolo paraOFDM.14 14 Bites-216, 192144, 9672, 4836, 24.BitsPara el cálculo del throughput UDP saturadoBidireccional se puede utilizar el modelo deBianchi (El cual se basa en la cadena bidimensionalde Markov) siempre que se considere queel slottime≥2δ para garantizar que las estacionespuedan colisionar solamente si transmiten en unmismo slot.A continuación en la Fig. 8 se presenta elthroughput UDP Bidireccional para un el enlacepunto a punto N=2 con el modelo de Bianchi [32]considerado slottime=2δ, no se desprecia que lacolisión entre dos estaciones genera que la estacióntenga que esperar T SIFSmás el T ACKTimeout=2δpara evitar que el temporizador de ACK expire,este modelo define un BER=0 (esto significa queel nivel de recepción siempre se encuentra mayorque el nivel de sensitividad del receptor para larespectiva velocidad de transmisión), una MPDUde 1500bites. El resultado de throughput Bidireccionalen un enlace punto a punto se presenta enla Fig. 8. [32][33]Fig. 8. THROUGHPUT UDP BIDIRECCIONAL ESTÁNDARIEEE802.11B A 1, 2, 5.5 Y 11MBPS.Fuente: Autor del proyecto.Fig. 7. THROUGHPUT UDP UNIDIRECCIONAL ESTÁNDARIEEE802.11B A 11MBPSFuente: Autor del proyecto.Fuente: Autor del proyectoEste mismo análisis se puede utilizar para calcularel throughput UDP unidireccional con los protocolosque realizan una mejor utilización del canalde comunicación, como son el protocolo burstingdonde elimina el llamado consecutivo al algoritmobackoff y fastframing el cual concatena tramaspara aumentar el tamaño de la MPDU.Cuando el valor de slottime

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz15para determinar la probabilidad de que ocurra unacolisión en otro slot se toma el modelo J. Simo [21]el cual lo calcula a partir del intervalo de vulnerabilidadque se genera por el número de slottime(s)que transcurren sin percibir la transmisión de otraestación.Analizadas las características que presenta elmodelo J. Simo [21] en cuanto al BER=0 se construyóel modelo “CPS” como aproximación para elcálculo del throughput UDP saturado Bidimensionalen enlace punto a punto IEEE802.11 este modelose obtuvo a partir de la máquina de estados que sepresenta en la Fig. 9 en la cual se define el tiempode colisión, de una transmisión exitosa y la ventanadonde ocurre una colisión.A partir de esta máquina de estados se determinael tiempo de transmisión exitosa y el tiempo decolisión considerado el algoritmo backoff el cual generaun retardo que depende del estado del canalya sea que se encuentre libre u ocupado y el númerode retransmisiones generadas por las colisiones,los anteriores tiempos se utilizan en la evaluacióndel throughput en el enlace de comunicación.Fig. 9. MÁQUINA DE ESTADOS DCFPara diferenciar en cuáles casos se llega alestado de transmisión exitosa y en cuáles ocurreuna colisión se toman consideraciones presentadasen el modelo J. Simo en la definición intervalodel IV (intervalo de vulnerabilidad), para definir elintervalo de colisión (IC), definido como el intervalode tiempo durante el cual la estaciones STAy STB, que hacen parte del enlace punto a punto,pueden colisionar cuando transmitan asumiendoque STA tiene una ventana CW ay CW bSTB tieneuna ventana, con un valor de Slottime fijo. Parauna mejor comprensión, considérese el siguienteejemplo. Dos estaciones STA y STB intentan transmitirde manera simultánea. La ventana seleccionadade forma pseudo aleatoria para STA es CW ay para STB es CW b. La estación que tenga la menorventana de contención transmite, pero debidoa la distancia entre ellas, la otra estación no detectacon su mecanismo CC/CCA que el canal seencuentra ocupado. Si se supone que STA tienela menor ventana, sólo podrá colisionar con STBcuando la ventana de contención llegue a cerodebido a que no percibe la transmisión de STA,lo cual se puede calcular a partir del número deSlottime(s) que transcurren en el tiempo de propagacióny el tiempo que tarda el mecanismo CCAen determinar que el canal se encuentra ocupado,IC=δ+CCATime. También se puede calcular el númerode slots dentro de los cuales puede ocurriruna colisión el cual se nombra como ICN (Intervalode colisión normalizado), este se encuentraexpresado en la siguiente ecuación:Considerado que la ventana de contenciónse encuentra ranurada el intervalo de colisión seaproxima a un valor entero, el intervalo de colisiónes la mitad del intervalo de vulnerabilidad definidopor J. Simo [21].Conocido el número de slots que puede transcurrirantes que alguna estación determine que elcanal se encuentra ocupado debido a la distanciapresente entre estas dos estaciones y con el valorde las ventanas de contención CW a, CW bse determinala ocurrencia de colisión. De acuerdo a loanterior se considera que una colisión existe si:Fuente: Adaptado de Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 WirelessLocal Area Network Protocol [34] y A Finite State Model for IEEE 802.11Wireless LAN MAC DCF [35]

16ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21Para calcular el throughput en un enlace puntoa punto a partir de una secuencia de estadosque describa el envío de cada paquete se debedeterminar a partir del cociente entre la cantidadde paquetes enviados por las dos estaciones multiplicadopor el tamaño promedio de los paquetesentre el tiempo que transcurre para realizar el envíode estos.El throughput UDP Bidireccional saturado ()lo podemos calcular a partir del cociente entreel número de los paquetes enviados por las dosestaciones y el tiempo promedio que transcurreen enviarlos considerando el número de intentosNI el cual depende del número de colisiones, enla siguiente ecuación se presenta una expresiónpara el cálculo de esta métrica de red.Ecuación (12):El promedio para el tiempo una transmisiónexitosa y la de una colisión considerado que la estacióntransmite se expresa en la ecuación 13 y14 respectivamente. [6][21][32][33]Donde:Como las expresiones (13) y (14) no dependende i y se considera que el tamaño del paqueteUDP es el mismo para cada transmisión la ecuación(12) se reescribe de la siguiente forma:Ecuación (16):La ventana de contención ranurada es enteray se selecciona de forma pseudo aleatoria a partirde una distribución uniforme como se presente enlas siguientes expresiones.Los estados para la estación 1 y 2 se definen apartir de las variables aleatorias R(i) y K(i) respectivamente,estas dependen del estado transmisión,es decir, backoff=0, el canal ocupado o bussydonde congela el contador de backoff por sensarque el canal se encuentra ocupado, el estado decolisión dobla la ventana de contención debido, elestado de reinicio de la ventana de contención portransmisión exitosa o pérdida de paquete se logracuando llega al número máximo de retransmisiones,los valores que pueden tomar las variablesaleatorias se expresan a continuación.Donde NR es el número máximo de retransmisionesen el estándar IEEE802.11b/g es 7 y 4cuando se utiliza el servicio Request to send RTS/ Clear to send CTS.A continuación en la Fig. 10, se presenta unacomparación de la predicción del throughput UDPsaturado bidireccional que presenta el modelo deJ. Simo y el modelo CPS para un enlace punto apunto considerando los valores definidos en la TablaII, un tamaño de paquete UDP de 1000bites ypara distancias entre 0 a 100Km.Fig. 10. COMPARACIÓN DEL MODELO DE J. SIMO CON EL MODELO CPSDonde:Define el tiempo promedio de la ventana decontención para los paquetes enviados por lasdos estaciones T WR(i),1para ST1 (Estación 1) yT WK(i),2para ST2 (Estación 2) la cual depende dela ocurrencia de colisión según (11) y el númerode retransmisiones de ST1 y ST2. La función minpermite decir cuál de las dos estaciones genera elevento de una transmisión exitosa o la ocurrenciade 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, Díaz17III. MEDICIONES DE throughputPara las mediciones experimentales de throughputse diseñó un grupo de prototipos Wi-Fi autónomosalimentados con energía fotovoltaica, los cualesse presentan en la Fig. 11, los cuales se utilizaronpara las pruebas de laboratorio y en campo abierto.Fig. 11. PROTOTIPOS DE NODO WI-FI AUTÓNOMO ALIMENTADO CONPANELES FOTOVOLTAICOSPara las pruebas de laboratorio se uso un cablecoaxial para emular las pérdidas por propagaciónen el enlace punto a punto considerando lasdistancias 0, 5, 10Km.Para cada nodo de comunicación se le ajustaronlos tiempos de la capa MAC para mejorar eldesempeño sobre redes de largo alcance, los parámetrosmodificados son el tiempo ACKtimeoutel cual se incremento 2δ como se aprecia en laecuación (23) y el slottime se aumentó en δ verecuación (24) de tal forma que el throughput bidireccionalsea cercano al máximo, todo estos parámetrosse ajustaron con el driver de MADWIFI elcual sirve como controlador sobre el chip AtherosAR5414 que hace parte del radio XR2.Fuente: AutorCada enlace punto a punto se realizó con lasmotherboards Soekris NET4801-48 y ALIX2D2 enlas cuales se le instaló el sistema operativo LinuxVoyage y el driver MADWIFI. Cada uno de los nodosutiliza el radio EXTREMErange2 (chipset atherosAR5414). En la Tabla III se dan las especificacionesde las características técnicas del hardware utilizadopara la construcción de cada uno de los nodosque hacen parte del enlace de comunicación.TABLA IIIHardware utilizado para las pruebasDispositivo Referencia CaracterísticasMotherboard 1Motherboard 2RadiosALIX2D2Soekrisnet4801-48Ubiquiti (XR2)Sistema Operativo Linux Voyage Version 0.6.2DriverMADWIFIAntenas HG2424 24 dBiCable LMR400 2 metrosFuente: Autor del proyecto.CPU: 500 MHz, AMD GeodeLX800DRAM: 256 MB DDR (onboard )Storage: CompactFlash socket2 miniPCIFirmware: Award tinyBIOSCPU: 233 MHz, AMD GeodeSC1100SDRAM: 128 Mbyte (on board)Storage: CompactFlash1 Mini-PCI socketChipset atheros AR5414 32-bitmini-PCI Type IIIAmadwifi-modules-2.6.30-voyage_0.9.4~rc2-1+7.0-1_i386.debDonde Slottime stdes el tiempo que se define enel estándar IEEE802.11b/g para un slot.Las mediciones del throughput UDP en cada unode los enlaces punto a punto IEEE802.11b/g realizadosen laboratorio y en campo abierto se utilizó elgenerador de tráfico IPERF [36], cada prueba tuvouna duración de 180 segundos. Para los resultadosde las pruebas realizadas en laboratorio se le introdujeronpor software los retardos por propagación.Para las pruebas de campo abierto se seleccionarondiferentes puntos en Bucaramanga y zonascircundantes al área metropolitana (zonas rurales)en los que se disponía de seguridad para los equiposde medición y los nodos Wi-Fi autónomos durantela permanencia de las pruebas.TABLA IVSitios seleccionados para las pruebas de campoNodo Latitud Longitud Altura (m)A 7° 8’26.09”N 73° 7’17.87”O 991B 7° 8’21.0”N 73° 7’16.1”O 990C 7° 7’59.81”N 73° 7’17.08”O 1000D 7° 7’39.90”N 73° 7’15.80”O 998E 7° 6’14.4”N 73° 5’10.5”O 1293F 7° 9’24.50”N 73° 9’43.40”O 1060G 7° 4’55.5”N 73°11’48.7”O 1358H 7° 8’28.4”N 73° 7’23.1”O 975I 07°07’14.4”N 73°04’37.4”O 1565Fuente: Autor del proyecto.

18ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21En la figura 12 se presenta la ubicación decada uno de los emplazamientos seleccionados.Fig. 12. SITIOS SELECCIONADOS PARA LOS ENLACES DE COMUNICACIÓNEn la Fig. 13 se presentan los resultados delas pruebas de throughput realizadas en campoabierto comparado con los valores obtenidos conel modelo teórico y las pruebas realizadas en laboratoriopara cada una de las diferentes distancias.En la Fig. 13 se puede apreciar que las pruebasde throughput UDP unidireccional en campoabierto se aproximan al modelo teórico y al valorobtenido en las pruebas de laboratorio, aunquese puede apreciar un discrepancia en las medidasobtenidas para la distancia de 5.01Km estose debe a que en este lugar funcionan unos sistemasde comunicación que operan en la bandade 2.4GHz el cual se encuentra en el rango de frecuenciasdonde opera nuestro sistema de comunicación.En la Fig. 14 se presenta las medicionesdel espectro en el rango de frecuencias 2412 a2484 MHz, al analizar el espectro se puede apreciarla existencia de interferencia en el canal decomunicación, lo cual aumentó el número de paquetesmedidos, esta medición se realizó sobreen el punto I de la Fig. 12.Fig. 13. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL IEEE802.11BFuente: Autor del proyectoA continuación en la Tabla V se describe los diferentesenlaces punto a punto construido en campoabierto y su respectiva configuración del ACKTimeouty el slottime.TABLA VFuente: Autor del proyecto.Fig. 14. MEDICIÓN DEL ESPECTRO EN LA BANDA DE 2.4GHZEnlaces de comunicación establecidos en campoEnlacesDistancia(km)Slottime (ms)11g11bAcktimeout(ms)A-B 0.16 9 20 48B-C 0.65 9 20 48D-E 4.674 23 34 75E-F 10.212 43 54 116B-I 5.01 25 36 79G-H 10.46 43 54 116Fuente: Autor del proyectoFuente: Autor del proyectoA continuación en la Fig. 15 se presenta elthroughput UDP con la técnica bursting que sepuede utilizar sobre el radio XR2.Fig. 15. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL BURSTINGIEEE802.11BFuente: Autor del proyecto

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz19En la Fig. 16 se presenta las mediciones dethroughput UDP Bidireccional y el valor obtenidocon el modelo teórico “CPS” propuesto. En la Fig.16 se puede apreciar que el modelo permite predecirel throughput UDP que se obtuvo en el campoabierto.Fig. 16. PRUEBAS DE CAMPO UDP BIDIRECCIONAL IEEE802.11BAGRADECIMIENTOSSe 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 enla construcción de los prototipos WiFi autónomosy la realización de las pruebas en laboratorio y encampo abierto.REFERENCIAS[1] G. Hernán. Wireless networks and rural development:Opportunities for Latin America. Information technologiesand international development, Vol 2, No. 3, pp.47-56, Spring, Boston: The Massachusetts Institute oftechnologies, 2005.[2] C. Luis, Q. River, C. César, L. Liñán. Wild: Wifi basedLong Distance. Lima, Pontificia Universidad Católicadel Perú, 2009, 180 p.Fuente: Autor del proyectoCONCLUSIONESSe realizó e implementó una metodologíapara caracterizar el desempeño del estándarIEEE802.11 en un radio enlace de largo alcance,Donde se logró determinar el throughput UDPmáximo que se puede obtener de acuerdo a la distanciapresente entre las estaciones.Los radios Wi-Fi modificados los parámetrosde su control de acceso al medio se presentancomo una solución de conectividad de bajo costoque permite ofrecer banda ancha en enlaces delargo alcance lo cual es fundamental para las zonasrurales de la geografía colombiana.Para predecir el throughput saturado bidimensionalse propuso, implementó y validó un modelo“CPS” para el envío de paquetes UDP sobre DCFen redes punto a punto sobre enlaces de largo alcance.En los enlaces de comunicación en los que seencontraba presente interferencia disminuyó considerablementeel throughput comparado con elvalor teórico esperado.Se encontró asimetria en el flujo de datoscuando se realizaron mediciones del throughputUDP Bidireccional en cada uno de los enlacespunto a punto.[3] S, Surana, Designing Sustainable Rural Wireless Networksfor Developing Regions, Trabajo de grado (PhDfilosofía en ciencia de la computación), Universidad deCalifornia, 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, QUIJANDRIAYvanna, QUISPE River, REY Carlos, SALMERÓN Sandra,SÁNCHEZ Arnau, SANONI, Paola, SEOANE Joaquín,SIMÓ, Javier y VERA Jaime. Redes inalámbricas parazonas rurales, Lima, Pontificia Universidad Católica delPerú 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 IEEE802.11para su Aplicación en el Despliegue de Redes Extensasen Zonas rurales aisladas de Países en Desarrollo.Trabajo de grado (Doctor en ingeniería de telecomunicación).Universidad Politécnica Superior, Escuelasuperior de ingenieros de telecomunicación, Departamentode Ingeniería y Sistemas Telemáticos 2007.[7] E. M. María, Guía para el Diseño e implementaciónde redes inalámbricas en entornos rurales de Perú,Trabajo de grado (Ingeniero de Telecomunicaciones),Escuela Politécnica Superior, Universidad Autónomade Madrid, 2010.[8] P. B, Germán, Guía de tecnologías de conectividadpara acceso en áreas rurales. Unión internacional detelecomunicaciones, Oficina de desarrollo de las telecomunicaciones,2007, 84p.

20ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21[9] T, Daniele, G, Alessandro Stefanelli, Riccardo, F. Benedetta,C. Fluvio, Reliability and scalability analysisof Low cost long distance IP-Based wireless networks,innovations for digital inclusion ITU-T Kaleidoscopeevent, Mar del Plata, 2009.[10] T. Daniele, G. Alessandro, Stefanelli, Riccardo, F. Benedetta,V. Piergiorgi, Performance of Low Cost Radios inthe Implementation of Long Distance Wireless Links,iXem Labs, Politecnico di Torino, Italy, 2008.[11] T. Daniele, G. Alessandro Stefanelli, Riccardo, F, Benedetta,C. Fluvio, An independent, Low Cost and OpenSource Solution for the realization of wireless linksover huge multikilometric Distance, p.495-498, IEEERadio and Wireless Symposium, 2008.[12] K. P., Rabin. Multi-Tier Network Architecture for LongDistance Rural Wireless Networks in Developing Regions.California, 2009, Trabajo de grado (Ph.D. en filosofíaen ciencias de las computación). University ofCalifornia at Berkeley, Electrical Engineering and ComputerScience.[13] S. Anmol, N. Sergiu, P. Rabin, S. Sonesh, BREWER,Eric, S. Lakshminarayanan. Packet Loss Characterizationin WiFi-based Long Distance Networks, Universidadde California Berkeley, Universidad de Colorado,Universidad de Nueva York, IEEE INFOCOM, 2007, pp312-320.[14] R. A. Andrade, P. H Salas, D. S. Paredes, “TecnologíaWi-Fi”, Argentina, 2008 pp. 1–116.[15] I. 802.11-2007, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Rev.2007, technical report, IEEE CS, 2007.[16] Excerpts from FCC Rules part 15 relative to “UnlicensedSpread Spectrum radio systems” believed to becurrent as of July 23, 1996.[17] P. Caleb, S. Douglas, G. Dirk, The Stability of The Longley-RiceIrregular Terrain Model for Typical Problems,University of Colorado at Boulder, 2011.[18] G. A. Hufford, A. G. Longley, W. A. Kissick, “A guide touse of the ITS irregular terrain model in the area predictionmode,” U.S. Dep. Commerce, Boulder, CO, NTIARep. 82-100, Apr. 1982.[19] T. S. Rappaport, Wireless Communications Principlesand 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:.[21] F. J. Simo Reigadas, A. Martínez Fernández, F. J. Ramos-López,J. Seoane-Pascual, Modeling and OptimizingIEEE 802.11 DCF for Long-Distance Links”, IEEETransactions on Mobile Computing, p. 15, Vol. 9, No.6, 2010.[22] K. Chebrolu, B. Raman, S. Sen. Long-Distance 802.11bLinks: Performance Measurements and Experience. InACMMOBICOM, 2006.[23] D . Aguayo, J. Bicket, S. Biswas, G. Judd, and RobertM. Link-level Measurements from an 802.11b MeshNetwork. In SIGCOMM, Aug 2004.[24] P. Barsocchi, G. Oligeri y F. Potorti. Frame error modelin rural Wi-Fi networks. IEEE Transactions on wirelesscommunications, Marzo 2009.[25] P. Guangyu and T. Henderson, Validation of ns-3802.11b PHY model. Boeing Research and Technology,The Boeing Company, MAY 2009.[26] M. B. Pursley, Fellow, IEEE, and T. C. Royster IV, Propertiesand Performance of the IEEE 802.11b Complementary-Code-KeySignal Sets, IEEE TRANSACTIONS ONCOMMUNICATIONS, VOL. 57, NO. 2, FEBRUARY 2009.[27] M. Kwiatkowska, G. Norman and J. Sproston. ProbabilisticModel Checking of the IEEE 802.11 WirelessLocal Area Network Protocol. In H. Hermanns and R.Segala (editors) Proc. PAPM/PROBMIV’02, volume2399 of Lecture Notes in Computer Science, pages169-187, Springer. July 2002.[28] N. Sandra Salmerón, Parametrización de IEEE 802.11eEDCA para la priorización del tráfico VoIP en redes extensaspara zonas rurales de países en vías de desarrollo,Madrid, trabajo de grado Máster, Universidad ReyJuan Carlos, ETSI de Telecomunicación, 2007.[29] W. Grote, C. Ávila y A. Molina. Análisis de máximo desempeñopara un WLAN operando a tasas fijas o adaptativasusando el estándar IEEE802.11a/b/g. Ingeniare.Rev. chil. ing. 2007, Vol.15, No.3, pp. 320-327.[30] S. Delgadillo, D. Guzmán, A. Muller y W. Grote. Análisisexperimental 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 Implementationof High Performance WiFi Based Long DistanceNetworks, TIER Group, Universidad de CaliforniaBerkeley, Universidad de Colorado, Universidad deNueva York, Boulder, 2007.[32 G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE 802.11Distributed Coordination Function,” IEEE J. SelectedAreas in Comm, Vol. 18, No. 3, pp. 535-547, Mar.2000.[33] G. Bianchi and I. Tinnirello, “Remarks on IEEE 802.11DCF Performance Analysis,” IEEE Comm. Letters, vol.9, no. 8, pp. 765-767, Aug. 2005.

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz21[34] M. Kwiatkowska, G. Norman and J. Sproston. ProbabilisticModel Checking of the IEEE 802.11 WirelessLocal Area Network Protocol. In H. Hermanns and R.Segala (editors) Proc. PAPM/PROBMIV’02, Vol. 2399of Lecture Notes in Computer Science, pages 169-187, Springer. July 2002.[35] D. K. Puthal y B. Sahoo, A Finite State Model for IEEE802.11 Wireless LAN MAC DCF, Emerging Trends in Engineering& Technology, International Conference on,pp. 258-263, First International Conference on EmergingTrends in Engineering and Technology, 2008.[36] R. P. Keith, G. Jared,How to Guide on JPerf and IPerf,Wireless LAN profesionals 2011.

Análisis sobre el comportamiento del Throughputen redes LAN bajo tecnología Power LineCommunicationsAnalysis about behavior of the Throughput in LAN networks undertechnology Power Line CommunicationsJuan Carlos Vesga FerreiraM. Sc. en Telecomunicaciones,Universidad Pontificia BolivarianaDocente Auxiliar ECBTI- UNADjuan.vesga@unad.edu.coGerardo Granados AcuñaEsp. en Telecomunicaciones,Universidad Autónoma de BucaramangaDocente Auxiliar ECBTI- UNADgerardo.granados@unad.edu.coResumen— El rendimiento es sin duda uno de los aspectosde mayor interés dentro del análisis global en lasredes LAN, considerado el efecto que produce sobre elusuario final. El rendimiento puede ser definido segúndiversos puntos de vista, lo que permite incorporar otrasformas de evaluación según el objeto de interés en particular.Básicamente, los parámetros más comunes paraevaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utilizacióndel canal y diversas medidas de retardo.Throughput, es la capacidad de un enlace de transportarinformación útil. En otras palabras, representa“la cantidad de información útil que puede transmitirsepor unidad de tiempo”. Este puede variar en una mismaconexión de red según el protocolo usado para la transmisión(TCP o UDP) y el tipo de datos de tráfico (HTTP,FTPy otros).Un objetivo muy importante al analizar el throughputse encuentra relacionado con la calidad del servicio(QoS / Quality of Service) en la red, la cual juega un papelimportante a la hora de evaluar la eficiencia de unared centrada en aplicaciones sensibles al tiempo, talescomo: video y audio, entre otras.Desde el punto de vista tecnológico, el hacer usode la red eléctrica como medio físico de transmisión hasido considerado como una excelente alternativa en laprestación de servicios de interconexión de última milla.El uso de adaptadores de red basados en PLC facilita eldiseño de redes LAN y comunicaciones de banda anchaa través de la red eléctrica, al convirtir cualquier tomacorrienteen un punto de conexión para el usuario, sinla necesidad de cableados adicionales a los existentes.Este artículo presenta un análisis experimental sobreel comportamiento del Throughput en redes LAN sobrePLC, bajo el uso de adaptadores de red soportadoscon el estándar HomePlug 1.0.Palabras clave— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA,Modelo estadísticoAbstract— The performance is without doubt one of theaspects of greatest interest within the overall analysis inLANS, considering the effect that it produces on the enduser. The performance can be defined according to variouspoints of view, allowing to incorporate other formsof evaluation depending on the object of interest in particular.Basically, the most common parameters for evaluatingthe performance of a network are: Throughput,use of the channel and various measures of delay.Throughput, is defined as the capacity of a link to carryuseful information. In other words, represents “theamount of useful information that can be transmittedper unit of time”. It may vary in the same network connectiondepending on the protocol used for the transmission(TCP or UDP) and the data type of traffic (HTTP,FTP, etc. ).One of the most important objectives to analyze thethroughput is related to the quality of service (QoS /Quality of Service) on the network, which plays an importantrole in assessing the efficiency of a network centeredin time-sensitive applications, such as: video andaudio, among others.From a technological point of view, making use of thePower network as physical environment of transmissionhas been considered as an excellent alternative in theprovision of interconnection services of last mile. Theuse of network adapters based on PLC facilitate the designof LANS and broadband communications throughthe Power network, converting any wall socket in a connectionpoint for the user, without the need for additionalwiring to the existing ones.This article presents an experimental analysis on thebehavior of the throughput in LANs on PLC, under theuse of network adapters supported with the standardHomePlug 1.0.Keywords— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, StatisticModelRecibido: 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, Granados23I. INTRODUCCIÓNLa red eléctrica representa un medio hostilpara la transferencia de datos debido a que no hasido diseñada para transmitir información. PLC alser una tecnología emergente se enfrenta a variosinconvenientes tales como: niveles excesivos deruido, la atenuación de la señal a las frecuenciasde interés, discontinuidades en la impedancia característicadel canal y efecto multipath [1], entreotros aspectos; que afecta considerablemente suóptimo desempeño. Además, es muy difícil obtenerun modelo significativo de este canal, debidoa la constante conexión y desconexión de dispositivos.Una de las principales características de la tecnologíaPLC bajo el estándar HomePlug 1.0 [2] esel uso de OFDM como técnica de modulación [3],la cual implementa un esquema de transmisiónadaptativa, que analiza las condiciones del canalacorde con la relación SNR presente en el medioen un momento dado. Esto juega un papel muyimportante a la hora de analizar el comportamientode la tecnología PLC durante el desarrollo delexperimento.La red PLC está sujeta a limitaciones relacionadascon la tecnología utilizada. Estas limitacioneshacen referencia a la velocidad de transmisión, lacual en la mayoría de los casos, no corresponde ala tasa esperada, debido a que la red PLC trabajabajo el uso de un medio compartido, donde elancho de banda entre los usuarios disminuye amedida que aumenta la cantidad de estacionesactivas en la red PLC. Las estaciones que formanparte de la red PLC deben estar en la misma fasede la red eléctrica [4], [5].El rendimiento, es uno de los aspectos de mayorinterés dentro del análisis global en las redesLAN, debido al efecto que produce sobre el usuariofinal. Puede ser definido según diversos puntosde vista, permitiendo con ello incorporar otras formasde evaluación dependiendo del objeto de interésen particular. Básicamente, los parámetrosmás comunes para evaluar el rendimiento de unared son: Throughput, utilización del canal, Jitter yRTT, entre otros [6]. Aquí el tema de investigaciónestá centrado en el Throughput.Throughput, es la capacidad de un enlace detransportar información útil. Representa la cantidadde información útil que puede transmitirsepor unidad de tiempo. Puede variar en una mismaconexión de red según el protocolo usado parala transmisión y el tipo de datos de tráfico, entreotros factores [2]. La expresión matemática quepor definición describe este parámetro es:L M: Longitud total del mensajeL C: Bits de control del mensajeT M: Tiempo de transmisión del mensajeT ACC: Tiempo de acceso al medioLa mayoría de los métodos empleados para lasmediciones se caracterizan por hacer evaluacionesde la conexión entre hosts enviando algún patrónde tráfico para luego realizar su evaluación.Las mediciones se repiten varias veces y luego sepromedian para obtener una mejor aproximación.Para el desarrollo del experimento se hará usode adaptadores Ethernet-PLC con el fin de determinarla variación del Throughput en la red LANsegún: el tamaño del paquete, el número de estacionesactivas en la red y la distancia en metrosentre el PC-Cliente y el PC Servidor.II. CLASIFICACIÓN y SELECCIÓN DEL DISEÑOEXPERIMENTALUn aspecto fundamental en el diseño de experimentoses decidir cuáles pruebas o tratamientosse van a ejecutar en el proceso y la cantidadde repeticiones de cada una, de manera que seobtenga la máxima información al mínimo costosobre el objeto de estudio.Un diseño experimental, es algo más que unconjunto de condiciones de prueba: es una secuenciade etapas o actividades que deben realizarsepara cumplir con éxito los objetivos que sepersiguen. Actualmente, existen diversos tiposde diseños experimentales en donde cada unode ellos permite estudiar situaciones que ocurrenen la vida práctica, ajustándose a las necesidadesdel investigador. Se debe saber cómo elegir elmás adecuado para cada problema.El tipo de diseño experimental seleccionado esel factorial, cuyo objetivo consiste en estudiar elefecto de varios factores sobre una o varias respuestas(Throughput). Es decir, se busca estudiar

24ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32la relación entre los factores y la respuesta, conla finalidad de comprender mejor cómo es la relacióny generar conocimiento que permita tomaracciones y decisiones que mejoren el desempeñodel proceso [7].Para estudiar la manera cómo influye cada factorsobre la variable de interés, es necesario elegiral menos dos niveles de prueba para cada uno deellos. Con el diseño factorial completo se ejecutanaleatoriamente en el proceso todas las posiblescombinaciones que pueden formarse con los nivelesseleccionados.Un diseño de experimentos factorial o arreglofactorial es el conjunto de puntos experimentaleso tratamientos que pueden formarse y consideratodas las posibles combinaciones de los nivelespor el número de factores [7]. Los factores sonaquellas variables que se investigan en el experimento,con relación a la forma como afectana la(s) variable(s) de respuesta. Los niveles sonaquellos valores que puede tomar cada uno delos factores. Por ejemplo, con k=2 factores, y cadafactor con dos niveles de prueba, se forma el diseñofactorial de 2x2=2 2 que consiste de cuatrocombinaciones o puntos experimentales.Para esta investigación se consideraron tresfactores: tamaño del paquete, número de PC activosen la red y distancia entre el PC (Cliente) y elServidor. Cada factor presenta un número específicode niveles cuantitativos acorde con la Tabla I.TABLA IFACTORES VS. NIVELESFactor Descripción No. Niveles1 Tamaño del paquete 62 Número de host 63 Distancia 4Fuente: Los AutoresEn virtud de lo anterior, corresponde a un diseñofactorial de 6x4x6=144 combinaciones detratamientos o puntos experimentales. El númerode replicaciones del experimento es de cinco (5),por lo tanto, se tomaron 720 mediciones por cadavariable respuesta.Cada uno de los métodos de diseño experimentalrecomienda el uso de una técnica estadísticapara el análisis e interpretación de los datos.En el caso particular del diseño factorial, la técnicasugerida es el análisis de varianza [8]. Enestadística, el análisis de la varianza (ANOVA, segúnterminología inglesa) es una colección de modelosestadísticos, en los cuales la varianza estáparticionada en ciertos componentes debidos adiferentes variables explicativas [9].El nombre de análisis de varianza (ANOVA)viene del hecho que se utilizan coeficientes devarianzas para probar la hipótesis de igualdadde medias. La idea general de esta técnica es separarla variación total en las partes con la quecontribuye cada fuente de variación en el experimento[7], [9]. El análisis de varianza, permiteidentificar si las muestras tomadas en diferentessituaciones llamadas “factores” o “tratamientos”,influyen significativamente desde un punto de vistaestadístico sobre la variable respuesta. Desdeeste punto se vista, se establecen hipótesis sobreel comportamiento de los factores y al final seaceptan o rechazan según los resultados arrojadospor el ANOVA [9]-[11].El uso del análisis de varianza no obedece a realizarcomparaciones por capricho o para descubrirlo evidente. La comparación de tratamientos surgecomo una necesidad en la lógica de pretender tomaruna decisión, en la solución de un problema ocomo paso importante para el mejor entendimientode un proceso [7]. En el contexto de un problemade investigación surge la necesidad de realizaralguna comparación de tratamientos con el fin deelegir la mejor alternativa o tener una mejor comprensióndel comportamiento de la variable de interésen cada uno de los distintos tratamientos.La estrategia normalmente se basa en obteneruna muestra representativa de mediciones decada uno de los tratamientos, y con base en lasmedias y varianzas muestrales construir un modeloestadístico que describa el comportamiento deesta comparación [8]-[10]. El modelo estadísticodescribe el comportamiento de la variable observaday en cada diseño incorpora un término adicionalpor cada factor. El modelo es una manerade expresar matemáticamente todo lo que se suponepuede influir sobre la variable de repuestaen un diseño dado [7].El objetivo del ANOVA es determinar si ciertasvariables pueden explicar una parte significativade la variación, la variación aleatoria es pequeñafrente a la variación explicable o determinista. Alfinalizar el experimento, se busca identificar si unoo más factores afectaron a la variable respuesta, y

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados25con ello establecer una relación de causalidad, ysentar las bases para el modelo empírico de predicción.III. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTOEn la actualidad, existen diferentes herramientassoftware que permiten realizar medicionessobre una red. La mayoría de herramientasopera mediante configuraciones cliente/servidor,al enviar paquetes de un host a otro, generarsituaciones de tráfico controladas y aleatoriasy permitir variar el tipo de protocolo detransmisión, TCP o UDP, el tamaño del paquete,y en algunas ocasiones la tasa de transferencia.Entre las herramientas software más utilizadasse encuentran: Chariot, MGEN, Iperf, SmokePing,TTCP, entre otras. Sin embargo, tenidas en cuentalas características y su uso constante en situacionesque requieren evaluar el rendimiento de unared, se utilizará Iperf como herramienta softwarepara la medición del Throughput y otros parámetrosrelacionados con retardos propios de la redLAN sobre PLC bajo el estándar HomePlug 1.0.Iperf es una herramienta diseñada para medirel rendimiento del ancho de banda vía TCPy UDP. Iperf reporta throughput, retardo (delay),Jitter (variación del retardo) y pérdidas de datagramas,que permite manipular diversos parámetrosdel tráfico generado [12].Para establecer una comunicación entre dosequipos, uno de ellos debe configurase comoservidor y otro como cliente. El experimento consisteen conectar diversos equipos de cómputo,haciendo uso de adaptadores PLC-ethernet separadosentre sí a una distancia conocida. Iperfgenerará tráfico desde cada uno de los PC haciael Servidor acorde con la configuración de parámetrosestablecida [13].Fig. 1. ESQUEMA DE CONEXIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LA RED PLC CONFINES EXPERIMENTALESforma de conexión de cada uno de los equipos.Como dato adicional para el experimento, losadaptadores se ubicaron dentro del mismo circuito(fase) eléctrico.Tal como se mencionó anteriormente, se consideraronpara el desarrollo del experimento tresfactores: tamaño del paquete, número de PC activosen la red y distancia entre el PC (Cliente) y elServidor. Los valores establecidos para cada unode 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 especificacionesdel fabricante)• Distancia entre PC-Cliente y Servidor:5m,10m,20m,30mCon referencia a la distancia, se utilizaron valoresdentro del rango de distancias en una viviendapromedio.Los adaptadores PLC utilizados correspondenal modelo NETGEAR XE102 Wall-Plugged EthernetBridge que operan bajo el estándar Homeplug 1.0y cumplen con las siguientes especificaciones técnicas,tabla II:TABLA IIESPECIFICACIONES TÉCNICAS ADAPTADORES USADOSCaracterísticaProtocol/Standards:Modulation Support:Frequency Band:Quality of Service:ValorHomePlug 1.0 specification, IEEE 802.310/100 Ethernet (10Mbps) and IEEE 802.3uFast Ethernet Compliant14MbpsInterconecta hasta 10 Plug IP’sOFDM , DQPSK, DBPSK and ROBO4.3 Mhz to 20.9 Mhz bandSoporta (FEC)4 niveles de prioridad de paquetes en formaaleatoriaUso de algoritmos adaptativos bajo el uso deCSMA/CAManeja encapsulamiento de paquetesBaja Latencia, Alto Throughput y JitterajustableSecurity Support:Hardware:Uso del algoritmo DES a 56bits paraencriptaciónPotencia Mínima (4.5 watts)Fuente: Los AutoresLa Figura 1, muestra una topología bus utilizadapara la implementación de la red PLC y laLED Indicators:Fuente: los autores1 x Power LED1 x Powerline Activity Status LED1 x Ethernet Link/Activity Status LED

26ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32Dadas las condiciones experimentales descritasse considera que las cinco replicaciones delexperimento son suficiente garantía para medirlos efectos principales y las interacciones.IV. MODELO ESTADÍSTICO y ANÁLISIS DEVARIANZA PARA THROUGHPUTEn un diseño factorial de tres factores (axbxc)se supone que el comportamiento de la respuestaY puede describirse mediante el modelo de efectosdado por:En donde:a=Tamaños del paqueteb=distancias entre estacionesc=Número de estaciones o host en la red PLCn=Número de réplicas del experimentoY ijkl= Throughput para un tamaño de paquete(i) a una distancia entre estaciones (j), con unnúmero de estaciones en la red PLC (k), para lareplicación (l).μ=Media general del Throughput independientede cualquiera de los factores considerados enel experimento.A i= Efecto del tamaño del paquete (i)B j= Efecto de la distancia entre estaciones (j)C k= Efecto del número de estaciones (k)(AB) ij= Efecto de la interacción entre los factoresTamaño del Paquete y Distancia entre host(AC) ik= Efecto de la interacción entre los factoresTamaño del paquete y Número de host(BC) jk= Efecto de la interacción entre los factoresDistancia entre Host y Número de host(ABC) ijk= Efecto de la interacción de los tres factoresε ijkl= Error aleatorioEl estudio factorial de tres factores (A,B,C) permiteinvestigar los efectos: A,B,C,AB,AC,BC y ABC;donde el nivel de desglose o detalle con el quepueden estudiarse depende del número de nivelesutilizado en cada factor. Para el caso particular,se tienen siete efectos de interés sin considerardesglose y con ellos se pueden plantear sietehipótesis nulas(H o) y cada una apareada con unahipótesis alternativa (H A). El ANOVA para probarcada una de estas hipótesis se ilustra en la TablaIII.Las hipótesis de interés para los tres factoresdel modelo anterior y sus interacciones son:H o: Efecto A = 0, H A: Efecto A ≠ 0H o: Efecto B = 0, H A: Efecto B ≠ 0H o: Efecto C = 0, H A: Efecto C ≠ 0H o: Efecto AB= 0, H A: Efecto AB ≠ 0H o: Efecto AC = 0, H A: Efecto AC ≠ 0H o: Efecto BC = 0, H A: Efecto BC ≠ 0H o: Efecto ABC = 0, H A: Efecto ABC ≠ 0Para casos en los que todos los factores delexperimento son fijos, es posible formular y probarfácilmente hipótesis acerca de los efectos principalesy las interacciones. Para el caso de modelosde efectos fijos, los test para probar las hipótesissobre cada efecto principal y las interacciones sepueden construir al dividir el CM correspondientedel efecto o la interacción por el CM ELos gradosde libertad para cada efecto principal son los nivelesdel factor menos uno y el número de gradosde libertad para una interacción es el producto delnúmero de grados de libertad asociados con loscomponentes individuales de esta.Resumen del ProcedimientoVariable dependiente: ThroughputFactores:• Distancia entre estaciones• Número de host o estaciones activas en la redPLC• Tamaño del PaqueteNúmero de muestras experimentales: 720V. VALIDEZ DE LOS RESULTADOS OBTENIDOSEXPERIMENTALMENTELa validez de los resultados obtenidos encualquier análisis de varianza queda supeditadaa que los supuestos del modelo se cumplan.Estos supuestos del modelo de ANOVA son: normalidad,varianza constante (igual varianza delos tratamientos) e independencia. Esto es, larespuesta (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, Granados27y las mediciones deben ser independientes. Estossupuestos sobre (Y) se traducen en supuestossobre el término error (ε) en los diferentesmodelos. A continuación se realiza el análisispara cada uno de los tres supuestos:Supuesto de Varianza Constante. Una formade verificar el supuesto de varianza constante(o que los tratamientos tienen la misma varianza)es graficar los valores estimados contra losresiduos (Ŷ ijvs ε ij). Generalmente, Ŷ ijva en el ejeX (horizontal) y los residuos en el eje vertical.Fig. 2. VALORES RESIDUALES VS. VALORES ESTIMADOSPARA THROUGHPUTFuente: Los AutoresEn la Figura 2 donde se relacionan los valoresresiduales contra los valores estimados,se observa una ligera violación al supuesto devarianza constante, debido a una semejanza alpatrón tipo “corneta” que adoptan los residuosa medida que el valor estimado va en aumento.Sin embargo, esta violación no es tan fuertecomo para generar un impacto significativo enel momento de emitir conclusiones sobre el modelopropuesto.Debe tenerse en cuenta en la interpretaciónde esta Gráfica que aunque existan diferenciaspequeñas, estadísticamente no se considerancomo diferencias significativas. Adicionalmente,deben tomarse en cuenta la cantidad de observacionesrealizadas en cada uno de los factores,ya que este hecho puede llegar a impactaren la dispersión aparente de cada tratamiento.Supuesto de NormalidadUn procedimiento para verificar el supuestode normalidad de los residuos, consiste en graficarlos residuos en una gráfica de probabilidadnormal, la cual se incluye en la mayoría de losprogramas estadísticos.FIG. 3. VALORES RESIDUALES DE THROUGHPUT EN PAPEL ORDINARIOFuente: los autoresEn la figura anterior, correspondiente a la gráficade probabilidad, se observa el cumplimientodel supuesto de normalidad de los residuos, debidoa que estos se encuentran ajustados sobre larecta graficados en papel ordinario.Supuesto de IndependenciaEl supuesto de independencia en los residuospuede verificarse si se grafica el orden en que setomó un dato contra el residuo correspondiente.Fig. 4. RESIDUOS SEGÚN EL ORDEN EN LA TOMA DE LOS DATOSFuente: los autoresEn la Figura 4, en donde se ilustra la relaciónentre los valores residuales y el orden en el quefueron tomados los datos experimentalmente seobserva el cumplimiento del supuesto de independenciadonde los valores residuales se encuentrandistribuidos de manera aleatoria sobrela horizontal.VI. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOSEFECTOS ACTIVOSA través del uso del software estadístico Statgraphics,se realizó un análisis multifactorial dela varianza para Throughput, el cual realiza variostests y gráficos para determinar qué factores tienenun efecto estadísticamente significativo en elThroughput como variable de salida.

28ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32En la Tabla III se muestra el resultado del análisisde Varianza correspondiente al Throughput:TABLA IIIANOVA COMPLETO PARA THROUGHPUTFig. 5. INTERACCIÓN ENTRE DISTANCIA Y HOSTFuente deVariaciónA: Tamañodel paqueteSuma deCuadrad(SC)Gr. Lib(C.M)Cociente(Fo)p-Valor502,750 5 100,550 15873,65 0,00B: Distancia 0,220 3 0,0731 11,551 0,00C: No. Host 984,718 5 196,943 31091,13 0,00InteracciónAxBInteracciónAxCInteracciónBxCInteracciónAxBxC0,138 15 0,0091 1,450 0,11384,542 25 15,3816 2428,279 0,000,103 15 0,0068 1,0869 0,360,210 75 0,0028 0,4426 1,00Error 3,649 576 0,0063Fuente: Statgraphics Plus 5.1En la Figura 5 se evidencia de manera visual unamuy poca importancia de la interacción entre la distanciay el número de host existente en la red, consideradaslas distancias a las cuales se efectuó elexperimento (5m, 10m, 20m, 30m) debido a que laslíneas se encuentran paralelas entre sí. Por otro lado,debido a que la pendiente de las rectas es muy cercanaa cero, quiere decir que la influencia del factordistancia sobre el valor del Throughput es muy bajo.Fig. 6. INTERACCIÓN ENTRE TAMAÑO DEL PAQUETE Y HOSTTOTAL 1876,330 719Fuente: los autoresAl efecto cuyo p-value sea menor al valor especificadopara α, se declara estadísticamentesignificativo o se dice que está activo. Es decir,aquellos valores donde p-value

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados29En la Figura 7 se evidencia una muy poca importanciade la interacción entre el tamaño del paquetey la distancia entre estaciones, ya que laslíneas se encuentran casi paralelas entre sí. Sinembargo, debido a que la pendiente de las rectastiende a aumentar considerablemente a medidaque aumenta el tamaño del paquete, reflejala fuerte influencia del tamaño del paquete comofactor importante sobre el valor del Throughput.VII. ANÁLISIS DE MEDIASRechazada la hipótesis nula en un análisis devarianza, es necesario ir al detalle y ver cuálestratamientos son diferentes. Cuando se acepta lahipótesis nula H o: μ 1= μ 2= ... = μ k= μ, el objetivo delexperimento está cubierto y la conclusión es quelos tratamientos son iguales. Si por el contrario serechaza H oy, por consiguiente, se acepta la hipótesisalternativa H A: μ i≠ μ jpara algún i ≠ j, es necesarioinvestigar cuáles tratamientos resultarondiferentes o cuáles tratamientos provocan la diferencia,donde el gráfico de medias y los gráficosde interacción ayudarán a interpretar los efectossignificativos que el análisis de varianza no logroespecificar satisfactoriamente.El método utilizado para el análisis de mediasfue el método Tukey, considerado como el más comúnmenteutilizado en la comparación de paresde medias de tratamientos, el cual consiste encomparar las diferencias entre medias muestralescon el valor crítico dado por:Según el tamaño del PaqueteTABLA IVMEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL TAMAÑO DEL PAQUETENivel Frec MediaErrorEstándarLímiteInferiorLímiteSuperior64 120 0,2834 0,007265 0,269164 0,297703128 120 0,5598 0,007265 0,545539 0,574078256 120 0,8878 0,007265 0,873547 0,902086512 120 1,4783 0,007265 1,46403 1,492571024 120 2,2072 0,007265 2,19299 2,221531500 120 2,5604 0,007265 2,54615 2,57469Fuente: Statgraphics Plus 5.1Cuando se rechaza H omediante el ANOVA, yse concluye que no hay igualdad entre medias poblacionalesde los tratamientos, pero no se tieneinformación específica sobre cuáles tratamientosson diferentes entre sí, el análisis de medias permitehacer una comparación visual y estadísticade las medias de los tratamientos. A continuaciónse muestran los resultados de medias por mínimoscuadrados para Throughput, con un Intervalode confianza del 95% en relación con cada uno delos factores.Fig. 8. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚNEL FACTOR TAMAÑO DEL PAQUETEDondese obtiene del análisisANOVA, en función del cuadrado medio del error yn es el número de observaciones por tratamiento,k es el número de tratamientos, N-k es igual a losgrados de libertad para el error, α es el nivel de significanciaprefijado y el estadístico q α(k,N-k) sonpuntos porcentuales de la distribución del rangoestudentizado, que se pueden obtener en tablas.Se declaran “significativamente diferentes” lospares de medias cuya diferencia muestral en valorabsoluto sea mayor que Tα. A diferencia de losmétodos LSD y Duncan, el método de Tukey trabajacon un error α muy cercano al declarado por elexperimentador. Cuando se hace uso del métodode Tukey (HSD), hay un 5,0% de riesgo de consideraruno o más pares como significativamente diferentescuando su diferencia real es igual a cero.Fuente: Statgraphics Plus 5.1Según la DistanciaTABLA VMEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN LA DISTANCIA ENTRE ESTACIONESNivel Frec MediaErrorEstándarLímiteInferiorLímiteSuperior5 180 1,35766 0,00593 1,346 1,3693110 180 1,32958 0,00593 1,31793 1,3412320 180 1,31893 0,00593 1,30728 1,3305830 180 1,31185 0,00593 1,3002 1,3235Fuente: Statgraphics Plus 5.1

30ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32Fig. 9. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚNEL FACTOR DISTANCIAreflejo efectos significativos en el comportamientodel Throughput, lo cual es coherente con los resultadosobtenidos previamente.VIII. CONCLUSIONESFuente: Statgraphics Plus 5.1Según el número de HostTABLA VI.MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL NÚMERO DEL HOSTNivel Frec MediaErrorEstándarLímiteInferiorLímiteSuperior1 120 3,7085 0,00726 3,69423 3,722772 120 1,85292 0,00726 1,83865 1,867194 120 0,9282 0,00726 0,913939 0,9424786 120 0,6159 0,00726 0,60163 0,630178 120 0,4831 0,00726 0,468922 0,49746110 120 0,38831 0,00726 0,374047 0,402586Fuente: Statgraphics Plus 5.1Fig. 10. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚNEL FACTOR NÚMERO DE HOSTFuente: Statgraphics Plus 5.1Frecuencia Total: 720Media Total: 1,32951En las figuras anteriores se ilustra el valor delThroughput medio por cada nivel según el factoranalizado. También se presenta el error estándarde cada media, el cual corresponde a una medidade variabilidad en la muestra. Las dos columnasde la derecha muestran los intervalos para cadauna de las medias con un 95% de confianza. Segúnel análisis de medias, los mejores promediosse obtuvieron a medida que el tamaño del paqueteaumentó y la cantidad de host existentes en lared era reducido. La distancia entre los host noLa implementación de redes PLC no debe serconsiderada como un reemplazo de las tecnologíasexistentes, sino como una solución complementariaque trabaja en conjunto con otras tecnologíasde acceso. PLC ofrece una instalaciónsimple y rápida en donde solo es necesario conectarun adaptador o MÓDEM PLC, convirtiendocualquier toma de corriente en un punto de accesoa la red; lo que permite la transmisión simultáneade voz, datos y video sobre un mismo medio;se origina la prestación de múltiples servicios:acceso a Internet de Banda Ancha, telefonía localcon protocolo de IP, aplicaciones multimedia(videoconferencia, televisión interactiva, vídeo yaudio bajo demanda, juegos en red), entre otrosservicios.Un diseño experimental es una secuencia deetapas o actividades que deben realizarse paracumplir con éxito los objetivos que se persiguen.En vista de lo anterior y para óptimo desarrollo delpresente estudio, fue seleccionado el tipo factorial,cuyo objetivo consiste en estudiar el efectode varios factores sobre una o varias respuestas(Throughput). Para el caso particular se implementóun diseño factorial de 6x4x6=144 combinacionesde tratamientos o puntos experimentales,con tres factores de tipo cuantitativo (tamañodel paquete, número de estaciones activas en lared y la distancia en metros entre el PC-Cliente y elPC Servidor), el cual respondió satisfactoriamentea cada una de las necesidades en el procesode investigación. El número de replicas del experimentofue cinco (5), las cuales se consideraronsuficiente garantía para medir los efectos principalesy las interacciones, para un total de 720 medicionesde la variable respuesta.En todo modelo, es importante saber combinarparámetros, variables, relaciones funcionalesy restricciones que formen los componentesque desarrollan la función objetivo. El análisis devarianza (ANOVA) permitió descomponer la variabilidadde Throughput en cada una de las contribucionespor factor, bajo un nivel de confianzadel 95,0%. El análisis de varianza identificó cua-

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados31tro efectos estadísticamente significativos ( ). Laúnica interacción significativa estadísticamenteentre los factores fue la interacción AC, la cualcorresponde a la interacción entre los factores Tamañodel Paquete y Número de host o estacionesexistentes en la red PLC.Según el análisis de medias, los mejores promediosse obtuvieron a medida que el tamaño delpaquete aumentaba y la cantidad de host existentesen la red era reducido. La distancia entre loshost no reflejó efectos significativos en el comportamientodel Throughput a las distancias en lascuáles se desarrolló el experimento (5m, 10m,20m, 30m) y que encajan dentro de una viviendapromedio. Por otro lado, se observó un efecto considerableen la interacción de los factores tamañodel paquete y número de estaciones, debido al aspectoquebrado de las líneas. Según la pendientede las rectas en los gráficos de interacción se puededecir que el Throughput tiende a estabilizarsealrededor de 1Mbps a medida que aumenta eltamaño del paquete y el número de estaciones,donde se evidenció que la mayor influencia sobrela variable salida depende del número de estacionesque se encuentren activas en la red PLC.La validez de los resultados obtenidos en cualquieranálisis de varianza queda supeditada a quelos supuestos del modelo (normalidad, varianzacontante e independencia) se cumplan. En el casoparticular, bajo el uso de gráficos de residuos sepudo comprobar los supuestos del modelo propuestopara el Throughput, cumplen a satisfaccióncon cada uno de los supuestos, y se garantizacon ello que los resultados del experimentoobedecen a una muestra aleatoria de distribuciónnormal con media cero y varianza constante.Aunque existen herramientas de predicciónque se encuentran disponibles comercialmente,su costo es muy elevado, lo cual limita su adquisicióny aplicación en el entorno regional. Algunosejemplos son: WinProp, SitePlanner, CINDOOR;sin embargo, el uso de Iperf como herramientasoftware de libre distribución permitió realizar diversaspruebas sobre el entorno de red basadoen PLC, las cuales arrojaron resultados bastanteinteresantes; y brindaroo las herramientas parala definición del modelo empírico de predicción yla forma de interacción entre diversos factores inmersosen el proceso de comunicación.La intención final de este estudio es establecerlas bases para evaluar el comportamiento delJitter, el cual se encuentra directamente relacionadocon el rendimiento de la red PLC implementada,y considera la influencia de cada uno delos siguientes factores: el número de estacionesactivas en la red, la distancia entre ellas y el tamañodel paquete; bajo las condiciones de la redeléctrica existentes en ambientes corporativos yresidenciales. Sin embargo, es importante considerarque los resultados obtenidos pueden estarsujetos a modificaciones y ajustes posteriores debidoal grado de sensibilidad de los instrumentosutilizados para realizar la medición y las condicionesexistentes en la red en el momento de llevar acabo el experimento.REFERENCIAS[1] S. M. Kumar, S. Nutan, and J.K. Diwedi, “Power LineCommunication: A Survey”. International ConferenceOn Recent Trends in Engineering, Technology & Management,Bundelkhand Institute of Engineering &Technology, Jhansi, India. Feb. 27, 2011.[2] HomePlug 1.0 Specification, HomePlug Power lineAlliance, 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 LineCommunications: 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 InternationalConference on Information Technology, Dubai, pp218-222, 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 ExperimentosAnálisis de datos estándar y no estándar”, BogotáD.C., Ed. Universidad Nacional de Colombia, 1997.[9] R.O. Kuehl, “Principios estadísticos para el diseño yanálisis de investigaciones”. México. Ed.Thompson,2006.[10] W. Moreno, “Aplicaciones al diseño y análisis de experimentos”.Bucaramanga, Ediciones UIS, 2002.

32ITECKNE 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 LineTransfer of Data for Computer Simulation”, InternationalJournal of Communication Networks and InformationSecurity (IJCNIS), vol. 3, no. 2, 104-111, Aug.2011.[13] J. Anatory y N. Theethayi, “Broadband Power-Line CommunicationSystems: Theory and Applications”, cap. 3,Boston, Ed. Wit Press, 2010

Performance Evaluation of Self-Similar Models forTraffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Casefor the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares enredes IEEE 802.11 - Caso de Estudio Red QRDEvelio Astaiza HoyosPhD(c) Procesado de señales y las comunicacionesUniversidad de Vigo-EspañaMsC. Ingeniería, área de telecomunicaciones,Universidad del CaucaProfesor Asistente - Universidad del Quindío.Investigador grupo GITUQeastaiza@uniquindio.edu.coeastaizah@unicauca.edu.coHéctor F. Bermúdez OrozcoPhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones,Universidad de Vigo-EspañaMsC Electrónica y Telecomunicaciones,Universidad del CaucaProfesor Asistente - Universidad del Quindío.Investigador grupo GITUQhfbermudez@uniquindio.edu.cohebermudez@unicauca.edu.coDiego Fernando Salgado CastroIngeniero ElectrónicoUniversidad del QuindíoGrupo GITUQdfsc984@hotmail.comAbstract— This paper evaluates the performance offractal or self-similar traffic models in IEEE 802.11networks. This study is focused on the “Quindio RegiónDigital” (QRD) network. Performance evaluation of thetraffic models is performed in three stages. In the firststage, we obtain the statistical characteristics of thecurrent traffic on the QRD network. In the second stage,the most suitable traffic models are selected for thecurrent characteristics of the QRD network such as outof-saturationoperation and management of heterogeneoustraffic. In the third stage, we define a performancemetric that is used to evaluate the traffic patternsthrough simulation.Keywords— QRD, WLAN, MAC, time slot, contention window,self-similarity, traffic, correlation, goodness of fittest, snnifer.I. INTRODUCTIONIn the recent years, wireless networks have becomepopular for the design of access networksdue to their potential benefits with respect to wirednetworks. Since the standard IEEE 802.11 hasbeen widely accepted for the design of these networks,a detailed study of this standard providesuseful tools to design and plan proper networks,and to meet user requirements with respect to informationmanagement and services.This paper presents the performance evaluationof one popular method to model WLAN802.11networks. This model takes into accountan exponential backoff protocol under non-saturatedstations and heterogeneous-traffic-flow conditionsto compute the throughput of the distributedcoordination function (DCF) for basic access.Therefore, this model is suitable for the analysis oftraffic frames in a real network. In this paper, theperformance of this model is compared using actualdata from the “Quindío Región Digital” (QRD)network.The model under analysis assumes that the probabilitiesof packet collision of a packet is constantand independent on the state and station regardlessthe number of retransmissions. This assumption,validated through simulations, shows high-accurateresults even when the number of stations inthe wireless LAN is greater than 10.This paper is organized as follows. Section 2defines the two medium access mechanisms usedin DCF, basic mechanism and RTS/CTS (Requestto send/Clear to send) mechanism, as well as acombination of both. Section 3 shows the resultsand statistics obtained for a real traffic in the QRDRecibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39

34ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39network. Sections 4 and 5 include the performanceevaluation of the model under study, which takeinto account real conditions such as non-saturatedstations and heterogeneous traffic. Section 6 presentsthe simulation results that verify the performanceof this model on the QRD network. Finally,Section 7 summarizes the results and discussesthe performance of the model on real network data.II. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION802.11This section presents an overview of the distributedcoordination function (DCF) described bythe IEEE 802.11 protocol. A detailed description isincluded in [6], [7], [8], [10] and [15].A station with a new packet to be transmittedsenses the channel activity. If the channel isfound inactive during a period of time equal tothe distributed interframe space (DIFS), the stationtransmits. Otherwise, if the channel is foundbusy (immediately or during the DIFS), the stationcontinuously senses the channel until it is foundinactive during a DIFS. From this viewpoint, thestation generates a random backoff interval beforetransmitting (i.e., performs an anti-collisionprotocol) to minimize the probability of collisionwithin the packets transmitted by other stations.In addition, to avoid channel break, a station mustwait for a random backoff time between two consecutivetransmissions of a new packet even if thechannel is found inactive during a DIFS. To improveefficiency, DCF uses a discrete backoff scale.The time following an inactive DIFS is sliced anda station can transmit only at beginning of eachslot time. The size of the slot time “σ” is set equalto the time required by each station to detect thetransmission of a packet from any other station.TABLE ISlot Time (ranura de tiempo), valores máximos y mínimos de la ventanade contienda para las tres especificaciones PHY del estándar 802.11:Frecuency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Direct Sequence SpreadSpectrum (DSSS), and Infrared (IR).PHy Slot Time (σ) CWmin CWmaxFHSS 50 µs 16 1024DSSS 20 µs 32 1024IR 8 µs 64 1024As shown in Table I, the size of the slot time “σ”depends on the physical layer, and it representsthe propagation delay involved in switching froma reception state to transmission state (i.e., RX-TXtime) as well as the time to signal to the MAC layerabout the channel state (i.e., to detect a busy time).DCF adopts an exponential backoff behavior, inwhich the backoff time for each packet transmissionis chosen to be uniform in the range (0,W-1), whereW is called contention window, and this windowdepends on the number of failed transmission for agiven packet. In the first transmission attempt, W isset to be equal to the minimum contention window(CWmin). After each failed transmission, W is doubleduntil reach its maximum value CWmax = 2 m CWmin.The values for CWmin and CWmax are reportedin the final version of the standard [15]. The backofftime counter is stopped when a transmission is detectedover the channel, and it is resumed when thechannel is found inactive again for more than oneDIFS. The station transmits when the backoff counterreaches zero. Fig. 1 depicts this operation.Since CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) is not based on the station capabilitiesto detect a collision by listening to their owntransmissions, an affirmative acknowledge (ACK) istransmitted by target station to signal a successfulpacket reception. ACK is transmitted immediatelyfollowing the packet reception, and this time intervalis called short interframe space (SIFS). As longas the SIFS (in addition to the propagation delay) isshorter than a DIFS, none station is capable of detectingchannel inactivity during a DIFS until the endof an ACK. If the transmitting station does not receiveany acknowledge for a certain ACK waiting time,or a different transmission packet is detected overthe channel, the transmission of packets is restartedaccording to the predefined backoff rules. The previoustwo-way transmission approach is called basicaccess mechanism. DCF defines an additional andoptional four-way transmission approach. This mechanismis called RTS/CTS, which is shown in Fig. 2.Fig.1. BASIC ACCESS MECHANISMSource: 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,Salgado35Fig. 2. RTS/CTS MECHANISMgrouped according to the arrival time and lengthof each packet. In this way, histograms and goodnessof fit tests are used to estimate the statisticsthat characterize the traffic and features of theQRD network.B. Identification of the distribution functionSource: P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997.The station that requires a packet transmissionmust wait until the channel is found inactiveduring a DIFS, following the backoff rules explainedabove. Then, instead of transmitting the datapacket, a preliminary short frame, called “requestto send” (RTS), is transmitted. When the targetstation detects a RTS frame, it responses, after aSIFS, by sending a “clear to send” (CTS) frame. Astation is allowed to transmit only if a CTS frame isreceived properly.RTS and CTS frames carry out informationabout the length of the packet to be transmitted.This information can be read by any other listeningtransmitters, which update the network allocationvector (NAV) that stores information about the periodof time when the channel is busy.RTS/CTS mechanism is efficient in terms ofsystem performance since it reduces the lengthof the frames involved in a contention process.In fact, even assuming perfect channel detectionby each station, collision may occur when two ormore packets are transmitted on the same slottime. If the two transmission stations employ aRTS/CTS mechanism, a collision is produced onlyin the RTS frame. However, this issue can be detectedquickly by all transmission stations due tothe lack of a CTS frame [5].III. ACQUISITION OF A REAL TRAFFICThis section shows the data obtained from areal traffic in the QRD network, and the statisticsperformed on this data.A. Capture of traffic in the QRD network andstatistics estimationA protocol analyzer was used to capture informationabout packets [12]. This information isThe methodology of goodness of fit test proposedby Kolmogorov-Smirnov [11] is used to determinethe distribution functions for the arrival-packettime and packet length. As a result of this test,the distribution function for the arrival-packet timeis found to be exponential, this is shown in Fig. 3.With respect to the packet length (or equivalently,the average service time), the distribution functionis uniform, this is shown in Fig. 4.Fig. 3. EXPONENTIAL DISTRIBUTION FOR THE ARRIVAL-PACKET TIME ONJANUARY 26, 2011.Source: Author of the projectFig. 4. UNIFORM DISTRIBUTION FOR THE PACKET LENGTHSource: Author of the projectIV. THROUGHPUT FOR THE REAL TRAFFICAND SELF-SIMILAR MODELA. Throughput for the real trafficFrom the QRD data, the time mean average ofthe packets is 0.0076 seconds, which suggeststhat the actual offered traffic is λ k= 7.6ms.

36ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39Fig. 4 shows an uniform distribution for thelength of the payload bits in the packets. Themean value is 1452.76 bytes, i.e., L k= 1452.76bytes. Hence, the throughput in Mbps againstthe number of network stations is shown in Fig.7. From this figure, it is possible to determine themaximum throughput of a network with differentnumber of terminals by dividing this value by thenumber of terminals. Thus, if packets with an averagelength of 1452.76 bytes are transmitted toany rate such as 1, 2, 11 or 54 Mbps, the maximumthroughput is 90 kbps, this is shown in Fig.5. Asumming 20 terminals for the QRD network,the effective transmitsion rate by terminal are 4.5kbps. This result is very accurate due to this analysistakes into account the time involved in solvingcollisions.Fig. 5. THROUGHPUT IN THE QRD NETWORK AS A FUNCTION OF THENUMBER OF STATIONSA random process {X(t),t∈R} is called H- sssiif itis self-similar with a parameter H, and it has stationaryincrements.• Lemma 1 [2]It is assumed that {X(t),t∈R} is a non-degnerativeprocess H- sssiwith an inifity variance. Then, 0< H ≤ 1, X(0) = 0 and the covariance is defined byIf X(t) is a non-degenerated process H- sssiwithfinite dispersion, then 0 < H ≤ 1. During simulationof the traffic, the range 0.5 < H < 1 is particularlyinteresting since the process H- sssiX(t) with H < 0cannot be measured, and it belongs to a pathologicalcase. While the case H > 1 is forbidden sincethe stationary condition in this process is cumulative.In practice, the range 0 < H ≤ 0.5 can beexcluded because this cumulative process is calledshort range dependence (SRD). For practicalpurposes only the range 0.5 < H < 1 is relevant. Inthis range, the correlation factor for the cumulativeprocess Y(t):has the following form:C. M / G / ∞ QueueSource: Author of the projectB. Throughput for the self-similar modelA study about the self-similarity on aggregatedtraffic using the Hurst parameter for a wirelessnetwork close to the QRD network is presented in[4]. The degree of self-similarity is obtained for theQRD network from the arithmetic summation ofthe degree of self-similarity for each frame independently.In other words, the Hurst parameter isobtained separately for the data frame, the controlframe, and the management frame, and those valuesare finally added together to obtain the Hurstparameter for the aggregated traffic.In [1], [2], [3], [9], [13] and [14], the self-similartraffic for WLAN networks is modeled through anM / G / ∞ queue.• Definition 1 [2]The M / G / ∞ process is defined as follows.The discrete-time M / G / ∞ queue is modeled withslot time “σ” as time interval. All Poisson-type arrivalswithin the slot time are used for service beforethe beginning of the next slot, where W(s=k),k=1,2,..., is the probability density function (pdf) ofthe service time S given in slot-time “σ” units. Forthis system, it is known that the pdf of the queuelength is a Poisson distribution at the end of eachslot time with mean λ = λ o*M[s], where λ ois theaverage number of arrivals when the system is atthe state 0 in the M / G / ∞ queue. However, thenext queue lengths at the end of the slot time arecorrelated with autocorrelation function r(k) = P(S> k. Hence, if this queue-length process is usedto generate the arrivals for the analyzed system,the next arrival process A is obtained from themarginal distribution of A, which is a discrete-timePoisson 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,Salgado37time, and P(S > k) is the autocorrelation function.In practice, it is necessary to obtain the autocorrelationfunction r(k), which could be used to computethe distribution required for the service time.In particular,802.11 network. The variations of the H parameterare shown in Fig. 6.r(k) is the same ρk, i.e., the offered traffic,which is replaced in the throughput S k(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),Where α = r(1) = 1 – M[S]. As a result, the arrivalprocess is and asymptotic self-similar processwith Hurts exponent H = 1 – β / 2.Since the M / G / ∞ queue describes only adiscrete-time arrival process, the next step is thegeneration of isolated arrival times. This procedureis obtained by grouping arrivals of K≥1 slottimes followed each other, and strong distributionover all intervals of length t o= σk seconds.Let N be the number of arrivals within k slot times.Since N is a Poisson process, the assignmentof each arrival inside the interval corresponds to auniform distribution (the distribution of interval timesbetween arrivals is still non-exponential).The offered traffic obtained from (3) and (5) interms of the autocorrelation function r(k), wherek is the average time of a packet on backoff statetaking into account the collisions described above,is given byUp to this point, all parameters are replaced tosolve the above equation except the Hurst parameter,which is varied to determine the degree ofself-similarity in the model, and so to obtain thefeatures of a real traffic.Self-similar models takes Hurst parameter valueswithin the range 0.5

38ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39To support this claim, a numerical analysis basedon correlation provides more accurate informationthan a graphical analysis. Correlation results forthe self-similar model and the real traffic on theQRD network.Correlation coefficient for the real traffic andthe self-similar model:0.941Since the correlation coefficient is close to one,it is concluded that the model provide a strong correlationwith the real data.The previous results allow us to conclude thatthe model describes the features of IEEE 802.11network traffic.Fig. 7. THROUGHPUT FOR THE SELF-SIMILAR MODEL, AND REAL TRAFFIC.provides an estimation of the self-similarity degreefor the actual traffic. Independently on thedifferences between both models, it is possible toconclude that the actual traffic in the WLAN QRDnetwork is well described by a self-similar model.Under the assumptions about a memoryless Poissonprocess for the arrival time and the probabilityof packet collision independently on the previousstate, it was possible to obtain a simulatedthroughput that matches the throughput obtainedfrom a real traffic.The most important reason why the model wasselected for this study is the ability of this modelto describe real conditions in non-saturated networksand heterogeneous traffic, i.e., streamingand elastic flows. Hence, it was feasible to performa comparison under normal conditions, andthese simulation results are close to real data.REFERENCES[1] Oleg I. Sheluhin, Sergey M. Smolskiy, Andrey V. Osin.(2007). SELF-SIMILAR PROCESSES IN TELECOMMUNI-CATION. John wiley & sons, ltd.[2] Villy B. Iversen (2001). TELETRAFFIC ENGINEERINGHANDBOOK. Technical university of DenmarkSource: Author of the projectVI. CONCLUSIONSIn this paper, the one popular traffic modelsfor IEEE 802.11 wireless networks was evaluated.The model is based on self-similar theory, defininga simple but powerful model that capturesall characteristics of the medium access control(MAC). It is important to highlight that this modeldepends exclusively on the distribution of packetarrivals obtained for the QRD network. The selfsimilarityof the traffic turns out relevant once therandom process becomes similar at different scales,but this model (self-similar model) is no longerpopular due to the mathematical complexityand the complex estimation of the self-similaritydegree from the Hurst parameter. To estimate thisself-similarity degree, it is necessary to determinethe Hurst parameter separately for each frame,and then to obtain a unified Hurst parameter that[3] Jeremiah F. Hayes, Thimma V. J. Ganesh Babu. (2004).MODELING AND ANALYSIS OF TELECOMUNICATIONSNETWORKS. John wiley & sons, inc, Hoboken, New jersey.[4] Xiao-hu Ge, Yang Yang, Cheng-Xiang Wang, Ying-Zhuang Liu, Chuang Liu, Lin Xiang (2009) “Characteristicsanalysis and modeling of frame traffic in 802.11wireless networks,” John Wiley& Sons, Ltd.[5] G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE802.111Distributed Coordination Function,” IEEEJournal on SelectedAreas in Communications, Vol. 18,No. 3, March 2000.[6] Y.C. Tay and K.C. Chua, “A Capacity Analysis for theIEEE802.11 MAC Protocol,” Wireless Networks 7, 159-171, March2001.[7] B. Bellalta, M. Oliver, M. Meo and M. Guerrero (2005)“A Simple Model of the IEEE 802.11 MAC Protocol withHeterogeneous Traffic Flows,” Belgrade, Serbia andMontenegro.[8] Ken Duffy, David Malone, and Douglas J. Leith, (2005)“Modeling the 802.11 Distributed CoordinationFunction in Non-Saturated Conditions,” IEEE COMMU-NICATIONS LETTERS, VOL. 9, NO. 8.

Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD Network - Astaiza, Bermúdez,Salgado39[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 OPE-RANDO A TASAS FIJAS O ADAPTIVAS USANDO EL ES-TÁNDAR IEEE 802.11 a/b/g,” Ingeniare. Revista chilenade ingeniería, vol. 15 Nº 3.[11] Evelio Astaiza Hoyos, Héctor Fabio Bermúdez, PabloAndrés Gutiérrez (2007) “Simulación De SistemasDe Telecomunicaciones”, Ed Padilla Bejarano, FerneyISBN: 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 ofUnidirectional Packet Delay of Wireless Traffic,” Lancaster,UK[14] Arcadio Reyes Lecuona, (2001) “MODELADO DE TRÁ-FICO DECLIENTES WWW” universidad de Málaga[15] P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,November 1997

Arquitectura funcional para la implementación demobile IPTV sobre redes LTE y LTE-AvancedFunctional architecture for the implementation of Mobile IPTVover LTE and LTE-Avanced networksDiego Fernando Rueda PepinosaMSc(c) en Ingeniería – TelecomunicacionesUniversidad Nacional de ColombiaInvestigador del Grupo de GITUN.Universidad Nacional de Colombia.Bogotá, Colombiadfruedap@unal.edu.coZoila Inés Ramos RodríguezPhD.(c) en Ingeniería - Telecomunicaciones, Universidad deTelecomunicaciones e Informática de Moscú. Profesor Asociado,Líder del Grupo GITUN. Universidad Nacional de Colombia.Bogotá, Colombiaziramosd@unal.edu.coResumen— La televisión digital móvil sobre el protocolode Internet (Mobile IPTV) requiere que las redes de móvilesprovean los recursos y los mecanismos necesariospara garantizar la calidad en los contenidos entregadosa los usuarios. Las características técnicas de las tecnologíasde banda ancha móvil LTE y LTE-Advanced las perfilancomo las redes capaces para soportar el desplieguede Mobile IPTV. Por consiguiente, en este trabajo seha realizado el análisis de las redes LTE y LTE-Advancedcon el fin de proponer una arquitectura funcional paraorientar la implementación del servicio de Mobile IPTV.Palabras clave— Arquitectura funcional; Long TermEvolution (LTE); LTE-Advanced; Mobile IPTV; SubsistemaMultimedia IP (IMS); Servicio de Multidifusión y DifusiónMultimedia (MBMS).Abstract— Mobile digital television over IP networks(Mobile IPTV) requires that mobile networks providethe resources and mechanism necessary to guaranteethe quality of content delivered to users. The technicalcharacteristics of mobile broadband technologies LTEand LTE-Advanced will permit to be the networks ableto support the deployment of Mobile IPTV. Therefore,in this study we have done an analysis of the LTE andLTE-Advanced networks in order to propose functionalarchitecture to guide the implementation of the MobileIPTV service.Keywords— Mobile IPTV; IP Multimedia Subsystem(IMS); Long Term Evolution (LTE); LTE-Advanced; Multicast/BroadcastMultimedia Service (MBMS); FunctionalArchitecture.I. INTRODUCCIÓNEl crecimiento del número de usuarios, la multiplicidadde dispositivos para acceder a la red yla demanda de nuevos servicios y aplicacionesgeneran un aumento considerable en el tráfico dedatos que circula por la redes móviles y causanproblemas de congestión y la degradación en lacalidad de los servicios ofrecidos [1] [2]. Segúnel estudio realizado en [2], para el año 2016 eltráfico de datos móviles llegará a más 10.8 Exabytespor mes, del cual el 70% será generado porflujos de video. Es por tanto que las redes móvilesestán al borde de una tercera fase de evolución enla cual el tráfico de datos móviles será dominadoprincipalmente por contenidos de video y que serequerirán nuevas formas de optimizar la red paraevitar la saturación de la misma [3]. La estimacióndel incremento de este tipo de tráfico es unode los principales impulsores para la adopción delos nuevos estándares de banda ancha móvil LTE(Long Term Evolution) y LTE-Advanced (LTE-A) [3].Bajo este escenario uno de los servicios másexigentes en términos de consumo de recursosserá la Mobile IPTV puesto que requiere de unared de alta velocidad, baja tasa de error y bajoretardo para permitir la reproducción en tiemporeal del contenido seleccionado por el usuario [4].En consecuencia, el despliegue de sistemas LTEmarcará el inicio de una nueva era en las comunicacionesmóviles que permitirá a los operadorescontar con una plataforma global para soportarlas próximas generaciones de servicios con la calidadrequerida por cada uno de ellos [5].Las características técnicas de las redes LTE/LTE-A las perfilan como las tecnologías capacesde soportar el despliegue de la Mobile IPTV todavez que se constituyen en la evolución de las redesde 3G, con en un núcleo de red completamente IP(All-IP), capaces de ofrecer altas velocidades deRecibido: 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, Ramos41acceso, mejorar la eficiencia espectral, reducir elretardo y de diferenciar los flujos de tráfico [6] [7].Por lo tanto, es necesario contar con una arquitecturaque permita orientar la implementación delservicio Mobile IPTV sobre este tipo de redes y endonde se garantice la calidad de los contenidosentregados a los usuarios y la adecuada gestióndel servicio.Este artículo está organizado de la siguientemanera: en la parte II se encuentran los trabajosrelacionados con la temática tratada en estainvestigación, en la parte III se revisan los principalesaspectos para el despliegue del servicio deMobile IPTV, seguidamente, en la parte IV se analizay propone una arquitectura funcional para laimplementación de Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A, y por último, en la parte V, se presentan lasconclusiones obtenidas con el desarrollo de estetrabajo de investigación.II. ANTECEDENTESEntre los trabajos relacionados con esta investigaciónse pueden citar inicialmente a [8] y [9],donde los autores realizan la revisión y comparaciónde las arquitecturas funcionales recomendadaspor la Unión Internacional de las Telecomunicaciones(UIT) para la entrega de servicios deIPTV. Las arquitecturas presentadas por la UIT en[10] son tres y tienen como referencia a las Redesde Nueva Generación (NGN, Next Generation Networks)[11].La primera arquitectura fue definida para eldespliegue de IPTV sobre redes que no son NGN(Non-NGN IPTV), la segunda presenta una arquitecturabasada en NGN sin la inclusión del SubsistemaMultimedia IP (IMS, IP Multimeda Subsystem)(NGN non-IMS IPTV) [12] y la tercera sebasa en la implementación de IPTV en NGN consu componente de IMS (NGN-IMS IPTV) [13]. Deestas arquitecturas, la más estudiada ha sido laarquitectura NGN-IMS IPTV.Los autores de [14], [15] y [16] consideran alIMS como un elemento indispensable para el controlen las sesiones, el lanzamiento del servicio ylos mecanismos autenticación, autorización y contabilidad(AAA, Authentication, Authorization, andAccounting) así como para la aplicación de políticas,control de admisión y gestión de recursos.Dichos trabajos están orientados hacia la implementaciónde IPTV en entornos NGN.En [17] se realiza un estudio de la señalizaciónpara la prestación de servicios de video sobreredes LTE integrando el IMS junto al serviciode MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service)[18]. El IMS se implementa para controlarlas sesiones, proporcionar la admisión a la red yel control de políticas, mientras que el MBMS seutiliza para la entrega de contenido multimedia através de portadoras de multidifusión y difusióna múltiples usuarios dentro de la misma zona decobertura [17]. Sin embargo, no se consideró lainclusión de una entidad de gestión del servicio.En consecuencia, los trabajos encontrados enla literatura se diferencian de esta investigaciónpuesto que aquí se propone y analiza una arquitecturafuncional para orientar la implementacióndel servicio Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-Acon el objetivo de garantizar la calidad de los contenidosentregados a los usuarios y la adecuadagestión del servicio.III. CONSIDERACIONES PARA LAIMPLEMENTACIÓN DE SERVICIOSDE Mobile IPTVA. Definición de Mobile IPTVEn las redes móviles la IPTV se enmarca bajoel concepto de Mobile IPTV, que se define comouna tecnología capaz de permitir a los usuariosla transmisión y recepción de tráfico multimediaque incluyen señales de televisión, video, audio,texto e imágenes por medio de redes cableadaso inalámbricas basadas en el IP con QoS, QoE,seguridad, movilidad e interactividad [19]. ConMobile IPTV los usuarios pueden disfrutar de latelevisión digital (TD) y los servicios relacionadosen cualquier lugar, a cualquier hora y sobre cualquierdispositivo, inclusive mientras están en movimiento[20].Cabe señalar, que la IPTV es diferente de lassoluciones de televisión sobre Internet, debido aque esta última permite a los usuarios ver videoso canales de televisión en un entorno del mejoresfuerzo, mientras que en los sistemas de IPTVes requisito que el servicio y la red sean debidamentegestionados y controlados para asegurar lacalidad en los contenidos entregados [21] [22].

42ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51La implementación de la IPTV está definidapor una cadena de valor conformada por el proveedorde contenidos, el proveedor del servicio,el operador de red y el usuario final [23]. Eneste contexto, el material audiovisual generadopor el proveedor de contenidos es multiplexadocon otros contenidos multimedia y aplicacionesinteractivas, para posteriormente ser transmitidopor la red IP del operador de red [24]. Dellado del usuario, este debe disponer de un dispositivoque le permita la recepción y decodificaciónde los canales de TD y ejecución de lasaplicaciones interactivas [24].B. Clasificación de los servicios de IPTVLa UIT clasifica a los servicios de IPTV entres categorías: básicos, selectivos mejorados,e interactivos [25]. Los servicios básicos estánconformados por canales de audio, canales deaudio y video (A/V), y canales de A/V con datos.Estos se emiten por difusión y pueden ser enalta definición (HD, High Definition) o en definiciónestándar (SD, Standar Definition) [25].Los servicios selectivos mejorados abarcanla 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 grabadorade vídeo personal (PVR, Personal Video Recorder),entre otros. Esta categoría ofrece serviciosde IPTV más avanzados que los serviciosbásicos puesto que están destinados a mejorarla comodidad del usuario y a proporcionar unaamplia gama de contenidos A/V que pueden serseleccionados por usuario según sus preferencias[25].Finalmente, se tienen los servicios interactivosde IPTV como: T-information (noticias,tiempo, tráfico, y otros), T-commerce (compras,subastas, y transacciones bancarias, entreotros), T-communication (correo, video teléfono,mensajería y demás), T-entertainment(juegos, blog, etc.), y T-learning (educaciónprimaria, intermedia, secundaria y superior)[25]. Estos servicios requieren de un canalde comunicaciones bidireccional para que elusuario pueda interactuar con los contenidosmultimedia mediante las aplicaciones interactivasde forma tal que puedan personalizar elcontenido que desean ver.C. Retos para la implementación de MobileIPTV.La implementación de sistemas de MobileIPTV debe superar varios desafíos antes que losservicios asociados sean ampliamente desplegadosy utilizados. Entre los retos más importantesque deben ser abordados por parte de los proveedoresdel servicio y los operadores de red están:• Propagación en el enlace inalámbrico: se presentanerrores en la transmisión, shadowing,fading, reflexiones temporales, interferenciasy obstáculos que causan una reducción en elnivel de potencia de recepción y aumento enla pérdida de paquetes de ráfagas lo que afectacalidad de la recepción de contenidos deIPTV [26].• Velocidad de transmisión de datos del enlaceinalámbrico: el incremento en el tráfico de datosmóviles limita la capacidad de la red paramantener la tasa de datos mínima para la entregade servicios de IPTV [26].• QoS y QoS: los parámetros de desempeñode la red como velocidad de transmisión, retardo,jitter y pérdida de paquetes deben sermantenidos dentro de los niveles aceptablespara el despliegue de sistemas de IPTV [4].• Cobertura del servicio: la dificultad para implementaruna red móvil que cubra todas lasáreas geográficas puede conllevar como soluciónla habilitación del handover vertical entreredes heterogéneas cada una de las cualestiene recursos diferentes que pueden afectarel manejo de los flujos asociados a la IPTV[26].• Multiplicidad de equipos de usuario (UE, UserEquipment): en el mercado existen distintosequipos para acceder al servicio de IPTVcomo TV, computadores, smartphones y tablets,que ofrecen capacidades diferentes enprocesamiento, almacenamiento, tamaño yresolución de pantalla lo que impacta directamenteen la visualización de los contenidos einterfaces de usuario [26].• Retardo de inicio de reproducción de contenidos:se genera por el tiempo que tardan losequipos de los usuarios en unirse a la red,el tiempo de llenado del buffer de los UE receptores,y el tiempo de decodificación de loscontenidos de A/V. Esta característica afecta

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos43la experiencia de los usuarios en el uso deservicios de IPTV [27][28].• Tiempo de conmutación de canal (zappingtime): impide que el cambio de canal sea rápidoy ágil. Corresponde al tiempo necesariopara recibir una trama que permita comenzarel proceso de decodificación del nuevo canal yse debe al retardo introducido por el protocolode multicast, al retardo en el buffer y el retardode decodificación [28].• Mercados de consumo: Existe la posibilidadde la baja demanda por parte de los consumidoresdebido a la visualización de la IPTV enpantallas pequeñas, por ello se requiere deun modelo de negocio con servicios de IPTVinnovadores e interfaces de usuario atractivas[26].Regulación y normatividad: la regulación existentepara el despliegue de Mobile IPTV es escasay aun no se tiene una normatividad clara al respectotoda vez que se trata de un servicio novedosoy que aun no ha sido ampliamente desplegado.D. Capas de la arquitecturaLa arquitectura funcional para la implementaciónde Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A quese propone está orientada a garantizar la calidadde los contenidos entregados a los usuarios y laadecuada gestión del servicio. La arquitectura sebasa en capas, las cuales cumplen con funcionesbien definidas y ofrecen servicios entre sí. En laFig. 1 se presenta la arquitectura funcional de altonivel.UTRAN está compuesta por una malla de nodos Bevolucionados (eNB), los cuales son una especiede estaciones base distribuidas a lo largo del áreade cobertura de red. Un eNB define una celda yservirá a múltiples UE que se encuentren en suzona de influencia. Pero un UE sólo puede estarconectado a un único eNB al tiempo [27].La arquitectura de protocolos de la red E-UTRAN se da tanto para el plano de control comopara el plano de usuario. En el Plano de Control(CP, Control Plane) está el protocolo NAS (Non-Access Stratum) y el protocolo para el Control deRecursos de Radio (RRC, Radio Resource Control)tal y como se muestra en la Fig. 2 [30]. El protocoloNAS comunica al UE con la Entidad de Gestiónde la Movilidad (MME, Mobility Management Entity)y se usa en el enganche de los UE a la red, enla autenticación, en la gestión de las portadorasdel EPC y en el manejo de la movilidad [31]. Entretanto, el protocolo RRC es usado para la difusiónde información, la búsqueda (paging) de UE, el establecimientoy mantenimiento de las portadorasde radio, la gestión de la conexión RRC, la trasferenciadel contexto de UE durante el handover ypara los reportes de medidas como la Informaciónde la Calidad del Canal (CQI, Channel Quality Information)desde el UE [32].Fig. 2. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE CONTROLFig. 1. ARQUITECTURA FUNCIONAL DE ALTO NIVELFuente: [30].Fuente: autores del proyecto1) Capa de Acceso: corresponde a la Red deAcceso por Radio Terrestre Universal - Evolucionada(E-UTRAN, Evolved - Universal Terrestrial RadioAccess Network) de las redes LTE/LTEA. La E-El Plano de Usuario (UP, User Plane) la capa deacceso consta de la pila de protocolos presentadaen la Fig. 3 como: Protocolo de Convergencia dePaquetes de Datos (PDCP, Packet Data ConvergenceProtocol), 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 losencabezados IP basada en la Compresión de EncabezadosRobusta (ROCH, Robust Header Compression),el cifrado y la protección de la integri-

44ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51dad de los datos transmitidos [33]. La subcapaRLC tiene a cargo la segmentación y concatenaciónde los paquetes de datos, y el manejo de lasretransmisiones mediante Solicitudes de RepeticiónAutomática (ARQ, Automatic Repeat reQuest)[34]. Por su parte, la subcapa MAC se encargadel manejo de las retransmisiones ARQ Hibridas(HARQ, Hybrid ARQ), del mapeo entre los canaleslógicos y de transporte, de la programación deltráfico de los enlaces ascendente y descendente,de la multiplexación de los UE, de la identificacióndel servicios MBMS y de las selección del formatode transporte [35].Fuente: [30]Fig. 3. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE USUARIOLa capa PHY es la responsable de la protecciónde datos de los errores del canal mediante el usode 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 desincronización, realiza mediciones de las característicasdel canal de radio y su respectivo informea las capas superiores, ejecuta funciones de procesamientode radio frecuencia (RF) incluida configuraciónde antenas, modulación, demodulacióny transmisión por diversidad [30]. En la Tabla I seresumen las principales características de la capaPHY para las redes LTE/LTE-A.TABLA ICARACTERÍSTICAS DE LA CAPA PHY EN LAS REDES LTE/LTE-ACaracterísticas LTE LTE-AEsquema de acceso UL SC-FDMADLOFDMAAncho de banda de RF 20 MHz 100 MHzTasa de bits pico DL 300 Mbps 1 GbpsModulaciónMultiplexación espacialFuente: autores del artículoUL 75 Mbps 500 MbpsQPSK, 16QAM, 64QAMMIMO2) Capa de Transporte: está conformada por elnúcleo de paquetes evolucionado (EPC, EvolvedPacket System) de las redes LTE/LTE-A, el cualproporciona al sistema de IPTV un núcleo All-IP,con las capacidades de ofrecer calidad del servicioy acceso desde cualquier lugar y dispositivoincluso si el usuario esta en movimiento.Las principales funciones de esta capa son lagestión la movilidad de los UE (en el momento delhandover dentro de la misma red o en el handoververtical), el acceso a diferentes servicios ofrecidospor el proveedor (voz, video y datos), la conexión asistemas 3GPP y aquellos que no lo son, la conectividadIPv4/IPv6, la administración de las políticasde QoS y de carga, y los mecanismos para laoferta de servicios MBMS [30].Los elementos de red que integran al EPCson la entidad de gestión de la movilidad (MME),la puerta de enlace del servicio (S-GW, ServingGateway), la puerta de enlace a la red de paquetesde datos (PDN-GW, Packet Data NetworkGateway), la entidad encargada de las políticas yreglas de carga (PCRF, Policy and Charging RulesFunction) y los elementos para ofrecer serviciosde MBMS [30].3) Capa de Control: tiene como base al núcleodel IMS [37] que otorga así a la arquitectura deIPTV el registro de usuarios y mecanismos AAA, lagestión de las suscripciones, la centralización delos perfiles del usuario, flexibilidad en las políticasdel usuario, la personalización de servicio, la gestiónde sesiones, enrutamiento, el lanzamiento deservicios, numeración, interacción con los facilitadoresde servicio NGN (presencia, mensajería,gestión de grupos, y otros), movilidad, calidad deservicio, control de portadoras y una solución unificadade tasación y facturación [15].Además, la inclusión de IMS en la arquitecturaaporta en la adaptación de los flujos de la IPTV alos recursos de la red y a las capacidades de losUE. De este modo los usuarios pueden acceder alservicio de IPTV desde cualquier lugar, a cualquierhora y sobre cualquier dispositivo, inclusive mientrasestán en movimiento. El IMS también permiteel control flexible del servicio de IPTV debidoal que el manejo de sesiones se basa en el Protocolode Inicio de Sesión (SIP, Session InitiationProtocol) [15]. Otro escenario para los servicios deIPTV basados en IMS está en traspaso de las sesionesentre diferentes dispositivos con lo cual el

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos45usuario podrá continuar observando el contenidoasí cambie de UE.La capa de control está constituida por las entidadespara el control de sesiones de llamada(CSCF, Call Session Control Funtion), y se utilizanpara el establecimiento de las sesiones multimediaentre los usuarios y para preparar la entregade los servicios solicitados según las característicasde la sesión del usuario [15]. Dichas característicascomo el perfil de usuario, políticas,suscripciones, preferencias, entre otros, se almacenanen el servidor de suscripción local (HSS,Home Subscription Server).4) Capa de servicios y aplicaciones: Entre susobjetivos están almacenar y adquirir los diferentescontenidos de A/V, formar la parrilla de programación,integrar las aplicaciones interactivas con loscanales de televisión, emitir y controlar los flujosdel servicio de IPTV, y atender el diálogo de controlde reproducción de contenidos (iniciar, pausar,detener, avanzar y retroceder) y de interactividadcon las aplicaciones [38].Los principales componentes de esta capa sonlas entidades para el descubrimiento servicios(SDF, Service Selection Function) y la selección deservicios (SSF, Service Selection Function), la entidadpara el control del servicio de IPTV (SCF, ServiceControl Funtion) y la entidad encargada de laentregar (MDF, Media Delivery funtion) y controlar(MCF, Media Control Funtion) los contenidosmultimedia.5) Capa de gestión: proporciona funciones degestión y comunicaciones para la operación, administracióny mantenimiento de la red móvil y elaprovisionamiento del servicio de IPTV. Dentro delas funciones de la gestión de red se considera lagestión de la configuración y activos del servicio;la gestión de eventos con el objetivo de asegurarsu correcto funcionamiento y ayudar a prever incidenciasfuturas; la gestión de incidentes que afectenla calidad del servicio y su restauración en elmenor tiempo posible; la gestión de problemas yerrores frecuentes que degradan la calidad delservicio; el monitoreo del desempeño a nivel dered; la gestión de la seguridad al tomar accionesapropiadas para prevenir accesos no autorizadosa la red; y el control de cambios para la provisión,cese o modificación de la capacidad de la redpara el soporte de los servicios [39].Por su parte, la gestión del servicio se relacionacon los aspectos contractuales de los serviciosofrecidos a los clientes. Entre sus tareas están laatención al usuario y gestión de las solicitudesque realicen; la interacción y negociación con proveedoresde servicios; el mantenimiento de losacuerdos de nivel de servicio y del portafolio deservicios [39].6) Proveedor de Contenidos: es la entidad propietariade los contenidos o es la poseedora dela licencia para vender los activos de los mismos.Su función es la producción y entrega de contenidoslos cuales pueden ser videos, audios, datos,texto y aplicaciones interactivas. Forman parte delos proveedores de contenidos los programadoresde canales de TV satelitales o terrestres, los productoresde programas de TV, las bases de datosde contenidos (series y películas), las empresasde desarrollo de software y otros proveedores decontenido [12].Fig. 4. ARQUITECTURA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE MOBILE IPTV SOBRE REDES LTE/LTE-AFuente: autores del aríiculo

46ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51E. Descripción detallada de la arquitecturaLos principales componentes de la arquitecturapropuesta para la implementación del serviciode IPTV sobre redes LTE/LTE-A se muestran endetalle en la Fig. 4 y se describen a continuación.1) Equipos de usuario (UE): realizan la identificaciónde los usuarios, la decodificación de loscontenidos, despliegue de las imágenes, reproduccióndel audio y ejecución de las aplicacionesinteractivas que conforman los servicios deIPTV. El UE contiene el módulo de identificaciónde suscriptor universal (USIM, Universal SubscriberIdentity Module) con la información deautenticación para acceder a la red. Del mismomodo, el UE monitorea el rendimiento del canalde radio y transmite al eNB la CQI, soporta la interfazde radio LTE/LTE-A para el enlace ascendentey descendente, y se encarga de mapearel tráfico del enlace ascendente en las clasesde tráfico [40].2) Nodos B evolucionados (eNB): realizanmúltiples funciones en el CP como la gestión derecursos 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 ydescendente. Adicionalmente en el UP el eNB seencarga de la compresión de encabezado IP y cifradode flujo de datos de usuario; de la selecciónde la MME; del renvío de datos desde el UE haciala S-GW; de la programación y transmisión de informaciónde búsqueda (paging) originada desdela 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 accesoal EPC de las redes LTE/LTE-A. El MME se encargade la señalización NAS para soportar la movilidadde los UE (handover dentro de la red LTE o handoververtical) y los procedimientos para la gestiónde las sesiones (establecer y mantener la conectividadIP entre el UE y el PDN GW), del mismomodo provee la seguridad a la señalización NAS.El MME también se encarga de la autenticaciónde los usuarios (mediante la interacción con elHSS), de la gestión de los perfiles de suscripcióny de la conectividad a los servicios mediante laselección del S-GW y del PDN-GW para un UE aliniciar la conexión o mantener la conectividad enmovilidad de los UE [30].4) Puerta de enlace de servicio (S-GW): Suprincipal función es la gestión y la conmutaciónde los paquetes de datos del usuario. El S-GW actúacomo soporte de la movilidad en el plano deusuario durante los handover entre eNB de la mismared y como soporte para la movilidad entre lared LTE y otras tecnologías 3GPP. En el estado dereposo de los UE, el S-GW termina la ruta de datosdel enlace descendente y activa la búsquedacuando llegan datos para el UE. El S-GW gestionay almacena los contextos de los UE, por ejemplo,los parámetros del servicio de la portadora IP yla información de enrutamiento de la red interna.Además, efectúa la marcación de paquetes a nivelde transporte en el enlace descenderte y ascendente,monitorea los datos y los recolecta parapropósitos de contabilidad y de carga al usuario, yrealiza la interceptación de comunicaciones legal[30].5) Puerta de enlace de la red de paquetes dedatos (PDN-GW): proporciona conectividad IP delos UE hacia las redes de paquetes de datos externasy servicios siendo el punto de entrada ysalida del tráfico para el UE. Un UE puede teneruna conectividad simultánea con más de un PDN-GW para acceder a múltiples redes de paquetesde datos. El PDN-GW lleva a cabo la asignación dedirecciones IP, la aplicación de políticas, el filtradode paquetes para cada usuario, el soporte de carga,la marcación paquetes a nivel de transporteen el enlace descenderte, la interceptación legal yla detección de paquetes. Otra función clave de laPDN-GW es la de apoyar la movilidad de usuariosen cualquier caso del handover [30].6) Función de políticas y reglas de carga(PCRF): es el elemento de red responsable deasignación y definición de las reglas de políticasy control de carga (PCC, Policy and Charging Control).Este componente lleva a cabo las decisionessobre cómo manejar el servicio en términos deQoS, además ofrece información al PCEF (Policyand Charging Enforcement Function) ubicado enel PDN-GW, o si es necesario al BBERF (BearerBinding and Event Reporting Function) localizadoen el S-GW para el establecimiento de las portadorasy las políticas adecuadas a los flujos del serviciosegún los requisitos de desempeño [41]. Lasportadoras y políticas permiten que la red pueda

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos47identificar los flujos de paquetes asociados a unservicio para dar el tratamiento preferente y conello garantizar los recursos necesarios para mantenerla calidad en el servicio.Es de tener en cuenta que el PCRF únicamenteaplica las reglas PCC a los flujos de servicios deunidifusión y no a los multidifusión y difusión [41],razón por la cual en entornos de IPTV los serviciosque serán beneficiados por las reglas definidas enel PCRF son los servicios de VoD los cuales se manejarándiferenciadamente del resto de serviciosconforme las reglas así lo definan.7) Servidor de suscripción local (HSS): Es unabase de datos que almacena todos los datos delos usuarios y registra la ubicación del usuario enla red. El HSS almacena el perfil del suscriptor elcual contiene información sobre los servicios quepueden ser utilizados por el usuario según lo contratadoson el proveedor del servicio (paquetes dedatos, servicios de IPTV, telefonía, roaming, etc.).Además almacena los vectores de autenticación ylas claves de seguridad para cada UE [40].8) Proxy-CSCF (P-CSCF): Es un servidor SIP queactúa como la puerta de entrada al sub-sistemaIMS desde la red LTE/LTE-A. Los principales objetivosdel P-CSCF son garantizar la señalizaciónentre la red y los suscriptores y la asignación delos recursos para los flujos multimedia por mediode la interacción con el subsistema de control deadmisión y recursos (RACS) [37]. En la arquitecturael P-CSCF se conecta con el PCRF para la asignaciónde las reglas PCC a los flujos de serviciosasociados a la IPTV. Por tanto, a través del P-CSCF,el IMS puede controlar la operación de la capa detransporte que para este caso corresponde a losservicios portadores del EPS.9) Serving-CSCF (S-CSCF): Es la principal entidadde control dentro del IMS puesto que actúacomo servidor de registro SIP (SIP Registrer). Estecomponente procesa los registros de los usuariosy almacena su ubicación actual, también es el responsablede la autenticación de los usuarios y lagestión de las sesiones. Las políticas del suscriptoralmacenadas en el HSS controlan las operacionesrealizadas por el S-CSCF para un suscriptor enparticular [37].10) Interrogating-CSCF (I-CSCF): Es un servidorSIP que actúa como puerta de entrada de la señalizaciónSIP proveniente de redes externas porejemplo la consulta a los servidores de nombresde dominios (DNS). El I-CSCF consulta al HSS paradescubrir el S-CSCF apropiado para el usuario.[37].11) Entidad de descubrimiento y selección deservicios (SDF/SSF): El SDF brinda la informaciónque se requiere para que un UE pueda identificarlos servicios de IPTV disponibles (descubrimientode servicios personalizados). En la arquitecturauno o varios SSF pueden utilizarse para proporcionarla información del servicio y las preferenciasde los usuarios para que con ello los serviciospuedan 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 losservicios de IPTV. Las tareas generales de un SCFson el inicio de sesión y control de los servicios deIPTV; la interacción con el núcleo IMS y el S-CSCFpara recibir, validar y realizar peticiones de serviciosde IPTV realizadas por los usuarios; la autorizacióndel servicio y validación de las peticionesdel contenido seleccionado por el usuario conbase a la información de su perfil; la selección delas funciones relevantes de control/entrega de loscontenidos de IPTV; la personalización de la experienciadel usuario y el control del crédito [15].13) Entidad multimedia de IPTV (MDF/MCF):Desempeña funciones para la entrega y el controlde los contenidos multimedia asociados a laIPTV. Las funciones del MDF son el manejo de laentrega de los flujos multimedia usando el Protocolode Tiempo Real (RTP, Real Time Protocol); elalmacenamiento de los contenidos multimedia einformación del servicio; el procesamiento, codificacióny decodificación de contenidos multimediaen varios formatos y la protección de contenido[15].Entre tanto, las principales actividades realizadaspor el MCF son la selección de los servidoresde MDF; la transmisión de los contenidos por lasredes de transporte y el control del activo en laentrega de los contenidos; la aplicación de políticaspara la distribución y gestión de contenidos; elmapeo de la identificación del contenido y su ubicaciónen el MDF; la interacción con el UE medianteel uso de comandos RTSP para la reproduccióndel contenido; la recopilación de información estadísticasobre el uso del servicio y la generación deinformación de facturación [15].

48ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 5114) Servicio de multidifusión y difusión multimedia(MBMS): En las redes LTE/LTE-A el servicioMBMS ofrece un modo de distribución punto-multipuntocomo una alternativa valiosa a la unidifusióncuando un gran número de usuarios accedensimultáneamente al mismo contenido. Por ejemplo,durante la transmisión en vivo de un programade televisión muchos flujos serian enviadosindividualmente con el mismo contenido a losusuarios. Pero con la multidifusión se toma ventajade las cualidades inherentes de la difusión enlas redes inalámbricas, puesto que permite enviarel mismo contenido una sola vez a igual númerode usuarios [42]. En este escenario, la multidifusiónhace más eficiente el uso del espectro y reducelos costos por bit [42].La activación del servicio MBMS se logra conla inclusión de un mínimo de elementos comoel Centro de Servicios de Multidifusión/Difusión(BM-CS, Broadcast/Multicast Service Center), lapuerta de enlace del MBMS (MBMS-GW, MBMSGateway) y la Entidad de Coordinación de multidifusiónpara múltiple celdas (MCE, Multi-cell/multicastCoordinating Entity). Gráficamente, en la Fig.5 se puede observar la interconexión de dichoselementos en la red LTE/LTE-A.Fuente: [30]Fig. 5 ARQUITECTURA LÓGICA DEL SERVICIO MBMSEl MB-SC se encarga de la programación de unservicio MBMS, del anuncio del servicio a los UE;de la autorización de usuarios, de la asignaciónde portadoras de identificación del servicio, y lainicialización y terminación de las portadoras derecursos de MBMS. El MB-SC puede ser el puntode contacto directo con el proveedor del servicio.Entre tanto, la MBMS-GW permite enviar los paquetesIP de multidifusión a todos los eNB que formanparte de servicio MBMS, también realiza elcontrol de la señalización de las sesiones MBMShacia la red E-UTRAN usando una interfaz a la entidadMME.Finalmente la entidad MCE, que correspondea una función lógica y puede residir en otro elementode la red como en un eNB, realiza el controlde admisión, la asignación de los recursos deradio en toda la red de multidifusión/ difusión defrecuencia única (MBSFN, Multimedia BroadcastMulticast Service Single Frequency Network), dela señalización del control de la sesión, y toma decisionessobre la configuración de los enlaces deradio [30].Gestión de la calidad de servicio en redes LTE/LTE-ALos sistemas LTE/LTE-A proporcionan a los UEun servicio de conectividad IP a las redes de paquetesexternas como por ejemplo a Internet o auna Intranet corporativas. El servicio de conectividadIP se denomina conexión PDN y se caracterizapor una dirección IP única a través de la cualel UE opera en la red externa. Las redes externasse identifican mediante una etiqueta denominadaAccess Point Name (APN). De esta forma para elestablecimiento de una conexión PDN entre un UEy una red externa se utiliza el parámetro APN paradeterminar una PND-GW o varias PND-GW queofrecen los servicios solicitados por el usuario. UnUE puede establecer múltiples conexiones PDNsimultáneas [43].El servicio de conectividad IP de las redes LTE/LTE-A soporta calidad de servicio (QoS). De estaforma, el trato que reciben los paquetes IP de unadeterminada conexión PDN puede adaptarse a lasnecesidades de transmisión de los servicios a losque accede el usuario en aspectos como velocidadde transmisión, retardo y tasa de pérdidas depaquetes. En este contexto, es importante teneren cuenta que a través de las redes LTE/LTE-A sepueden proporcionar servicios de diferente índoleque no requieren los mismos recursos de transmisión.Por tanto, la adaptación de la QoS de lasconexiones PDN a las características de los serviciospermite que la red LTE/LTE-A proporcioneuna buena experiencia de uso a los usuarios a la

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos49vez que posibilita una gestión eficiente de los recursosde transmisión puesto que se reservan losrecursos estrictamente necesarios para satisfacerlos objetivos de calidad de servicio [43].La forma de gestionar la calidad de servicioen las redes LTE/LTE-A se estructura en torno ala definición de lo que se denomina servicio portadorEPS (EPS Bearer Service). Un servicio portadorEPS realiza la transferencia de paquetes IPque tienen asociados unos parámetros de QoS yla plantilla TFT (Trafic Flow Template), que es utilizadapara seleccionar el flujo de paquetes IP alque debe proveerse QoS. En este sentido, todoslos paquetes IP asociados a un determinado servicioportador EPS reciben el mismo trato de QoSen la red [43].La activación, modificación y desactivación delos servicios portadores EPS se controla desde lasredes LTE/LTE-A con base a los datos de subscripcióndel usuario y/o a las políticas de uso recibidasdesde el sistema PCC. Para los sistemas deIPTV esta característica es determinante para garantizarlos recursos necesarios y con ello brindarla QoS manteniendo los parámetros de desempeñodentro de los niveles aceptables. Los procedimientosprincipales relacionados con la gestiónde sesiones son [43]:1) Procedimiento de registro (Network Attach):A través de este procedimiento se establece elservicio de conectividad IP que ofrece la red LTE/LTE-A. Existen diferentes variantes del procedimientode registro en función de si la red de accesoutilizada es E-UTRAN o cualquiera de las otrasredes de acceso alternativas 3GPP y no 3GPP contempladas.2) Procedimiento de petición de servicio (ServiceRequest): El modelo de servicio ofrecido por lasredes LTE/LTE-A permite que un usuario en modoocupado (sin una conexión a E-UTRAN) mantengaabiertos los servicios portadores EPS en la redtroncal. Este procedimiento permite una reactivaciónrápida del plano de usuario cuando el terminalpasa de ocupado a conectado.3) Petición de conexión PDN solicitada por elterminal (UE Requested PDN Connectivity): Las redesLTE/LTE-A permiten que el UE inicie el procesode establecimiento una conexión PDN adicional ala conexión PDN establecida en el proceso de registro.4) Activación, modificación y desactivación delos servicios portadores EPS dedicados (EPS BearerActivation/Modification/Deactivation): La gestiónde los servicios portadores EPS dedicados esuno de los pilares de la gestión de sesiones en lared LTE. La activación y modificación de estos serviciospuede estar vinculada al control dinámicode QoS ofrecido por el subsistema PCC.5) Modificación del servicio portador solicitadapor el terminal (UE requested bearer resourcemodification): Este procedimiento permite que elterminal pueda solicitar cambios en los serviciosportadores que le ofrece la red. Los cambios puedenser a nivel de los parámetros de QoS como enlos filtros de paquetes que determina la composicióndel tráfico agregado en un servicio portador.Si la solicitud de modificación realizada por un UEes aceptada por la red, ésta procede a iniciar losmecanismos pertinentes de activación, modificacióny/o desactivación de los servicios portadoresEPS (el control sigue teniéndolo la red, pero eneste caso, atendiendo a una petición provenientedel UE).IV. CONCLUSIONESLas características técnicas de las redes LTE/LTE-A las perfilan como las tecnologías capacesde soportar el despliegue de la Mobile IPTV todavez que se constituyen en la evolución de las redesde 3G, con en un núcleo de red All-IP, capacesde ofrecer altas velocidades de acceso, mejorar laeficiencia espectral, reducir el retardo y proporcionarcalidad del servicio.La adecuada gestión de mecanismos y políticasde calidad de servicio permitirán que la redLTE/LTE-A pueda identificar los flujos de paquetesasociados a un servicio para dar el tratamientopreferente y con ello garantizar los recursos necesarioscon el propósito que los parámetros dedesempeño de la red estén dentro de los nivelesaceptables para la entrega de servicios de MobileIPTV.La arquitectura propuesta para la implementaciónde servicio de Mobile IPTV en redes LTE/LTE-A se basa en el uso del IMS como componenteesencial para el control de sesiones, el lanzamientodel servicio, mecanismos AAA, la aplicación depolíticas, el control de admisión y la gestión derecursos. También se plantea la inclusión del ser-

50ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51vicio de multidifusión y difusión de multimedia(NMBS) de as redes LTE/ LTE-A para lograr optimizarel uso del espectro radioeléctrico y de anchode banda, logrando con ello ampliar la coberturade usuarios del servicios básicos de Mobile IPTV.TRABAJOS FUTUROSLa arquitectura propuesta permitirá la definiciónde un modelo de red LTE en el cual se simularáel tráfico generado por un servicio de MobileIPTV con el objetivo de evaluar los principales parámetrosde desempeño de la red ante distintasconfiguraciones.AGRADECIMIENTOSEste trabajo presentó los resultados parcialesde la de tesis de Maestría en Ingeniería – Telecomunicaciones:Marco de Referencia Técnico parael Despliegue del Servicio de IPTV sobre RedesMóviles LTE (Long Term Evolution) con Calidad deServicio (QoS), la cual es desarrollada en el Grupode Investigación en Teleinformática de la UniversidadNacional de Colombia – GITUN.REFERENCIAS[1] Analysys Research, “Global Mobile Broadband: Marketpotential for 3G LTE (Long Term Evolution),” p. 93, Jan.2008.[2] Cisco Systems, “Cisco Visual Networking Index: GlobalMobile Data Traffic Forecast Update, 2011–2016,” p.29, Feb. 2012.[3] O. Oyman, J. Foerster, Yong-joo Tcha, and Seong-ChoonLee, “Toward enhanced mobile video services over Wi-MAX 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 4GMobile 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. IMT-Advanced Evaluation Workshop, 3GPP, Beijing, pp. 1-48, Dec. 2009.[7] I. Siomina and S. Wanstedt, “The Impact of QoS Supporton the End User Satisfaction in LTE Networks withMixed Traffic,” in Proc. IEEE 19th International Symposiumon Personal, Indoor and Mobile Radio Communications,2008 (PIMRC 2008), IEEE, pp. 1-5, Sep.2008.[8] C. S. Lee, “IPTV over Next Generation Networks in ITU-T”, in Proc. 2nd IEEE/IFIP International Workshop onBroadband 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 InternationalConference 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 subsystemArchitecture,” Feb. 2011.[13] ETSI TS 182 027 V3.5.1, “IPTV Architecture; IPTVFunctions Supported by the IMS Subsystem,” Mar.2011.[14] M. Volk, J. Guna, A. Kos and J. Bester, “Quality-AssuredProvisioning 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. “IPTVServices 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 Distributionover IPTV and its Integration with IMS”, in Proc.2010International Conference on in Data Storage and DataEngineering (DSDE 2010), IEEE, pp. 101-105, Feb.2010[17] Y. Sun, Y. Dong, Z. Zhao, X. Wen, and W. Zheng, “EnhancedMultimedia Services Based on Integrated IMS-MBMS Architecture in LTE Networks,” in Proc. 20106th International Conference on Wireless CommunicationsNetworking 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, “MobileIPTV: Approaches, Challenges, Standards, and QoSSupport,” 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 WiMAXand LTE,” IEEE Trans. Communications Magazine, vol.48, no. 8, pp. 68-76, Aug. 2010.

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Multilistas aplicadas a la implementación de unparseador de XML para la definición de XPDL 2.2en objective c para iOSMultilists applied to an XML parser implementation in Objective Cfor iOS for XPDL 2.2 standardDaniel Iván Meza LaraIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de ColombiaJoven Investigador Grupo InnovaTIC,Universidad Piloto de Colombiadanielmezal@gmail.comLeidy Andrea Ruiz RodríguezIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de ColombiaJoven Investigador Grupo InnovaTIC,Universidad Piloto de ColombiaLeidy.ruiz.r@gmail.comÓscar Elías Herrera BedoyaDoctor en Telecomunicaciones,Universidad Politécnica de ValenciaDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC,Universidad Piloto de Colombiaoscar-herrera@unipiloto.edu.coResumen— En este trabajo se expone la implementaciónde estructuras de datos en el desarrollo de unparseador que permite la interpretación de archivosXPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) en su versión2.2, mediante multilistas. Junto con el metamodelopropio del XPDL se busca solucionar una problemáticaen la interpretación del esquema XML, permitiendoun correcto almacenamiento de los elementos bajo ellenguaje Objective C para iOS, con el cual se pretendeinnovar en el campo de las plataformas móviles quehacen uso del lenguaje estándar BPMN (BusinessProcessModelingNotation) para la representación de procesosde negocio y que generan el XPDL. El objetivoprincipal de un XPDL es describir la información delflujo 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 languageBPMN(Business Process Modeling Notation) usedto represent business processes, the XPDL(XML ProcessDefinition Language) is generated, which describesthe data flow information of the process using aXML(Extensible Markup Language) schema. This documentshows the implementation of data structures onthe development of a parser which allows the interpretationof XPDL files in the 2.2 version; using togethermulti-lists and the XPDL meta-model, the interpretationof the XML schema problematic is pretended tobe solved, allowing a correct storage of the elements.As an additional contribution, the development of thefunctional parser is made under the Objective C lan-guage for iOS, which is pretended to innovate in themobile platform field.Keywords— BPMN, GDataXML, Objective C, Parser, BusinessProcess, XPDL.I. INTRODUCCIÓNEn este artículo, se presenta un modelo parala implementación de estructuras de datos complejasque faciliten la generación de documentosXPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) [1], loscuales son generados de forma organizada pormedio de un esquema conceptual definido por elmetamodelo propio.Con la apropiación del esquema conceptualse componen las jerarquías del XML (ExtensibleMarkupLanguage)[2], que basado en el-estándarXPDL 2.2, contiene la representación de los elementospropios del modelado de procesos de negociobajo el lenguaje BPMN (Business Process-ModelingNotation)[3] cuya representación gráficadel ejemplo de un proceso se muestra en la Fig. 1.La representación de los procesos de negociopor medio del BPMN dentro de un modelador,muestra la unión entre los objetos y las relacionesentre ellos de forma gráfica, a partir de esto segenera el XPDL en el cual se guarda, por medioRecibido: 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,Herrera53de un esquema XML, todas las características propiasdel proceso. (Ver Tabla I).Fig. 1 EJEMPLO DE LA REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN PROCESO ENNOTACIÓN BPMNPara la definición de los tipos de datos e inclusiónde cada elemento del BPMN dentro delesquema XML, se realiza un modelo preliminarque valide los elementos básicos del BPMN; laabstracción del modelo conceptual define demanera general cada elemento de flujo que puedapresentarse dentro del proceso diagramado;posteriormente se realiza la ampliación y definiciónde los tipos de objetos creando así un metamodelo.El metamodelo generado contiene todos loselementos de flujo usados para la representacióndel BPMN, según cada elemento, se definen susatributos propios y las relaciones entre objetos [4].Con la conceptualización del esquema XML ysegún cada elemento propio del metamodelo [5]se construyen las estructuras de datos denominadasmultilistas que, al ser implementadas alesquema, buscan de forma sencilla acceder a loselementos y sus respectivos atributos; las multilistasse encargan de guardar las características delos objetos y sus atributos.Las relaciones entre los objetos van de lamano con nodos establecidos para cada objeto,los cuales se encargan de enlazar los elementospadres (contenedores), por ejemplo los Pools, ylos nodos hijo (contenido), por ejemplo, los Lanes,de esta manera se asegura que el XPDL creadocumpla con el estándar 2.2 y el esquema XML definidopreviamente; con esto se asegura que cadaelemento incluido dentro del estándar BPMN, desdeun Pool hasta un elemento DataStore, cree unnodo índice propio y se conecte al elemento próximopara construir la jerarquía del XPDL.Como la estructura de XPDL se crea a partirdel esquema XML, se deduce que en la plataformaiOS la interpretación del archivo del XPDL 2.2no tiene problema al iniciar el parseo del proceso,por esta razón, al iniciar la implementaciónde dicho parseador se analiza sobre qué tipos deparsers pueden ser implementados en ObjectiveC[6]. Para la creación del parser se toma comopunto de partida el esquema XML definido para elestándar XPDL 2.2.El analizador sintáctico que realiza el parseo,tanto de escritura como de lectura del documentocon extensión XPDL usa el API para Google XMLde uso exclusivo para Objective C denominadoGDataXML[7], el cual permite el manejo de archivosde forma dinámica y sin alterar el rendimientode la memoria en el dispositivo, lo cual es importanteal desarrollar aplicaciones para dispositivosmóviles de Apple [8].Para concluir con la implementación del parseadorse realizan pruebas tanto del rendimientoy consumo de procesos dentro del dispositivocomo de la ejecución del parseador XPDL.II. ESQUEMA CONCEPTUAL XPDLEl lenguaje estándar XPDL fue desarrolladopor WfMC (Workflow Management Coallition) [9]en 2001, cuyo objetivo principal es almacenar ymodificar las características del diagrama del proceso,dicho lenguaje permite por un lado leer yeditar los procesos y por el otro ejecuta el modeloen un compilador de XPDL en una suite BPM [10].A. Modelo preliminar BPMNTomando como base la diagramación delBPMN y la especificación actual del lenguajeXPDL, definida por WfMC para su nueva versión2.2, se propone un esquema conceptual básicoque especifica qué entidades y relaciones existenal momento de realizar la creación del XPDL.Como primera instancia se tienen en cuentatodos los elementos que contiene el BPMN comonotación (ver Fig. 2), de estos se parte un modeloinicial, dicho modelo abstrae de manera general,los elementos diagramados por medio del esquemaBPD (Business ProcessDiagram)[11].Obtenida la abstracción de los elementos usadosen el BPMN y establecidas relaciones entreellos, el paso siguiente es crear el diagrama conceptual(ver Fig. 3), el cual conllevará a la creacióndel metamodelo propio del XPDL.

54ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61El modelo conceptual contiene, además de loselementos definidos del BPMN, el tipo de relacionesque se establecen entre los objetos, creandoasí un paquete llamado BPD, el cual mantienecada elemento en un contenedor interno (Package);dependiendo de los elementos se estableceuna relación de acuerdo a cuantos elementos podríanexistir dentro del contenedor interno, para elcaso de los Swimlanes, siempre iniciará en uno yno estará limitada la creación de elementos, porotro lado, para el elemento WorkFlowProcesses, lacreación está limitada a uno, ya que solamente enun proceso diagramado habrá un flujo de eventos.Fig. 2 MODELO PRELIMINAR BPMNA partir de la anterior definición del modeloconceptual del XPDL y mediante una abstracciónprofunda sobre cada elemento, se establece elmetamodelo, en el cual se definen de manera individuallas relaciones entre cada tipo de objetos.B. Metamodelo XPDLEl metamodelo [12] identifica las entidades yatributos para el intercambio, o almacenamientodel modelo de procesos, establece una serie dereglas de herencia para asociar una delimitacióndel proceso individual con definiciones de entidadespor especificación de participantes, los cualesse establecen en el nivel de paquetes en vezdel nivel de definición individual de procesos (verFig. 4).Fig. 4 METAMODELO XPDLFig. 3 DEFINICIÓN DEL MODELO CONCEPTUAL PARA XPDLLa estructura jerárquica del metamodelo permitegenerar de manera estructurada la creacióndel parseador; posterior al anterior análisis sehace una representación gráfica y comparaciónentre dos lenguajes BPMN y XPDL.III. IMPLEMENTACIÓN DEL parserLa definición del paquete permite la especificaciónde un número de atributos de definición deelementos, los cuales serán aplicados en definiciónde procesos individuales contenidos dentrodel paquete.El lenguaje XPDL y BPMN son muy similares, seorganizan en forma de organigrama [13], una formasimple de ver sus similitudes es mostrar gráficamente(ver Tabla I) elementos específicos en elcódigo XPDL que representa un objeto gráfico enel 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,Herrera55Tomando como ejemplo el XPDL generado porBizAgiModeler®, se muestra en la Tabla 1.TABLA IREPRESENTACIÓN DE UN BPMN EN LENGUAJE XPDL. GENERADO PORBIZAGI.Conocido el modo de interpretación que leda el lenguaje Objective C al esquema XML ycon un amplio conocimiento en la creación demétodos que abstraen la información presentadaen los archivos XML, se debe programarde manera lógica la búsqueda de elementosinternos y sus atributos, esto se logra mediantela implementación de un parser o analizadorsintáctico que actúe de manera dual, ya que elparser debe interpretar y crear un archivo XPDLsegún el estándar en su versión 2.2.El proceso para iniciar el parser XML, requierede la entrada de un archivo, el cual contieneel valor de cada elemento individual definido.A. Definición de ParserEn iOS no existe propiamente un marco referentea las definiciones XML como XML Documentspara aplicaciones ejecutadas en OSX [14],por tal razón es primordial crear un parseador propiopara la definición del XPDL; dado que existendiferentes librerías que permiten realizar el parseo,se elabora una comparación entre estas, deigual manera se evalúa su rendimiento una vezestén implementadas sobre el lenguaje ObjectiveC(ver Fig. 9).Un parser o analizador sintáctico lee el documentoXML y comprueba que esté bien escrito,adicionalmente puede ser usado para verificar suestructura[15].Este parser puede ser de tipo SAX(Simple APIfor XML) o de tipo DOM(DocumentObjectModel),tal como se determina en [16]:• SAX: Parser en el cual el código es notificadoconforme se avanza dentro del árbol XML, yel programador se encarga de mantener enmente el estado y la construcción de cualquierobjeto que se quiera conservar mientrasel parser avanza dentro del archivo.• DOM: Parser que lee todo el documento yconstruye en memoria una representación enla que se puede hacer un query para saberla información dentro de distintos elementos.Los parsers que analizamos en este trabajo yque se definen [16] son los siguientes:• NSXMLParser: Es un parser SAX incluido pordefecto con el iPhone SDK.• libxml2: Es una librería de código abierto quese incluye por defecto con el iPhone SDK. Laslibrerías soportan el procesamiento de parsersSAX y DOM. Es capaz de hacer parser alos datos a medida que son leídos.• TouchXML: Es un parser DOM de estiloNSXML. Solo se pueden realizar lecturas dearchivos.• TBXML: Es un parser DOM ligero diseñadopara ser tan rápido como sea posible mientrasse consume lo mínimo de recursos dememoria. Salva tiempo porque no realiza validaciones,no soporta XPath y solo se puederealizar lectura de archivos XML.• GDataXML: Parser DOM de estilo NSXML, desarrolladopor Google, que permite la manipulaciónsencilla de objetos dentro del XML.Como la estructura del XPDL se crea a partirde un modelo XML, se deduce que sus nodos jerárquicosson inalterables, así se hace más fácilla representación de cada elemento como objetoen el lenguaje de programación. De ante mano sesabe que cualquier lenguaje debe soportar la estructuradel lenguaje XML, por ello inicialmente lainterpretación del documento XPDL con la ayuda

56ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61de cualquiera de las librerías anteriores no fue unproblema en el caso de la plataforma iOS, ya queiOS internamente maneja un archivo PList[17],que contiene una estructura propia XML, el cualrepresenta cada elemento de la aplicación comoun objeto.B. Selección del parser.Para la selección del parser se generaron unaserie de pruebas, primero se decide que debehacer el parser en una parte específica del documento,por ejemplo, una compuerta, como unobjeto en el XPDL.Dentro de las pruebas realizadas se observaque entre más complejos son los archivos, los parserSAX no pueden ser utilizados, ya que se necesitaleer el documento completamente para sólobuscar un elemento específico.Ya que el parser de tipo SAX, no permite realizarbúsquedas internas en el documento, se decideoptar por un parser de tipo DOM, el cual esmás ágil en la búsqueda de elementos y consumemenos recursos, además accede a un nodo especificodel árbol en el XPDL.De los parsers de tipo DOM se descartan TouchXMLy TBXML, ya que estos no permiten la escriturade archivos XML y no son útiles para la implementacióndel diagramador.Al implementar GDataXML, se observa queeste parser incorpora libxml2 por defecto y permiterealizar tanto la lectura como la escritura de archivosXPDL, así como la búsqueda de elementosque se necesiten dentro del archivo.Consideradas estas características y las Tablasen las que se hicieron las pruebas de velocidad(ver Fig. 8), se toma la decisión de usar el parserGDataXML de tipo DOM, ya que su tiempo de procesoes mejor que la mayoría y además permite laescritura y lectura de archivos XML.C. Parser XPDL con GDataXML.Dentro de las clases del parser GDataXML, seencuentran implementados métodos que retornanelementos o atributos abstraídos del XPDL.GdataXML provee dos interfaces, una de ellases GDataXMLNode que contiene métodos privados,los cuales obtienen los nodos del árbol quese genera al leer el archivo XPDL. Otra interfaceimportante es GDataXMLElement que no sólo permitecrear una instancia que tiene la capacidadde navegar dentro de un tag (padre) o un grupo detags permitiendo así la abstracción de atributospropios del nodo padre, sino que también permitecrear y modificar un nuevo elemento dentro delXPDL.Previo al parser, se crean las clases con atributosque representan cada elemento del BPMN,(ver Tabla 1), para esto fue necesario entender elmetamodelo del XPDL (ver Fig. 4).La primera labor del parseador es el manejode la lectura e interpretación de un documentoXPDL, para esto, se crea una clase que contieneel parser y se implementa el método que carga elarchivo XPDL.Para estar más seguros de los elementos quemaneja el lenguaje XPDL, se crea un diccionariode datos, el cual contiene la definición de los objetosdel lenguaje XPDL 2.2; posteriormente se defineel XPath [18], este es el encargado de recorrerel árbol jerárquico del documento XPDL, que permiteel despliegue de la ruta del objeto a parseary accede a la información de los nodos atributosdefinidos en dicho documento.Para realizar el recorrido de cada objeto dentrodel documento, se crea un elemento propiodel parser, el cual por medio de ciclos, abstraeel valor de los atributos tanto del padre como delos hijos en cada nivel del XPDL. Dentro de estaclase se instancian los objetos (color azul) y susatributos (color negro), que se usan en la representacióngráfica del proceso. La siguiente figuradescribe el proceso de lectura que realiza el parserpara la abstracción de atributos, de acuerdo almetamodelo del elemento Pool. (Ver Fig. 5).Fig. 5. PROCESO DE LECTURA DEL PARSER PARALA 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,Herrera57Posterior a la abstracción de los objetos y susatributos, estos se almacenan dentro de un arregloque guarda al elemento hijo, este elemento seintroduce 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 NODOPOOLS.si el nodo es o no un espacio vacío, se toma comonodo significativo, de tal manera que no se cumplíacon el estándar del XPDL en su versión 2.2.Observado lo anterior se decidió por optarpor otro tipo de estructura, que concluya con laimplementación de listas dobles o multilistas enlazadas,que conectadas entre sí por medio delatributo id de cada elemento, permiten una fácilinterpretación de los objetos y una apropiada ejecuciónde los procesos.Con la adopción de multilistas, el método debúsqueda permite acceder a la información demanera ordenada a través de campos claves, eneste caso los nodos ID. Las multilistas permitenllegar a un registro por diferentes caminos. El caminolo determina el campo clave sobre el cual serealice la búsqueda [19].A. Creación de MultilistasIV. IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESTRUCTURASMULTILISTASDe acuerdo con la jerarquía de nodos del XPDLy sus respectivos atributos, se realiza un análisissobre qué tipo de estructura se adaptaría mejor almomento de parsear el documento XPDL.Como primera instancia se opta por implementarárboles de datos, dado que la jerarquía delXML está desarrollada por esta estructura y estopermitiría una fácil abstracción y creación de losobjetos.Con la implementación de los árboles y mediantemétodos de conservación para los nodos,en la lectura del documento XPDL no hubo problemaalguno. Mientras que en la creación de unnuevo documento, el esquema se creaba con nodosvacíos, es decir, si en el proceso se establecíala creación de un Pool y ningún Lane, el métodode generación que recorría el árbol de jerarquíasle cargaba al elemento Pool un contenedor Lanescon su respectivo nodo Lane sin que dicho elementohubiera sido creado; dicho de otro modo,En la Fig. 6 se muestra de manera general, unamatriz de objetos Pools, la cual representa la listadoblemente enlazada, esta tiene el objeto POOLScomo 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 generaasí una jerarquía de objetos. Cada hijo está encabezadopor un ID, el cual es heredado por elpadre, que permite la fácil búsqueda, el acceso adicho objeto y sus respectivos atributos.Para lograr el parseo en la multilista, el primerelemento que se crea es el Pool, dado quees el contenedor de flujo del proceso; la multilistadenominada POOLS tiene un nodo principal quela identifica llamado IDPool, este será el nodoconector de los elementos que están contenidosdentro del Pool.De igual manera para el caso de los LANES, elnodo principal está dado por el IDPool, pero parala identificación del objeto se crea un nodo secundariodenominado IDLane, el cual permite teneracceso a los atributos de este elemento.Cada elemento, además, está conectado aotra multilista denominada NODEGRAPHICSIN-FOS, que contiene información referente al tamaño,la posición de los elementos y se referenciacon el ID de cada elemento creado.Para lograr la creación del parser, inicialmentese evalúa la estructura propia del lenguaje estándarXPDL con niveles propios del lenguaje en su

58ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61versión 2.2, la cual, agrupa objetos de manera individualcon sus atributos, coordenadas y demásespecificaciones.B. Estructuración del XPDLTomado como referencia y observada la creacióndel archivo XPDL generado por BizAgiModeler®[20], cabe resaltar que la estructura generadano contiene un orden legible para el programador,ya que ordena los elementos por su posición, esdecir, captura el valor de la coordenada X y generalos elementos de manera descendente.Se realizaron documentos ejemplo de XPDLcon cada tipo de elemento de BPMN, en los cualesse observaba la jerarquía y la validez del documentoXPDL creados por el modelador BizAgi-Modeler; como resultado se obtuvo el árbol dejerarquías del proceso con sus elementos y atributos(ver Tabla II).En el siguiente ejemplo se toma el elemento deevento inicio, que bajo el estándar gráfico BPMNse representa por un círculo y su estructura enXPDL (ver Tabla II).Tabla IIEstructura XPDL evento inicioSegún los aspectos funcionales anteriormentedescritos, el paso siguiente es la codificación ycreación del parseador XPDL.V. CONFIGURACIÓN DEL parser ENobjective cEl proyecto el cual contiene el parseador delXPDL, se crea en el entorno de desarrollo (IDE) deObjective C, llamado Xcode [21] en su versión 4.3.3.En la configuración general del proyecto se realizanciertas modificaciones para que el parseadorfuncione correctamente, en este punto entraLibxml2, una librería que se importa en la clase .hdel parseador y llama dependencias propias delXML que permite la manipulación de los árboles,nodos y validación de los demás elementos deldocumento de XML.Para la validación del documento utilizamosXPath [22], que por medio de los array, ayuda afragmentar el documento XPDL dependiendo dela división de los tags (ver Fig. 7).Los nodos que son abstraídos por el XPath, sepueden manipular como elementos individualessegún la posición del Array; también es posiblemodificar el archivo XML y mantener las versionesde modificación.Fig. 7 DECLARACIÓN DEL XPATH PARA EL ELEMENTO POOL.NSArray *elementosPools = [docnodesForXPath:@”//fb:Pools/fb:Pool”namespaces:nserror:nil];VI. RESULTADOS OBTENIDOSPrevio a la implementación del parseador y suejecución, se realiza una interpretación completade un archivo XML para seleccionar de acuerdo alas velocidades, qué tipo de parser se va a utilizarpara la implementación con el lenguaje estándarXPDL 2.2.A continuación se muestran las pruebas quese realizaron para la selección del parser:A. Pruebas para la selección del parserDado que es primordial medir la velocidad conque el dispositivo móvil ejecuta los procesos enuna aplicación, para este caso la primera pruebade selección se basa en la medición de la velocidadde los diferentes parsers.Las figuras que se muestran a continuacióndan a conocer cómo interactúan los distintos parsersdentro del dispositivo y el tiempo (tomado ensegundos) que les toma incluir la información deun archivo XML de 900KB de prueba, que contienelas mejores canciones en iTunes[19].La evaluación se realiza con 10 ejecuciones delas 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,Herrera59los 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 velocidaddel parser (ver Fig. 8), de la cual se concluyeque el mejor parser es TBXML, dado que tardómenos tiempo en parsear el archivo.Fig. 8 VELOCIDAD EN SEGUNDOS DEL PARSER. PARA IPOD TOUCH 4GB. Pruebas de la ejecución del parser dentro deObjective C.En estas pruebas se evaluaron diferentes archivosXPDL variables en su tamaño; observadosu comportamiento se obtuvo la siguiente Gráfica(ver Fig. 10), en donde se muestra el tiempo quetardó cada archivo en realizar el parseo, recorrerla multilistas y guardar los objetos dentro documentodel XPDL.FIG. 10 PRUEBA DE ARCHIVOS CON EL PARSER XPDL.En la segunda prueba se realizó una medicióndel uso de memoria por cada tipo de parser (verFig. 9), en esta se concluye que el parser que menosrecursos de memoria consumió fue Libxml2de tipo SAX.Tomados como punto de partida estos datos,se realiza un análisis sobre qué tipo de parserimplementar; en este punto se tuvo en cuenta laestabilidad del parser GDataXML y se evaluó laimportancia que este parser le da a la lectura ycreación de un archivo XPDL.Fig. 9 USO DE MEMORIA EN MB PARA IPOD TOUCH 4GSe concluye así, que sin importar el tipo deXPDL el parseador se ejecutará correctamente; lavariabilidad del tiempo de ejecución depende deltamaño del archivo y de la cantidad de elementosBPMN contenidos en él.C. Pruebas físicas de fugasEstas pruebas se encargan de hacer un recorridogeneral en los métodos para buscar variablesque permanezcan en ejecución y muestransu ubicación. En la Fig. 11 se muestran los Bytesvs. Tiempo de ejecución, en la cual las barras representanlas variables que quedan en ejecucióndespués de cerrar una escena.Fig. 11 PRUEBAS DE FUGASD. Pruebas físicas de hilos de ejecución.En estas pruebas se verifica la cantidad de hilosque se ejecutan durante la ejecución normaldel programa. (Ver Fig. 12).Fig. 12 PRUEBAS DE HILOS DE EJECUCIÓNA partir de esto, se genera una serie de pruebasen las que inicialmente se establece quéoperaciones debe hacer el parser, por ejemplo,abstraer información de una parte específica deldocumento, como es el caso de un elemento Activitydentro del XPDL.

60ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61VII. CONCLUSIÓN y TRABAJO FUTUROEn esta investigación se plantea una soluciónpara la representación de elementos del BPMN2.0 [24] recopilados dentro de un archivo creadobajo el lenguaje estándar XPDL en su versión 2.2,que por medio de la implementación de estructurasde datos llamadas multilistas, permite almacenarde manera sencilla y eficiente los valores decada elemento contenidos dentro del documentoXPDL.Dado que estas estructuras son únicas y complejas,se percibe la necesidad de incorporar unparser que haga de moderador entre los objetosdel BPMN y el lenguaje XPDL.El procedimiento más relevante de la investigaciónfue la creación del parser, ya que, dentro deObjective C, no se ha implementado la generaciónde este tipo de estructuras. Con GDataXML, sesoluciona este inconveniente y facilita la lecturay escritura del archivo de diagramación del XPDL.Con la realización de esta investigación seabordan temáticas poco desarrolladas tanto en elámbito organizacional como en la parte de implementacióny desarrollo para dispositivos móviles.Para comprobar la eficiencia del parseador,se realizaron una serie de pruebas, en donde secompararon archivos de distinto tamaño, los cualescontenían diferente tipo de información. Comoresultados obtenidos, se observó la eficiencia y elrendimiento del dispositivo realizando el parseode los archivos (ver Fig. 10); se concluye que elparseador se ejecutará de forma exitosa siemprey cuando el XPDL esté estructurado de maneracorrecta y sin importar el tamaño del documento.Por otro lado, para probar la resistencia del dispositivoen el momento de la ejecución del parseador,se realizaron pruebas físicas, donde sepuede comprobar la cantidad de datos que sonprocesados (ver Fig. 12) y la cantidad de memoriautilizada por la aplicación desde el inicio del parseo(ver Fig. 11).Como resultado satisfactorio, se realizó lainserción y validación del parseador dentro delproyecto de grado denominado Aplicación en entornosmóvil para el modelamiento de procesosde negocio [25], en el cual se implementó el parseadorde XPDL, permitiendo así, mediante unainterfaz amigable, la creación, modificación ymodelamiento de procesos de negocio dentro deldispositivo móvil de forma exitosa, innovando enel campo del desarrollo de aplicaciones móvilespara la gestión de procesos.Lo anterior permite apoyar la búsqueda denuevas tecnologías y soluciones a problemáticaspropias de los negocios, e incorporar mejorasen la realización y gestión de procesos desdesu planteamiento que pasa por su distribución acada uno de los miembros del grupo de trabajo yfinaliza con la ejecución del proceso, beneficia alas personas participes de este, incluido, por supuesto,el usuario final.De igual forma, y como trabajo futuro, se puedenrealizar implementaciones que mejoren eldesempeño de la presente implementación en elámbito del desarrollo de software y optimizaciónde código y la capacidad de auto generar códigopara el parseador basado en el esquema y las reglaspropias 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 ProcessModel 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 DefinitionLanguage, 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 forYour iPhone Project. Julio 2012. [Online]. Disponibleen: http://www.raywenderlich.com/553/how-tochose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project.[7] Gdata-objectivec-client. Google Data APIs ObjectiveC 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 232011. [Online]. Disponible en: http://www.wfmc.org/ .

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Medida simultánea de rotaciones y traslacionesde un objeto en el plano a partir de la informaciónde fase de una rejilla radialSimultaneous measurement of the rotation and traslation of an objectin the plane using phase information of a radial gridLuis Alejandro Galindo VegaEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiasanalejox18@hotmail.comCamilo Andrés Ramírez PrietoEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiagamada5@hotmail.comJaime Enrique Meneses FonsecaPh. D. SciencesPourL’ingenieurProfesor Titular, Investigador Grupo GOTS,Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombiajaimen@uis.edu.coJaime Guillermo Barrero PérezIngeniero Electricista,Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo CEMOS,Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombiajbarrero@uis.edu.coResumen— En este artículo se presenta una estrategiaque permite determinar de forma simultánea la posicióny orientación de un objeto en el plano. El métodoconsiste en analizar un sistema de franjas radiales adheridoal objeto y por medio de procesamiento digitalde imágenes determinar su fase. Este proceso requieredeterminar con precisión subpixel las coordenadas delcentro y el eje radial de las franjas. Se emplea el métodode la Transformada de Fourier y se realiza la transformaciónde coordenadas rectangulares a radiales sepuede calcular la fase y el centro del sistema de franjas.De esta manera, la fase del sistema de franjas radialesse utiliza como elemento codificador para la medidade posiciones angulares y posiciones del objeto en elplano. Evaluaciones experimentales demuestran que latécnica desarrollada tiene precisión sub-pixel al evaluardesplazamientos y rotaciones de un objeto en el plano.Se evalúa el error introducido en el cálculo de posiciónangular y desplazamiento del objeto. El estudio de la influenciade los parámetros del sistema de franjas radialespermitió establecer que el tamaño y la cantidad defranjas son factores determinantes para que el métodopresente un mínimo error.Palabras clave— Extracción de fase, metrología óptica,Procesamiento Digital de Imágenes.Abstract— This paper presents a strategy that allows todetermine the position and orientation of an object ina plane. The method consists of analyzing a system ofradial fringes adhered to the object and by means of a digitalimage process to determine its phase. This processrequires the coordinates of the center with sub-pixel accuracyand the radial axis of the fringes. Using the Fouriertransform method and performing a transformationof coordinate systems from rectangular coordinate intoradial, it can be calculated the phase of fringe systemand the center of the radial fringes. Thus, the phase ofthe radial fringes is used as an encoder for measuringangular positions and spatial positions of the object inthe plane. Experimental evaluations show that the techniquedeveloped has sub-pixel accuracy in evaluatingdisplacements and rotations of an object in the plane. Itis evaluated the error introduced in the calculation of angularposition and displacement of the object. The studyof the influence of system parameters of radial fringeslet to establish that the size and number of fringes aredetermining factors for the present method in order toreduce the error.Keywords— Phase extraction, optical metrology, DigitalImage Processing.I. INTRODUCCIÓNVarias aplicaciones industriales tienen la necesidadde determinar con precisión el desplazamientoy rotación de un objeto en el plano, porlo que se requiere de equipos sofisticados quecumplan dicha función. Como no se conoce undispositivo en el mercado que lleve a cabo lasdos medidas de forma simultánea, se tienen queadaptar varios dispositivos lo que eleva su costode implementación. Encoders, potenciómetros lineales,sensores inductivos y sensores laser sonlos instrumentos más utilizados para tal fin, algunosde ellos limitados en resolución y en rango demedida.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, Barrero63En la línea investigativa de metrología ópticadel grupo de Óptica y Tratamiento de señalesGOTS de la Universidad Industrial de Santander,se han realizado investigaciones conjuntas conel grupo de Óptica de L’Institute FEMTO – ST deBesançon – Francia con el fin de determinar unsistema de posicionamiento global que permitagenerar un dispositivo de Reconstrucción Tridimensional(R3D) portátil. Los resultados obtenidosmuestran que una mira o rejilla con franjasparalelas en coordenadas cartesianas permiteobtener la posición de un cuerpo en el espacio,a precisión subpixel [1], [2]. Un análisis matemáticoprevio permite determinar que un sistema defranjas radiales puede ser usado para medir rotacionesy traslaciones de un objeto en el plano. [3]La técnica desarrollada en este trabajo consisteen adquirir una imagen de un sistema de franjasradiales o rejilla radial; mediante un algoritmocomputacional de procesamiento de imágenes sedeterminan las coordenadas del centro de la rejillaen el plano. La extracción de su fase geométricapermite reportar la orientación angular de larejilla radial.Pruebas de laboratorio validan el método, en elque se estudia el desempeño del algoritmo paradeterminar el error introducido en el cálculo deposición angular y desplazamientos en 2D pararejillas radiales con diferentes parámetros.II. SISTEMA DE FRANJAS RADIALESUn sistema de franjas radiales correspondea una distribución en la que los puntos de igualintensidad generan un patrón de líneas rectasradiales que provienen de un centro común. Deesta manera, al extraer valores de intensidad depuntos ubicados a igual distancia del centro seobtiene un perfil periódico. Matemáticamente elsistema se expresa en coordenadas polares (r, θ)por:donde: ɑ 0(r,θ) es el fondo continuo, ɑ 1(r,θ) esel contraste, (2π⁄P θ)*θ representa la fase, siendoel paso angular medido en grados y es la máscaraque define la región con franjas en la imagen.Como se muestra en la Fig. 1, las franjas seencuentran entre un radio menor y uno mayor, yposee dos sectores angulares sin franjas.La fase del sistema de franjas radiales correspondeal argumento la función coseno de (1), secaracteriza por tener un comportamiento lineal enfunción de la variable θy no depende de r, teniendola misma distribución espacial de un sistemade franjas rectangulares en coordenadas cartesianas.FIG. 1. SISTEMA DE FRANJAS RADIALES O REJILLA RADIALA. Cálculo de la fase de un sistema de franjasradiales.Con la información contenida en la fase del sistemade franjas radiales es posible determinar suorientación y posición en el plano. Aunque en la literaturase encuentra poca información acerca deun método directo para extraer la fase a este tipode distribuciones, se plantea la estrategia de hacerun cambio de coordenadas, de tal manera queel sistema de franjas radiales se comporte comoun sistema de franjas rectangulares. El cambio decoordenadas rectangulares a polares implica calcularcorrectamente la ubicación del centro de larejilla radial. De esta manera, la imagen final conla transformación de coordenadas posee franjasparalelas, de la cual es posible extraer la faseempleándose métodos conocidos como la Transformadade Fourier [4], corrimiento de fase [5],Fourier con ventana [6],[7-8] y Transformación deWavelet [9], entre otros.B. Cálculo del centroHaciendo uso de las propiedades de la transformadade Fourier, es posible determinar las

64ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71coordenadas del centro de la rejilla radial con altaprecisión [10].• Desplazamiento en el dominio espacial: aatransformada de Fourier de una función desplazadapresenta un término de fase linealque depende del desplazamiento.el corrimiento y minimiza el contenido frecuencialde la parte imaginaria. La Fig.4 muestra la trayectoriaseguida por el algoritmo en la estimación delcentro después de varias iteraciones.FIG. 3. FASE DE LA TRANSFORMADA DE FOURIERDE LA IMAGEN DE LA FIG. 2Simetría para señales real y par: La transformadade Fourier de una función par es netamentereal.FIG. 2. IMAGEN EMPLEADA PARA VALIDAR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDADEL CENTROPara el caso de la imagen del rectángulo, elcentro teórico fue (232,287) y el procedimientoencontró (232.096,286.963).FIG. 4. TRAYECTORIA SEGUIDA POR EL ALGORITMODE BÚSQUEDA DEL CENTROLa Fig. 2 muestra la imagen de un rectángulocon ruido adicionado. Se observa que su centrono coincide con el centro de la imagen. La Fig.3muestra la fase de la transformada de Fourier,calculada mediante la función arcotangente. Seobserva que debido a la función arcotangente,la fase está limitada entre ±π. Si se eliminan lasdiscontinuidades al adicionar valores enteros de2π se obtiene una fase lineal, cuya pendiente esfunción del corrimiento del centro del rectángulocon respecto al centro de la imagen. Determinadala pendiente y según (3) se puede calcular elcorrimiento x oy y o. Este valor es empleado parareposicionar la figura y verificar si su parte imaginariaes cero. Debido a la influencia del ruido sedesarrolló un procedimiento iterativo que estimaC. Conversión de sistemas de coordenadasLas ecuaciones (4) y (5) muestran la conversiónde sistemas coordenados rectangulares apolares, siendo y las coordenadas del centro de larejilla radial, calculadas por el procedimiento indicadoanteriormente.

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, Barrero65FIG. 8. TRANSFORMADA DE FOURIERAl realizar este procedimiento se obtiene quecada punto del plano rectangular tiene un puntoequivalente en el plano polar y forma un patrón defranjas, como el que se muestra en la Fig. 6.FIG. 9. FILTRO PASA-BANDASFIG.5. CONVERSIÓN DE SISTEMAS COORDENADOSFIG. 10. COMPONENTE TF {} FILTRADAFIG. 6. SISTEMA DE FRANJAS TRANSFORMADOFIG. 11. COMPONENTES REAL E IMAGINARIAFIG. 12. FASE CONTINUAD. Extracción de la faseHaciendo uso del método de la Transformadade Fourier [4] para sistemas rectangulares, se extrael a fase d el sistema de franjas transformado.La distribución en intensidad de un sistema defranjas rectangular se muestra en la Fig. 7.FIG. 7. PERFIL SINUSOIDAL DEL SISTEMA DE FRANJAS RECTANGULARESRealizada la transformada de Fourier se encuentrantres lóbulos, Fig. 8, uno central debidoa la TF de la componente continua y dos lóbuloslaterales ubicados en ±f 0,f 0=1 ⁄ P θ, correspondientea la TF de A (x,y)cos(φ (x,y)).Un filtro pasa-banda permite filtrar un lóbulolateral, Fig. 9. Al aplicar la Transformada inversade Fourier al contenido frecuencial filtrado Fig.10, se obtiene una distribución compleja como seobserva en la Fig. 11. La fase de este complejo

66ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71corresponde a la fase geométrica del sistema defranjas rectangulares y la amplitud correspondeal contraste de las franjas. Para obtener la fasedel complejo se emplea la función arcotangente,la cual está limitada en el rango de [-π, π]; la fasepresenta discontinuidades en las transiciones ± πque ocurren en las líneas centrales de las franjasnegras de la Fig. 5. Para eliminar dichas discontinuidadestradicionalmente se adicionan valoresde 2πN, siendo N una función entera en escalónapropiada para eliminar las discontinuidades. Esteprocedimiento de convertir la fase discontinua encontinua es llamado “Unwrappingalgorithm” [11].La Fig. 12 muestra la fase continua obtenida despuésde eliminar las discontinuidades.El procedimiento anterior es aplicado a la imagenmostrada en la Fig. 6. La Fig. 13 muestra lafase obtenida y la Fig. 14, la fase del sistema defranjas radiales obtenida al realizar la transformaciónde coordenadas inversas: radiales a rectangularesdefinidas por (6) y (7).FIG. 13. FASE OBTENIDA DEL MÉTODO DE LA TRANSFORMADA DE FOU-RIER APLICADO A LA IMAGEN DE LA FIG. 6III MEDIDA DE LA ORIENTACIÓN y POSICIÓNEN EL PLANOUna vez obtenida la distribución de fase seprocede a emplearla para establecer la posiciónangular y espacial de la rejilla radial. La rejillaradial ha sido diseñada mediante dos sectoresangulares con franjas ubicadas entre dos radios,uno interno menor y otro externo. Las regionesexternas son eliminadas por la máscara. Cadasector angular posee, para el caso de la Fig. 1, 28franjas negras y 27 franjas blancas. Según la funcióncosenoidal que define las franjas, el centrode una franja blanca debe tener un valor de fase2πN, donde N es un número entero. Y el centro deuna franja negra debe tener un valor impar de πy ubicarse en una discontinuidad de la fase discontinua.La máscara empleada en la rejilla radialhace que el sistema tenga simetría con respectoal centro y se pueda emplear el procedimiento indicadoen la sección IIB. De esta manera se puedeestimar el centro con precisión subpixel mediantela distribución simétrica de las franjas. El centrocalculado permite hacer el seguimiento del desplazamientoespacial en el plano introducido a larejilla.FIG. 15. PROCESO PARA EL CÁLCULO DE FASE DELSISTEMA 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, Barrero67La posición angular de la rejilla es determinadabuscando la fase correspondiente a la franjablanca que se ubica en el centro de cada sectorangular. Así, como hay 27 franjas blancas parala rejilla de la Fig. 2, la franja central posee unafase de 26π, asignado cero a la primera franjablanca. A partir de los radios máximo y mínimo,y conociendo el número de discontinuidadesque corresponde al número de franjas en cadasector, se puede calcular para cada sector lasposiciones interpoladas que poseen el valor defase de la franjas central. Esta interpolación defineuna línea radial que pasa por el centro de lafranja central de cada sector, identificadas porlas líneas azul y roja en la Fig. 15, y al ser interpoladasposeen precisión subpixel. Al rotar larejilla radial, el algoritmo desarrollado determinalas posiciones angulares de cada línea central encada sector y al compararlas secuencialmentesus valores, se puede determinar el valor de larotación introducido.IV VERIFICACION EXPERIMENTALPara determinar la precisión del método, sehicieron pruebas de laboratorio en las que seusaron platinas mecánicas de rotación y traslaciónque sirvieron como referencia teórica de losdesplazamientos; se compararon los resultadosobtenidos y se determinó el error del método.También se evaluó la influencia en la precisiónpara diferentes parámetros de la rejilla radial,como tamaño y paso angular.El montaje que se llevó a cabo para la evaluacióndel método constó de un sistema de rotacióny traslación con una precisión de un minutoarco y 10 µm, respectivamente. La rejilla radialse ubicó sobre una superficie plana adherida alsistema de traslación y rotación. Las imágenesfueron adquiridas por una cámara CCD de 640 x480 pixeles y focal 12mm, ubicada a 90cm dela rejilla. En una cuadrícula milimetrada se determinóque un pixel equivale a 754.15µm sobre larejilla radial.Para evaluar traslación se desplazó manualmentela rejilla a intervalos de 100 µm. Paracada posición se adquirieron 50 imágenes. Laposición inicial se asumió como punto de referenciadel desplazamiento.La Fig. 16 muestra las coordenadas del centropara 5 traslaciones realizadas; cada posicióntiene graficada las 50 coordenadas del centro dela rejilla radial.En la Fig. 16 se observa que cada eje poseeun tamaño máximo de un pixel: el sistema estimatraslaciones al interior de un pixel, lo cual verificala precisión subpixel del método de medida.FIG. 16. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA 6 POSICIONES.Al adquirir 50 imágenes en cada posición seencuentra que el centro calculado presenta unadesviación cercana a 0.0025 pixeles, que correspondea 1.88 µm sobre el objeto, como se puedeobservar en la Fig. 17.

68ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71FIG. 17. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA UNA POSICIÓNLa Fig. 18 muestra el error medido como la diferenciaentre la posición esperada y la posicióncalculada con el método, para cada rejilla en funcióndel desplazamiento introducido. La Fig. 19muestra la desviación estándar del error medidopara cada rejilla. Se concluye que para rejillas deigual tamaño hay una relación inversa entre elnúmero de franjas y el error introducido: a menornúmero de franjas mayor error.FIG. 20. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTALPARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑOA. Influencia del tamaño y número de franjasen el cálculo del centro.Con el fin de establecer la influencia del paso ytamaño de la rejilla en el error, se utilizaron rejillasradiales de 24, 16 y 12 franjas en cada sector angular,para rejillas de igual tamaño.FIG. 18. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTALPARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJASFIG. 21. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLASDE DIFERENTE TAMAÑOFIG. 19. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFE-RENTE NÚMERO DE FRANJASEl tamaño es otra variable importante en elprocedimiento. Para tal fin se evaluó el error introducidopor el algoritmo para rejillas radiales de10, 16 y 20 cm de diámetro.De igual forma, las curvas de error en funcióndel desplazamiento y la desviación estándar delerror en función del tamaño de la rejilla, las Fig.20y Fig.21, indican que a mayor tamaño de rejillamenor 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, Barrero69La evaluación en rotación se hizo con desplazamientosangulares de un grado, adquiriendo 50imágenes para cada posición.FIG. 22. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DELA REJILLA PARA 6 POSICIONES ANGULARES.medir rotaciones inferiores al límite de rotaciónque se puede medir con la cámara.B. Influencia del tamaño y número de franjasen el cálculo de orientación angular de larejilla.Se construyeron rejillas con 12, 16 y 20 franjas,con las que se evaluó la diferencia entre valorteórico y experimental de las posiciones angulares.FIG. 24. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO YEXPERIMENTAL PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJASEn la Fig. 22, cada punto representa el ángulode orientación de la rejilla radial para las diferentesdesplazamientos angulares, empleando la posiciónangular de un sector con franjas.Según la resolución de la imagen el ángulo mínimoque se puede medir a precisión pixel es de0.08952 grados que corresponde a:FIG. 25. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFE-RENTE NÚMERO DE FRANJASdonde 640 es el número de pixeles horizontalesde la imagen. Al adquirir 50 imágenes parauna posición y calcular el ángulo de orientación dela rejilla este presenta una desviación de 0.004grados,Fig. 23.FIG. 23. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DELA REJILLA PARA UNA POSICIÓN ANGULARDe esta forma se demuestra que el método tieneprecisión subpixel, es decir, el método puedeDe igual forma, se evaluaron los errores enfunción de las diferentes posiciones angulares yla desviación estándar para cada rejilla, Fig. 24 yFig. 25. Se demuestra que para una rejilla radialcon mayor número de franjas el error en el cálculode orientación es menor.

70ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71FIG. 26. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO YEXPERIMENTAL PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO.En el presente artículo se presenta un métodopara medir la posición y rotación de un objeto en elplano. El procedimiento emplea un procesamientodigital de imágenes sobre una rejilla con franjasdistribuidas radialmente. El procesamiento sebasa en la extracción de la fase del sistema defranjas radial, con el método de la transformadade Fourier. El cálculo de la fase se realiza al haceruna transformación de sistemas coordenados ydeterminar el centro a partir de la información defase de la imagen simétrica de la rejilla. Las evaluacionesexperimentales demuestran que el métodopermite medir desplazamientos y rotacionesa valores inferiores a los definidos por el pixeladorealizado por la cámara CCD. También se demuestraque rejillas de tamaño grande y mayor númerode franjas introducen menor error en el cálculo dedesplazamientos y rotaciones. La etapa siguientede la investigación consiste en realizar la evaluaciónexperimental del método propuesto con otrosistema que mida rotaciones y/o traslaciones deprecisiones conocidas.AGRADECIMIENTOSFIG. 27. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFE-RENTE NÚMERO DE FRANJASLa investigación fue apoyada por la Vicerrectoríade Investigaciones y Extensión de la UniversidadIndustrial de Santander, Colombia (ProyectoNo. 5184: Posicionamiento global de alta resolucióna campo extendido por visión estéreo: Aplicacionesen metrología óptica).REFERENCIAS[1] N. Arias, J. Meneses, y M. Suárez, “Medida de la Orientación,Posición y Desplazamiento en el Plano de unObjeto por Codificación de Fase, ”Bistua: Revista de laFacultad de Ciencias Básicas, Vol. 7, No.. 2, pp. 1-8,julio – diciembre, 2009.[2] N. Arias, Reconstrucción 3D a manos libres: Estrategiade posicionamiento global, Tesis Doctoral, UniversidadIndustrial de Santander, Bucaramanga, COLOMBIA.2010De igual forma se evaluó el comportamientodel tamaño de la rejilla para igual número de franjas.Como era de esperarse el error en el cálculodel ángulo de orientación de la rejilla radial es menor,cuando el tamaño es mayor, Fig. 26 y Fig. 27.V. CONCLUSION[3] N. Reina, Análisis Teórico – Experimental de un Sistemade Franjas Radiales: Aplicaciones en PosicionamientoGlobal de un Objeto, Tesis pregrado, UniversidadIndustrial de Santander, Bucaramanga, Colombia.2010.[4] M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi,“Fourier-transformmethod of fringepattern analysis for computer-basedtopography and interferometry”, J. Opt. Soc. Am.,vol.72, pp. 156-160, 1982.[5] Z. Pérez, L. Romero,Sistema Óptico de ReconstrucciónTridimensional para la detección de Ampollas en Recubrimientos,Tesis Pregrado, Universidad Industrial deSantander, 2004.[6] Q. Kemao, “Windowed Fourier transform for fringe patternanalysis,” Applied Optics, vol. 43, pp. 2695–702,2004.[7] Q. Kemao, “Two-dimensional windowed Fourier transformfor fringe pattern analysis: Principles, applicationsand implementations,” Optics and Lasers in Engineering,vol. 45, pp.304–17, 2007.

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, Barrero71[8] Z. Wang Z andH. Ma, “Advanced continuous wavelettransform algorithm for digital interferogram analysisand processing,” Optical Engineering, Vol. 45, pp.045601, 2006.[9] P. Sandoz, “Wavelet transform as a processing tool inwhite-light interferometry,” Optics Letters, Vol. 22, pp.1065–1067, 1997.[10] L. Oriat and E. Lantz, “Subpixel detection of the centerof an object using a spectral phase algorithm on theimage”, Pattern Recognition, Vol. 31, No. 6, pp. 761-771, June 1998.[11] J. Meneses, T. Gharbi and P. Humbert, “Phase Unwrappingalgorithm for images with high noise content basedona local histogram,” Appl. Opt. vol. 44, No. 1, pp.1207-15,2005.

Influence of Particle Size and Temperature onMethane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre laproducción de metano a partir del bagazo de fiqueLiliana del Pilar Castro MolanoIngeniera Química PhD, Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad San BuenaventuraCartagena, Colombialcastro@usbctg.edu.coCarolina Guzmán LunaBacterióloga PhD, Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiacaguzlun@uis.edu.coHumberto Escalante HernándezIngeniero Químico PhD Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiaescala@uis.edu.coAbstract— The aim of this work was to evaluate the effect of particlesize of fique`s bagasse (FB) on anaerobic biodegradationand biogas production, by means of co-digestion of this lignocellulosicsubstrate using both bovine ruminal fluid and pig manureas inoculums. Anaerobic reactors were incubated by 8 days. Reducingsugar, Volatile Fatty Acid (VFA) and methane productionswere measured using three different bagasse particle diameter;5 mm (bagasse´s natural size), 2.36 mm and 0.85 mm. Reductionof bagasse particle size increased reducing sugars formationand improved substrate mass transfer to microbial inoculums.At minor particle size it was favored hydrolytic step and VFAproduction. Natural particle sizes of bagasse were more difficultto biodegrade than lower ones. In this sense, methane concentrationwas increased 19% when 0.8 mm particle size was used.Anaerobic fermentation processes were carried out at 25°C and39°C. Methane production at 25°C, show that these microbialconsortia are able to resist temperature changes and transformall products on anaerobic digestion process.Keywords— Anaerobic digestion, Biogas, Fique´s bagasse, Lignocellulosicwaste, Mechanical treatment.Resumen— El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto deltamaño de partículas del bagazo de fique sobre la producciónde biogás empleando como inóculo una mezcla de líquido ruminalcon lodo estiércol de cerdo. Los reactores anaerobios fueronincubados durante ocho días. Como variables de respuesta secuantificó la concentración de azúcares reductores totales, ácidosgrasos volátiles y producción de metano, usando tres tamañosdiferentes de partícula 5mm (Estado natural del bagazo defique), 2.36mm y 0.85mm. Durante la fermentación se observóque la reducción del tamaño de partícula del bagazo, incrementóla formación de azúcares reductores, mejorando la transferenciade masa entre el inóculo y el sustrato. El menor tamaño departícula favoreció la etapa hidrolítica y la producción de ácidosgrasos. El bagazo de fique en su estado natural dificulta la biodegradaciónanaerobia de éste sustrato. En este sentido, la concentraciónde metano se incrementó un 19% cuando el bagazo seredujo a 0.8 mm. Los procesos de fermentación anaerobia fueronllevados a cabo a 25°C y a 39°C. La producción de metano a25°C, demostró que los consorcios microbianos presentes en lamezcla de líquido ruminal y lodo estiércol de cerdo son capacesde resistir los cambios de temperatura y la transformación de todoslos productos del proceso de digestión anaerobia.Palabras clave— Digestión anaeróbica, Biogás, Bagazo decaña de Fique, Residuos lignocelulósicos, Tratamiento mecánico.I. INTRODUCTIONFique´s bagasse (FB) is an agricultural by-productobtained during natural fiber process production,composed by cellulose, hemicellulose, lignin,lipids and proteins [1]. According to its composition,bagasse is considered an important lignocellulosicbiomass source [2]. Lignocellulosic wastesare suitable substrates for anaerobic digestionprocess because of its carbon source [3]. Lignocellulosicbiomass digestibility is limited by factorssuch as cellulose cristallinity, polymerization degree,moisture content, superficial area and lignincontent. However, high lignin content in bagasse limitshydrolytic step and bioconversion system [4].Anaerobic biodegradation of lignocellulosicsubstrates requires microbial consortia with highhydrolytic and methanogenic activities. Bovine ruminalfluid, active anaerobic sludge, bovine andpig manure have been previously used as biologicalmatrices 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, Escalante73digestion process mixes different inoculums ormicrobial consortia to improve the anaerobic digestionprocess. Co-digestion enhances nutrientequilibrium, dilutes toxic components and allowsa synergic effect in microorganisms to increasehydrolytic activity [6]. Use of sisal pulp and fishwastes co-digestion increases methane productionfrom 54 to 94% in comparison with otherinoculums [7]. Bovine Ruminal Fluid (BRF) is anexcellent inoculum for lignocellulosic substratedigestion, because its high cellulosic activity. Inaddition, if BRF is mixed with methanogenic inoculum,significant biogas yield are achieved [8]. Municipalwaste solids mixed with bovine manure orwastewater sludge, increase in almost 20% biogasyields [9]. Temperature is a physical variable thataffect microorganism growth and therefore biologicalreaction rates. Biological reactions (20- 40°C) for methane production from organic matterrequire more energy than conventional chemicalreactions [10].Pre-treatment processes are designed to decreasecellulose polymerization grade, weak ligninbonds with carbohydrates and increase particlesuperficial area. This process improves masstransfer process between inoculums and substrate.These processes increase cellulose bioavailabilityfor enzyme biodegradation to monosaccharides.It has been proposed substrate pretreatmentbased on caustic and/or acid wash, heating andsize particle reduction [11].On the other hand, there is an inverse relationshipbetween substrate particle size and methaneyield [12]. For example, size reduction in tomatowastes increases yield values in 23% [13]. Whitsisal residues, hydrolytic activity improves significantlywith particle size reduction, generatingincreasing in methane yields from 0.18 to 0.22CH4/kg SV [14]. In starch degradation, the bestyield value was obtained at substrate particle sizeof 0.35 mm [15].In Colombia, fique´s industry produces 20,800kg of residual wastes (bagasse and juice) per seededhectare; these are delivered to grounds andwater streams causing environmental pollutionproblems [16].A possible solution of fique´s bagasse environmentalpollution problem is the utilization as substratefor biogas production. However, its high lignincontent requires a specific treatment. For thisreason, the aim of this research was to evaluatethe effect of fique’s bagasse particle size and temperatureon methane production during anaerobicbiodegradation of this substrate.A. SubstrateII. MATERIALS AND METHODSFique´s Bagasse was obtained as a sub-productduring natural fiber process production fromFique Industry. Bagasse samples were conservedin cooled containers during transportationand analysis. FB was sun dried at environmentalconditions for 36 hours. Natural particle size diameterof FB was 5 mm. During pretreatment, FBwas ground in a Willey-Mil’s equipment to achieveparticle size diameter of 0.85 and 2.36 mm. Differentparameters such as: pH, lignin, cellulose,hemicelluloses and Acid Detergent Fiber (ADF)content, Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS)were determined according to Standard Methodsfor Examination of Water and Wastewater [17].B. InoculasBovine Ruminal Fluid (RF) from urban slaughterhouseand Pig Manure (PM) from municipal pigfarms were used as inoculums for digestion in a1:1 ratio v/v. Inoculum composition used in anaerobicdigesters is presented in Table I.TABLE IINOCULUM CHARACTERIZATION (RF-PM)ParameterRF-PMpH 8TS (%) 43.7VS (%) 23.6Alkalinity (mgCaCO3/L)Volatile Fatty Acid – VFA (mg/L)C. Experimental Design31007200Anaerobic fermentation experiments were carriedout using fique´s bagasse with particle sizesof 5, 2.36 and 0.85 mm. Reactors were incubatedfor 8 days at 25 and 39 ± 2°C containing anoperational volume of 350 ml. Hydrolytic activity,pH, VFA and methane percentage were consideredas response variables. Total Reducing Sugar(TRS) concentration was determined accordingto Dinitrosalicylic Acid Method – DNS, using aGENESYS 20 Thermo Spectronics Spectrophotometer[18]. VFA concentration was quantified by

74ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77titration method [19]. Methane percentage wasdetermined with a PGD-IR (model Status ScientificControls) infrared gas detector.Experimental results were analyzed with Stat-Graphics plus 5.1, StatPoint Inc. (Virginia, EE.UU)Software. The Fisher’s test (F) was used to verifydata statistical significance between results.III. RESULTS AND DISCUSSIONAccording to the Fique’s bagasse characteristics,this substrate is considered a lignocellulosicwaste, for this reason the results are comparedwith another investigations where this type of matrixis evaluated.A. Effect of mechanical treatment on FB lignocellulosicstructure.1.20 and 0.87, respectively, at the same particlesize. These results indicate that mechanical treatmentimproves strongly the hydrolytic activity ofmicrobial consortia at the initial stage. This effectcan be attributed because the increase of the superficialarea at smaller particle size, allowing abetter interaction between substrate and inoculums[21], [22]. These results are correlated withchanges on lignocelullosic structure during FBmechanical treatment (see Table I). On the otherhand, temperature affects hydrolytic activity beinghigher at 39 °C than at 25°C; because enzymaticactivity of microorganisms present an optimaltemperature 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 notaffected by particle size diameter reduction. TSand VS concentrations from FB were suitable forstart-up anaerobic digestion process accordingwith other studies [20]. Additionally, lignin contentis decreased proportionally with reduction of wasteparticle size. These results suggest that smallersize particles improve mass transfer between inoculumsand substrate. On the other hand, reductionof particle size decreases ADF concentrationand improve FB digestibility.TABLE IICOMPOSITION OF THE FIQUE’S BAGASSEParameter FB 5mm FB 2.36 mm FB 0.85 mmpH 4 4 4TS(%) 93.1 92 92.7VS(%) 89.2 88.8 88.6Cellulose(%) 41.8 23.4 18.7Hemicellulose(%) 22.1 24.8 27.1Lignin(%) 16.6 15.5 6.81ADF(%) 64.6 44.8 44.7B. Efecto of temperature and mechanicaltreatment on hydrolytic stageIn Fig. 1, it is observed that smaller particlesize increase TRS concentration. Hydrolytic activity,defined as total reducing sugar consumptionrate, 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 carriedout at 25 ºC achieved hydrolytic activity of 1.55,C. Effect of temperature and mechanicaltreatment on VFA production.Fig. 2 and 3 show that during Anaerobic Digestionof Fique´s Bagasse (ADFB), pH values weremaintained in a range between 7 and 8.5. ThesepH range favor growth and metabolic activity of microbialconsortia. The biological behavior can berelated to VFA variations. Size particle reductionincreases hydrolytic activity, producing increases

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante75in VFA concentrations. VFA produced during acidogenicstage were no affected with temperaturevariations. However, VFA consumption rate wasfaster at 39°C.Fig. 2. EFFECT OF PARTICLE SIZE ON PH VARIATIONS AND VFA PRODUC-TION AT 25 ºC DURING ADFBD. Effect of temperature and mechanicaltreatment on methane production during FBanaerobic biodigestion.Fig. 4 shows that it is possible bioreactor startupsfor anaerobic biodigestion using 3 differentFB particle sizes (5, 2.36 and 0.85 mm) at 25and 39ºC. These results can be explained in termsof equilibrium between methanogenic bacteria,acid consumer bacteria and inoculum adaptationto FB substrate. Higher methane production wasobtained with smaller FB particle size. At 25 ºC,best results of methane production were achievedat 8th day. At 39 ºC, the higher value was achievedat 4th day.Fig. 4 EFFECT OF PARTICLE SIZE AND TEMPERATURE (25°C Y 39°C) ONMETHANE PRODUCTION DURING ADFBFig. 3. EFFECT OF PARTICLE SIZE ON PH VARIATIONS AND VFA PRODUC-TION AT 39 ºC DURING ADFBIn Fig. 5 are depicted statistical analyses of FBparticle size effect on methane production at twodifferent temperatures. The probability function(P) of Fisher test was 0.0004 and 0.0046 formethane production at 25°C and 39°C, respectivelyshowing that there are significant differencesbetween each experiment (IC 95%).

76ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77Fig. 5. STATISTICAL ANALYSES OF FB PARTICLE SIZE EFFECT ON ADFBParticle-size reduction has been the most commonlyused factor to describe the increase in substratesurface area resulting from a pre-treatment[25]. Pretreatment proved to be suitable for applicationsat full-scale biogas plants, increasing themethane yield of fique´s bagasse by up to 19%.Reduction of FB particle size affects the lignocellulosicstructure, probably by cellulose crystallinitydecrease, improving mass transfer substrate/inoculums. Mechanical treatment influenced oneveryone of anaerobic digestion stage, becausehydrolytic activity are higher at smaller FB particlesizes, and produced higher VFA values and methaneyields.Additionally, mixture of bovine ruminal fluidand pig manure were able to degrade and adaptto this lignocellulosic substrate (Fique`s Bagasse)working efficiently at mild temperature conditions.ACKNOWLEDGEMENTSAuthors wish to thank financial support by DepartamentoAdministrativo de Ciencia Tecnologíae Innovación, Ministerio de Agricultura y DesarrolloRural and Vicerrectoria de Investigación y Extensión- Universidad Industrial de Santander. Technicalsupport from C. Vargas and C. Zambranois also hardly recognized.REFERENCES[1] P. Barrera, X. Salas, L. Castro, C. Ortiz and H. Escalante,“Estudio preliminar de la bioproducción de metanoa partir de los residuos del proceso de beneficio delfique”, (Preliminary study for methane bioproductionfrom the waste generated in the fique production).RevistaIon, vol. 22, n°1, pp. 21-25, 2009.[2] C González, León and P. A. García, “Different pretreatmentsfor increasing the anaerobic biodegradabilityin swine manure”, Bioresource Technology, vol. 99,n° 18, pp. 8710–8714, 2008.Finally, these results are according to studiescarried out by Palmowski and Müller. Theseauthors have demonstrated that reduction in particlesizes improves anaerobic digestion of substrate,due to increases in superficial areas of availablesubstrates for microbial metabolism [24].IV. CONCLUSIONS[3] A.T.W.M. Hendriks and G. Zeeman, “Pretreatments toenhance 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 alternativefuel from agricultural, industrial and urbanresidues”, Resources, Conservation and Recycling,vol. 50, n°1, pp. 1-39, 2007.[5] C. Sullivan, P. Burrell, W. Clarke and L. Blackall, “Comparisonof cellulose solubilisation rates in rumen andlandfill 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

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante77treatment option of meat industry wastes”, BioresourceTechnology, vol. 100, n°6, pp. 1903-1909, 2009.[7] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi andB. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisalpulp and fish wastes”, Bioresource Technology, vol.95, n°1, pp. 19-24, 2004.[8] Z.B. Yue, H.Q. Yu, H. Harada and Y.Y. Li, “Optimizationof anaerobic acidogenesis of an aquatic plant, Cannaindical by rumen cultures”, Water Research, vol. 41,n°11, pp. 2361-2370, 2006.[9] R. Chamy, O. Cofré, D. Alcazar and P. Chinga, “Codigestiónde RSU y lodos aerobios residuales, comoalternativa a procesos de tratamiento tradicionales”,(Co-digestion of MSW and aerobic waste sludge as analternative to traditional treatment processes), CongresoInteramericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental1-7, 2002.[10] S. Rebac, J. Ruskova, S. Gerbens, J. Van Lier, A. Stamsand G. Lettinga, “High-Rate Anaerobic Treatment ofWastewater under Psychrophilic Conditions”, Journalof Fermentation and Bioengineering, vol.47, n°12, pp.231-238, 1995.[11] A. J. Ward, P.J. Hobbs, P.J. Holliman and D. Jones, “Optimizationof the Anaerobic Digestion of AgriculturalResources”, Bioresource Technology, vol. 99, n°17,pp. 7928–7940, 2008.[12] S. Sharma, I. Mishra, M. Sharma and J. Saini, “Effectof particle size on biogas generation from biomassresidues”,Biomass y Bioenergy, vol.17, n° 4, pp. 251-263, 1988.[13] D. J. Hills and K. Nakano, “Effects of particle size onanaerobic digestion of tomato solid wastes”, Agriculturalwastes, vol. 10, n°4, pp. 285-295, 1984.[14] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi andB. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisalpulp and fish wastes”. Bioresource Technology. Vol.95,n°1, pp. 19-24. 2004.[15] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio dela etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidónen residuos de maíz”, (Study of the hydrolyticstage of anaerobic degradation of starch in corn residue),Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitariay Ambiental. Departamento de Procesos Químicos,Biotecnológicos y Ambientales, Universidad TécnicaFederico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004.implications in dairy cattle. Methods for Dietary Fiber,Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharidesin Relation to Animal Nutrition”, Symposium,Journal of Dairy Science, vol.74, n°10, pp. 3583-3597, 1991.[18] G. Miller, “Use of DinitrosaIicyIic Acid Reagent for Determinationof Reducing Sugar”. Analytical Chemistry,vol. 31, n°3, pp. 426-428,1959.[19] G. K. Anderson and G. Yang, “Determination of bicarbonateand total volatile acid concentration in anaerobicdigesters using a simple titration”, Water EnvironmentResearch 64, pp. 53–59, 1992.[20] S. Kusch, H. Oechsner and T. Jungbluth, “Biogasproduction with horse dung in solid-phase digestionsystems”. Bioresource technology, vol. 99, n°5, pp.1280-1292, 2007.[21] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio dela etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidónen residuos de maíz”, (Study of the hydrolyticstage of anaerobic degradation of starch in corn residue),Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitariay Ambiental. Departamento de Procesos Químicos,Biotecnológicos y Ambientales, Universidad TécnicaFederico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004.[22] V. Vavilin, B. Fernandez, J. Palatsi and X. Flotats, “Hydrolysiskinetics in anaerobic degradation of particulateorganic material: An overview”, Waste Management,vol. 28, n° 6, pp. 939-951, 2008.[23] G. Lettinga, S. Rebac and G. Zeeman, “Challenge ofpsychrophilic anaerobic wasterwater treatment”,Trends in Biotechnology, vol. 19, n°9, pp.363-370,2001.[24] L.M. Palmowski and J.A. Müller, “Anaerobic degradationof organic materials - significance of the substratesurface 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 anaerobicdigestion systems: A review”. Waste Management, vol32, n° 9, pp. 1634-1650.[16] Guía ambiental del subsector fiquero, (EnvironmentalGuide fique’s Subsector), Ministerio de Agriculturay Desarrollo Rural, Colombia, edición 2, pp. 21-58,2006.[17] P.J. Van Soest, J.B. Robertson and B.A. Lewis, “Carbohydratemethodology, metabolism, and nutritional

Evaluation of operating and mixing conditions ofa polymer dispersion co-vinyl acetate and esteracrylic to obtain recovered leatherEvaluación de las condiciones de mezclado de una dispersiónco-polimérica de vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos decueroDanny Guillermo Cañas RojasB.Sc Chemical Engineering, UISdany7987@hotmail.comMario Álvarez Cifuentes, Ph. DProffessor, Chemical Engineering, UISmalvarez@uis.edu.coJorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.ScAssistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTAjorgeguillermo12@mail.ustabuca.edu.coResumen— El trabajo presenta el desarrollo de un diseñoexperimental que permitió evaluar las condicionesde operación del proceso de obtención de láminas decuero recuperado con aglomerante. Para llevarlo a cabose hicieron pruebas preliminares de obtención del material,para seleccionar las variables del proceso quemás afectaban las condiciones finales de la lámina decuero recuperado. Seguidamente, se realizó un diseñode experimentos tipo 2 k , en donde k=4 variables, correspondiendoa: porcentaje en peso de agua, relaciónmásica de aglomerante / cuero, presión y temperaturade curado. Se procedió a la obtención del material ysu posterior caracterización, midiendo resistencia ala tensión, porcentaje de compresibilidad, resistenciaal desgarre y porcentaje de absorción de agua. Comoresultado se obtuvo que los factores principales queoptimizan, las variables de respuesta en los niveles estudiadosson: la temperatura de curado en el nivel bajoy la cantidad de aglomerante en el nivel alto, mientrasque para el porcentaje de absorción de agua tambiénfue significativo la cantidad de agua agregada duranteel proceso. Se compararon las características del materialobtenido, con las de las plantillas para zapatosy se obtuvieron resultados superiores de resistencia aldesgarre, porcentaje de compresibilidad y porcentaje deabsorción de agua. Por último se concluyó que a travésde la implementación del proceso de reciclaje de cuerosugerido en el trabajo, se obtuvieron láminas de cuerorecuperado, cuyas propiedades permitirían tener aplicaciónindustrial.Palabras clave— cuero recuperado, desechos sólidos,caracterización de materiales.Abstract— This paper presents the development of anexperimental design that evaluated the operating conditionsof the process to obtain binded recovered leathersheets. Preliminary tests were performed to obtain thematerial, and to select the process variables that affectedthe most the bonded leather sheet final properties.Then, an experimental design type 2 k was run, where k= 4 variables corresponding to the percentage by weightof water mass ratio of binder leather, pressure, andcuring temperature. The obtained material was characterizedby tensile test, percentage compressibility,tear strength, and water absorption percentage. Theresult showed that the main factors that optimize theresponse variables in the levels studied were: the curingtemperature in the low value and the amount of binderin the high level, whereas for the water absorption ratewas also significant amount of water added during theprocess. The properties of the material obtained werecompared to commercial shoe insoles and the resultswere superior on: tear resistance, compressibility andpercentage rate of water absorption. Finally, it was concludedthat through the implementation of the recyclingprocess suggested, recovered leather sheets propertieswould allow industrial application.Keywords— Solid waste, recovered leather, materialscharacterization.I. INTRODUCTIONThe tanning process consists on transformfinganimal skin in leather, being mineral-tanning themost efficient in reducing processing time [1]. Ineach of the leather tanning phases is generatedan appreciable amount of solid waste that usuallyends up in landfills. Currently the landfill inRecibido: 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 TOOBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz79Bucaramanga takes in approximately 800 Tn ofgarbage per day, of which 2% comes from leatherwaste resulting in about 480 tons per month [2].In 2010, the Colombian leather industry hadgrowth in production and total sales for shoes of14.2% and 16.3% respectively over 2009. In 2010,according to DANE, leather goods experienced agrowth of 17.4% in production and 13.2% in sales,while exports and imports registered growth of22% and 26%. The leather manufacturing industryexperienced growth in 2010 compared to 2009,production and sales, with 10.5% and 10.7%, respectively.On the other hand, leather imports in2010 amounted to 7% over the previous year [3].It is shown then that the volume of leatherthrown into Carrasco landfill is considerable andaccording to production projection, said volumewill increase. This paper presents an alternativefor obtaining a fibrous material from leather solidwaste which could be used by the leather goodsindustry.II. LITERATURE REVIEWDifferent studies have been carried out seekingthe development, with different purposes, ofleather solid waste. FRIEDMAN [4] patented arather simple method that worked by superposingsmall glued leather disks onto another until forminga solid cilinder which could be sliced to formleather strips. Woodruff [5] filed for a patent forthe manufacture of artificial leather through “theuse of fibrous material in an aqueous rubber dispersionsof the nature of latex as raw materials”.BEVAN [6] patented a method of forming a leahersheet from leather fibers consisting of a series ofsteps in which is a tangle of fibers is exposed toa liquid high pressure jets on its surface whichcauses the fibers to be even more entangledforming, then a fibrous surface. However, the latterthree authors did not report any performancevalues. YANIK et al [7] studied the performanceof leather waste pyrolysis obtainning carbonresidues, which were used for activated carbon.Kindlein et al. [8] obtained leather sheets frombound layers of leather scrap using hot melt techniques.Moreover, DIMITER [9] patented a processthat pulverized and mixed leather fiber with a moltenresin of vinyl ethyl acetate, in a ratio of 25%by weight, obtainning recovered leather sheetswith high impact resistance, electrical stabilityand permeability. HENKE [10] mixed leather fiberswith a binder dissolved in a solvent, using a reinforcedmesh between fibers and a polyvinyl chloridepaste obtaining a recycled extruded leathersheet with flexibility and tensile strength similar tothose of real leather. DA FONTE et al [11] crushedwaste leather and aminoplast resins mixed with aproportion of 30 to 40% by weight using catalystsand carrying out curing over a hot press. ADDIEand FALLS [12] obtained recycled leather sheetsfollowing the methodology by DA FONTE using,during mixing, 20% by weight of binder and addingwater to the process without the use of catalysts.The most common binders used to bind leatherand textile fibers are designed based on acrylicmonomers [13], which can be polymerized withother organic and inorganic ingredients to form alatex film which gives properties such as adhesionand stability to the fibers mixed with said binder.Other types of adhesives, such as PVC usedfor laminated panels [14] are based on urea andformaldehyde whose application was introducedin 1937 as an adhesive paper [15]. For this casestudy,it was used a binder of vinyl acetate andacrylic ester, because the acrylic adhesives aresoluble in water [13] and the monomers vinylacetate have low flaming points, which facilitatehandling, being the premium main material for adhesives[14].It is shown that the intention of reusing wastefrom tanning and leather prodcution are not isolatedeven for products other than those proposedin this case.MethodologyTo determine the operating conditions of mixingand pressing leather solid waste with a binderfrom an experimental design, preliminary testswere performed to select the design variables.Then a 2 k type experimental design was performed[17], where k=4 variables correspondingto: percentage by weight of water, mass ratio ofbinder / leather (during mixing), pressure, andcuring temperature (during pressing). Two levelswere taken for the design variables: high and low.The result of said design yielded 16 scenarios.Then the material was obtainned according to thedesign and subsequent characterization by measuringstress, percentage of compressibility, tear

80IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84and percentage of water absorption. Additionally,it was conducted a preliminary economic analysisof cost per unit area of recycled leather. Figure 1shows the methodology for this study.Fig. 1. METHODOLOGY STEPSTABLE IIGEOMETRIC NOTATIONScenario P T % binder / leather% by weight ofwater1 -1 -1 -1 -12 +1 -1 -1 -13 -1 +1 -1 -14 +1 +1 -1 -15 -1 -1 +1 -16 +1 -1 +1 -17 -1 +1 +1 -18 +1 +1 +1 -19 -1 -1 -1 +1There were carried out the 16 scenarios and areplica of each. Particles were ground to a size of2 mm, then they were mixed with water and binderand were cured for 15 minutes. Table I shows thehigh and low values for the used variables. To selectthese values, it was taken into account valuesreported in the literature review. Preliminary testsshowed results that allowed selection of the levelsfor the design of the experiment.TABLE IRANGES OF PROCESS VARIABLES USEDVariable High level (+1) Low level (-1)Pressure 150 Kg f/cm² 100 Kg f/cm²Temperature 80 °C 70 °C% binder /leather 3/7 2/810 +1 -1 -1 +111 -1 +1 -1 +112 +1 +1 -1 +113 -1 -1 +1 +114 +1 -1 +1 +115 -1 +1 +1 +116 +1 +1 +1 +1ResultsIn Figures 2, 3, 4, and 5 the circles representexperimental data, the diamonds represent datafrom the replicas and triangles represent datafrom verification tests 2, 5 and 9, according to thevalues shown in Table 2. The dotted line in Figures2, 3, 4 and 5 corresponds to the average values ofeach of the tests performed on the material usedin the preparation of insoles.Figure 2 shows that the third test showed thehighest tensile strength value with 5.57 MPa anda low percentage of error between duplicates.Fig 2. TENSILE TESTS RESULTS% by weight of water 25 15To characterize the obtained samples, a Shimadzu® universal testing machine was used. Themachine was equipped with a load cell of 1 kN fortensile tests and for the compression test it wasequipped with a 100 kN cell. The tests were doneaccording to standards ASTM D1610-01, D6015-10, D2209-00, ASTM D2212 and ASTM D2213.Table II shows the geometric notation design ofexperiments.Data statistical analysis was performed usingSTATGRAPHICS CENTURION 16.Figure 3 shows that the maximum tear resistancewas exhibited by samples 2, 9 and 10, witha 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 TOOBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz81Fig. 3. SLIT TEAR RESISTANCE TEST RESULTSFigure 4 shows that the percentage of compressibilityobtained for the samples was about10%, which is below 18.5% obtained for commercialinsoles.Fig. 4. PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY RESULTSFigure 5 shows that the tests 9 and 10 reportthe lowest percentage of water absorption with a16 and 17% respectively and with the least errorbetween duplicates. When compared with the reportedvalue of the material used in the manufactureof insoles, it was observed that lower valueswere obtained.DiscussionIn figure 2 is shown, as a solid line, the averageresults of tensile strength reported by ADDIEAND FALLS [12]. Said values are above for thoseobtained in this work. However, when comparingthe values of tear resistance, Figure 3 showsthat values were higher than those reported bythe same authors.SILVA [19] after characterizing 86 samplesof safety footwear leather, obtained an averagetensile strength quite high compared with thoseobtained in this work, but he also reported tearresistance values consistent with those reportedin figure 3.Concerning the percentage of water absorptionis desirable it is minimal. According to [17],citing 2396 NTC, insoles footwear must meet apercentage of maximum water absorption of 50± 2%. The values shown in Figure 4 show that itmeets said standard.A Pareto analysis shows the effect of processvariables and their influence on it. For example,in the Pareto diagram of Figure 6, it is appreciatedthe amount of binder added to the processis significant on the samples tensile strength,The best combination is obtained by keepingpressure, temperature and water amount at alow level and the relationship binder / leatherat a high level.Fig. 6. PARETO ANALYSIS FOR TENSILE STRENGHTFig. 5. PERCENTAGE OF WATER ABSORPTION RESULTSIt is seen in the Pareto chart in Figure 7 howtear strength depends significantly on the relationshipbinder / leather. This allows assessingthe best mixing arrangement for maintainingthe same conditions reported for maximum tensilestrength under levels studied.

82IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84Fig. 7. PARETO ANALYSIS FOR TEAR STRENGHTThe summary of the best combinations foundare shown in Table IIITABLE IIIOPTIMAL VALUES OF VARIABLES USEDVariablePressure(Kg / cm2)Temp(°C)% binder /leather% byweight ofwaterTensile 100 70 3 / 7 15Tear Strenght 100 70 3 / 7 15Figure 8 shows the Pareto analysis for the percentageof compressibility test, being temperaturethe main cause of the variation. For the percentageof compressibility, the best arragment correspondswhen the four variables are in low level becauseit requires the least material deformation.Fig. 8. PARETO ANALYSIS FOR PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY% Compressibility% water absorption100 70 2 / 8 15100 70 3 / 7 25Finally, a preliminary estimate of costs for recoveredleather sheets was made for productionof 1 Tons per day. This was done in order to assessthe process economic viability. There wereconsidered initial invesment cost, direct costs ofmanufacturing and fixed manufacturing costs [16]for the first year of production.For initial investment were estimated onlyequipment, whereas for manufacturing directcosts were included raw materials, industrial services,supplies, labor, maintenance and repair. Forfixed manufacturing costs were considered thedepreciation of equipment, insurance and taxes.Table IV shows the estimated costs in ColombianPesos.TABLE 4TOTAL COSTS FOR THE FIRST YEAR IN PRODUCTIONTotal cost of production (thousands $)Initial invesment 53.000Pareto diagram in Figure 9 shows the variablesthat cause effect on the percentage of water absorption.It is appreciated that this depends on thepressure and temperature in their low level andthe amount of binder and water in their high one.Fig. 9. PARETO ANALYSIS FOR WATER ABSORPTIONManufacturing direct costs 1.079.350Fixed manufacturing costs 6.996Total ($) 1.139.346Dividing the total cost by the annual production,it yields a value of $10,100 per sheet of 1.5m 2 . When compared to the cost of an insole sheet,which oscilates around $ 7,000 for the same dimensions,it is evident that the proposed processfor recycling leather is not viable economically,but it is technically and environmentally. However,comparing with the cost of recovered leathersheet placed in Bucaramanga, which has a costof $ 48,000 per 1.5 m 2 [18], the process turnsout economically viable. Additionally, there will bea 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 TOOBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz83CONCLUSIONSThe temperature and relation binder / leatherbear a significant influence over response variables,during pressing and mixed respectively.The most significant factor on the four 4 responsevariables, based on the levels studied duringthe pressing stage, corresponds to the curingtemperature in the low level (70° C).The values obtained for the percentage of compressibilityand percentage of water absorptionare low compared with values obtained for commercialinsoles. This gives flexibility to manipulatethe weight percentage of water during mixing. Thatis, if one wants to choose a combination whereone gets the best response variables within thestudied levels, it becomes a cost / benefit wherethe amount of water, although it was raised at alow level for tensile strength, tear and percentageof compressibility, can work at a high level, becausethe increase in process water reduces the mixingtime. This should be reflected in the reductionof the mixer power consumption.The pressure should be maintained at low level,the temperature in the low level and the relationshipbinder / leather in the high level, sincethis appears to produce no significant effect onthe percentage of compressibility.It was thought initially that recovered leathersheets would exceed tear strength, percentageof compressibility and the percentage of waterabsorption, compared with the same propertiesof commercial insoles. However, if the final productdoes not require reaching values of tensilestrength, the material obtained with the proposedmethod has the ability to replace it.REFERENCES[1] Centro Nacional de Producción más Limpia y TecnologíasAmbientales. CNPMLTA. ¨Proyecto Gestión Ambiental enla Industria de Curtimbre. Manual Sectorial Ambiental¨.Febrero de 2004. Medellín. Colombia Disponible en internet:http://www.sirac.info/Curtiembres/html/Archivos/Publicaciones/Manual.pdf.[2] VERGARA, Marisol V. POIRRIER, Paola. TORRES, Rodrigo.Influencia del porcentaje de solidos totales y nutriente enla cinética de biodegradación de sustratos orgánicos. Centrode estudios e investigaciones ambientales (CEIAM).Universidad industrial de Santander y Colciencias. Octubrede 2009 Disponible en: http://ciia.uniandes.edu.co/Simabiotpresent/DIA%201/7.%20Vergara.pdf.[3] Asociación Colombiana de Industriales de Calzado, elCuero y sus Manufacturas. ACICAM. ¨Informe SectorialEnero 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 NewMaterial 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 MATERIALUSING HYDROENTANGLEMENT. United Kingdom IntellectualProperty 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 syntheticfabrics reuse. Journal of cleaner productions. 2007, P.1-6[9] United States Patent. Patent number 4, 287,252. DI-MITER, S. Reconstituted leather and method of manufacture.Appl. 184,656. Sep 1, 1981[10] US Patent Number 4,497,871. HENKE, E.W. Reconstitutedleather and method of manufacturing same.Appl. 489,001. Feb 5, 1985[11] World Intellectual Property organization InternationalBureau. Appl.No. 98/18863. DA FONTE, J. Process ofrecycling leather residues and Productions of compositematerials. 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 Polymerizationand Copolymerization whit Acrylic Monomers.Vinyl Acetate Copolymerization whit Acrylic Monomers.Recuperado de la base de la base de datosCRCnetBase[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 labase de datos CRCnetBase. 2003.[15] KEIMEL, A. Historical Development of Adhesives andAdhesive Bonding. En: Handbook of adhesive Technology.2ª ed., New York. Cap. 1. Recuperado de la basede datos CRCnetBase. 2003.

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Evaluación computacional del flujo a través demembranas porosasComputational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López MontoyaIngeniera Mecánica, Universidad Pontifica BolivarianaInvestigador auxiliar Grupo de Energía y Termodinámica,Universidad Pontificia BolivarianaMedellín, Colombiatatiana.lopezmo@alfa.upb.edu.coMauricio Giraldo OrozcoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia BolivarianaDocente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica,Universidad Pontificia BolivarianaMedellín, Colombiamauricio.giraldo@upb.edu.coCésar Nieto LondoñoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia BolivarianaDocente e InvestigadorGrupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial,Universidad Pontificia BolivarianaMedellín, Colombiacesar.nieto@upb.edu.coResumen— El flujo a través de membranas porosas esde vital importancia en el entendimiento de diversosfenómenos industriales y biológicos. y recientementeha crecido el interés de su estudio para aplicacionesde transferencia de calor mejorada y a escalas pequeñas.Antes de involucrar la transferencia de calor enlas membranas se hace un estudio hidrodinámico paraayudar a su caracterización. En el presente artículo sepresenta el estudio realizado al comportamiento de lapresión y perfiles de velocidad asociados al flujo de unfluido incompresible a través de una membrana porosaen diferentes condiciones de empaquetamiento. Con elfin de establecer una base comparativa adecuada, lamembrana porosa es representada mediante un empaquetamientode esferas en arreglo triangular desfasado.Los resultados obtenidos mediante el software de cFDFluent mostraron una gran influencia de la distribuciónespacial de las esferas en el canal sobre la caída depresión. Desde el punto de vista de patrones de flujo,se observó una interacción fuerte entre los flujos aguasabajo de cada esfera. En la última capa de esferas, sepresenta un desprendimiento de vórtices influenciadotanto por el tamaño de la esfera, como por el número deesferas empleado para representar la membrana.Palabras clave— Factor de empaquetamiento CFDmembranas porosasAbstract— In the present article, study of the behaviorof flow profiles and pressure associated with the flowof an incompressible fluid across a porous media withdifferent packing conditions is shown. For practicalpurpose, the porous media was modeled as a staggeredpacked bed of spheres. The simulation was made inCFD software Fluent. Results showed a great influenceof the sphere diameter in the pressure drop. Regardingstreaklines, there was found to be a strong interactionbetween the flows of each sphere downstream. A vortexdetachment influenced both by the sphere size and thenumber of spheres was present in the last layer of thebank of spheres.Keywords— CFD Porous mediaI. INTRODUCCIÓNLa tecnología de micro-sistemas (MST por sussiglas en inglés) se ha desarrollado a pasos agigantadosdesde hace varias décadas. El objetivoes incrementar la capacidad de estos dispositivosy aumentar su potencia, lo cual conlleva a grandescantidades de calor que necesitan ser extraídaspara garantizar el correcto funcionamiento de losdispositivos. Más concretamente se ha trabajadoen intercambiadores de calor del tamaño necesariopara poder implementarlos en los MST. Losmicro-intercambiadores de calor ofrecen muchasventajas sobre sus semejantes a escalas mayores,la transferencia de calor por unidad de áreaes mucho mayor, su desempeño global tambiénes superior y debido a su tamaño son más económicos,entre otras [1]-[2]. Debido a la reducciónde espacio por el cambio de escala, se han implementadomicro-canales como medio para que selleve a cabo el intercambio de calor. Pero dichasgeometrías tienen asociadas una gran caída depresión debido a los diámetros hidráulicos tan pequeños,además a estas escalas las condicionessuperficiales toman mayor importancia sobre lospatrones de flujo y transferencia de calor. Comoalternativa a los micro-canales se propone utilizarmembranas porosas [3]-[4].Recibido: 15/03/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94

86ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94Debido a la naturaleza de su geometría, lasmembranas ofrecen un espacio propicio para elintercambio de calor entre dos fluidos. De hechoexisten trabajos previos donde se utilizaron mediosporosos para aplicaciones de enfriamiento y transferenciade calor. Lage et al. realizaron un estudiocon matrices porosas de aluminio comprimidaspara caracterizarlas térmica e hidráulicamente enfocandosu uso en micro-intercambiadores de calor[5]. Por su parte Jiang et al. realizaron un estudioteórico y experimental comparativo entre un microintercambiadorde calor con canales (MCHE) yun micro-intercambiador de calor con medio poroso(MPHE) donde llegaron a la conclusión de quedesde el punto de vista de transferencia de calorel MPHE tiene mejor desempeño pero en términostermohidráulicos , el mejor desempeño fue parael MCHE con canales profundos [6]. Estudios conenfoques más específicos en el tema se puedenencontrar en la literatura tal como el de Trebotichy Miller, que presentaron un nuevo método de simulaciónpara aplicaciones en microfluídica queinvolucran fenómenos de transporte de partículascoloidales a escala micrométrica [7]. Tomado encuenta lo anterior, se hace necesario evaluar condetenimiento el comportamiento hidrodinámico demembranas porosas, e involucrar tanto los comportamientospuramente cinéticos, como las caídas depresión asociadas, con el fin de aprovechar adecuadamentelas ventajas evidenciadas experimentalmenteen cuanto a la transferencia de calor [6].Este trabajo se concentra en el comportamientode los campos de velocidades y las caídas de presiónque suceden en una membrana. Con el fin depresentar parámetros comparativos adecuados, lamembrana es simulada como un sistema de esferasen arreglo triangular, particularmente dos configuracionesdiferentes espaciales y tres diámetrosdiferentes, los cuales son evaluados desde los puntosde vista ya mencionados. El trabajo inicia conuna descripción del medio poroso empleado paralas simulaciones computacionales, seguido de unabreve descripción de los modelos matemáticos ylas condiciones de frontera necesarias. Finalmente,se presentan los resultados de la simulación ylas conclusiones del trabajo.II. MEDIO POROSO COMPUTACIONALGeneralmente los materiales porosos presentanestructuras aleatorias [8], pero dado que esdifícil establecer una estructura aleatoria representativay, más aún, cambiar sus parámetros,para este estudio se optó por la utilización de arreglostriangulares desfasados de esferas, como elmostrado en la Fig. 1. La sección transversal delcanal donde se encuentra el arreglo de esferas esde 0.01 m 2 .Fig. 1. ARREGLO TRIANGULAR DE ESFERASSe emplearon dos configuraciones diferentesde arreglos, las cuales se diferenciaron por la separaciónentre esferas, tanto adyacentes comotangentes, de la cara que enfrenta al flujo. En laFig. 2 se muestran a modo ilustrativo los espaciamientospara el arreglo de esferas de 15mm dediámetro, las medidas de los espaciamientos estánen milímetros. Para ambas configuraciones elvolumen total ocupado por el arreglo se mantuvoconstante. Igualmente, para ver la influencia deltamaño de la esfera se trabajó con arreglos de esferasde 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 comoreferencia un volumen total de 100.000mm 3 , quesería el volumen del cubo tomado como base paracrear el arreglo de esferas.TABLA IFACTOR DE EMPAQUETAMIENTOD15 D18 D32Conf 1 40.82% 37.56% 39.46%Conf 2 44,53% 34,51% 39.46%Estrictamente un medio poroso común no presentala uniformidad ni la simetría que se obtienecon la geometría utilizada, pero tradicionalmentese han utilizado empaquetamientos de esferas ycilindros para estudiar el flujo a través de mediosporosos de forma teórica y numérica con resultadosaceptables que han sido validados con montajesexperimentales [9]-[11].

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto87Fig. 2. CONFIGURACIONES 1 Y 2 CON ESFERAS DE 15, 18 Y 32MM DE DIÁMETRO RESPECTIVAMENTEIII. ECUACIONES GOBERNANTES yCONDICIONES DE FRONTERAEl comportamiento de fluidos newtonianosestá gobernado por las ecuaciones de Navier-Stokes. Para el estudio fluido-dinámico del flujo através de los arreglos de esferas, se requiere lautilización de un modelo en 3D constituido porlas ecuaciones de continuidad y de cantidad demovimiento lineal, las cuales se muestran a continuaciónpara 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 depropiedades constantes, incompresible, con flujoisotérmico y se encuentra en estado estacionario.La longitud característica mínima del arreglo deesferas es suficientemente grande para consideraruna condición de no deslizamiento sobre lasparedes [12]. Por el extremo de entrada se tieneun flujo con una velocidad U y por el extremo desalida del canal se tiene un flujo con presión atmosférica.A. MalladoPara la construcción de la malla se utilizó la herramientade mallado de Ansys 12.1. La geometríade la malla se construyó con elementos tetraédricos.Debido a la complejidad de la geometría, altamaño de los canales formados por el espacioentre esferas y que los mayores gradientes develocidad se encuentran en las paredes, fue necesarioreforzar la malla alrededor de las esferas.Para esto se utilizó un sizing (función que regula eltamaño de malla) con elementos de 0,001m, querefinó la malla alrededor de las esferas. Como esevidente, dos esferas presentan un solo punto decontacto, lo cual puede generar problemas al momentode contacto, por lo tanto, se optó por dejarun pequeño espacio entre las esferas para llevara cabo las simulaciones. La configuración de unamalla típica implementada en el arreglo triangularde esferas está compuesta por 3243702 elementostetraédricos y 639034 nodos.La malla se puede ver en la Fig. 3.Fig. 3. CORTE LONGITUDINAL DE MALLA TÍPICA PARA EL CANAL Y ARRE-GLO DE ESFERASB. Método de soluciónLa estrategia utilizada comúnmente para la simulacióndel flujo en medios porosos implica la

88ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94adición de un término asociado a la porosidaden la ecuación de momentum. Si bien esta formapermite una correcta aproximación a la caída depresión y otros comportamientos relevantes, nopermite visualizar campos de flujo, e inclusive,en algunos casos, es difícil establecer los parámetrosadecuados para diferentes membranas.Por lo tanto, este trabajo pretende simular directamenteel flujo en diferentes configuraciónde una membrana simulada, empleando lasecuaciones mostradas en la sección III. Dichasecuaciones fueron resueltas para un régimenlaminar estacionario mediante el método de volúmenesfinitos (FVM por sus siglas en inglés)implementado en el software AnsysFluent. FVMinvolucra la discretización e integración de lasecuaciones gobernantes sobre el dominio delcontrol de volumen. Para este caso, el dominiode solución fue un canal horizontal de 0,4 m delongitud y de sección transversal cuadrada de0,01m de lado, en cuyo centro se encontraba elarreglo de esferas. La longitud del canal es suficientepara permitir un flujo laminar totalmentedesarrollado (8 diámetros hidráulicos aproximadamente).El algoritmo que utiliza Fluent para resolverlas ecuaciones en volúmenes finitos es el métodosemi-implicito para acoplar las ecuaciones depresión (SIMPLE -semi-implicit method for pressure-linkedequations- por sus siglas en inglés).En el esquema SIMPLE se utiliza una ecuaciónadicional a las anteriormente mencionadas quesirve de enlace entre la velocidad y la presión,ya que en la ecuación de continuidad no aparecela variable presión de forma explícita. Enforma general, el procedimiento del algoritmoSIMPLE consiste en un proceso iterativo dondese comienza por suponer unos valores inicialespara los campos de velocidad y presión, luegose resuelve el conjunto de ecuaciones discretizadasy se utiliza una ecuación de corrección.Este proceso se repite hasta que converja lasolución [13]. El software Ansys Fluent tienepredeterminado el esquema de discretizaciónUPWIND, el cual consiste en la discretizaciónde los términos diferenciales de las ecuacionesque se van a resolver, de forma que el valor dela variable en un nodo determinado es funciónúnicamente de los valores de dicha variable enel nodo situado justo aguas arriba.IV. RESULTADOSPara las simulaciones llevadas a cabo en elsoftware Fluent, se trabajó con agua como fluidode trabajo con dos diferentes velocidades deentrada. Se realizaron simulaciones para ambasconfiguraciones de arreglos y tres diferentes tamañosde esferas. El número de Reynolds parael canal con el medio poroso en medio se calculócon las siguientes ecuaciones [14]:Donde V es la velocidad perpendicular a lasuperficie de la membrana porosa, K es la permeabilidady √ es la viscosidad cinemática. Paracalcular las propiedades del fluido se tomó comoreferencia una temperatura de 25°C. Para unacolumna de esferas empaquetadas de diámetrod, y de porosidad φ, Ergun propuso la siguientecorrelación para calcular su permeabilidad K;A su vez, la porosidad de un medio poroso ubicadoen medio de un canal cerrado se puede calcularcomo [15]:Donde Ap representa el área ocupada por elfluido (área sombreada en la Fig. 4) y A, el áreatotal de la sección transversal.Fig. 4. DISTRIBUCIÓN DE ÁREAS EN LA SECCIÓNTRANSVERAL DEL ARREGLOEn la Tabla II se muestran para las diferentesconfiguraciones y diámetros, su porosidad, permeabilidady el número de Reynolds para cadauna de las velocidades de entrada. El valor de la

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto89velocidad para el Re1 es de 0,001m/s y para elRe2 es de 0,072m/s.TABLA IICARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES MEDIOS POROSOSPorosidadPermeabilidad[m2]Re1@0,001m/sRe 2@0,072m/sD15 1 0,184 14 x 10-9 0,13 9,54D15 2 0,179 13 x 10-9 0,13 9,04D18 1 0,238 35 x 10-9 0,25 18D18 2 0,242 37 x 10-9 0,26 18,55D32 1 0,157 81 x 10-10 0,21 15,45D32 2 0,156 80 x 10-10 0,21 15,33Los resultados obtenidos para la caída de presiónmedida 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 caídade presión se tiene a través de la membrana.Fig. 5. RESULTADOS DE LA CAÍDA DE PRESIÓN PARA LOS DIFERENTESDIÁMETROS Y CONFIGURACIONES

90ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94La mayor caída de presión se presentó con elarreglo de menor diámetro de esferas. Aunque elvolumen total se mantenga constante, la configuracióndel espaciamiento entre esferas tambiéninfluye en la caída de presión, y como se puedever en las gráficas, la configuración dos que tienemenor espaciamiento, generó una menor caídade presión. Excepto para el caso de las esferas dediámetro 32mm, donde sucedió el caso contrario.Ya que al reducir el espacio entre esferas para laconfiguración dos, se dejó mayor espacio entre elarreglo de esferas y el canal por donde el fluidoencontró menor resistencia al fluir (y aunque seacercaron más las esferas entre sí, no se creó suficienteespacio para adicionar más esferas).Otro factor interesante en lo relacionado a lascaídas de presión, se refiere a la relación entre elvalor de dicha caída y el diámetro. Por ejemplo, enel caso de la configuración uno con los Reynoldsentre 7 y 15, un incremento de 3mm, equivalentementea solo el 20%, representa una reduccióndel 27.2%. Más aún, cuando el diámetro se incrementaun 113% (de 15mm a 32mm) la caída depresión se reduce en 58.5%.Cabe resaltar que el arreglo con las esferas demayor diámetro tuvo un comportamiento inversoal de las otros dos. Al conservarse el mismo volumentotal, esto hizo que las esferas de diámetrode 32mm dejaran muchos espacios libres en losextremos del arreglo haciendo que el flujo pudieradesviarse fácilmente por ahí y así evitar cruzar através del medio poroso, esto también pudo habersido la causa del por qué la configuración uno(con esferas de diámetro de 32mm) presentaramenor caída de presión que la configuración dos,diferente a los otros dos casos.Un contorno típico de presión para la geometríadel problema es mostrado en la Fig. 6, Se puedeobservar que el comportamiento de la presión noes igual para todas las esferas debido a la configuracióntriangular desfasada utilizada, así comotampoco es uniforme sobre una misma esfera,esto debido a que la distribución de la velocidadvaría dependiendo de las esferas que la rodean.Hay esferas que están totalmente rodeadaspor otras esferas, mientras que otras presentanespacios libres cerca a las paredes del canal pordonde el flujo se comporta de manera diferente alno tener restricciones, esto se puede ver mejor enFig. 7, donde se muestran cortes paralelos al sentidodel flujo con los contornos de presión sobrelas esferas. En estas figuras se puede observarque para las esferas más pequeñas el flujo es uniformesobre todas ellas, es decir, el flujo se repartepor igual a través de todo el arreglo, mientrasque para los tamaños de esferas más grandes seve como las esferas de los extremos son las quemayor interacción tienen con el flujo.Fig. 6. CONTORNO DE PRESIÓN CONFIGURACIÓN 1 D15Fig. 7. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE PRESIÓN PARA LAS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2RESPECTIVAMENTE

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto91Fig. 8. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNAVELOCIDAD DE 0,072M/SFig. 9. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNAVELOCIDAD DE 0,001M/SAdicionalmente, en las Fig. 8 y 9 se muestrala relación entre el factor de empaquetamientoy la caída de presión sobre las membranas.Como era de esperarse, las caídas de presiónse incrementan a medida que se incrementa elfactor de empaquetamiento del sistema. Otro factorinteresante que se evidencia es cómo la configuración2 tiene una pendiente mayor que la quese presenta en la configuración 1, lo que mue entonces,una influencia mucho mayor del diámetrode las esferas para estos casos. Otro factor quesalta a la vista es la falta de correlación entre resultadosde las diferentes configuraciones con losresultados de los bancos de esferas con 32mmde diámetro. Esto se debe, como ya se había manifestadoanteriormente, a los espacios existentesentre las paredes y las esferas. Si bien esto haceimposible realizar una comparación cuantitativaentre los resultados, si permite intuir que la caídade presión es significativa, pues implica queel flujo evita parar por el espacio ocupado por lasesferas.

92ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94La Fig. 10 muestra las líneas de corriente lascuales describen el flujo a través del medio poroso.Dichas líneas ilustran cómo al cambiar bruscamentede dirección, se generan regiones circularesen la superficie de las esferas, las cualesrepresentan las zonas de estancamiento. El comportamientodel flujo permanece de forma organizadamientras fluye a través de la zona central delarreglo de esferas, mientras que en la parte superiore inferior al terminarse el medio poroso tiendena formarse pequeños remolinos causados porla forma brusca del flujo. Lo cual puede explicar lapresión negativa que se presenta en las caras delas esferas de la última capa. Al darse los posiblesremolinos, parte del flujo se devolvería momentáneamentedebido a la baja velocidad, al hacer queestas presiones tiendan a cero.Fig. 10. LÍNEAS DE CORRIENTE A TRAVÉS DEL ARREGLODE CONFIGURACIÓN 1 D32de turbulencia y el desprendimiento de vórtices.Las zonas de alta velocidad son más notorias enlas esferas pequeñas, pero la formación de turbulenciay el desprendimiento de vórtices se hacenmás evidentes en los arreglos de esferas másgrandes. Este comportamiento concuerda con elcomportamiento de la presión, es decir, en la últimacapa de esferas se tiene una contrapresiónque ocasiona cambios en la dirección del flujo ypor ende se origina la turbulencia.De estas figuras también se puede ver unaclara diferencia entre las dos configuraciones dearreglos, para los tres tamaños de esferas, la configuraciónuno muestra una zona de muy baja velocidaddetrás de la última capa de esferas, queen común tienden a formar un perfil parabólicoque aumenta con el aumento del tamaño de esfera,mientras que para la configuración dos las zonasde estancamiento se dan de forma individualpara cada una de las esferas de la última capa.Fig. 11. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE VELOCIDAD PARA LOS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2RESPECTIVAMENTEEn la Fig. 11 Se muestra el contorno de velocidad,para cada tamaño de esfera y sus dos configuraciones,en un plano paralelo al sentido delflujo. De estas imágenes se puede ver cómo paratodos los tamaños de esferas se presenta unagran simetría respecto al eje z, lo cual es lógico yaque los contornos de presión también mostraronesta misma simetría. Se puede observar cómo enlos extremos del arreglo y en los espacios entreesferas se da una aceleración del flujo, que lleva ala formación de zonas de alta velocidad, que al entrara la última capa de esferas se encuentra conla zona de estancamiento y propicia la formación

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto93en la última fila de esferas un desprendimiento devórtices que aumenta a medida que aumenta eldiámetro de las esferas.Partiendo de estos resultados es posible entoncesconcluir que un adecuado control sobre elfactor de empaquetamiento y la distribución delas estructuras puede mejorar significativamenteel comportamiento hidrodinámico de las membranasporosas, haciéndolas una alternativa atractivapara su empleo en sistemas de transferenciade calor y recuperación de calor.REFERENCIAS[1] B. Ramos-Alvarado, P. Li, H. Liu, A. Hernández-Gurerrero,“CFD study of liquid-cooled heat sinks with microchannelflow field configurations for electronics, fuelcells, and concentrated solar cells,” Applied ThermalEngineering, vol. 31, no 14, pp. 2494-2507,Oct. 2011.[2] T. L. Ngo, Y. Kato, K. Nikitin, T. Ishizuka, “Heat transferand pressure drop correlations of microchannel heatexchangers with S-shaped and zigzag fins for carbondioxide 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 replenishingimpacts on critical heat flux and heat transfercoefficient of nucleate pool boiling on multiscale modulatedporous structures,” J. Heat and Mass Transfer,vol.54, pp. 3146-3155, May 2011.V. CONCLUSIONESEl estudio del comportamiento hidrodinámico(caída de presión y patrones de flujo) a través deun medio poroso fue realizado mediante un arreglotriangular desfasado de esferas. Las ecuacionesfundamentales del flujo de fluidos fueron solucionadasnuméricamente para encontrar la caída depresión sobre el arreglo. Las simulaciones fueronrealizadas en el software de CFD Fluent.En general, se encontró que el diámetro delas esferas tiene gran influencia sobre la caída depresión, generándose en mayor proporción paralos arreglos de menor diámetro de esferas. El espaciamientoentre esferas, principalmente de lacara que enfrenta al flujo perpendicularmente, tienegran influencia sobre la caída de presión. Parael medio poroso de menor diámetro la influenciadel espaciamiento entre esferas es menor. Tambiénse observó una interacción fuerte entre losflujos aguas abajo de cada esfera. Presentándose[4] Q. Yuan, R.A. Williams, N. Arvanti, “Innovations in highthroughput manufacturing of uniform emulsions andcapsules,” 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, “Numericalcharacterization of micro heat exchangers usingexperimentally tested porous aluminium layers,” Int. J.Heat and Fluid Flow, vol. 17, no. 6, pp. 594-603, Dec1996.[6] P.X. Jiang, M.H. Fan, G.S. Si, Z.P. Ren, “Thermal-hydraulicperformance of small scale micro-channel and porousmediaheat exchangers,” Int. Journal of Heat and MassTransfer, Vol. 44. No. 5, pp.1039-1051, Mar 2001.[7] D. Trebotich,G. Miller, “Simulation of flow and transportat the micro (pore) scale,” 2nd InternationalConference on Porous Media and its Applications inSience and Engineering,USA, 17-21 jun. 2007.[8] M.E. Vanegas, R. Quijada, D. Serafini, “Microporousmembrane preparated via thermally induced phaseseparation from metallocenic syndiotactic polypropylenes,”Polymer, Vol. 50, No. 9, pp. 2081-2086, abr2009.

94ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94[9] S.L. Lee, J.H. Yang, “Modeling of Darcy-Forchheimerdrag for fluid flow across a bank of circular cylinders,”Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol 40, No. 13, pp3149-3155, Sep 1997.[10] C. Nieto, R. Mejía, J. Agudelo, “Dinámica de fluidoscomputacional aplicada al estudio de regeneradorestérmicos,” DYNA, año 71, No. 143, pp. 81-93, Nov2004.[11] L.A. Patiño, H.J. Espinoza, D. Suárez, “Convección decalor transitoria en el flujo de fluidos a través de lechosempacados,” Universidad, Ciencia y Tecnología,Vol. 9. No. 36, pp. 210-216, Dic 2005.[12] M. Giraldo, Y. Ding, R.A. Williams, “ Boundary integralstudy of nanoparticle flow behavior in the proximity ofa 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 MassTransfer, Global Digital Press, 2010, p. 956.[14] A. Bejan, Convection Heat Transfer 3rd ed., Wiley Inter-Science, New York, 1948. pp. 694.15] S. Ergun, “Fluid flow through packed columns,” ChemicalEngineering Progress, Vol. 48, No. 2, pp. 89-94,1952._

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasapara Aprovechamiento Energético: una Revisión alEstado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery:Review for the actual tecnologyJosé Ulises CastellanosMSc en Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo MDL&GE(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética),Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombiajucastellanosc@unal.edu.coFabio Emiro Sierra VargasDr. MSc. Ingeniería Mecánica, Universidad de KasselDocente Tiempo Completo, Líder del Grupo MDL&GE(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética)Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombiafesierrav@unal.edu.coCarlos Alberto Guerrero FajardoDr. MSc. Ing. Químico, Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo MDL&GE (Mecanismos de Desarrollo Limpioy Gestión Energética), Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombiacaguerrerofa@unal.edu.coResumen— El análisis del uso de biomasa como fuentede energía y el desarrollo de las investigaciones relacionadascon el proceso de gasificación; han originado elplanteamiento de diversos modelos para explicar y entendereste complejo proceso, tanto en su diseño, comoen su simulación, optimización y análisis; los cuales vanencaminados a satisfacer la necesidad de cuantificarla producción de energía y su eficiencia. Este artículopresenta un análisis de varios modelos de gasificaciónbasados en el equilibrio termodinámico, la cinética ycontrol basado en redes neuronales artificiales.Palabras clave— Biomasa, Cinética, Gasificación, Modelado,Redes Neuronales, Termoquímica.Abstract— The analysis of the use of biomass for energyproduction and the development of research relatedto the gasification process, have led to the approach ofvarious models for explaining and understanding thiscomplex process, not only in its design, but also in itssimulation, optimization and analysis; which are intendedto satisfy the need to quantify the energy productionand efficiency. This article presents an analysis of severalgasification models based on thermodynamic equilibrium,kinetics and control based on artificial neuralnetworks..Keywords— Biomass, Gasification, Kinetic, Modeling,Neural networks, Thermo-chemistry.I. INTRODUCCIÓNDurante los últimos años, a causa de los efectosdel calentamiento global; han surgido investigacionesde gran importancia en el campo deluso de la biomasa como una fuente de energíaalternativa, se reconoce que esta fuente energética,posee una distribución más homogénea a lolargo del planeta, junto a un potencial energéticomayor al de los combustibles fósiles [25]. Dentrode los procesos de aprovechamiento energéticode la biomasa, se puede destacar los procesos degeneración de gas combustible a partir de procesosde biodigestión (transformaciones biológicas)y gasificación (transformaciones termoquímicas)[30]. El segundo de ellos, se centra en la alta eficienciade la combustión, puesto que un balanceenergético positivo, por ende, económicamenteviable depende de la eficiencia en las conversionestermoquímicas ocurridas durante el proceso.Actualmente existen sistemas de combustióndirecta para generación de energía eléctrica [38]a partir de biomasa como combustible, pero conel problema de la dosificación inherente a unsólido [3], por esta razón la gasificación resultaatractiva, puesto que simplifica los sistemas dedosificación y transporte del combustible. El gasde síntesis de los procesos de gasificación normalmentees un gas compuesto por monóxido decarbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano,trazas de etano y eteno, agua, nitrógeno y algunoscontaminantes, como pequeñas partículas decarbonizado, ceniza y alquitranes [38]. La energíaproveniente de este material gaseoso, determinaRecibido: 26/03/2012/ Aceptado: 08/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105

96ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105la calidad y el porcentaje de este en su obtención,ha sido la base fundamental de muchos estudios;los cuales algunos autores se han enfocado enla construcción de la máquina de gasificación,otros en la biomasa suministrada y algunos en eltratamiento del proceso agregando otros agentesque faciliten el proceso o realizando combinacionesentre los factores anteriores, pero siemprese busca incrementar la calidad del material gaseoso.[38][3]. Por esta razón, en el grupo de investigación“Mecanismos de Desarrollo Limpio yGestión Energética (MDL&GE)” de la UniversidadNacional se planteó, hace unos años, la construcciónde un gasificador con fines de investigaciónpara determinar la viabilidad tecnológica y socioeconómicade esta tecnología para Colombia.II. PROCESO DE GASIFICACIÓNLa gasificación de la biomasa es una tecnologíade más de cien años de antigüedad. Se tratade un proceso cuyo objetivo es la descomposicióntérmica de biomasa, particularmente de losresiduos producidos en la industria agrícola, madereray plantas de tratamiento de aguas, paraun aprovechamiento energético de los mismos.El gas generado puede ser quemado en motoresde combustión interna, turbinas o en equipos deproducción de calor y potencia.Un sistema de gasificación para producciónde calor y potencia consiste en un gasificador, unlimpiador de gas y un convertidor de energía quegeneralmente es un motor o una turbina. En esteproceso, la mayor dificultad se encuentra en elfiltrado del “gas de síntesis”, pues se requiere deequipos con capacidad para operar con gases aelevadas temperaturas, partículas en suspensiónde diferentes tipos y algunas veces altos flujos demasa (Diseño y construcción de un gasificador delecho fluidizado a escala de laboratorio para eltratamiento térmico de los residuos de tabaco,2005). Este proceso se cumple en una cámaracerrada y sellada que opera ligeramente por debajode la presión atmosférica con las siguientesetapas.Secado: el agua contenida en la biomasaes removida a una temperatura superior a los100°C.Pirólisis: la biomasa experimenta una descomposicióntérmica en ausencia de oxígeno.Habitualmente es dividida en pirólisis lenta y pirólisisrápidaOxidación: El aire, oxígeno, vapor de agua oagentes gasificantes son introducidos medianteun proceso externo al equipo, en algunos casosjunto a gases inertes, procedimiento realizadoentre 700- 2000°C.Reducción: En esta zona se producen numerosasreacciones químicas a alta temperatura(Ejemplos. Ecuaciones 1 y 2) [14].Desde un punto de vista científico, la gasificación,se trata de una reacción endotérmica heterogéneaentre el carbono contenido en la biomasay un gas reactante, sea vapor de agua odióxido de carbono:C + H 2O → CO + H 2(1)C + CO 2→ 2CO (2)En la Figura 1 se muestran las reacciones químicaspresentes en un proceso de gasificación.Fig 1. GASIFICADOR QUÍMICOFuente: S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. 2008A nivel industrial, el objetivo de la gasificaciónes favorecer las dos reacciones para producirun gas combustible. Sin embargo, para alcanzaresto, se deberá generar previamente los elementosnecesarios para ambas reacciones, es decir,el carbono, y los reactantes (CO 2y H 2O), así comotambién una cantidad de energía para la reacción[52]. Por otro lado, el poder calorífico del gas desíntesis se encuentra normalmente entre 3,5 – 6MJ/m 3 [2][41] según el agente gasificante utilizado,por ejemplo, al usar el aire atmosférico, setiene un gran porcentaje de nitrógeno, que es ungas inerte; por otro lado al usar oxígeno o vapor deagua se incrementa el valor.

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,Sierra, Guerrero97III. TIPOS DE GASIFICADORESA. Gasificador UpdraftEste tipo de gasificador tiene bien definidas laszonas de combustión parcial, de reducción y pirólisis.El aire es suministrado por la parte inferior delgasificador y el gas de síntesis es entregado por laparte superior a unas temperaturas relativamentebajas. En sus desventajas está el alto contenidode alquitrán del gas producido y la capacidad marginalque tiene en su carga, por ende, la imposibilidadde generar de un gas de síntesis en flujocontinuo que aumenta las dificultades para lautilización en motores de combustión interna. [9]B. Gasificador DowndraftEste gasificador entrega el gas de síntesis porla parte baja y la admisión de aire es realizadapor la parte media del mismo. Las dificultades deesta configuración son su contenido de cenizas yhumedad; por otra parte, el prolongado tiempo deencendido (20 a 30 minutos). Pero permite tenerun flujo continuo, por lo que es el tipo más aceptablepara motores de combustión interna y turbinasde gas. [2] [12]C. Gasificador CrossdraftEste gasificador tiene un tiempo de arranquecorto, alrededor de 5 minutos, capacidad de operarcon combustibles húmedos o secos y la temperaturadel gas producido es relativamente alta. Deahí que la composición del gas producido tenga unbajo contenido de hidrógeno y de metano. Comodesventaja, estos gasificadores, deben ser utilizadoscon combustibles de bajo contenido de cenizas,como la madera y el carbón mineral.[10] [11]D. De Lecho FluidizadoEn esta configuración, se suministra el airea través de un lecho de partículas sólidas a talvelocidad que estas partículas permanezcan enestado de suspensión, comenzando a calentar externamenteel lecho y el material de alimentación(biomasa).Las partículas del combustible se introducenen el lecho del reactor y se mezclan rápidamentecon el material, calentándose casi instantáneamentea la temperatura requerida. Como resultadode este tratamiento, el combustible se pirolizamuy rápidamente y da como resultado una mezclade componentes con una cantidad relativamenteelevada de materiales gaseosos [52][14].La composición de gas de síntesis producida porlos diferentes tipos de gasificador se muestra enla Tabla I [10].TABLA I.COMPOSICIÓN TÍPICA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE LA MADERA ENGASIFICADORES DE TIRO INVERTIDOCOMPONENTES [%]H 212-20CO 29-15CH 42-3CO 17-22N 250-54PODER CALORÍFICO 5-5.9MJ/m 3Fuente: Stassen HEM, Knoef HAM 1993IV. AGENTES GASIFICANTESLos agentes gasificantes son sustancias quese agregan al proceso y permiten la descomposiciónde los productos de la combustión parcial dela biomasa en componentes del gas de síntesis.Como ya se mencionó anteriormente, el oxígenocomo agente gasificante puede lograr un mejorrendimiento pero, a su vez, incrementa el costode producción. Adicionalmente a permitir las reaccionesde gasificación, la combustión parcialbrinda el calor necesario para secar la biomasa,producir la pirólisis e iniciar el proceso, ya que lasreacciones de gasificación suelen ser de tipo endotérmico,y dan como resultado dióxido de carbono(CO 2) y vapor de agua en los productos [43]. Alemplear vapor de agua como agente gasificante,se facilita la generación de H 2, el poder caloríficodel gas de síntesis será mayor, alrededor de 10-15MJ/m 3 [43][44]Otro agente gasificante, que muestra buenosresultados, es el CO 2, debido a su presencia en elgas de síntesis. Por otra parte, una mezcla entrevapor H 2O y CO 2del aire y/u O 2también puede serutilizada, junto con un porcentaje de la combustiónde biomasa con aire/O 2para proporcionar elcalor necesario para gasificación [43][44][41].Estrategias para el Modelado de Procesos deGasificaciónEl control de la producción de gas es uno delos grandes inconvenientes del proceso, puestoque las variables de control influyen directamen-

98ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105te en la calidad y composición del gas, donde elobjetivo es la minimización de los residuos tóxicosy alquitranes. Un aspecto clave para mejorarla eficiencia del proceso, es la integración de ladinámica del proceso de gasificación con la tomade decisiones reales de la operación de la planta.Estrategia evidenciada en el uso de modelos evolutivosinteligentes-adaptables para el control yoptimización.A. Control basado por modelos MBCEl Control (MBC) consiste en hacer un modeloal cual se le aplica una técnica adaptativa sin teneren cuenta retrasos en el tiempo ni variables relacionadascon la biomasa (peso, masa y demás).Una técnica derivada de la anterior es el ModeloPredictivo de Control (MPC), que utiliza un modelointerno para predecir la dinámica del sistema duranteun período fijo, característica que hace quelas técnicas MPC sean un modelo atractivo paralos ingenieros de la planta. Estos modelos puedenser construidos a partir de ensayos y datos tomadosexperimentalmente [29].Estas técnicas, se basan principalmente enmodelos mecanicistas, por lo tanto la efectividaddel control depende de la exactitud del modelo.Este problema se ha simplificado considerablementeal utilizar modelos de redes neuronales(RNA) Figura 2. Las cuales han demostrado su utilidaden implementaciones de control de procesosquímicos [19].Fuente: P., Basu. 2006Fig 2. ESQUEMA DE UNA RED NEURALAlgunas de las características relevantes delas RNA son:• Habilidad para representar a las arbitrarias relacionesno lineales.• La adaptación y el aprendizaje en los sistemascerrados, siempre a través de los off-liney en la adaptación de peso en línea.• Arquitectura de procesamiento distribuido,que permite un rápido tratamiento en gran escalade sistemas dinámicos.• La implementación de hardware.• Fusión de datos. Las redes neurales puedenoperar simultáneamente en los datoscuantitativos y cualitativos.• Los sistemas multivariable, para variasentradas varias salidas. [19][22].B. Control por modelo idealOtro modelo estudiado es el que opera comocero-dimensional. Este aprovecha las condicionesde lo ideal, una reacción química adecuada y eltiempo de permanencia. El modelo trata de suponerel intervalo más largo y observa la necesidadde completar la reacción en ese tiempo; de tal maneraque el modelo de equilibrio sea el apropiado.En todos los modelos de equilibrio, un conjuntode ecuaciones no lineales describen la conservaciónde las especies químicas (C, O 2, H 2, N, S) y lasecuaciones adicionales, para el equilibrio térmicode las reacciones independientes (las cuales correspondena la minimización de la energía librede reacción) que permite una predicción de la salidaa composiciones dadas de los reactivos y lascondiciones de operación (presión y temperatura).El conjunto resultante de ecuaciones no linealeses resuelto por iteración de la solución de un sistemalineal que, a su vez, se establece en términosde la matriz de tridiagonalización.El modelo fue usado para la simulación degasificación de carbón por Manfrida, 1990 [26],considerando un total de 19 especies de productocomúnmente encontradas en los procesos degasificación (CO, CH 4, H 2, C 2H 4, C 2H 6); algunas especiesque pueden ser relevantes desde el puntode vista ambiental y cuya formación podría serdescrita, al menos en parte, por reacciones deequilibrio, fueron también incluidas las especies(HCN, NH 3, H 2S y COS). El modelo asume compor-

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,Sierra, Guerrero99tamiento de gas perfecto para los reactivos y losproductos, de modo que no puede describir procesosde pirólisis donde se producen fraccionessignificativas de hidrocarburos líquidos; la únicaexcepción al comportamiento de gas perfecto esla posible presencia de carbón sólido entre los residuosde los reactivos. Propiedades termoquímicasde todas las especies fueron tomadas de lastablas de JANAF [16].Las condiciones termodinámicas, a las cualeslas reacciones tienen lugar, pueden ser manipuladaspor cambios de presión, temperatura (quepuede ser incluso calculada evaluando los procesosa condiciones adiabáticas) o calor transferidopor radiación de la zona de reacción. El flujo debiomasa así como el de aire (u Oxígeno, dependiendode la elección del oxidante) y agua o vapor,puede ser seleccionado por el usuario. El modeloes capaz de ejecutarse a un nivel de temperaturaespecificado, o para calcular iterativamente lascondiciones correspondientes a la temperaturade llama adiabática, o a cierre del balance deenergía a un porcentaje del valor calorífico de labiomasa como materia prima.El vapor inyectado en la zona de reacción puedeser producido regenerativamente dentro delgasificador. En este caso, el intercambio de calorentre el agua y el gas tiene lugar antes de la salidaen el gasificador. La producción regenerativade vapor puede también resolver el problema deenfriamiento de los gases de salida, cuando seanecesario.En conjunto del gasificador es descrito porun sistema incluyendo muchos bloques (reactor,módulos de transferencia de calor, entre otros),esquematizado en la Figura 3. El modelo proporcionauna descripción relativamente exacta delbalance de energía del gasificador (entrada y salidade energías químicas, valores caloríficos de lamateria prima y el gas de síntesis y condicionestermodinámicas de gas de síntesis a la salida),además se realizó un análisis de exergía [32] [51],que permite una estimación total de la irreversibilidaden el proceso de transformación de la biomasacomo materia prima dentro de una corrientecaliente del gas de síntesis del combustible ytambién proporciona detalles internos de las distribucionesperdidas que pueden ser analizadase interpretadas para buscar la minimización deltotal de pérdidas.Un punto que debería ser subrayado es que elprograma no toma en cuenta la diferencia de composiciónde las diversas fuentes de biomasa, proporcionandoel mismo análisis definitivo. Correcciónválida para balances de energía, pero pocoaproximada con la cadena de reacciones que conducena la formación de algunas especies (comoNH 3, cuya formación es afectada por la forma delos átomos de nitrógeno en el interior de las moléculasde la materia prima). La caracterización dela biomasa se obtiene de ellos sólo porque establezcasu composición, como puede ser encontradapor ejemplo en Domalski, 1987 [17][35].El encabezamiento de una partición primaria(parte) se precede de un numeral romano seguidode punto, espacio y el título en versalita (sólo laprimera letra en mayúscula). Todo ello centradosobre el texto que encabeza.El encabezamiento de una partición de segundoorden (sección) consiste en una letra mayúscula(en orden alfabético) seguida de punto, espacioy el título (con la primera letra en mayúscula), todoello en cursiva y justificado a la izquierda de la columna.El encabezamiento de una partición de tercerorden (apartado) consiste en un número arábigo(en orden natural) seguido de final de paréntesis ydel título (con la primera letra en mayúscula), todoello en cursiva y sangrado.Las particiones de cuarto orden (subapartados)se necesitan raramente, pero pueden usarse. Seencabezan mediante una letra minúscula (en ordenalfabético) seguida de un paréntesis de cierrey el título (con la primera letra en mayúscula), todoello en cursiva y sangrado.Si se necesitaran particiones de quinto ordendeben encabezarse simplemente mediante unaviñeta seguida del título en cursiva, todo ello condoble sangrado.C. Efectos de la biomasa empleadaPara la validación de los datos del código de simulación,se encontraron datos en experimentosdescritos en la literatura. Un ejemplo de ellos esel gasificador [9] que utiliza un aire inyectado circulanteen una unidad piloto de lecho fluidizado.Otro ejemplo es el aire inyectado presurizado enel reactor de lecho fluidizado. Gasificador de [45].Este utilizó un inyector de Oxígeno en un reactor

100ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105de lecho de flujo arrastrado. Los datos reportadosincluyen la composición del gas, un valor calorífico,la eficiencia del gasificador (incluidos ambosvalores caloríficos y calor sensible del gas a la salidadel gasificador) y su eficiencia de exergía. [9]D. Modelo PredictivoEl control predictivo es capaz de tratar muchosproblemas prácticos de control, tales como garantíasde estabilidad nominal, optimización del rendimientonominal y manejo de restricción, ademáspuede dar diseños sistemáticos para los sistemasmulti-variables como el caso del ciclo combinadode gasificación integrada (IGCC), el cual combinala gasificación de carbón con la tecnología delciclo convencional dando como resultado un procesode gasificación limpio del carbón de alta eficiencia.Las ventajas son: un alto rendimiento enla generación de energía, una eficiencia alta conIGCC, disminución en la contaminación.Límites de entrada: Los límites de flujo de entradano deben ser excedidos así como la tasa deentrada de los límites de cambio tampoco debenexcederse.Límites de producción (salida): La fluctuacióndel valor calorífico debe ser minimizado y siempreestar en el rango de +/- 10 kJ/kg, la fluctuaciónde presión debe ser minimizada y siempre menorque +/- 0.1 bar, la masa en el lecho debe oscilaren menos del 5% del nominal, y la oscilación detemperatura debe guardar un mínimo, que debeser siempre menor que +/- 1 CT-S Multi-modelo de control predictivoConsiderado un sistema dinámico no lineal elcual 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 nolineal, con salidas y() y entradas u(). De la anteriorformulación se puede denotar que el modelo T-Sse puede linealizar teniendo en cuenta las variablesy sus supuestas salidas, dentro de un rangodinámico limitado. [49][40]VI. PROGRAMACIÓN DE CONTROLADORESPrimero, se obtiene el control-objeto del puntode operación típico en un modelo lineal estacionarioen tiempo discreto. Para considerar el impactode perturbación en el modelo; el modelo debe serincorporado dentro de los elementos de perturbación.Asumido que las condiciones del modelo enel punto son variables acotadas. Donde u(k) es laentrada y y(k) es la medida de la perturbación enla entrada. [49][8]A. Modelo (PID) para un gasificadorEl gasificador de carbón es esencialmente unreactor químico donde el carbón reacciona conaire y vapor y cuyos productos del proceso de gasificaciónson un valor calorífico del gas de síntesis,que puede ser quemado en turbinas de gas.El controlador debe ajustar las entradas a finde regular las principales variables de salida delgasificador que, por ejemplo, son la temperaturadel gas, la presión del gas, el valor calorífico delgas y la masa en el lecho, entre otras.Puesto que el gasificador, es un sistema multivariabley altamente no lineal, con importantesinteracciones entre las variables de la entrada yla salida, las actuales estrategias de control sonpoco eficientes [49][47]. En los gasificadoresexistentes, el control automático no va más alládel control PI (proporcional/ Integral) o PID (proporcional/integral/ derivada) enlazados al flujoalrededor de los actuadores de alimentación delsistema. Por ejemplo, en el gasificador experimentaldel instituto de desarrollo tecnológico de EstadosUnidos, el circuito de control es cerrado porun operador humano experto, quien usa su juiciopara modular las tasas de flujo de masa (carbón:aire, vapor, aire y otros) y por lo tanto, los puntosestablecidos para los controles en el actuador desalida (PID). Procedimiento similar al utilizado enel gasificador de biomasa fluidizado a presión dela Universidad de Delf en los Países Bajos.B. Modelo Multivariable no LinealEl modelo empleado para el proceso del gasificadordel grupo MDL&GE es un modelo multivariableno-lineal, que tiene cinco entradas controlables(carbón, caliza, aire, vapor y el caudal)y cuatro salidas (presión, temperatura, masa enel lecho y la calidad del gas) con un alto grado deacoplamiento entre ellos. La piedra caliza se utilizapara absorber el azufre en el carbón, por endesu caudal debe establecer una relación fija con elflujo 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, Guerrero101de regulación para cada entrada. Otras entradasde control pueden incluir a las condiciones en elmodelo de límites; mejorando las maniobras deoperación en diferentes puntos, mediante el modelo(PSINK) de dos entradas de perturbaciónexterna, las cuales se representan por medio deperturbaciones inducidas por la presión. A continuaciónse 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 WLSLas 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 controlde un gasificador de carbón, junto a las técnicasde estimación de parámetros en línea, proporcionanun medio para inferir valores en tiempo realde las variables claves del proceso, que no puedenmedirse directamente. Estas estimacionesde Estado pueden ser útiles para el mejoramientodel control de proceso, mediante la filtraciónde Kalman (KF), la cual se aplica a un sistemano lineal de gasificación de carbón, operada inicialmenteen el marco de la estrategia de controlconvencional de retroalimentación. Donde, lasperturbaciones que no son medibles en la operaciónde gasificador, surgen de la presión dedescarga y la calidad de carbón de alimentación.El algoritmo KF es un método fácil de aplicar,sin complicaciones y con un diseño especial parael tratamiento o ajuste de los parámetros en conjunto.La principal motivación para el empleo deestimación de estado es la obtención de los valoresde las perturbaciones del proceso no medidas.Para ello, se trata v como variable de estadoadicional no medible que varía aleatoriamentesobre un valor fijo (inicialmente desconocido) yse incluyen en un estado aumentado, en consecuenciael vector z [21]En la línea de control predictivo se ha incorporadouna nueva acción de integración para darlibertad al seguimiento. La teoría propuesta porVíctor Becerra (Universidad Ciudad de México),destaca el hecho de que los límites de intervalode muestreo que se plantean en la práctica, sonel problema que se presenta al momento de laprogramación lineal MBPC cuadrática en cada intervalode muestreo, y puede tener un efecto perjudicialsobre el rendimiento de circuito cerradode alcanzar el sistema estable, esto sugiere queel control de entrada tiene limitaciones importantesen el diseño de sistemas de alimentaciónde gasificación.VII. EXPERIENCIA EN LA UNIVERSIDADNACIONAL DE COLOMBIAEn la Universidad Nacional se han realizadoprocesos de gasificación a partir de la cascara decacao, cascarilla de café, cascara de coco y madera,entre otros. Uno de los grandes inconvenientesen el proceso de gasificación, es el control de laproducción de gas de calidad y en qué porcentajeobtenerlo; poder minimizar los residuos tóxicosy alquitranes al punto de controlar la totalidaddel proceso. Una cuestión clave para mejorar laeficiencia energética y consolidar la gasificacióncomo fuente potencial de energía que permita laimplementación de sistemas automáticos en laindustria.Con base en las investigaciones desarrolladasen el grupo MDL&GE, se han incluido sistemas deadquisición 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

102ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105de gasificación. (Figura 3) Mediante estas implementacionesse han implementado aplicacionesde control sencillo pero con grandes resultados.Tabla II y Figura 4 [11]Fig. 3. GASIFICADOR DE LECHO FIJOTABLA II.TEMPERATURAS DENTRO DEL REACTORtiempo (min) T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C)0 17,5 66,6 59,1 13,83 18,1 83,4 77,3 54,86 18,6 265,4 157 47,89 22 405 232,3 5413 56,3 568 343 76,519 39,8 454,4 465,8 96,825 51,9 618,5 553 170,429 50,3 592,2 510,3 250,433 47,2 568,2 526,7 230,237 52,1 656,3 513,1 303,641 55,9 679,4 531,1 303,544 49,5 683,9 564,1 327,648 49,3 751,8 596,2 336,7Fuente: Grupo de Investigación MDL&GEFig. 4. PERFIL DE TEMPERATURAS50 52,1 839,5 582,2 336,853 59,4 826,2 562,9 336,3Fuente: Grupo de Investigación MDL&GEVIII. CONCLUSIONESFuente: Grupo de Investigación MDL&GELos perfiles de temperatura como se muestraen la Figura 4 determinan los puntos donde sedebe utilizar algún tipo de control para mantenerla temperatura en relación con la calidad del gas(estabilización de las temperaturas).La monitorización en tiempo real de los perfilesde temperatura, garantiza que el control,sea manual o automático, mantenga regímenesde operación para realizar los experimentos conrepetitividad de las variables internas al reactor.Esto mejora el diseño de los experimentos.Se han desarrollado diferentes tipos de modelospara sistemas de gasificación y su reacción cinética,El sistema en equilibrio con las etapas decontrol por medio de redes neuronales artificiales,hacen que el comportamiento pueda predecir situacionesextremas. En los modelos cinéticos quepredicen el progreso y la composición del productoen diferentes posiciones a lo largo de un reactor,ha sido de gran ayuda adaptarlo a un sistemaequilibrado, ya que puede predecir el máximo rendimientoposible, en un producto deseado de unsistema de reacción. También proporciona un útildiseño de apoyo, para evaluar el posible comportamientoy sus límites en un complejo sistema dereacción que sea difícil o peligroso para reproducirexperimental.AGRADECIEMIENTOSEste proyecto fue financiado con recursos dela Universidad Nacional de Colombia, según proyectocódigo 13151; “Apoyo de la DIB a tesis deinvestigación en posgrado” y el Proyecto “Alianza

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,Sierra, Guerrero103estratégica para la investigación de la obtenciónde gas de síntesis desulfurado a partir de la gasificaciónde carbones colombianos” código 12651.REFERENCIAS[1] Proceedings of the 8th International Conference onMachine Learning and Cybernetics: Kinetic model establishmentand verification of the biomass gasificationfluidised 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 currentsituation and projections to 2010 and 2050. YoshiokaT, Hirata S, Matsumura Y, Sakanishi KW. s.l. :Biomass Bioenergy, 2005, Vol. p. 29.[4] INPUT AND OUTPUT CONSTRAINED MULTIPLE-MO-DELS PREDICTIVE CONTROL FOR GASIFIER MachineLearning 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, SwithenbankJ. Effect of fuel devolatilization on the combustion ofwood chips and incineration of simulated municipalwastes in packed bed. s.l. : FUEL, 2003.[6] X., Li. Biomass gasification in circulating fluidized bed,PhD dissertation. Vancouver, Canada : University ofBritish Columbia, 2002.[7] ESTATE ESTIMATION-BASED CONTROL OF A COAL GA-SIFIER. 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] VEGA. Process Presure transmitter VEGABAR. [En línea]2010. http://www.vega.com/en/Process_pressure_VEGABAR14.htm.[9] AN EQUILIBRIUM MODEL FOR BIOMASS GASIFICATIONPROCESSES M. RUGGIERO Y G. MANFRIDA. Stecco Facoltá,Sergio. Florence, Italy : Dipartimento di energética.di Ingegneria, Universitá di Firenze. VíaS.Marta 3Renewable Energy, 1999, Vols. Volume 16, Issues 1-4,January-April 1999.[10] Stassen HEM, Knoef HAM. Small scale gasificationsystems. Twente, Netherland : The Netherlands: BiomassTechnology Group, University of Twente, 1993.[11] S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. Procesos de Gasificaciónde materiales orgánicos. Grupo de investigaciónen Mecanismos de desarrollo Limpio y gestión Energétic.Bogotá : Universidad Nacional de Colombia, PrimeraEdición, 2008.[12] Modelling of a downdraft biomass gasifierwith finiterate kinetics in the reduction zone. Roy PC, DattaA, Chakraborty N. s.l. : Int J Energy Res, 2009, Vol.v.33:51.[13] Modeling of smoldering process in porous biomassfuel rod. Roshmi A, Murthy J, Hajaligol M. s.l. : Fuel2004, 2004, Vols. 83:1527–36.[14] Reed TB, Das A. Handbook of biomass downdraft gasifierengine systems. Colorado : Solar Energy ResearchInstitute, 1988.[15] Steam gasification of biomass in a fluidised-bed ofolivine particles. Rapagna S, Jand N, KiennemannA, 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, ChaoukiJ, Guy C. s.l. : AIChe J, 2006, Vol. v.52:72.[17] R, Rauch. Biomass gasification to produce synthesisgas for fuels and chemicals, report made for IEABioenergy Agreement. s.l. : Task 33: Thermal Gasificationof Biomass, 2003.[18] Energy production from biomass (part 3): gasificationtechnologies. 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 fluidizedbeds., 2006.[20] Energy production from biomass (part 1): overview ofbiomass. 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 ofchemical process systems. N.P. Bhat, T.J. McAvoy,. s.l.: Computers Chem. Engineering, 1990, Vols. 14-4.[23] Sustainable biomass power for rural India: Case studyof biomass gasifier for village electrification. Centre forSustainable Technologies, Indian Institute of Science.N. H. Ravindranath, H. I. Somashekar, S. Dasappa andC. N. Jayasheela Reddy. Bangalore, India : CURRENTSCIENCE, OCTOBER 2004, Vols. v87, NO. 7, 10 .[24] An assessment of a Biomass Gasification based PowerPlant in the Sunderbans. Center For Development andEnvironment Policy,. Mukhopadhyay, K. Joka, India, IndianInstitute of Management Calcutta : Biomass andBioenergy, 2004, Vol. 27-pp.253 – 264.[25] Perspectiva de la Comisión Europea en la biomasay la conversión termoquímica de residuos. Maniatis

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Control PID tipo fraccional para la posición delcabezal de una unidad de CD para aplicaciones enmicroscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head positioncontrol to be used in optical microscopyPaula Andrea Ortiz ValenciaMSc. en Ingeniería área Automática,Universidad Pontificia Bolivariana. Docente Tiempo Completo,Investigador Grupo Automática y Electrónica,Instituto Tecnológico Metropolitano ITM. Medellín, Colombiapaulaortiz@itm.edu.coLorena Cardona RendónPhD(c) Universidad Nacional de ColombiaMSc. en Ingeniería área Automática,Universidad Pontificia Bolivariana.Grupo Inteligencia Artificial en Educación,Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín,lcardon0@unalmed.edu.coResumen— En este artículo se diseña un control PIDtipo fraccional para la posición del cabezal de una unidadde CD que se piensa emplear en el desarrollo de unmicroscopio óptico motorizado. En dicha aplicación sereemplazará el disco o CD por una placa con la muestraque va a ser estudiada, y se usará el cabezal de launidad para iluminar la muestra. Con el controlador diseñadose busca que no haya dependencia del subcódigoescrito en un CD para determinar la posición delcabezal, para lo cual se usará un ratón de computadorcomo sensor de posición. También se busca un controlque mejore el desempeño del sistema y que sea robustofrente 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 sintonizacióndel control se utiliza la toolbox de optimizaciónde Matlab con la función fmincon. Al final del artículose presentan los resultados en simulación, se concluyesobre la resolución obtenida, la robustez del controladory la viabilidad del sistema de control para ser empleadoen un microscopio.Palabras clave— Control de posición, Control Fraccional,Control Robusto, Microscopía óptica, ratón óptico,unidad de CD.Abstract— On this work a fractional PID controller isdesigned for a CD pickup head position control that isintended to use in the development of a motorized opticalmicroscope. In such an application the disk or CDwould be replaced by a plate with the sample to be studied,and the pickup head would be used to illuminatethe sample. The controller is designed in such a way thatthere is no dependence on a CD written subcode to determinethe position of the head, and for this, a computermouse is used as a position sensor. We also look forthe controller to improve the system performance andto be robust against model uncertainties of the plant,that is why we use a fractional controller PI^λ D^μ andadjust the parameters K_p, K_i, K_dλ and μ accordingto five robustness rules. For tuning the control we usethe Matlab optimization toolbox together with fminconfunction. At the end of the paper we present the simulationresults, concluding about the resolution obtained,the robustness of the controller and the viability of thecontrol system to be used in a microscope.Keywords— CD , fractional control, position tracking, robustcontrol, , optical microscopy , optical mouse.I. INTRODUCCIÓNDebido a las rápidas mejoras en las tecnologíasde manufactura electrónica, los computadoresse han convertido en productos electrónicosde corta vida, lo que termina en una gran cantidadde computadores desechados que pueden contaminarseriamente el medio ambiente [1]. Paraaportar una solución, muchos investigadores handesarrollado trabajos en los que diferentes partesde computador se reutilizan y adaptan para darsoluciones innovadoras a problemas en diversosámbitos. Una parte de computador que ha tenidoespecial interés es la unidad de Disco Compacto(CD), ya que contiene elementos opto-mecánicosmuy precisos.Cuando se revisa el estado del arte, se encuentranaplicaciones de las unidades de CD enperfilometría [2]–[8], en microscopía de barrido[9], en microscopía de fuerza atómica [10] –[14],para desarrollar un velocímetro [15], [16], paradesarrollar un interferómetro de Fizeau multifasehomodino [17], para medir rectitud [18], parael desarrollo de una micro-máquina de mediciónpor coordenadas [19][20], para crear un pulsadorRecibido: 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, Cardona107electrónico [21], para desarrollar un acelerómetroóptico [22][23], en el desarrollo de una sondatáctil tridimensional [24], para desarrollar unbiosensor óptico [25], un sistema de análisis celular[26], un sistema de micro-espectroscopia deRhaman miniaturizado [27], para medir eventosvinculantes 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 unbio-chip [35], para desarrollar un autocolimador[36], para detectar drogas y uniones en célulasbiológicas [37].Como aporte adicional en esta línea, en el InstitutoTecnológico Metropolitano (ITM), en Colombia,se está desarrollando un microscopio ópticode bajo costo con platina motorizada, a partir deuna unidad de CD desechada. En este caso, en lugarde un CD, se tendría una placa con la muestrapara ser observada y el cabezal de la unidad serviríapara iluminar la muestra de manera enfocada,l conuna cámara Web al lado opuesto para tomarlas imágenes.En el control normal de posición del cabezal deuna unidad de CD se lee un sub-código escrito enel CD que informa al sistema la posición del cabezalen cada momento. Pero, en este trabajo, nose tiene un CD sino una placa con una muestra y,por lo tanto, se pierde el sub código que permiterealimentar el lazo de control.La mayoría de los trabajos estudiados, en losque se desarrollan aplicaciones alternativas a lasunidades de CD, utilizan únicamente la tecnologíade auto-enfoque encontrada dentro del cabezalde la unidad, muchos no requieren controlar elmovimiento del cabezal y los que sí lo requieren,usan motores o plataformas piezoeléctricas queson costosas y que, por lo tanto, no podrían serempleadas en este trabajo, ya que se quiere lograrun microscopio de bajo costo. Se exceptúanlos trabajos de Islam et al. [8], quienes usaron unratón óptico para medir la velocidad del cabezal,y Bartoli et al. [5], [6], quienes usaron el mismocabezal óptico de la unidad como sensor. Sin embargo,en los trabajos mencionados, se controla lavelocidad del cabezal más no su posición.Para lograr medir la posición del cabezal, eneste trabajo se recurrirá a la combinación de dossensores, a saber, un ratón óptico y un codificadorde un ratón optomecánico de computador,mediante la técnica de mínimos cuadrados ponderados.El control de posición de la platina se harácon un controlador PID tipo fraccional. La razónpor la cual se seleccionó este tipo de control esque éste posee la ventaja frente a otros controladoresrobustos de que los conceptos teóricos yel lenguaje utilizado son de fácil comprensión, yaque se lo puede ver como un caso especial de loscontroladores PID de orden entero, que son de comúnmanejo para todos los profesionales de estaárea de conocimiento. Adicionalmente, los controladoresde orden fraccional por su cantidad deparámetros ajustables, permiten respuestas en eltiempo y la frecuencia del sistema de control másmaniobrables con un desempeño robusto, sin necesidadde utilizar representaciones en espaciode estado.Los controladores de orden fraccional sonuna nueva alternativa que ha permitido explicarfenómenos que eran imposibles de comprenderdesde el punto de vista de los sistemas linealesenteros [38], razón por la cual ha sido objeto derecientes desarrollos, contándose incluso conuna toolbox para Matlab [39] llamada CRONE(CommandeRobusted’OrdreNnon Entier) [39].Uno de los inconvenientes que tiene estecontrolador es la dificultad que se presenta parasintonizarlo. En este sentido se ha intentado aplicardiferentes técnicas para la sintonización decontroles fraccionales, como el método Ziegler-Nichols [40][41], series de polinomios [42], algoritmosgenéticos [43], enjambres de partículas[44], teoría electromagnética [45], cuantificadoresdinámicos [46] y modos deslizantes [47][48].Sin embargo, muchas de las técnicas usadas presentanproblemas por la cantidad de parámetrosque se requiere calcular, lo que se traduce en altacarga computacional y altos tiempos de procesamiento,siendo esta la razón de que muchos trabajosde implementación del control fraccional sehayan hecho sobre variables o procesos de reacciónlenta, tales como el control de temperatura.En este trabajo se optará por la aproximaciónusada en [40], que consiste en un método iterativoque busca cumplir cinco condiciones de robustez.La razón es que en dicho trabajo se muestrala posibilidad de obtener una sintonización rápidadel control con resultados robustos.

108ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117II. MATERIALES y MéTODOSA. Modelo de la Unidad de CDPara obtener un modelo de la unidad de CD, serecurrió a un software de modelado en 3D (AutodeskInventor ® 2011), en el cual se construyeronlos modelos de cada uno de los componentes apartir de medidas sobre una unidad de CD real tomadascon un calibrador. Luego, las partes modeladasse unieron en un archivo de ensamble paragenerar las relaciones entre ellas. La unidad deCD y el modelo en 3D se observan en la Fig. 1. Elmodelo está compuesto por los elementos que selistan a continuación (los elementos listados estánrealmente formados por varios componentes,pero sin movimiento relativo entre ellos):Placa: es el elemento fijo, allí están las guíaspor las que desliza el cabezal y el armazón del motor.Engranaje 22: Está conectado directamenteal eje del motor. Tiene 22 dientes y un diámetroprimitivo de 8.8mm.Engranajes 95_18: Son dos engranajes construidosen un solo cuerpo, uno de los cuales engranacon el engranaje 22 (de 95 dientes y un diámetroprimitivo de 38mm) y el otro engrana con lacremallera conectada al cabezal (de 18 dientes yun diámetro primitivo de 7.14mm).Cabezal: es el elemento cuyo desplazamientose quiere controlar. Está compuesto también porla cremallera, que engrana con una de las ruedasque componen el elemento llamado Engranaje95_18.Fig. 1. FOTO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EMPLEADA EN ESTE TRABAJO (ALA IZQUIERDA) Y MODELO EN 3D DE LA MISMA UNIDAD CONSTRUIDO ENAUTODESK INVENTOR ® (A LA DERECHA).Fuente: Autor del proyectoEn la Fig. 2 se muestra el mecanismo de movimientoque se pretende controlar. El Engranaje22 es accionado por un motor de corriente directa(DC) de la unidad de CD. Este engranaje transmiteel movimiento al Engranaje 95_18, que a su vez letransmite el movimiento a la cremallera que estáunida al cabezal.Fig. 2. MECANISMO QUE SE PRETENDE CONTROLAR.Fuente: Autor del proyectoA partir del modelado en 3D, fue posiblecrear un modelo del sistema en el software Simulink,mediante un aplicativo de enlace entrelos dos programas llamado SimMechanics Link.Esto permitió exportar las propiedades físicasde los objetos modelados (momentos de inercia,centros de gravedad, coordenadas, puntosde contacto), así como sus grados de libertad.El modelo exportado en Simulink se muestra enla Fig. 3.Fig. 3. MODELO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EN SIMULINK.Fuente: Autor del proyectoEn el modelo de la Fig. 3, los bloques que representanlos cuerpos tienen puntos de conexiónque están determinados por coordenadas espaciales[x, y, z]. Los cuerpos se conectan entre sí através de uniones (revoluta, prismática) y a travésde restricciones (restricción de engranajes, actuadorde velocidad). Estas últimas, no fueron exportadaspor el programa SimMechanics Link, sinoque se crearon manualmente.La restricción de engranajes expresa la relaciónde velocidad entre los dos engranajes semuestra en (1):

Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona109(donde y son los diámetros primitivosde la rueda conductora y la rueda conducida, respectivamente,y , son las velocidades angularesde las mismas.El piñón y la cremallera constituyen un parcinemático en el que se convierte el movimientorotacional del piñón en un movimiento traslacionalde la cremallera. En el modelo, el piñón estásujeto a tierra por una unión de revoluta en sucentro, que le deja un solo grado de libertad rotacionalalrededor del eje z, mientras la cremalleraestá conectada a tierra a través de una uniónprismática que le permite moverse a lo largo deleje x. Los puntos de contacto del engranaje con lacremallera deben tener la misma velocidad y estarestricción se puede representar por (2):donde r pes el radio primitivo del piñón, es lavelocidad de giro del piñón (en rad/s) y ẋ es la velocidadde desplazamiento de la cremallera.B. Modelo del Motor de la UnidadEl control de posición de la cremallera (y porlo tanto del cabezal unido a ella) se hará controlandoel voltaje del motor de DC que transmite sumovimiento directamente al Engranaje 22. En elmodelo de la Fig. 3, se agregó un actuador sobreel engranaje, que consiste en un torque de entradaexpresado en N*m. Por tal motivo, se necesitade un modelo del motor de DC que relacione elcambio 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 eltorque, se puede expresar como se ve en (3) [50]:Donde V fes el voltaje aplicado al motor, R fes laresistencia de campo, L fes la inductancia y K mfesla constante de fuerza electromotriz. Para el motorde la unidad, estos valores son: K mf=1,23x10-2V s/rad, L f=2,189x10-3 Henrys y R f=21Ω. Al re-emplazar estos valores en (3), se obtiene que lafunción de transferencia (4) para el motor de launidad de CD.C. Modelo del CodificadorEl codificador empleado en esta aplicaciónpertenece a un ratón opto-mecánico de computador.El codificador consta de una rueda ranurada,un LED y sensor infrarrojo. Las ranuras en larueda rompen el haz de luz proveniente del LEDde tal forma que el sensor infrarrojo, al otro ladode la rueda, lee pulsos de luz cuya velocidad esdirectamente proporcional a la velocidad de girode la rueda.La rueda del codificador se ubicó sobre el Engranaje_22,teniendo, por lo tanto, una relación1:1 con el giro del motor. Conocida la relaciónentre los engranajes y la cantidad de ranuras delcodificador, es posible calcular el desplazamientode la cremallera. La resolución para medir estedesplazamiento estaría dada por (5):donde N es el número de ranuras en el codificador,Z 1y Z 2son el número de dientes del engranajeacoplado al motor (Engranaje 22) y el engranajeconducido (Engranaje 95_18), respectivamente,y D p3es el diámetro primitivo del engranaje queimpulsa la cremallera. Reemplazados los valoresen la ecuación, se tiene el resultado (6).De acuerdo con este resultado, para simularla medición del sensor, se cuantizó la medida dedesplazamiento de la cremallera en múltiplos de0,1039mm.D. Modelo del Ratón ÓpticoEn un ratón óptico, un sensor toma fotografíasde la superficie bajo el ratón y un motor de navegaciónóptica identifica características en lasimágenes y sigue la pista de su movimiento. Estose traduce en coordenadas x e y de movimientodel cursor. Conociendo la resolución del ratón, esposible traducir los desplazamientos del cursor en

110ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117desplazamiento del ratón en milímetros. En estecaso, el ratón de computador empleado tiene unaresolución de 0,03mm/píxel.Para usar el ratón óptico en esta aplicación, seadhiere una superficie de referencia al cabezal dela unidad que permanezca en contacto con el ratónfijo. El movimiento del cabezal y, por lo tanto,de la superficie de referencia, produce la lecturade desplazamiento en el ratón.Para simular la medida del sensor, se cuantizóla medida de desplazamiento de la cremallera enmúltiplos de 0,03mm.Donde δ es el tamaño de la zona muerta y ∆ esla resolución del sensor. Aunque (9) no indica unlímite superior para el valor de δ, se debe tener encuenta que, aun cuando un valor de δ mayor quela resolución del sensor garantizará una respuestadel sistema sin oscilaciones, mientras mayorsea δ, menor será la precisión lograda con el lazode control [53].G. Diseño del control fraccionalPara el análisis de los controladores fraccionalesse parte del diagrama de bloques presentadoen la Fig. 4.Fig. 4. DIAGRAMA DE BLOQUES DE ACCIONES DE CONTROLFuente: [38].E. Combinación de Ambos Sensores por el Métodode Mínimos Cuadrados PonderadosPara lograr una estimación de la posición delcabezal de la unidad combinando la medida delos dos sensores (el codificador y el ratón óptico),se usa la técnica de mínimos cuadrados ponderados,expresada en las ecuaciones (7) y (8) [51]:donde es la posición estimada, Z 1es la medidadel sensor 1 y es la varianza del error endicha medida, Z 2es la medida del sensor 2 y esla varianza del error en dicha medida, es la varianzadel error de la estimación .F. Solución a la Cuantización de los SensoresPara el control de la posición del cabezal, esnecesario tener en cuenta los límites impuestospor la resolución de los sensores, cuya cuantizacióncausa respuestas del sistema con oscilacionesen 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 ocasionala aparición de oscilaciones. Para que la soluciónpropuesta tenga efecto, se debe cumplir (9):La acción integral tiene como propósito disminuiry eliminar el error de estado estacionario,pero hace más lenta la respuesta del sistema ydisminuye su estabilidad. Por otra parte, la acciónderivativa busca aumentar la estabilidad delsistema pero tiende a incrementar los ruidos ylas perturbaciones de alta frecuencia. Usando unsistema de orden fraccional, es decir, μ ϵ (–1,1),estos efectos del controlador integral y derivativose reducen. Los resultados dependen del valorseleccionado μ, o en otras palabras, de la sintonizacióndel control fraccional. En este trabajo lasintonización del controlador se realiza mediantela función fmincon de la toolbox de optimizaciónde Matlab, haciendo uso de las restricciones propuestasen [40] donde se diseña el control conbase en cinco condiciones de robustez:Que la magnitud del sistema en lazo abierto,evaluado en la frecuencia de cruce de gananciaw cgcumpla con (10):2) Que el margen de fase ф evaluado en w cg,que está relacionado de forma directa con elamortiguamiento 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, Cardona1113) Para rechazar los ruidos de alta frecuencia, lafunción de sensibilidad T(jw) debe cumplir con (12):formadonde k=1,wn=42.73ε = 0.71,θ = 0.018 mostrado en (16),Para4) Para rechazar las perturbaciones de la salida,la función de sensibilidad S(jw) debe cumplircon (13):Fig. 5. RESPUESTA DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO ANTE UNA SEÑALESCALÓNPara5) Para tener un sistema robusto frente a variacionesde la ganancia, la derivada de la fasedel sistema en lazo abierto con respecto a la frecuenciadel cruce de ganancia w cgdebe cumplircon (14):Fuente: Autor del proyectoLa validación del sistema se muestra en la Fig. 6La función de transferencia del control fraccionalse muestra en (15):Fig. 6. VALIDACIÓN DEL SISTEMA IDENTIFICADO VS. EL SISTEMA REALANTE UNA SEÑAL ESCALÓNLos márgenes de ganancia (φm) y fase (φm)son medidas importantes de robustez que se relacionancon el factor de amortiguamiento del sistemay afectan la medida de desempeño, por estarazón, se tuvieron en cuenta en el diseño.III. RESULTADOS y ANÁLISISPara el diseño del control es necesario encontrarel modelo matemático lineal del sistema, locual se logró mediante un proceso de identificaciónen lazo cerrado (ya que el sistema en lazoabierto es inestable), según la metodología propuestaen [54]. En la Fig. 5. Se observa la respuestadel sistema para una entrada tipo escalón.La respuesta obtenida se llevó a la toolboxidentde Matlab, la cual permite obtener una funciónde transferencia e indica el grado de ajustelogrado con un índice de desempeño. De esta manerase obtuvo el modelo de segundo orden de laFuente: Autor del proyectoSe obtuvo un índice de desempeño deLos parámetros de diseño para el sistema quese va a controlar son:• Margen de fase Mφ=60°.• Frecuencia de Ganancia w cg=60rad/s

112ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117• El sistema debe de ser robusto ante cambiode la ganancia.• Función de sensibilidad|S(jw)|_db≤-20db,∀w≤w_s=0.001 rad/s• Rechazo a ruido|T(jw)|_db≤-20db,∀ w≥w s=10rad/sCon estos parámetros, aplicada la metodologíaexplicada en la sección I-G, se obtuvo la siguientefunción de control:Fig. 8. RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES GANANCIASSe debe anotar que para el diseño del sistema decontrol no se tuvo en cuenta la cuantización de lossensores, más si se tuvo en cuenta en la simulaciónfinal para evaluar el desempeño del sistema controlado.La verificación de los parámetros de diseño semuestra de la Fig. 7 a la Fig. 10. En la Fig. 7 se muestrael margen de fase y de ganancia del sistema obteniéndoseun margen de ganancia de 62.1rad/s y unmargen de fase de 59.9°, presentándose un error de2.1 rad/s y 0.1° respectivamente, además se fuerzaa la fase del sistema a ser plana en un rango de frecuenciacentrada en w cg, lo que se traduce en robustezante cambios en la ganancia de la planta (dentrode unos límites variaciones), en este caso se fuerza aque 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 representael sistema en lazo cerrado ante una entradaescalón unitario, en la cual se verifica la robustez delcontrolador. En la Fig. 9, se observa que para una frecuenciade 0.00207rad/s la magnitud es de –20db.En la Fig. 10, se observa que para una frecuencia de162rad/s la magnitud es de –20db, cumpliéndoseconcon los requerimientos de diseño. El control fraccionalse validó con la toolboxninteger [52].Fuente: Autor del proyectoFig. 9. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD S(JW)Fuente: Autor del proyectoFig. 10. ANÁLISIS DE RUIDO T(JW)Fig. 7 ANÁLISIS DE MAGNITUD Y FASEFuente: Autor del proyectoFuente: Autor del proyecto

Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona113Finalmente, para evaluar el comportamientodel sistema con el control diseñado, se incorporóla cuantización de los sensores al diagrama debloques mostrado en la Figura 11.Fig. 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA QUE INCORPORA EL CON-TROL DISEÑADO Y LA CUANTIZACIÓN DE LOS SENSORESque el control fraccional responde más rápido queel control convencional.Fig. 13. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORESPOR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CON UNCONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONALFuente: Autor del proyectoEl resultado obtenido se presenta en un grupode tres gráficas en la Fig. 12. Una, muestra la respuestadel sistema a la señal de excitación, otra,muestra la señal de control, y la última, muestra laseñal de error, todas las validaciones son obtenidasen simulación, con Matlab/Simulink.Fig. 12. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORESPOR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS).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 convencionalpierde controlabilidad.Fig. 14. PERTURBACIÓN AGREGADA AL SISTEMAFuente: Autor del proyectoAunque el control PID tipo fraccional se diseñósobre un sistema lineal identificado en lazo cerrado,en el cual las variables de entrada-salida puedenentregar alguna correlación que pueda alterar los resultadosde la estimación, obteniéndose un modelomatemático con incertidumbres, al implementarlorespondió adecuadamente, y mostró la robustez delcontrolador, en el cual se obtuvo una respuesta rápidacon un tiempo de estabilización cercano a los0.03 segundos, sin sobrepasos y con una respuestaen el elemento final de control muy buena.En la Fig. 13 el control fraccional es comparadocon un control PID convencional, obteniéndoseFig. 15. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORESPOR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CONUN CONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONAL, CON UNAENTRADA DE PERTURBACIÓN

114ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117En general, un control tipo fraccional presentaun mejor desempeño que los controladores deorden entero, ya que estos tienen cinco grados delibertad en vez de tres grados de libertad de loscontroladores convencionales, logrando de estamanera un mejor desempeño en el sistema, presentandomayor robustez ante incertidumbres delmodelo o variaciones de los parámetrosIV. CONCLUSIÓNEn este artículo se diseñó un control PID tipofraccional para la posición del cabezal de una unidadde CD que se piensa emplear en el desarrollode un microscopio óptico motorizado. Se observaa partir de los resultados obtenidos que, con latécnica de control diseñada, mediante la combinaciónde un codificador de un ratón optomecánicocon un ratón óptico, para medir la posición delcabezal de la unidad de CD, se logra un sistemade respuesta rápido y sin sobrepaso, donde la respuestadel elemento final de control no presentaefecto timbre y se tiene una precisión aceptablepara desarrollar un microscopio óptico motorizadode bajo costo. Si bien no se logra una precisióndel orden de una micra o menos, como se podríaobtener con una plataforma piezo-eléctrica, unaresolución de 30 µm puede ser suficiente paradiversas aplicaciones en educación básica. Adicionalmente,se emplean partes de computadordesechadas, lo que genera un impacto ambientalpositivo. Se concluye, entonces, que el sistema decontrol diseñado, con la combinación de sensores,es apta para la aplicación en el desarrollo deun microscopio óptico.Se concluye también que el empleo de un controltipo fraccional para esta aplicación presentaventajas frente a los controles PID de orden entero,tanto en el tiempo de estabilización como enrobustez frente a perturbaciones. Adicionalmente,con la metodología de diseño iterativa implementada,se logró un diseño rápido y un resultado robustoa partir de la función de transferencia delsistema, sin requerir representaciones en espaciode estado.AGRADECIMIENTOSEste artículo se deriva de los proyectos deinvestigación denominados: “Desarrollo de unmicroscopio óptico con platina motorizada y adquisicióndigital de imágenes a partir de reciclajetecnológico de una unidad de CD/DVD” con códigoP10237 y “Metodología para modelar y controlarun sistema de combustión utilizando cálculofraccional” con código PM12104 ambos proyectosfinanciados por el Instituto Tecnológico Metropolitano– I.T.M. Los autores agradecen al grupode investigación en Automática y Electrónica delInstituto Tecnológico Metropolitano – I.T.M. susaportes para la realización de este proyecto.REFERENCIAS[1] C. H. Lee, C. T. Chang, K. S. Fan and T. C. Chang. “Anoverview of recycling and treatment of scrap computers”.Journalof 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 measurementsystem 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 opticalstylus with interferometric readout”. MeasurementScience & 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 opticalprofilometer 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 onedimensional 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 scanningsensor 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 alow-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 novelsurface profile measurement system”. AU Journal ofTechnology. Vol. 10, No. 3, pp. 203–209, 2007.

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Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa parala Detección de Distorsiones de la Arquitectura dela Glándula MamariaDecision System Based on Fuzzy Logic for Detection of ArchitecturalDistortionDuván Alberto Gómez BetancurMSc (c) Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo GIDIA, Universidad Nacional de ColombiaMedellín, Colombiadagomezbe@unal.edu.coJohn Willian Branch BedoyaPh.D. Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,Universidad Nacional de ColombiaProfesor Asociado, Investigador Grupo GIDIA,Universidad Nacional de ColombiaMedellín, Colombiajwbranch@unal.edu.coResumen— La distorsión de la arquitectura es un cambio anormaldel tejido de la glándula mamaria con la consiguienteformación de lesiones finas y espiculadas que no están asociadasa la presencia de una masa. La distorsión es el tercer hallazgomamográfico más común y por la dificultad de sudetección es el primer causante de falsos negativos enlos diagnósticos. Este artículo presenta la planeación,implementación y pruebas de un método que sirvecomo soporte para la detección de distorsiones dela arquitectura de la glándula mamaria a partir deimágenes de radiología de mama. El método asiste alos especialistas en el proceso de decisión diagnósticacomo segundo intérprete en el análisis de mamografíasmediante la integración de cuatro etapas principalesque van desde el pre-procesamiento de la imagen hastala clasificación final con base en las características detextura de las regiones de interés extraídas.El método presentado fue validado mediante el análisisde imágenes mamográficas de la base de datos DDSM(Digital Data base for Screening Mammography), quelogra valores de precisión general hasta de un 90.7% locual lo convierte en una base importante para la disminucióndel número de falsos negativos en la detección dedistorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria.Palabras clave— Cáncer de mama, distorsión de la arquitectura,mamografía, procesamiento digital de imágenes, diagnósticoasistido por computador.Abstract— Architectural distortion is an abnormal change in themammary gland tissue with the consequent formation of thin andspeculated lesions that are not associated with the presence ofa mass. It is the third most common mammographic finding andbecause of its subtlety it is the first cause of false-negative findingson screening mammograms.This paper presents the design,implementation and test of a new method that serves as supportfor the detection of architectural distortion in the mammarygland from breast radiology images. The method proposed hereassists the specialists in the diagnosis of breast cancer throughfour main phases,which encompass from the preprocessing tothe classification of regions of interest using a classifier basedon fuzzy logic.The method described in this paper was validated through theanalysis of mammographic images from DDSM (Digital Databasefor Screening Mammography) obtaining values of 90.7% in theoverall accuracy.This result is a very important contribution andencourages the research in order to reduce the high number ofmisdiagnoses that are currently presented and lead to the highrates of morbidity from breast cancer.Keywords— Breast cancer, architectural distortion,mammography, digital image processing, computer aideddiagnosis.I. INTRODUCCIÓNEn los ambientes médicos las imágenes jueganun rol prominente en el diagnóstico y tratamientode enfermedades, debido a que permitenque los especialistas obtengan información vitalal observar el interior del cuerpo humano de unaforma no invasiva, y favorecer el diagnóstico tempranode patologías para que puedan ser tratadasde manera efectiva [1].Dentro de esas patologías que pueden serdiagnosticadas y tratadas se encuentra el cáncerque es una enfermedad que se presenta como resultadode mutaciones o cambios anormales enlos genes responsables de regular el crecimientode las células.Uno de los tipos de cáncer más comunes es elcáncer de mama que es una patología productodel crecimiento no controlado de las células de lamama que forma un tumor maligno.En el mundo el cáncer de mama es una patologíacada vez más común entre la poblaciónfemenina, por ejemplo para el caso de EstadosUnidos y Canadá, se estima que 1 de cada 8 mujeressufrirá la enfermedad a lo largo de su vida, yRecibido: 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, Branch119en el 2006 se calcularon 212.920 nuevos casosde cáncer de mama y 41.430 muertes producidaspor la enfermedad.Los datos estadísticos sobre cáncer de mamaen Colombia son difíciles de obtener y se encuentranprobablemente sesgados; sin embargo, esevidente un aumento progresivo en la incidenciadel carcinoma mamario, especialmente en lasciudades más densamente pobladas. Para el año2009 se reportaron 551 nuevos casos de cáncerde mama [2], lo cual comprueba el incrementode esta patología en los últimos años en el país,convirtiéndose en la primera causa de muerte porcáncer entre las mujeres.El cáncer de mama se ha convertido entoncesen un serio problema de salud pública que ha despertadoel interés de comunidades científicas mascuando se sabe que si se detecta a tiempo, se puedeevitar el desenlace fatal de la enfermedad.Para la detección temprana del cáncer demama existen diferentes exámenes o métodos clínicoscomo la resonancia magnética, la ecografía,la biopsia, la tomografía computarizada y la biopsiade ganglio linfático, entre otros. Sin embargo,la mamografía es el examen más eficaz para ladetección temprana del cáncer de mama.Los hallazgos clínicos más comunes que indicanel desarrollo de una patología cancerígena en lamama y que pueden identificarse a través de la mamografíason: masas, microcalcificaciones, distorsionesde la arquitectura y asimetrías de densidad.Las calcificaciones son hallazgos muy comunesen una mamografía y son consecuencias dediminutos depósitos de calcio en el tejido mamario.En cuanto a las masas debe describirse su tamaño,forma, márgenes y calcificaciones asociadasen los casos en los que la masa se presentecon calcificaciones. Por su parte la asimetría dedensidad es la presencia de tejido glandular enuna parte de la mama y que no se presenta con lamisma localización en la mama contralateral, puedeverse como una opacidad similar en las dosproyecciones de una mama pero no tiene característicasde una masa [3].La información restante de este artículo se estructuraen cuatro secciones. En la 2 se explica ladistorsión de la arquitectura de la glándula mamaria.En la 3 se describe el método propuesto. En la4, se evalúa el método y se presentan los resultadosobtenidos y en la 5 se dan las conclusionesdel método y se dejan las posibles direccionespara la investigación futura.II. DISTORSIÓN DE LA ARQUITECTURALa distorsión de la arquitectura es un cambioanormal del tejido de la glándula mamaria con laconsiguiente formación de lesiones finas y espiculadasque no están asociadas a la presencia de unamasa.En el BI-RADS (Breast Imaging Reporting andData System) [4] se define la distorsión de la arquitecturacomo el hallazgo en el cual la arquitecturanormal (de la mama) se distorsiona conmasas no definidas visibles. Esto incluye lesionesespiculadas y la retracción focal o distorsión en elborde del parénquima.La distorsión de la arquitectura hace referenciaentonces a la distorsión del parénquima de lamama pero sin presencia de masas ni aumentoen la densidad. Se trata del tercer hallazgo máscomún en mamografías, asociado a estados decáncer aún no palpables [5] y el primer causantede falsos negativos [6] pues debido a su sutilezay variabilidad, la distorsión de la arquitectura esomitida y puede pasar como tejido normal superpuestoen el momento de la valoración de las mamografíasde tamizaje.Debido a que el cáncer de mama interrumpe laarquitectura normal del parénquima, la distorsiónes considerada un signo temprano de cáncer[7].Fig. 1. MAMOGRAFÍA CON PRESENCIA DE DISTORSIÓNDE LA ARQUITECTURA DE LA GLÁNDULA MAMARIAFuente: Imagen tomada de [8]

120ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127Como se puede observar en la Fig. 1 la distorsiónde la arquitectura en la mamografía se presentacomo una anomalía en la que los tejidoscircundantes de la mama parecen ser dirigidoshacia un punto focal interno.De acuerdo con [9] en más de la mitad de loscasos en los cuales se han encontrado signos dedistorsión de la arquitectura se comprueba posteriormentemalignidad en el seno. Sin embargo,por la dificultad en la detección de la distorsiónde la arquitectura, se estima que esta anormalidades la causa de entre el 12% y el 45% delos casos de cáncer omitidos o mal interpretados[10].Si bien es cierto que son muchos los trabajosque se pueden encontrar en sistemas CAD(Computer-Aided Diagnosis) para el caso de cáncerde mama, también es cierto que mientras lamayoría han sido dirigidos a la detección y análisisde calcificaciones y masas [11][12][13][14],relativamente pocos han sido publicados en ladetección de la distorsión de la arquitectura dela glándula mamaria.Entre los trabajos más destacados para ladetección de la distorsión de la arquitectura dela glándula mamaria se encuentra[15] donde seusa morfología matemática para detectar distorsiónalrededor de la línea de piel y un índice deconcentración para detectar distorsión de arquitecturaal interior de la glándula mamaria obtenidotasas de sensibilidad superiores al 80%;en [16] se desarrolló un método para detectarmasas y distorsión de arquitectura al localizarpuntos rodeados por capas concéntricas. En [17]se presenta una investigación para la caracterizaciónde la distorsión de arquitectura con ladimensión fractal de Hausdorff y un clasificadorSVM (Support Vector Machine) para distinguirentre ROI (Regiones de Interés) con distorsión dearquitectura y aquellas con patrones mamográficosnormales, una clasificación con una precisióndel 72.5% fue obtenida con un conjunto de40 ROI.También se han publicado trabajos en loscuales a partir de filtros Gabor y análisis de dimensiónfractal se proponen métodos para detectarcandidatos iniciales de distorsión de laarquitectura en mamografías[18],[19].Rangayyan en [20] con características de texturade Haralick para la detección de distorsionesde la arquitectura de la glándula mamaria,comparó diferentes técnicas de clasificación. Apartir de 4.224 ROI obtuvo una sensibilidad de76% con un clasificador bayesiano, 73% con análisisdiscriminante lineal, 77% con una red neuronalartificial basada en funciones de base radialy una sensibilidad de un 77% con SVM.III. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO ENLÓGICA DIFUSAEn 1965 Lotfi A. Zadeh, propuso la lógica difusacomo una herramienta para el control y lossistemas expertos. Se trata de un método para elrazonamiento con expresiones lógicas que describenlas pertenencias a los conjuntos difusos,entendidos como un instrumento para la especializaciónde lo bien que un objeto satisface unadescripción vaga [21].El uso de la lógica difusa resulta bastante útilen problemas con alto grado de incertidumbrey donde se necesita usar el conocimiento de unexperto que utiliza conceptos ambiguos o imprecisos,por ello se ha visto un auge en su uso ensistemas de reconocimiento de patrones y visiónpor computador.En [22] se plantea un ejemplo de caso de unclasificador difuso en el que se tiene un problemade clasificación n-dimensional con M clases ym patrones de entrenamiento x p=(x p1,x p2,x p3,x p4,...,x pn) para p=1,2,3,...,m los atributos de los patronesestán normalizados [0,1] y se utilizan reglas difusasdel tipo if-then como base del sistema de clasificacióndifuso:Regla R j:Si x 1es A j1y…y x nes A jnentonces ClaseC jcon CF jpara j=1,2,...,Ndonde R jes la regla j-esima, A j1... A jnson funcionesde pertenencia de los conjuntos difusos enel intervalo [0,1], C jes la clase, dentro del conjuntode las M clases, consecuente, y CF jes el gradode certeza de la regla if-then difusa R j.En [23] se demostró que la inclusión del gradode pertenencia o certeza en la creación de las reglasdifusas if-then permite generar sistemas declasificación 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, Branch121A. Características de TexturaEn un gran número de aplicaciones de procesamientodigital de imágenes la textura es una de lascaracterísticas más importantes y utilizadas para larecuperación de información y la identificación deobjetos o regiones al interior de la imagen.Muchos son los trabajos y las aproximacionesque se han hecho para la descripción automáticao semi-automática de las características de texturapresentes en una imagen. Un ejemplo claro dedichas aproximaciones es el propuesto por Haralick[24]quien, basado en la premisa que la texturay el tono conservan una relación inextricableentre ellos, propone catorce características paradescribir la textura de los objetos o regiones presentesen una imagen.Para Haralick, las propiedades de tono y texturaestán siempre presentes en una imagen, yel procedimiento que sugiere para obtener las característicasde textura se basa en la presunciónde que la información de textura de una imagendefinida, está contenida en la totalidad o por lomenos el promedio de la relación espacial que lostonos de grises de la imagen tienen el uno conel otro. Es decir, esa información de textura estáadecuadamente contenida en un conjunto de matricesespacio-dependientes de los tonos de gris,las cuales son calculadas para diferentes ángulosy distancias de vecindad en los pixeles de laimagen y son conocidas como GCM (Gray level Co-Ocurrence Matrix).En la Fig. 2 se observa la vecindad más cercana(distancia d=1) para cualquier punto dentrode la imagen, exceptuados los puntos ubicadosen las filas y columnas de los extremos. La vecindad-8es utilizada para la definición de las matricesGCM en la propuesta de Haralick.(l 1,l 2) separados por una distancia d en un ánguloθ [24]. Es decir, dada una imagen l con N nivelesde gris, su GCM para un ángulo θ, se construyecon N filas y N columnas, y en cada intersecciónfila-columna se totaliza el número de veces dentrode la imagen en las cuales un punto l(x,y) con unnivel de gris l 1(de acuerdo con la columna de laGCM) posee un vecino en una distancia d y en ladirección θ con un nivel de gris l 2(de acuerdo conla fila de la GCM).A partir de la GCM, Haralick propone catorcecaracterísticas de textura: energía, contraste, correlación,suma de cuadrados, momento de diferenciainversa, suma promedio, suma de varianza,suma de entropía, entropía, diferencia de varianza,primera medida de información de correlación,diferencia de entropía, segunda medida de informaciónde correlación y máximo coeficiente decorrelación.En este trabajo se utilizan sólo cinco característicasde textura: energía, contraste, sumapromedio, momento de diferencia inversa y diferenciade varianza, ya que de acuerdo con [20]son esas características las que empaquetan nosólo la mayor cantidad de información visual, sinotambién la más relevante para la descripción dela textura de las regiones de interés detectadasal interior de la glándula mamaria en la imagenmamográfica.Las expresiones matemáticas para las cincocaracterísticas de textura utilizadas son:TABLA INomenclatura utilizada para las ecuaciones de las características detextura de Haralick utilizadasp(i,j)p x(i)Entrada (i,j) -ésima en la GCM,=P(i,j)/Ri-ésima entrada de la GCM obtenida sumando las filasde p(i,j),Fig. 2. VECINDAD-8 DE UN PÍXEL EN UNA IMAGENp y(f)j-ésima entrada de la GCM obtenida al sumar lascolumnas de p(i,j),N gNúmero de niveles de gris presentes en la imagenFuente: Haralick[24].Energía:Considerada la vecindad-8 que se observa enla Fig. 2 la GCM se construye con las probabilidadesde ocurrencia de un par de niveles de gris

122ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127Contraste:Suma promedio:dondeMomento de diferencia inversa:Diferencia de Varianzas:dondeAlgunas de las características de textura deHaralick tienen interpretación física directa conrespecto a la textura de la imagen, por ejemplo,para cuantificar la suavidad y la tosquedad de lamisma. Aunque otras características no poseendicha propiedad directa, ellas contienen y codificaninformación visual relativa a la textura con unalto grado discriminatorio.La característica de Energía se trata del cálculodel segundo momento angular y representa unamedida de la “suavidad” de la imagen, es decir,si todos los pixeles comprendidos en la región deanálisis poseen el mismo nivel de gris, entoncesel valor de Energía será igual a 1 mientras que sise tienen todas las posibles parejas de niveles degris con igual probabilidad, entonces, la regiónserá menos suave y por lo tanto el valor de Energíaserá menor.El Contraste de la imagen es una medida dela variación local de los niveles de gris de la imagen.De hecho, Ʃ iƩ jp(i,j) es el porcentaje de parejasde pixeles cuya intensidad difiere por n. Ladependencia n 2incrementa aún más las grandesdiferencias; por lo tanto, el valor de esta característicatoma valores altos para imágenes con altocontraste.El Momento de Diferencia Inversa es una característicade textura que toma valores altos paraimágenes con bajo contraste debido a la dependenciainversa (i-j) 2 .La Diferencia de Varianza es una medida decuán grande es la variación existente en las magnitudesde las transiciones de intensidad. Por ejemplo,si hay distribución equilibrada de las magnitudesde las transiciones de intensidad, entoncesel valor de diferencia de varianza será bajo, mientrasque si ciertas magnitudes de las transicionesde intensidad ocurren con mucha más frecuenciade lo que otras transiciones entonces se esperaríaun valor de diferencia de varianza más alto.La Suma Promedio es una medida de la relaciónentre zonas claras y densas de la imagen, esdecir, es una medida del promedio de los nivelesde gris presentes en las zonas de interés detectadasal interior de la glándula mamaria.Sin embargo, la interpretación de cada una delas características mencionadas y su representacióndesde la concepción del sistema de visión humanoes producto de las pruebas que se realicenpara cada aplicación en particular[24][25][26].Con el cálculo de las cinco características detextura de Haralick mencionadas se generan lasmedidas suficientes para alimentar el clasificadordifuso de tal manera que se pueda discriminarcada ROI en una de las dos posibles clases definidasen la investigación: normal o anormal.B. Sistema de decisión difusoLos valores calculados de las características detextura de Haralick de las ROI detectadas se utilizanpara la identificación, clasificación y determinaciónfinal de las áreas con presencia de distorsión de laarquitectura de la glándula mamaria mediante unclasificador basado en lógica difusa.El método propuesto en este documento proponeel uso de la lógica difusa ya que ésta presentadiferentes ventajas pues al utilizar términos lingüísticospermite plantear el problema en los mismostérminos 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, Branch123Asimismo, el éxito de la lógica difusa radica enel hecho de que el mundo es difuso y, por lo tanto,podría pensarse que no tiene sentido buscarla solución a un problema no perfectamente definidopor medio de un planteamiento matemáticomuy exacto, cuando es el ser humano el primeroque razona con la inexactitud.Los componentes principales de un sistemade decisión difuso son: los conjuntos difusos, lasfunciones de membresía o pertenencia difusas ylas reglas difusas. Cada conjunto difuso tiene unafunción de pertenencia correspondiente. Los rangosde los valores de la función de pertenencia oscilanentre cero y uno y pueden ser consideradoscomo un grado de verdad. Normalmente las funcionesde pertenencia de los sistemas de clasificacióndifuso son de forma trapezoidal, triangulary curva S [27].En el método propuesto en este documento, adiferencia de las funciones de pertenencia tradicionalmenteutilizadas en la literatura, se utilizanfunciones de pertenencia con distribución gaussiana,es decir, en forma de campana de Gauss.Así, si se considera x una característica de texturacualquiera que puede ser medida sobre unaimagen. Si μ es la media de los valores de x definidospara un conjunto de imágenes dentro deuna misma categoría (normal ó anormal) y σ es ladesviación estándar del conjunto de valores de x.Se define el conjunto difuso con una distribucióngaussiana y la función de pertenencia, normalizadapuede ser expresada como se observa en (6):Los parámetros μ y σ se utilizan para definir condetalle las funciones de pertenencia a las clasesnormal o anormal para cada una de las medidasde textura calculadas. Sin embargo, si el númerode imágenes de entrenamiento es pequeño, losvalores de μ y σ pueden no reflejar las verdaderascaracterísticas del conjunto de imágenes propiasde una de las clases.Para el proceso de clasificación se generan inicialmentelas funciones de pertenencia calculandolos valores de μ y de σ usando los valores delas características de textura definidas. Así se generandiez funciones de pertenencia, cinco paracada una de las características de textura para elcaso normal y cinco para cada una de las cincocaracterísticas de textura para el caso anormal.En el método propuesto se utilizan reglas difusassimples del tipo:Regla i: Si x 1es C i1y…, x mes C iMentonces y esw idonde i es el número de la regla analizada (coni =1,2,...,N para N reglas), x 1,...,x Mson variables deentrada para el clasificador difuso, y es la salidadel clasificador difuso, c i1,...,c iMson etiquetas difusascorrespondientes a las variables de entrada, yw ies un número real del consecuente de la regladifusa.Las siguientes son las dos reglas usadas en eltrabajo investigativo descrito:Regla (1): Si el valor de energía es la media delos valores de energía de los casos normales y elvalor de contraste es la media de los valores decontraste de los casos normales y el valor de sumapromedio es la media de los valores de suma promediode los casos normales y el valor del momentode diferencia inversa es la media de los valoresde momento de diferencia inversa de los casosnormales y el valor de diferencia de varianza es lamedia de los valores de diferencia de varianza delos casos normales, entonces el caso es clasificadocomo normal con 99.9% de certeza.Regla (2): Si el valor de energía es la mediade los valores de energía de los casos anormalesy el valor de contraste es la media de los valoresde contraste de los casos anormales y el valor desuma promedio es la media de los valores de sumapromedio de los casos anormales y el valor del momentode diferencia inversa es la media de los valoresde momento de diferencia inversa de los casosanormales y el valor de diferencia de varianzaes la media de los valores de diferencia de varianzade los casos anormales, entonces el caso es clasificadocomo anormal con 99.9% de certeza.Estas dos reglas se pueden observar gráficamenteen la Fig. 3.Para el proceso de defusificación se utiliza elmétodo de centro de gravedad tradicionalmenteutilizado [22]. La función utilizada en la parte delconsecuente del sistema de decisión difuso, es untriángulo isósceles normalizado, es decir, cuyo valormáximo es la unidad, como se puede observaren la Fig. 3

124ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127Fig. 3. MODELO DE RAZONAMIENTO DIFUSO. REGLAS DIFUSASEl método de inferencia difusa se describe acontinuación:Si μ normal(Q 1), μ normal(Q 2), μ normal(Q 3), μ normal(Q 4) y μ normal(Q 5) son las respectivas funciones depertenencia con distribución gaussiana para elcaso normal y μ anormal(Q 1), μ anormal(Q 2), μ anormal(Q 3),μ anormal(Q 4) y μ anormal(Q 5) son las respectivas funcionesde pertenencia con distribución gaussianapara el caso anormal, la relación de tipo and enlas reglas difusas es el mínimo valor para μ normal(Q 1), μ normal(Q 2), μ normal(Q 3), μ normal(Q 4) y μ normal(Q 5)y para μ anormal(Q 1), μ anormal(Q 2), μ anormal(Q 3), μ anormal(Q 4) y μ anormal(Q 5) estarán definidos como:sado en lógica difusa son: los conjuntos difusos,las funciones de membresía o pertenencia difusasy las reglas difusas[27]. Cada conjunto difuso tieneuna función de pertenencia correspondiente.En el método propuesto se definen cinco variablesde entrada correspondientes a las medidasde las cinco características de textura de Haralickseleccionadas en la investigación, como se observaen la Fig. 4.Para cada una de las variables de entrada sedefinen dos funciones de pertenencia correspondientesa los casos normal y anormal.Debido a que el comportamiento de una característicade textura definida en cualquier imagenestá estadísticamente distribuida en forma gaussiana,las funciones de pertenencia se definen deacuerdo con (6).FIG. 4. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSAyFinalmente, se toma el centroide o centro demasa entre μ normaly μ anormal.Cuando μ normal=μ anormalse trata de un caso sobreel cual no se puede decidir y en el presentetrabajo de investigación se toma como una falla oerror de clasificación.IV. RESULTADOSComo se mencionó anteriormente los componentesprincipales de un sistema de decisión ba-En la Tabla II se relacionan los valores de lasmedias y desviaciones estándar para cada variablede entrada y para los casos normal y anormal. Unejemplo de una de las variables de entrada implementadascon sus dos funciones de pertenenciase puede observar en la Fig. 5.TABLA. II.Características de textura utilizadas y valores de media y desviación estándar calculados para el sistema de decisión difusoMediaDesviación EstándarCaracterística de Texturacaso normal caso anormal caso normal caso anormalSuma Promedio 7.2656 204.37 99.86 53.5Energía 0.13 0.00083 0.29 0.0014Diferencia de Varianza 49.17 140.44 52.87 29.54Momento de Diferencia Inversa 0.96 0.998 0.17 0.00043Contraste 49.17 140.44 52.87 29.54

Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch125FIG. 5. EJEMPLO DE LA VARIABLE DE ENTRADA DE LA CARACTERÍSTICADE CONTRASTE PARA EL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO Y LAS FUNCIO-NES DE PERTENENCIA ASOCIADAS A LA MISMAgeneral es la probabilidad de que el diagnósticoemitido por el método sea correcto y acorde conla situación real del paciente [27].Las tres medidas del comportamiento se definende la siguiente manera:Posteriormente se definen las clases de salidadel sistema de decisión difuso implementado.Para este caso se definen los conjuntos anormaly normal como clases de salida del sistema paralos casos de presencia y no presencia de la distorsiónde la arquitectura de la glándula mamariarespectivamente.Los conjuntos de salida se representan comouna función en forma de triángulo isósceles comose observa en la Fig. 6.FIG. 6. CONJUNTOS DE SALIDA DEL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSOEn la Fig. 6 se observan las funciones de pertenenciadel conjunto de salida con las clasesnormal y anormal definidas. Para los casos conpertenencia a la clase anormal la salida estará enel rango [-1 0] y para los casos con pertenencia ala clase normal la salida estará en el rango [0 1].Finalmente, se define el sistema de decisióndifuso de tipo Mandani y se establecen las reglasdifusas definidas anteriormente.El comportamiento del método propuesto seevalúa en términos de la sensibilidad, especificidady precisión general. La sensibilidad es la probabilidadde un diagnóstico positivo dado el casode una paciente con distorsión de la arquitecturade la glándula mamaria. La especificidad es la probabilidadde un diagnóstico negativo dado el casode una paciente que no presenta distorsión de laarquitectura de la glándula mamaria. La precisióndondeVP=Verdadero PositivoVN=Verdadero NegativoFP=Falso PositivoFN=Falso NegativoCon la extracción de las características de texturade las ROI identificadas y la clasificación delas mismas con un sistema de decisión basado enlógica difusa para asociarlas a las clases anormalo normal según presentaran o no distorsión de laarquitectura de la glándula mamaria respectivamente,se encuentran valores significativos en laprecisión general del método.A continuación se relaciona en la Tabla III delos datos para las variables de comportamientodel método presentado en este documento.TABLA. III.Resultados del método de detección propuestoVP FP VN FN44 12 112 4A partir de los datos de la Tabla. III. se puedencalcular los siguientes valores para las variablesde comportamiento: Sensibilidad 91.7%, Especificidad90.3% y Precisión General 90.7%.Los tres valores obtenidos en las medidas decomportamiento del método propuesto superan el90% de precisión general lo cual hace de este métodouna herramienta de apoyo para la detecciónde distorsiones de la arquitectura de la glándulamamaria comparable con los trabajos publicadospor otros autores, sin embargo realizar un análisiscomparativo a niveles más detallados resulta bastantedifícil ya que en cada investigación reporta-

126ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127da los conjuntos de datos e imágenes varían deun trabajo a otro.V. CONCLUSIONESLos resultados del desempeño del método demuestranque debido al grado de incertidumbreinmerso en los diagnósticos que se hacen a partirde las radiologías de mama, el uso de un sistemade decisión diferente a los clasificadores clásicosreportados en el estado del arte, como el casodel sistema de decisión basado en lógica difusaimplementado en el presente estudio, permite alcanzarniveles de precisión general cercanos a un90%. Lo cual, considerado que se utilizó una basede datos de dominio público, hace del métodopropuesto una línea base de investigación en eltema de la detección de distorsiones de la arquitecturade la glándula mamaria.Asimismo, el método presentado puede serusado en diferentes escenarios clínicos paradiagnóstico y seguimiento de patologías dondese presente alteración de la distribución normalde tejidos como, por ejemplo, en el tratamientoy evolución de quemaduras. Además, según losresultados obtenidos para la detección de la distorsiónde la arquitectura de la glándula mamaria,puede plantearse la extensión del método parala detección de otras anomalías de la mama quepueden ser vistas a través de la mamografía comolas micro-calcificaciones, las masas y las asimetríasde densidad.Por otra parte, aunque las pruebas realizadasmuestran resultados de precisión superiores al90%, es importante una segunda validación alutilizar, por ejemplo, un conjunto de imágenesdiferente a la base de datos DDSM que permitaevaluar con más precisión el comportamiento delmétodo propuesto.Siempre será deseable incrementar los porcentajesde sensibilidad, especificidad y precisióngeneral, en los sistemas de diagnóstico asistidopor computador. Por esta razón para trabajos futurosse podría realizar un proceso de afinaciónde las funciones de pertenencia propias de losconjuntos difusos propuestas en este documento,a través del afinamiento de los parámetros dedichas funciones de pertenencia al aplicar, porejemplo, algoritmos genéticos como se sugiere en[27].Finalmente, el método de detección de distorsionesde la arquitectura de la glándula mamariadesarrollado, resulta ser una base importantepara la investigación aplicada, ya que los resultadosobtenidos a nivel de precisión general hacenposible que se pueda llevar a un entorno real y encontraraplicación local o regional incluso ampliadoel alcance del mismo método, para que ademásde asistir a los radiólogos en el momento dela evaluación de las mamografías, también sirvacomo herramienta de entrenamiento de nuevosespecialistas y como instrumento para la mediciónde la calidad del servicio diagnóstico prestadopor los radiólogos ya expertos.REFERENCIAS[1] E. Coto, “Método de Segmentación de Imágenes Médicas,”2003.[2] Instituto Nacional de Cancerología, “Casos nuevos decáncer de mama, según estadio clínico al ingreso y régimende afiliación.” 2009.[3] F. R. Narváez E., “Sistema de Anotación para Apoyoen el Seguimiento y Diagnóstico de Cáncer de Seno,”Universidad Nacional de Colombia, 2010.[4] American College of Radiology (ACR), Breast ImagingReporting and Data System, 4th ed. 2003.[5] A. M. Knutzen and J. J. Gisvold, “Likelihood of malignantdisease for various categories of mammographicallydetected, nonpalpable breast lesions.,” in MayoClinic 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 distorsionesde la arquitectura de la glándula mamaria apartir de imágenes radiológicas,” Universidad Nacionalde Colombia, 2012.[8] M. D. Phillips, “Invasive Lobular Breast Carcinoma:Pathology And Genetics Reflected By MRI,” The World-Care 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 mammographicarchitectural distortion based on concentrationof mammary gland,” in International CongressSeries, 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, Branch127ring routine screening mammography: a communitybasedstudy,” 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, andH. N. Du, “Approaches for automated detection andclassification of masses in mammograms,” PatternRecognition, 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 breastcancer with mammography: Recent advances,” InformationTechnology in Biomedicine, IEEE Transactionson, Vol. 13, No. 2, pp. 236–251, 2009.[14] R. M. Rangayyan and T. M. Nguyen, “Fractal Analysis ofContours of Breast Masses in Mammograms,” Journalof 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 methodsfor architectural distortions around skinline and withinmammary gland on mammograms,” International CongressSeries, vol. 1256, no. 0, pp. 950–955, Jun. 2003.[22] T. Nakashima, G. Schaefer, Y. Yokota, and H. Ishibuchi,“A weighted fuzzy classifier and its application toimage processing tasks,” Fuzzy sets and systems, Vol.158, No. 3, pp. 284–294, 2007.[23] H. Ishibuchi and T. Nakashima, “Effect of rule weightsin 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, “TexturalFeatures for Image Classification,” IEEE Transactionson Systems, Man and Cybernetics, Vol. 3, No. 6,pp. 610–621, Nov. 1973.[25] M. Amadasun and R. King, “Textural features correspondingto textural properties,” IEEE Transactions onSystems, Man, and Cybernetics, vol. 19, no. 5, pp.1264–1274, Oct. 1989.[26] H. Tamura, S. Mori, and T. Yamawaki, “Textural FeaturesCorresponding to Visual Perception,” IEEE Transactionson Systems, Man and Cybernetics, Vol. 8, No. 6,pp. 460–473, Jun. 1978.[27] D.-Y. Tsai and K. Kojima, “Measurements of texturefeatures of medical images and its application to computer-aideddiagnosis in cardiomyopathy,” 2005.[16] N. Eltonsy, G. D. Tourassi, and A. Elmaghraby, “Investigatingperformance of a morphology-based CAD schemein detecting architectural distortion in screeningmammograms,” 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 studyon the computerized fractal analysis of architecturaldistortion in screening mammograms,” Physics inMedicine 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 priorscreening mammograms using Gabor filters, phaseportraits, fractal dimension, and texture analysis,”International Journal of Computer Assisted Radiologyand 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 mammogramsacquired prior to the detection of breast cancerusing texture and fractal analysis,” in Proceedingsof SPIE, 2008, Vol. 6915, p. 691529.[20] R. M. Rangayyan, S. Banik, and J. E. L. Desautels,“Computer-aided detection of architectural distortionin prior mammograms of interval cancer,” Journal ofDigital Imaging, Vol. 23, No. 5, pp. 611–631, 2010.[21] S. Russell, Inteligencia Artificial - Un Enfoque Moderno,2nd ed. 2004.

Control de Temperatura para un Sistema deTanques Acoplados utilizando Autómatas FinitosCoupled tanks system temperature control using finite automataNathalie Cañón ForeroIngeniero en Mecatrónica.Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.Auxiliar de Investigación.Universidad Militar Nueva Granada.U1800871@unimilitar.edu.coJenny Gutiérrez CalderónIngeniero en Mecatrónica.Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.Joven Investigador.Universidad Militar Nueva Granada.gav@unimilitar.edu.coDiego Rodríguez MoraIngeniero en Mecatrónica.Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.Auxiliar de Investigación.Universidad Militar Nueva Granada.U1800941@unimilitar.edu.coDarío Amaya HurtadoPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.Docente de Tiempo Completo Líder de Grupo GAV.Universidad Militar Nueva Granada.Bogotá, Colombiagav@unimilitar.edu.coÓscar Avilés SánchezPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.Director de programa de MecatrónicaUniversidad Militar Nueva Granada.Bogotá, Colombiaoscar.aviles@unimilitar.edu.coResumen— En este trabajo se realizó, el modelado y diseñodel sistema de control de la variable temperatura,en un tanque de almacenamiento de agua. Teniendo encuenta la arquitectura híbrida del sistema (relación dela dinámica continua y la dinámica a través de eventos),para esto fue utilizado autómatas finitos como herramientade modelado y control.Inicialmente se obtuvo el modelo matemático, quecorresponde a la dinámica continua, de la variable detemperatura del líquido que se encuentra en el tanque,agua. Por otro lado, para modelar el comportamiento delas variables que responden en función de eventos, setomó en cuenta los posibles estados del sistema. Posteriormente,se establecieron los requerimientos y restriccionesdel sistema que surgieron a partir del análisis, loscuales complementan el comportamiento de la misma,se obtuvo la representación del proceso y su control, enun concepto de dinámica hibrida, mediante autómatasfinitos. Este modelo se simuló con la herramienta StateFlowde Simulink de MATLAB® y se implementó en unsistema embebido Cyclone II. Previo a estos resultados,se realizó un controlador tipo PID para realizar la comparaciónde los comportamientos obtenidos en cada caso.Se verificó que es una técnica de fácil uso e implementacióncon gran eficiencia en tiempos de respuesta.Palabras clave— Autómata Finito, Sistema Hibrido, sistemaembebido.Abstract— This work was performed, modeling and controlsystem design variable temperature in a water storagetank. Given the hybrid architecture of the system (ratio ofcontinuous dynamics and the dynamics through events),was used finite automata as a tool for modeling and control.Initially, the mathematical model was obtained, whichcorresponds to the continuous dynamic, variable temperatureliquid in the tank, which in this case is water.This model is described by differential equations. Onthe other hand, for model the behavior of the variablesthat respond in terms of events was taken into accountthe possible states of the system. However, the developmentrequirements and restrictions system that emergedfrom the analysis, which complement the analysisof the same, obtaining the representation of the processand control, a dynamic hybrid concept, using automatafinite. This model was simulated with Stateflow toolof MATLAB ® Simulink and implemented in a Cyclone IIembedded system. Prior to these results, we performeda PID controller for the comparison of the behavior obtainedin each case. Verifying that the technique is easyto use and implement with high efficiency in responsetimes.Keywords— Finite automaton, hybrid systems, embeddedsystem.I. INTRODUCCIÓNUn sistema hibrido es un sistema dinámicoque tiene transferencia en estados discretos y variaciónen estados continuos. El comportamientodinámico de la parte continua se describe por mediode 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,Aviles129tras que el comportamiento dinámico de la partediscreta, se puede modelar por autómatas finitoso por redes Petri [1]. Cuando ocurre un evento discreto,el sistema describe el cambio dinámico delcomponente continuo [2].El análisis del comportamiento dinámico delsistema hibrido se puede verificar bajo ciertascondiciones iniciales y señales de entrada y verificasi el sistema cumple con ciertas reglas. Lossistemas híbridos son usados, por ejemplo, en losmodelos de procesos continuos que son controladospor controladores lógicos o sistemas embebidos[3].Al usar modelos híbridos para representar elcomportamiento de los sistemas que combinanprocesos de tipo continuo o discreto, se hace unareducción de la complejidad del modelo en orden,por ejemplo, en lugar de tener que representar lasrelaciones dinámicas a partir de un conjunto deecuaciones diferenciales no lineales de orden superior,se puede representar el mismo sistema porun conjunto de ecuaciones simples, usualmentela teoría de grafos es la más común para el modeladofísico de fenómenos. [4]Con el fin de tener un buen control sobrelos distintos procesos en las industrias y otrasáreas, ha sido necesario diseñar e implementardiferentes técnicas que permitan acceder a unmanejo completo de las situaciones, entornosy maquinarias. Una de las prácticas que ha empezadoa tener gran auge dentro de los métodospara realizar control en diferentes áreas, es elcontrol por medio de autómatas finitos. Este esun método que permite disponer una máquina deestados que tiene la tarea de controlar determinadoseventos [5].Los autómatas finitos simples implícitamentese han utilizado en las máquinas electromecánicashace más de un siglo. Una versión formal deellas apareció en 1943 en McCulloch-Pitts modelosde redes neuronales. (Un análogo antes habíaaparecido en las cadenas de Markov.) Un trabajointensivo sobre ellos en la década de 1950 (a vecesbajo el nombre de las máquinas secuenciales)estableció muchas propiedades básicas, incluidala interpretación de los lenguajes regulares y equivalenciade las expresiones regulares [6].Los autómatas se comenzaron a implementaren las áreas que requiriesen de procesos coneventos o características discretas, en donde estatécnica resulta más útil y sencilla. Otro espacio enel que se usa esta metodología es en los sistemasde analizadores sintácticos, en donde el uso deexpresiones regulares es masivo, esta es otra delas características principales de los autómatas[7].Sin embargo, esta técnica también se aplicaampliamente en el análisis y modelado de sistemashíbridos, donde la reducción en la complejidaddel orden de dicho modelo es muy notoria, deahí la importancia de su utilización. [8]Un autómata finito es básicamente un reconocedorpara un lenguaje, donde se tiene comoentrada una cadena de caracteres pertenecientesa cierto sistema alfabético definido previamente y,luego de acuerdo a esa cadena de entrada el autómataprocede a llevar una secuencia de eventoscondicionados por los estados y sus respectivasentradas [9]. Un autómata finito es el modelo quees representado como una máquina secuencial,el cual es capaz de generar una palabra de salidadada una palabra de entrada. Para ello, se defineun conjunto de estados que “memorizan” la partede la palabra de entrada leída en cada momentoy generan al mismo tiempo que transitan entre losestados, una salida. Se puede ver como un autómataque tiene dos cintas asociadas: una quelee las palabras de entrada, y otra de salida, enla que genera la respuesta del sistema. Pasa deun estado a otro, o al mismo estado, por medio deuna condición y este ciclo se termina cuando llegaal estado final [10].Surge la necesidad de aplicar nuevas técnicasde control e implementación del mismo, que permitaalcanzar un mayor desarrollo en distintas ramasde la ingeniería y las ciencias en general. Elmétodo de los autómatas finitos representa unasimplificación en comparación con las técnicasusadas en el control clásico, y la implementaciónen el sistema embebido implica una reducción decostos con respecto a la utilización de un computador,y un aumento de confiabilidad en relación asistemas como los Microcontroladores [11].Un sistema embebido es un sistema cuyafunción principal no es computacional, pero escontrolado por un computador integrado. Estecomputador puede ser un Microcontrolador o unMicroprocesador. La palabra embebido implicaque se encuentra dentro del sistema general,

130IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134oculto a la vista, y forma parte de un todo de mayoresdimensiones [12]. La Fig. 1 muestra el esquemade un sistema embebido.Fig. 2. CAD DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUAFig. 1. EJEMPLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO [10]De acuerdo a lo anterior se plantea el objetivode controlar la variable temperatura de un sistemade tanques acoplados mediante autómatasfinitos, y con esto, implementar luego el controlsobre un sistema embebido. Este trabajo explicarála metodología, el diseño global, la implementacióncon los resultados obtenidos de aplicaciónde la técnica de autómatas finitos.Fig. 3. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA SIN CONTROLII. MéTODOA. Comportamiento real de la plantaPor medio del método experimental, se dará aconocer de forma clara la descripción de la plantade tanques acoplados. Este sistema consta deun tanque de almacenamiento que contiene unfluido, y es donde se lleva a cabo un proceso decalentamiento y enfriamiento del agua.Esta planta consta de un tanque, una resistencia,y un sensor, ver Fig. 2, los cuales llevana cabo el proceso. Las variables a controlar sontemperatura y flujo de calor. Los aspectos que setienen en cuenta en el análisis son los parámetrosdel sistema: la resistencia y la capacitanciatérmica.El comportamiento que muestra la planta ensu estado inicial, sin ningún tipo de control esel que se ve en la Fig. 3. Allí se observa que latemperatura del agua dentro del tanque subeaproximadamente hasta los 100 grados Celsius(siendo el eje vertical el valor en grados de latemperatura), donde el sistema se estabiliza.Acorde al comportamiento de la planta, se buscaque la respuesta de la variable temperatura oscileentre 75 y 76°C, y que se mantenga allí por eltiempo sea necesario. El fluido dentro del tanquetiene una altura aproximada de 0.20m.B. Modelo matemático del sistemaParte ContinuaPara el modelo del sistema térmico se tomó encuenta la ecuación diferencial de transferencia decalor (1).En donde q ies la entrada de flujo de calor queinduce la resistencia dentro del tanque, C es lacapacitancia del tanque, R es la resistencia del

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya,Aviles131material que va a cubrir el fluido, y θ es la temperatura.R está definida, como en (2).El comportamiento del sistema cuando la resistenciaestá encendida, por consiguiente en (9)se define:El sistema analizado por convección térmica,por lo tanto K, se define en (3)El análisis se basa en la transferencia de calorde la resistencia hacia el agua, el fluido adicionaparámetros al sistema, y estos se relacionan enla Tabla I.Masa (m)TABLA I.PARÁMETROS DEL FLUIDODATOS DE EL AGUA CONTENIDA EN EL TANQUEPARA UNA ALTURA DE 0.20 mCoeficiente de Convención del fluido (H)Área normal del flujo de calor (A)14.72kg32.76 kcal / m 2 s °C0.36308m 2Según lo anterior, el valor para la resistenciaR es (4):De acuerdo a los datos obtenidos, se determinaque la capacitancia C es (5):Parte DiscretaLos estados discretos del sistema son:• Estado de la resistencia del tanque encendida(S1)• Estado de la resistencia del tanque apagada(S2)C. AUTÓMATA FINITOEn el diseño del autómata finito se crean losdos estados en los que se desea que esté el sistema.Se considera que el autómata empieza a funcionarcuando la temperatura inicial sea de 21ºC,lo que indica que esta en el estado S1, dentro deéste la resistencia está encendida, y la ecuaciónque describe el comportamiento del sistema en(9), cabe resaltar que la temperatura del liquidodel tanque se incrementa en el estado S1. Cuandola variable alcanza un valor de 75ºC, el sistemacambia al estado S2, la resistencia se apaga y, porende, la ecuación del comportamiento correspondea (8) y la temperatura desciende. Los estadossimulados en Matlab ® se muestra en la Fig. 4.Fig. 4. AUTÓMATA PARA EL SISTEMA TÉRMICOEl 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 sistemaestá perdiendo calor, se representa la ecuación(7):El comportamiento del sistema está descritopor la ecuación (8):De acuerdo a la condición de la temperaturadel medio, el sistema cambia de estado, así semantiene que la variable temperatura oscile de75 y 76 grados Celsius en tanque de almacenamiento.Para la simulación del autómata, se usa Chart,es una herramienta de la librería de Simulink deMatlab ® que permite la simulación de los estados,como se muestra en la Fig. 5.En el bloque de funciones (off/on) se introdujeronlas ecuaciones de la parte continua que estánen función de , se integran por medio delbloque .

132IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134Fig. 5. MODELADO DE AUTÓMATA FINITOD. CONTROL PIDDe acuerdo con el modelo de la parte continua,se realizó el control PID del sistema térmico,cuya función de transferencia se muestra en laecuación (10)En el bloque de Chart en la Fig. 6 se introduceel autómata y se evalúa si el estado es encendidoo apagado.Se obtuvieron las siguientes constantes en 11:k p=15k i=0,6k d=1,6(11)Se simuló en la misma herramienta. ObservarFigura 8.Fig. 8. CONTROLADOR PID MODELADO EN SIMULINK DE MATLAB ®Fig. 6. BLOQUE DE CHARTLa respuesta del sistema con el controladorPID es sub-amortiguada, como se muestra en laFig. 9.Fig. 9. RESPUESTA DEL SISTEMA TÉRMICO CON CONTROLADOR PIDLa respuesta del sistema térmico con el controlde autómatas finitos se observa en la Fig. 7.Fig.7. SISTEMA CONTROLADO POR AUTÓMATAS FINITOSIII. IMPLEMENTACIÓN EN EL SISTEMAEMBEBIDOEl control diseñado por autómatas finitos parael tanque de almacenamiento, se implementó enuna FPGA Cyclone II de Altera ®. Esta tarjeta tienela facilidad que tiene su propio software llamadoQuartus II, y trabajó bajo el lenguaje de programaciónVHDL. En este sistema es necesario realizaruna secuencia para programar el sistema embebidoque se muestra en el Diagrama 1.

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya,Aviles133DIAGRAMA 1. SECUENCIA DE DISEÑO EN FPGADe acuerdo a las etapas definidas, se realiza lasíntesis, la compilación del código y se convierteen el lenguaje de acuerdo a la tarjeta que se utiliza.Ver Fig. 11.Fig. 11 SÍNTESIS DE PROGRAMADebido a la aplicación no se realizó la divisiónen módulos ya sea en top-dow y buttom-up. Estametodología consiste, en donde el diseño complejose divide en diseños más sencillos que sepueden describir más fácilmente. Mientras quela metodología bottom – up consiste en construirun diseño complejo a partir de módulos, ya diseñadosmás simples. En la práctica, el diseño usageneralmente ambas metodologías [13].Los datos procedentes del tanque de almacenamientoa la tarjeta, se tienen tanto los digitales(on/off de la resistencia) como los análogos, quese obtiene de la señal linealizada del sensor PT100 que tiene una variación de 2,095 V (75 ° C)y 2,340 V (21 ° C), el voltaje y la temperatura soninversamente proporcional.El sistema embebido no tiene conversor ADC, locual fue necesario anexar un integrado ADC0804,la implementación se muestra en el esquema dela Fig. 10. Con el conversor se obtiene una señalde 8 bits. Debido a que el cambio es pequeño,se decidió usar como referencia 2,45 V para unamayor sensibilidad. Una vez digitalizado el dato,se procede en realizar el programa. Se crea unaseñal de salida que dará ON/ OFF de la resistenciatérmica. 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 ADC0804Se procede a hacer la designación de los pines,con Pin Planner (Ver Fig. 12), que permite direccionarcada componente de los vectores.Fig. 12. PIN PLANNERPara la asignación de pin de salida, se muestraun ejemplo en la Fig. 13, el cual indica que la resistenciadebe encenderse.Fig. 13. EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE PINES EN PIN PLANNER

134IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134Luego se enruta los pines anteriormente seleccionados,y se genera los archivos con los que seva programar el sistema embebido. Una vez realizadoeste procedimiento se implementa el controlen tarjeta.Como se muestra en la Fig. 14, en el sistemaembebido para este caso en el tanque hay unatemperatura de 66°C y como lo indica el led decolor verde la parte inferior derecha de la tarjeta,la resistencia térmica está encendida.Fig. 14. FPGA EN FUNCIONAMIENTOoptimizados para resolver un problema en específico.IV REFERENCIAS[1] Zhang Si-Bing, Chen Jie, Wang Ya. “A formal verificationmethod of hybrid system and simulation”, in Proc.3 rd IEEE International Conference on Computer Scienceand Information Technology (ICCSIT). Conf., pp.411-415[2] R. Alur, T. Henzinger, G. Lderriere, and G. Pappas. DiscreteAbstractions of hybrid systems. In Proceedingsof IEEE, volume 88, pages 971-984, 2000.[3] Nedialkov N. Mohrenschildt M. “Rigorous Simulationof Hybrid Dynamic Systems with Symbolic and IntervalMethods”, in Proc. American Control Conference, Proceedingsof the 2002. Conf., pp 140-147.[4] Fourlas F., Kyriakopoulos K., Vournas C. “Hybrid systemmodeling for power system”, IEEE Circuits andSystems Magazine, Vol. 4, no. 3, pp 16-23. Oct. 2004[5] Alberto M., Schwer I., Cámara v., Fumero Y. MatemáticaDiscreta: Con aplicaciones a las ciencias de la programacióny computación, Argentina, Ed. UNL, 2005.[6] WOLFRAM S. Anew Kind of Science, Estados Unidos,Ed. Wolfram Media; 2002.IV. CONCLUSIONESLa representación del proceso se realizó, teniendoen cuenta la interacción de la dinámicacontinua y la dinámica a través de eventos, utilizandoautómatas finitos.El control implementado por autómatas finitos,permitió reducir el número de orden de la ecuacióndiferencial, lo que facilita el análisis del sistema.Se realizó satisfactoriamente la implementacióndel control ON/OFF de la resistencia térmicadel tanque de almacenamiento, que comparadocon el controlador PID el tiempo de respuesta esmás efectivo.Con la simulación realizada se comprueba queen los sistemas híbridos, se puede implementar elautómata finito, y se observa que el cambio de estadodel sistema discreto muestra el cambio o elcomportamiento de la variable continua que parael caso es la temperatura.La implementación del control por autómatasfinitos en un sistema embebido, no es necesariodedicar un computador para controlar un sistema,ya que estos están específicamente diseñados y[7] HOPCROFT J., MOTWANI R., ULLMAN J. Introducción ala teoría de autómatas, lenguajes y computación, España,Ed. ADDISON-WESLEY; 2002.[8] CRUZ B., LARA E. Control híbrido de un sistema electromecánicode llenado de botellas. En Congreso Nacionalde Control Automático A.M.C.A, Universidad Autónomade Nuevo León, Monterrey, 24-26 Oct. 2007.[9] Cruz B., Avilés J., Lara E. “Diseño de un controladorbasado en el modelo del autómata híbrido”, Revistaacadémica 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”, RevistaAcadémica de la FI-UADY, Vol.10, no.2, pp. 5 15.May/ Ag. 2006[11] Hrúz B., Zhou M. Modeling and control of discrete-eventdynamical systems, Londres, Ed. Springer-Verlag, 2007[12] Wilmshurst T. An Introduction to the Design of SmallScale 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 Ingenieríadel Software: Modelos de desarrollo de programas,España, Ed. Delta Publicaciones, 2005.

Instrucciones a los autoresRevista ITECKNEInstrucciones Generales• Los artículos deberán ser enviados en formato digital al correo electrónico e-mail: iteckne@gmail.com.Los trabajos se aceptan para la publicación previo proceso de revisión de su calidad académica ycientífica.• Todo artículo postulado para publicación debe ser original o inédito, y no puede estar postulado para publicaciónsimultáneamente en otras revistas. En la página web de la Revista Iteckne se halla disponible ladeclaración de originalidad y cesión de derechos, que los autores deberán diligenciar y enviar al ComitéEditorial, junto con el artículo. La revista Iteckne requiere a los autores que concedan la propiedad de susderechos 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 elnúmero 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 cualquiertecnología, 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 rechazadosin 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 rechazarun trabajo es definitiva e inapelable.• Los trabajos pueden ser rechazados en esta primera evaluación porque no cumplen con los requisitosde redacción, presentación, estructura o no son suficientemente originales y/o pertinentes con la publicacióna editar. Los trabajos que son aceptados en esta primera etapa, son enviados a los paresacadémicos externos (árbitros) expertos en el área respectiva, cuyas identidades no serán conocidaspor 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 versióncorregida para lo cual disponen del tiempo que le indique el Comité Editorial. Los autores deben remitirla nueva versión con una carta física o correo electrónico en la que expliquen detalladamentelos cambios efectuados, de acuerdo con las recomendaciones recibidas. El Editor junto con el ComitéEditorial determinarán su aceptación, considerando el concepto de los evaluadores y las correccionesrealizadas por el(los) autor(es).• Los árbitros realizarán la evaluación de acuerdo al formato correspondiente establecido por la revistay 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 argumentosque 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 artículopodrá 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 publicaciónen otros medios. El contenido de cada artículo es responsabilidad exclusiva de su(s) autor(es)y no compromete a la Universidad.

136IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 135 - 137Forma de Presentación de los Artículos.Todos los documentos postulantes a ser publicados deberán tener las partes requeridas y cumplir conlos apartados descritos a continuación:De las partes del documentoEl documento debe contener: Titulo, Title, Autor (es), Resumen, Palabras clave, Abstract, Keywords, Introducción,Contenido del documento, Conclusiones, Apéndice(s), Agradecimientos, BibliografíaDe la redacciónPara lograr un buen estilo se recomienda respetar rigurosamente la sintaxis, la ortografía y las reglasgramaticales pertinentes. Se debe redactar en forma impersonal (la forma impersonal corresponde a laforma reflexiva, por ejemplo: se hace, se define, se definió, se contrastó). El trabajo debe estar exento deerrores dactilográficos, ortográficos, gramaticales y de redacción. Para resaltar, puede usarse letra cursivao 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 textocomienza 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 de25 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 sedesea 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 lasconclusiones del documento. Los agradecimientos, apéndices y referencias bibliográficas, no son consideradascomo Secciones numeradas del documento.• Las tablas deberán llevar numeración continua, comenzando en Tabla I., referenciando posteriormentesu título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la tabla con tabulacióncentral, en tipo de letra Arial, tamaño 8. (Ver plantilla revista Iteckne).• Las Figuras deberán llevar numeración continua, comenzando en Fig. 1. referenciando posteriormentesu título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la figura, con tabulacióncentral, en tipo de letra Arial, tamaño 8. Nótese que “Fig.” se ha escrito abreviada y hay dobleespacio antes del texto.• Las figuras incluidas en el contenido del artículo deben ser originales, suficientemente claras, parafacilitar la edición de la revista.• Todas las figuras deben ser enviadas por separado en formato jpg con una resolución entre 240 y 300dpi (puntos por pulgada).• Las tablas y figuras del documento, deberán ir referenciadas en el cuerpo del artículo. Dicha referenciadebe 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 enumeradasconsecutivamente (Número entre corchetes [1], y con el siguiente formato:

Instrucciones a los autores Revista ITECKNE137Artículos de revistas científicasAutor(es), Nombre de la publicación, Título de la revista, Volumen, Número, páginas y año. Deben iren fuente Arial, Tamaño 7.Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution systemprotection,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.LibrosAutor, Nombre del libro, Edición, Editorial, Año, páginas.Ejemplo: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, vol. I. New York: Wiley, 1950, p. 81.• En cuanto a las abreviaturas y símbolos, deben utilizarse solo abreviaturas estándar, evitando utilizarlasen el título y el resumen. El término completo representado por la abreviatura debe preceder dichaabreviatura 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 Arial10, 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 JournalGeneral instructions• The articles must be sent in digital format to the following email address: iteckne@gmail.com. Theiracademic 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 forpublication simultaneously in other journals. The declaration of originality and copyright assignmentis available in the Iteckne Journal webpage. The authors must sign it and send it to the PublishingCommittee, along with the article. The Iteckne journal requires the authors to grant the property oftheir author’s rights, so that their article and materials are reproduced, published, edited, fixed, communicatedand publicly transmitted in any form or means, as well as their distribution in any requirednumber of units and their public communication, in each of their modalities, including putting them atthe disposal of the public through electronic, optical or any other means of technology, for exclusivelyscientific, cultural, broadcasting and nonprofit aims.• The Publishing Committee makes a first evaluation, after which the work can be rejected without anyadditional evaluation or accepted for evaluation of the external academic pairs. The previous statementdoes not assure the immediate publication of the article. The decision to reject a work is definitive andunquestionable.• 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, theevaluating 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 theauthor/s along with the recommendations from the referees so that he/they prepare a new correctedversion within the time indicated by the Publishing Committee. The authors must send the new versionwith a physical letter or an e-mail in which they explain in detail the changes made, in accordance withthe received recommendations. The Publisher along with the Publishing Committee will determine itsacceptance, 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 thejournal and they will only publish the articles with over 35 points in the qualitative qualification scalefrom 1 to 50.• The authors will always be informed about the results of the process of evaluation that sustain the decisionof 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, incase 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 theirauthors and not the University’s.

Instructions to the authors, ITECKNE Journal139Presentation of ArticlesAll articles applying to be published must have the requirements described below:Concerning the parts of the documentThe document must contain: Title, Author/s, Summary, Abstract, Keywords, Introduction, Content of thedocument, Conclusions, Appendix (s) Acknowledgements, BibliographyConcerning the writingIn order to obtain a good style it is recommended to respect the syntax, spelling and grammar rulesrigorously. 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; leftand right, 25 mm.• The document must be in two-column format with a central space of 4.3 mm (see template in Itecknejournal).• 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 conclusionsof the document. The acknowledgements, appendices and bibliographical references, are notconsidered as numbered sections in the document.• The tables will take continuous numbering, beginning with Table I., referencing afterwards their title, inall 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, inall caps, located at the top part of the figure with center tab, in Arial 8. Note that " Fig." has been writtenabbreviated 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 thejournal.• Every Figure and Table included in the paper must be referred to from the text (Source: XXX). Thesereferences 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 betweensquare brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal):

140IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 138 - 140Articles for scientific journals:Author/s, Name of the publication, Title of the journal, Volume, Number, pages and year. They mustgo in Arial 7.Example: J.F. Fuller, E.F. Fuchs, and K.J. Roesler, “Influence of harmonics on to power distributionsystem 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 themin the title and the summary. The complete term represented by the abbreviation must precede thisabbreviation 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 Microsoftequation editor.• The article must have a minimum of 4 pages and a maximum of 20 pages, in the format establishedby the journal.

ContenidoRevista ITECKNE Vol 9 Nº 2 julio - diciembre de 2012Editorial...........................................................................................................................................................................5Luis Ómar Sarmiento ÁlvarezARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓNAnálisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de ColombiaPerformance analysis of the IEEE802.11 for the conectivity of rural zones in Colombia..........................................7Óscar Gualdrón González,Ricardo Andrés Díaz SuárezAnálisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line CommunicationsAnalysis about behavior of the Throughput in LAN networks under technology Power Line Communications........22Juan Carlos Vesga Ferreira, Gerardo Granados AcuñaPerformance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11Networks – Study of Case for the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares en redes IEEE 802.11- Caso de Estudio Red QRD..........................................................................................................................................33Evelio Astaiza Hoyos, Diego Fernando Salgado Castro, Héctor F. Bermúdez OrozcoArquitectura funcional para la implementación de mobile IPTV sobre redes LTE y LTE-avancedFunctional architecture for the implementation of Mobile IPTV over LTE and LTE-Avanced networks...................40Diego Fernando Rueda Pepinosa, Zoila Inés Ramos RodríguezMultilistas aplicadas a la implementación de un parseador de XML para la definiciónde XPDL 2.2 en objective c para iosMultilists applied to an XML parser implementation in Objective C for iOS for XPDL 2.2 standard.......................52Daniel Iván Meza Lara, Óscar Elías Herrera Bedoya, Leidy Andrea Ruiz RodríguezMedida simultánea de rotaciones y traslaciones de un objeto en el plano a partir de la informaciónde fase de una rejilla radialSimultaneous measurement of the rotation and traslation of an object in the plane using phaseinformation of a radial grid..........................................................................................................................................62Luis Alejandro Galindo Vega, Jaime Enrique Meneses Fonseca, Camilo Andrés Ramírez Prieto,Jaime Guillermo Barrero PérezInfluence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre la producción de metanoa partir del bagazo de fique.........................................................................................................................................72Liliana del Pilar Castro Molano, Humberto Escalante Hernández, Carolina Guzmán Luna

Evaluation of operating and mixing conditions of a polymer dispersion co-vinylAcetate and ester acrylic to obtain recovered leatherEvaluación de las condiciones de mezclado de una dispersión co-poliméricaDe vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos de cuero.................................................................................78Danny Guillermo Cañas Rojas, Jorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.Sc, Mario Álvarez Cifuentes, Ph. DEvaluación computacional del flujo a través de membranas porosas.....................................................................85Computational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López Montoya, César Nieto Londoño, Mauricio Giraldo OrozcoModelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisiónal Estado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery: Review for the actualtecnology.......................................................................................................................................................................95José Ulises Castellanos, Carlos Alberto Guerrero Fajardo, Fabio Emiro Sierra VargasControl PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicacionesen microscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head position control to be usedin optical microscopy..................................................................................................................................................106Paula Andrea Ortiz Valencia, Lorena Cardona RendónSistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones dela Arquitectura de la Glándula MamariaDecision System Based on Fuzzy Logic for Detection of Architectural Distortion..................................................118Duván Alberto Gómez Betancur, John Willian Branch BedoyaControl de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas FinitosCoupled tanks system temperature control using finite automata...........................................................................128Nathalie Cañón Forero, Jenny Gutiérrez Calderón, Óscar Avilés Sánchez, Diego Rodríguez Mora,Darío Amaya HurtadoInstrucciones a los autores Revista ITECKNE..........................................................................................................135Instructions to the authors, ITECKNE Journal..........................................................................................................138La revista ITECKNE es una publicación de la División de Ingenierías de la Universidad Santo Tomás, Seccional de Bucaramanga, integradapor las Facultades de Ingeniería de Telecomunicaciones, Ingeniería Mecatrónica, Ingeniería Industrial y Química Ambiental. Actualmentela Revista está indexada en el Índice Bibliográfico Nacional Publindex y en el Sistema Regional de Información en Línea para RevistasCientíficas de América Latina, el Caribe, España y Portugal LATINDEX, y ha sido aceptada en el sistema de bases de datos de EBSCO (FuenteAcadémica). 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 einvestigadores interesados en las áreas en las que se inscribe cada una de las publicaciones. La revista aceptará preferiblemente artículosde investigación e innovación con un alto nivel de calidad, y también aceptará artículos cortos y reportes de caso.

EditorialLa revista ITECKNE, innovación e Investigación en Ingeniería, haceparte de la Red Colombiana de Revistas de Ingeniería (RRCI). Dicha red,se ha consolidado paulatinamente como un espacio de socialización, discusióny formación orientada a la profesionalización de los editores de revistasde ingeniería en Colombia. Así mismo, constituye un organismo decooperación científica, académica y de investigación entre responsablesde la gestión editorial, con el propósito de mejorar la calidad científica yeditorial de las publicaciones en el área de ingeniería. En la búsqueda deformalización de espacios de discusión, apertura de nuevas posibilidadesde participación e intercambio de los miembros y estructuración de lastemáticas de interés de los editores, la Red organizó el Primer Workshop- Actualidad y retos en las publicaciones seriadas de CT+I, con el ánimode conocer y compartir las experiencias de los editores, investigadores,docentes y comunidad en relación con las publicaciones seriadas de CT+Iy 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 Conocimientode PUBLINDEX, nos informó cómo las instituciones de educación superiorprivadas lideran la producción de revistas indexadas en PUBLINDEX desdeal año 2009. Sin duda, esto da fe de la alta calidad editorial que semaneja en las IES privadas. Resalta también en su presentación, dentrode los ajustes a la nueva política de PUBLINDEX, la incorporación de lasTIC en la administración y producción de revistas especializadas de CT+I,y la promoción de la cultura Open Access (OA) entre las revistas científicasnacionales y su inclusión en bases de datos de acceso abierto yen repositorios. En ese sentido la revista ITECKNE, está terminando laimplementación del sistema Open Journal System (OJS) para su puestaen marcha a partir del próximo año. Adicionalmente, a partir de este número,la revista cuenta con un ISSN digital como forma de incorporaciónal 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 osuperior debe estar asociada a los Sistemas de Indexación y Resumen(SIRES). Para ello, PUBLINDEX ha reconocido y analizado 83 SIRES, delos cuales, 3 son Índices Bibliográficos Generalistas de Citaciones (IBGC),19 son Índices Bibliográficos (IB) y 61 son Bases Bibliográficas con Comitéde Selección (BBCS). En este sentido, se debe agregar una nuevafunción a los editores de revistas: revisar los requerimientos para ingresoy permanencia en dichos SIRES. Esto implica que la labor editorial continúaal menos tres años después de publicado cada número, ya que elFactor de Impacto de Revistas, uno de los indicadores empleados poralgunos SIRES, analiza el promedio de citas que reciben los documentos

de una revista en una ventana de tiempo de dos años anteriores al añode publicación. La segunda, son las sugerencias para fortalecer el impactode las publicaciones científicas nacionales, entre las que sobresalen,“cuidar de la calidad en los resultados más que la cantidad; escribir en variosidiomas; fortalecer los comités de árbitros; cuidar la autonomía de loscomités científicos, editoriales, árbitros, para garantizar la calidad en laproducción de la revista; publicar artículos en colaboración con investigadoresnacionales e internacionales, utilizar bibliografía los más recienteposible nacional e internacional; reconocer el trabajo de otros investigadoreslocales y regionales.” Por fortuna, la mayoría de estas sugerenciashacen parte de las políticas editoriales de la Revista ITECKNE.ECOPETROL se hizo presente en el Workshop, y de un lado, compartiósu enfoque para la divulgación técnico-científica como mecanismode protección para el aseguramiento del conocimiento científico desdetres escenarios clásicos: publicación de artículos o libros, presentaciónde ponencias en congresos y simposios, y elaboración de memorias descriptivasde 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 universidadeses la construcción y socialización de conocimiento social. Por otro lado,Ecopetrol presentó su revista &NNOVA, una revista que permite la difusióndel conocimiento científico con el objetivo de llegar a audiencias noespecializadas, con lo cual no sólo fortalece la visibilidad de sus artículos,sino que permite aumentar el impacto social del contenidos de suspublicaciones, y, “hacer comprensible lo complejo” como diría EstanislaoZuleta.De la presentación de Thomson Reuters, pueden sacarse dos conclusionesimportantes. La primera, que las Universidades deben generaruna política respecto a cómo deben citar sus investigadores el nombrede la Universidad, ya que se presentó el caso de una universidad colombianacitada por sus investigadores con más de 30 nombres diferentes,situación que afecta su índice de impacto. La segunda, que las revistaspueden permitir y en algunos casos propiciar las autocitaciones de susartículos siempre y cuando no superen el 20%, de donde resulta una labormás para el editor y su equipo de trabajo: verificar que las autocitacionesno superen dicho límite.Sin duda alguna, el Primer Workshop, fue un rotundo éxito, y aunadoa otras estrategias como la de COLCIENCIAS sobre capacitación en el sistemaOJS, permitirán al equipo editorial de la Revista ITECKNE, no sólomejorar la calidad científica y la visibilidad sino fortalecer el impacto denuestras publicaciones.Luis Omar Sarmiento Álvarez, M.Sc.luisomar.sarmiento@gmail.comEditor

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para laconectividad de zonas rurales de ColombiaPerformance analysis o f t he IEEE802.11 f or t he conectivityof rural zones in ColombiaÓscar Gualdrón GonzálezPh. D en Física, Université Laval CanadaDocente Tiempo Completo, Director Grupo CPS,Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombiaogualdron@uis.edu.coRicardo Andrés Díaz SuárezMIE en Ingeniería electrónica,Universidad Industrial de SantanderDocente Medio Tiempo, Investigador Grupo GITI,Universidad Cooperativa de Colombia UCCBucaramanga, Colombiaricardo.diazsu@campusucc.edu.coResumen— Dentro de este artículo se presenta las característicasde desempeño del estándar IEEE802.11 enenlaces punto a punto de largo alcance sobre emplazamientosrurales en Colombia. Para explicar este desempeñoprimero se realiza una descripción detallada delcomportamiento de la capa física y MAC en el desplieguede redes de largo alcance, esto se realiza medianteanálisis de la regulación existente para la máxima potenciaisotrópica radiada equivalente en la banda ISM,las pérdidas por propagación, el nivel de recepción delos radios Wi-Fi comerciales, la tasa de error de frame yconsiderando como los parámetros DIFS, Slottime y AC-KTimeout que hacen parte del control de acceso al medioe inciden en la implementación de radio enlaces devarios kilómetros. Posteriormente a partir de unos modelosteóricos presentes en la literatura y uno propuestopor los autores se calcula el throughput UDP saturadounidireccional y bidireccional en función de la distanciaconsideradas las diferentes velocidades de transmisión;después con un par de prototipos de comunicación Wi-Fiautónomos alimentados con energía fotovoltaica diseñadosy construidos en laboratorio, se realizan un grupode medidas experimentales de throughput UDP saturadoen enlaces punto-punto entre Bucaramanga y emplazamientosrurales circundantes a su área metropolitanaen el rango de distancias de 0-10.4km, las medicionesse realizaron con el generador de tráfico IPERF enviandopaquetes UDP de forma unidireccional y bidireccional,posteriormente las mediciones realizadas se comparancon los obtenidos de forma teórica.Palabras clave— IEEE802.11, largo alcance, Física,MAC, Modelo, Throughput, Iperf.Abstract— In this paper, we present the performancecharacteristics of IEEE802.11 standard in point topoint reaching over rural sites in Colombia. To explainthis performance is first should be carried out a detaileddescription of the behavior of the physical and MAClayer in the deployment of long-range networks, this isdone by analyzing the existing regulation for maximumequivalent isotropic radiated power in the ISM band, thepropagation losses, the reception level of commercialWi-Fi radios, the frame error rate and considering theparameters DIFS, and ACKTimeout SLOTTIME that arepart of medium access control affect the implementationof radio links of several kilometers. Following fromthis theoretical models in the literature and one proposedby the authors calculate the saturated throughputUDP unidirectional and bidirectional function of thedistance considering the different transmission speeds;After a couple of prototype autonomous Wi-Fi communicationphotovoltaic powered laboratory designed andbuilt, a group performed experimental measurementsof saturated UDP throughput in point to point links betweenBucaramanga and rural sites surrounding metropolitanarea in the range of 0-10.4 km distances, measurementsare performed using the iperf traffic generatorsending UDP packets of unidirectional and bidirectional,then the measurements are compared with those obtainedtheoretically.Keywords— IEEE802.11, long distance, MAC, Physics,Model, Throughput, iperf.INTRODUCCIÓNEn algunas zonas rurales del mundo quehacen parte de países subdesarrollados comoColombia se carece de soluciones tecnológicasque permitan tener conectividad con el restodel mundo, como resultado estas regiones seencuentran en algunos casos marginadas y desprotegidas,lo cual permite que abunde el analfabetismo,se carezca de buenos mecanismosde salubridad pública, no exista prevención remotacontra posibles desastres naturales, estosy otros factores disminuyen sustancialmente lacalidad de vida y el posible desarrollo de estosemplazamientos. 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

8ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21ses tratan de mitigar esa situación al generarproyectos que permitan tener conectividad enestos emplazamientos e incentivan programasdonde se ofrecen las TIC, como un mecanismopara fortalecer y gestionar las iniciativas quepermitan mejorar la calidad de vida en estascomunidades. [1][2][3][4][5]Los inconvenientes para ofrecer conectividaden zonas rurales están determinados porlas limitaciones económicas, las severas condicionesambientales, el costo de los equipos decomunicación, la carencia de infraestructura,los costos de licencia en la banda del espectroelectromagnético, la carencia de un buensuministro eléctrico, el mantenimiento de losequipos y los costos que imponen los ISP (proveedoresde servicio de internet) para accederal backbone.[1][3][6]Considerado lo anterior se necesitan tecnologíasde comunicación con buenas prestacionesy de bajo costo, que permitan disminuir labrecha digital y contribuir al desarrollo de estosemplazamientos al conectarlos con el restodel mundo.En el mercado existen diferentes tecnológicasde comunicación que permiten ofrecerconectividad en zonas rurales se encuentran:VSAT (Very Small Aperture Terminal), CDMA450(Code Division Multiple Access), DECT (DigitalCordless Phone System), HFC (Hibrid Fiber CoaxialNetworks), Redes PLC (Power Line Communications),EV-DO (Evolution-Data Optimized),GPRS (General Packet Radio Service) yWi-Fi (Wireless Fidelity). A partir de las característicasde desempeño y costo algunos estudiosconsideran a Wi-Fi como una de las mejoresalternativas para la conectividad de zonasrurales. [7][8]Debido a la masificación en el uso de radiosWi-Fi su costo ha disminuido considerablemente,además, si se considera que estosoperan en la banda ISM (Industrial, científica ymédica), sus velocidades de transmisión máximaes de 11Mbps en IEEE802.11b, 54Mbpspara IEEE802.11a/g y de 300Mbps paraIEEE802.11n esto suponiendo canal de 40MHzy MIMO de 2x2. Esta tecnología permite ofrecersoluciones de conectividad de banda ancha,además, si se incorpora que al realizar variacionesen los tiempos definidos en la capaMAC (CSMA/CA) y física definidos en el estándaro modificado el control de acceso al medio(TDMA) se puede utilizar para desplegar redesde área extensa con buenas prestaciones, estosaspectos descritos presentan a WiFi comouna de las mejores opciones para ofrecer conectividaden zonas rurales. Esto ha incentivadoen los últimos años varias iniciativas tantoen grupos de investigación como en empresasal desarrollo de equipos que utilizan la capafísica de WiFi con modificaciones en el controlde acceso al medio o con protocolos propietariospara conectar emplazamientos rurales.En la actualidad existen algunas medicionesexperimentales de throughput sobre el estándarIEEE802.11 en algunas zonas ruralesde la Amazonia Peruana (1-50km) [6] y en emplazamientosrurales en Europa 10-300km [9][10][11], además existen estudios de desempeñoen redes de largo alcance considerado elemulador de canal (SR5500) para diferentesdistancias en el intervalo de (0-100km) [6][12][13].En la primera sección de este artículo se especificanalgunas características del estándarIEEE802.11 el cual está diseñado y optimizadopara redes de área local, en la segunda secciónse especifica algunas características deldesempeño de este estándar sobre una red delargo alcance que presenta un análisis de loslímites que impone la capa física consideradasla PIRE, las pérdidas por propagación, nivel deseñal recibida en el radio Wi-Fi y la tasa de errorde frames, después se presenta el desempeñoque impone la capa MAC en función de losparámetros DIFS, Slottime y ACKTimeout quehacen parte del estándar. En la tercera secciónse presentan modelos teóricos para el cálculodel throughput UDP unidireccional y bidireccionalsobre enlaces punto a punto IEEE802.11de largo alcance, realizando el análisis cuandoel flujo del tráfico es unidireccional y bidireccionalademás se propone un modelo para elcálculo del throughput basado en una máquinade estados que representa la función de coordinacióndistribuida en función de la distanciay se compara con el modelo propuesto por J.Simo [6]; en la cuarta sección se presenta ungrupo de medidas experimentales del throughputsobre enlaces punto a punto de largo al-

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz9cance en zonas rurales circundantes al áreametropolitana de Bucaramanga en el rangode 0-10.4km, estas medidas se realizaron conel generador de tráfico iperf, los nodos Wi-Fise le configuraron los parámetros analizadosen la MAC sobre el controlador del radio paramejorar el desempeño en cuanto al throughputsobre enlaces de largo alcance.II. CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA FÍSICA YMAC DEL IEEE802.11A. Capa física IEEE 802.11El estándar IEEE802.11b define en su capafísica la técnica de modulación de espectro ensanchadopor secuencia directa de alta tasaHR/DSSS define velocidades de transmisión,1, 2 y 5.5Mbps con modulaciones DBPSK,DQPSK, CCK respectivamente. El control deacceso del canal lo realiza a través del sensadode portadora. [14][15]En el estándar IEEE802.11g en su capa física define la multiplexaciónpor división de frecuencias ortogonalesOFDM para el envío de datos, la cual fraccionael canal en un número de subcanales ortogonaleslos cuales deben ser usados en paralelopara aumentar la transferencia de datos,utiliza un ancho de banda de 20MHz que seencuentra ocupado por 52 portadoras. Parala transmisión de la información, el estándarIEEE802.11g define las modulaciones 16QAMy 64QAM para 36 y 54Mbps respectivamente.El control para acceder al canal y evaluar sieste está libre combina un umbral mínimo deenergía con la capacidad de detectar una señalWi-Fi válida. [14][15]B. Capa MAC IEEE802.11La capa MAC del estándar IEEE 802.11define dos modos para su funcionamientoel primero llamado PCF (Point CoodinationFunction) y segundo DCF (Distributed CoordinationFunction), aunque en los radios Wi-Ficomerciales el más implementado es el distribuidoel cual será analizado a continuación.La función de coordinación distribuida DCFutiliza el protocolo CSMA/CA (Carrier SenseMultiple Access With Collision Avoidance) paracoordinar la forma en que varias estacionesacceden al canal de comunicación. Cuandouna estación desea transmitir un paquete enmodo DCF, primero debe activar el mecanismoCS (Carrier Sense) para determinar si hay otraestación que transmite Si encuentra el canallibre durante un intervalo de tiempo DIFS (DCFInterframe Space) o EIFS (Extended Inter FrameSpace), lo cual depende si la estación estuvoinvolucrada en su anterior transmisión enuna colisión, inicializa la etapa de contención oalgoritmo backoff el cual se encuentra divididoen ranuras. El número de ranuras se seleccionade forma pseudo aleatoria de una distribuciónuniforme a partir del intervalo de valores.[0,CW min] Cada vez que la estación transmisoraconsidera el canal libre CS/CCA (Carrier Sense/ClearChannel Assessment), decrementaun slot. Si encuentra el canal ocupado la estacióncongela el algoritmo backoff hasta que encuentreel canal libre durante un DIFS. Cuandoel número de ranuras llega a cero la estacióncomienza a transmitir. Al terminar la transmisiónla estación transmisora espera un ACKque será enviado desde la estación receptoraen el caso que no ocurra el arribo de un ACKdurante un intervalo de tiempo ACKTimeout seconsidera que existió una colisión (las estacionesno logran diferenciar una colisión de unapérdida de paquete). La estación transmisoradobla la ventana de contención y selecciona elnúmero de ranuras de forma pseudo aleatoriaa partir del intervalo [0,2 i CW min] donde i especificael número de retransmisiones en el casoque existan más colisiones en otras etapas decontención, si el paquete llega al máximo deretransmisiones este paquete se descarta.[15]En la Fig. 1. se muestra un esquema para unatransacción de un paquete con el IEEE802.11.Fig. 1. TRANSACCIÓN DE UN PAQUETE DE DATOS CON EL ESTÁNDARIEEE802.11Fuente: Estándar IEEE 802.11 [15]

10ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21C. Desempeño de la capa física del IEEE802.11sobre redes de largo alcance.El desempeño de la capa física sobre redes delargo alcance se explica en función de los límitesque impone el nivel de sensitividad en la recepciónde los radios WiFi comerciales y la máximaPIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente).Después se introduce la presencia de FER (Frameerror rate) debida a la relación RSS (Receivesignal Strength) y el nivel de ruido SNR (Signal toNoise ratio).El límite que impone la capa física delIEEE802.11 para enlaces punto a punto de largoalcance está relacionado con la máxima PIRE lacual está regulada en cada país, el nivel de sensitividadque impone el radio para cada tipo demodulación y las pérdidas presentes por propagación.En el caso de Colombia la regulación que existeen la implementación de radio enlaces punto apunto en la banda de 2.4GHz es una adaptaciónde la FCC, sección 15.247 (Regulations for LowPower, Non-Licensed Transmitters). La FCC imponeuna restricción de 30dBm de potencia transmitidacon una antena de 6dBi PIRE; además porcada 3dBi adicionales de ganancia en la antena lapotencia del transmisor se debe reducir en 1dBm.[4][16]Para predecir las pérdidas por propagación ydeterminar el nivel de señal recibida en el receptorse puede determinar a partir la ecuación de Friisconsiderado un margen de desvanecimiento. Estemargen se origina en problemas de alineación,pérdidas en los conectores, cables, orografía delterreno, fenómenos meteorológicos como lluvia onubosidad y la atenuación por árboles, un valorde desvanecimiento adecuado permite asegurarla estabilidad del radio enlace en el tiempo, aspectofundamental para conectar emplazamientosdistantes en varios kilometros. Otro modelomás apropiado para el cálculo de las pérdidas porpropagación sobre este tipo de emplazamientoses el (ITM Irregular Terrain Model/ Longley Rice),el cual considera los fenómenos de reflexión ydiffracción sobre la topografia del terreno. [17][18][19]En la Fig. 2 se presenta los límites de distanciaen función de la ganancia de las antenas para unenlace punto a punto en la banda 2.4GHz segúnla FCC 15.247. Para el cálculo de las pérdidas porpropagación se consideró el modelo de Friis conmargen de desvanecimiento de 20dB y el umbralde recepción se tomó de las especificaciones delradio XR2 (Se considera este radio por su bajo nivelde sensitividad) para cada velocidad de transmisión[6] [20] [21].Fig. 2. LÍMITE DE DISTANCIA ESTÁNDAR IEEE802.11 CONSIDERNADO ELNIVEL DE SENSITIVIDAD DEL RADIO XR2Fuente: Autor del proyectoFER (FRAME ERROR RATE) en el IEEE802.11para enlaces de largo alcance.Las variaciones en las pérdidas de frames enenlaces de largo alcance se pueden clasificar endos patrones o categorías de pérdidas. La primerade ellas es del tipo burst (generados principalmentepor interferencias externas) y la segundase atribuye a pérdidas residuales. [13]Los enlaces IEEE802.11 en áreas rurales, porlo general, presentan bajo nivel de interferenciasy, por lo tanto, las pérdidas tipo burst son despreciablesen estos sitios. Además si la relaciónseñal ruido se encuentra en el margen donde elBER

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz11del 100%, y por encima de esta ventana latasa de error es menor que el 1%.[22][23]• La FER no depende directamente de la distanciaentre los nodos, solamente de la relaciónseñal a ruido. [22][23][24]• Existe una definitiva dependencia entre elFER y cada velocidad de transmisión.[22][23]Considerando el modelo de la capa física delIEEE802.11b presentado en [25][26] y definiendoun nivel de ruido térmico de -101.7dBm con un anchode canal de 20MHz, se calcula el número depaquetes recibidos en función del RSS (ReceivedSignal Strength) para las diferentes velocidades detransmisión, mediante una MPDU (MAC protocoldata unit) de 1094 bites, enviando 200 paquetesen broadcast, bajo un canal AWGN (Additive WhiteGaussian Noise). En la Fig. 3 se presenta el númerode los paquetes recibidos comparado con el nivelde señal recibida para las velocidades de transmisióndel estándar IEEE802.11b.Fig. 3. PAQUETES RECIBIDOS VS. EL NIVEL DE SEÑAL RECIBIDA CONSIDE-RANDO UN NIVEL DE RUIDO DE -101.7DBM.Fuente: Autor del proyecto.Como se puede apreciar en la Fig. 3 la ventanade vulnerabilidad varía entre 4 y 5 dB para loscuales el FER puede variar de 1-100% como seexpresó en las características de FER lo cual nodepende de la longitud del enlace si no del nivelde señal recibida.D. Desempeño de la capa MAC delIEEE802.11 para enlaces de largo alcance.El desempeño de la capa MAC del IEEE802.11sobre enlaces de largo alcance está expresadoen función de algunos tiempos que definen elmecanismo de acceso al medio y que llevan implícitamenteel tiempo.La capa MAC no impone restricciones al límitede distancia existente entre los nodos deuna manera explícita, pero si algunos de susparámetros lo llevan de manera implícitamentecomo son el DIFS, Slottime, ACKtimeout, aunqueen la versión más reciente del estándar sedefine que el máximo AirPropagationTime (dosveces el tiempo de propagación) es de, 1μs esdecir. El estándar está diseñado para una redde área local, aunque en dicha versión del estándarse introduce el parámetro coverage classpermite incrementar el valor de AirPropagation-Time a 93μs lo que permitiría concebirlo parauna distancia de km.[15][21]A continuación se presentan los parámetrosmás incidentes que expresan característicasdel control de acceso al medio del estándarIEEE802.11 sobre redes de largo alcance.ACKTimeout: Es el intervalo de tiempo queuna estación transmisora debe esperar para recibirun ACK que confirma que la transmisión fueexitosa. Si no se recibe una confirmación dentrode ese intervalo de tiempo la estación transmisoraconsidera que la transmisión fue fallida yvuelve a invocar el algoritmo backoff para realizarotra transmisión. Para enlaces de larga distanciasi el valor del ACKTimeout es menor quedos veces el tiempo de propagación se generanretransmisiones innecesarias debido a que esteexpira, por lo tanto, el valor de ACKTimeout>2δpara utilizar el canal de transmisión de una maneramás conveniente de acuerdo a la distancia.[4][15][21]DIFS: Es el tiempo durante el cual una estacióndebe sensar el canal libre antes de programaruna nueva transmisión o reactivar la cuentaregresiva de la ventana de contención. Para unenlace de largo alcance la estación transmisorapuede determinar que el canal está libre he inicializarel algoritmo de backoff sin estarlo debidoa los tiempos de propagación, por lo tanto, esteparámetro deberá ser incrementado por lo menosen un Round trip time; además se puede garantizarque las estaciones que comparten el medio nocolisionen con los ACK en el caso de que existanmás de dos estaciones. [4][15][21]Slottime: Este parámetro incide directamentesobre la probabilidad de colisión entre las esta-

12ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21ciones que comparten el medio. Este parámetroestá definido dentro del estándar de tal formaque las estaciones que desean acceder al mediopueden colisionar si transmiten en un mismo slot,es decir, si una estación se encuentra en un slotprevio puede determinar que la otra estación haaccedido al medio y evitar la colisión. Para considerarcómo el Slottime define la probabilidad dela colisión en función de la distancia deberemosconsiderar el intervalo de vulnerabilidad el cual esel periodo de tiempo durante el cual pueden ocurrircolisiones. Esto se debe a que la transmisióny recepción no son mecanismos instantáneos, esdecir, éstos dependen del tiempo de propagaciónde la señal electromagnética entre las estaciones,el tiempo implementado en los mecanismos CS/CCA y el tiempo en que la capa física cambia demodo recepción y comienza a transmitir el primersímbolo. El intervalo de vulnerabilidad se describecon el siguiente ejemplo; cuando una estacióncomienza a transmitir datos, éstos no podrán serdetectados por las otras estaciones de manerainstantánea por lo tanto pueden considerar que elcanal está libre y comenzar a transmitir y/o generarcolisiones. Las estaciones solamente podrándeterminar que el canal está ocupado despuésde un determinado tiempo el cual debe ser, porlo 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 transmisoraevaluar el canal y de notificar eseestado a la capa MAC.• El tiempo que tarda una estación destino cambiarde estado recepción al de transmisión.• El tiempo de propagación.Cuando se utiliza el Slottime definido en el estándar20 y 9μs para IEEE802.11b/g respectivamente,al incrementar la distancia el intervalo devulnerabilidad aumenta debido número de slotsque encajan dentro del tiempo de propagación, esdecir, la probabilidad de colisión entre las estacionesaumenta. [4][15][21]Si se considera el valor del Slottime de tal formaque sea igual al intervalo de vulnerabilidad(slottime ≈2δ) las estaciones colisionarían solamentesi transmiten en un mismo slot como sepuede apreciar en la Fig. 4, por lo tanto, los retardosy paquetes perdidos disminuyen.Fig. 4. EL VALOR DEL SLOTTIME ES MAYOR O IGUAL A DOSVECES EL TIEMPO DE PROPAGACIÓNFuente: Adaptado por los autores de [6] [21] [28]Si el valor del Slottime es menor pero comparablecon el intervalo de vulnerabilidad (slottime≈δ)las estaciones podrán colisionar si transmiten enslots contiguos, el enlace pierde la simetría comose puede ver en la Fig. 5, el throughput se maximizapero aumentan los retardos y los paquetes perdidos.Para un valor de slottime

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz13Donde L Paquete_UDPse refiere al tamaño del paqueteUDP.La T Trans_UDPse considera como el tiempo quetranscurre una transacción UDP sobre el estándarIEEE802.11, el envío de un paquete UDP se describeen la Fig. 6.Fig. 6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA TRANSACCIÓNUDP SOBRE IEEE802.11(0,CW min) donde el tiempo promedio de la ventanade contención está dado por la siguienteexpresión.Para el cálculo del tiempo que transcurre alenviar un paquete de datos T Datos_UDPutilizamos lasiguiente expresión.Fuente: Autor del proyectoPrimero la estación transmisora verifica queel canal se encuentre libre durante un T DIFSparainicializar la ventana de contención, la cual se disminuyehasta que la ventana llega a cero la estación.Se procede luego a enviar el paquete UDPy cuando la estación llamada receptora lo recibeespera un tiempo T SIFSpara confirmar el arribo delpaquete con un ACK_MAC. [103]El tiempo para transmitir un segmento UDP sobreel estándar IEEE802.11b/g considerados lostiempos de propagación está dado por la siguienteexpresión:Para el IEEE802.11b.El T 802.11_ACKes el tiempo que transcurre paraque la estación receptora envíe un ACK.δ Se refiere al tiempo que tarda en viajar la señalelectromagnética entre las dos estaciones.Al utilizar el estándar IEEE802.11g T Datos_UDPyT 802.11_ACKse convierte en la ecuación 7 y 8.Cada uno de los tiempos que hacen parte de laecuación (2) se describirán a continuación.El tiempo T DIFSespacio intertrama de DCF sepresenta a continuación la siguiente expresión.Para calcular el tiempo que transcurre en laetapa contención T w_contenciónse considera queel canal de comunicación se encuentra libre deinterferencias y el nivel de señal recibida se encuentrapor encima del nivel de sensibilidad enel receptor que se define para cada velocidad detransmisión, es decir, el BER=0 (Bit error rate),por lo tanto, se considera un canal de comunicaciónideal, el FER=0, es decir, las transmisionesson exitosas, por lo tanto la variable pseudoaleatoria con distribución uniforme de la ventanade contención es seleccionada del intervalo deCon la ecuación (1), considerado un paqueteUDP de 1440bites y utilizado el estándarIEEE802.11b a 11Mbps, un canal de comunicaciónideal, es decir, el BER=0 y que los temporizadoresdel ACK no expiran y los demás parámetrostomados de la Tabla II, en la Fig. 6 sepresenta el throughput UDP unidireccional enun enlace punto a punto, estos resultados sepueden comparar con las medidas obtenidascon el emulador de canal Spirent 5500 [12][31].

14ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21TABLA IIValores para los parámetros en el modelo UDP UnidireccionalParámetroCW _minT SlottimeT w_contenciónDefiniciónTamaño de laventana contiendamínimaTiempo asignadoal slot.Tiempo promediode la ventanacontienda.Valor802.11bValor802.11gUnidad31 15 Slots20 9 µs310 67 µsT DIFSTiempo DIFS 50 28 µsT SIFSTiempo SIFS 10 10 µsT PreambuloL MPDU_frameR TasaR BasicDuración PLCPLargo/CortoSERVICE+ MAC+SNAP/LLC+ IP+UDP+ DATOS+ FCSTasa de TransmisiónCapa físicaTasa de transmisióncapa física ACK.192 /96 20 µs28+8+20+8+1440+0=15041, 2,5.5,11.1, 228+8+20+8+1440+4=15086, 9,12, 18,24,36,48,546, 9, 12,18, 24BitesMbpsMbpsT Signal_EXTExtensión de Señal - 6 µsL 802.11_ACKN DBPSLongitud del frame802.11 AckNúmero de data bitspor símbolo paraOFDM.14 14 Bites-216, 192144, 9672, 4836, 24.BitsPara el cálculo del throughput UDP saturadoBidireccional se puede utilizar el modelo deBianchi (El cual se basa en la cadena bidimensionalde Markov) siempre que se considere queel slottime≥2δ para garantizar que las estacionespuedan colisionar solamente si transmiten en unmismo slot.A continuación en la Fig. 8 se presenta elthroughput UDP Bidireccional para un el enlacepunto a punto N=2 con el modelo de Bianchi [32]considerado slottime=2δ, no se desprecia que lacolisión entre dos estaciones genera que la estacióntenga que esperar T SIFSmás el T ACKTimeout=2δpara evitar que el temporizador de ACK expire,este modelo define un BER=0 (esto significa queel nivel de recepción siempre se encuentra mayorque el nivel de sensitividad del receptor para larespectiva velocidad de transmisión), una MPDUde 1500bites. El resultado de throughput Bidireccionalen un enlace punto a punto se presenta enla Fig. 8. [32][33]Fig. 8. THROUGHPUT UDP BIDIRECCIONAL ESTÁNDARIEEE802.11B A 1, 2, 5.5 Y 11MBPS.Fuente: Autor del proyecto.Fig. 7. THROUGHPUT UDP UNIDIRECCIONAL ESTÁNDARIEEE802.11B A 11MBPSFuente: Autor del proyecto.Fuente: Autor del proyectoEste mismo análisis se puede utilizar para calcularel throughput UDP unidireccional con los protocolosque realizan una mejor utilización del canalde comunicación, como son el protocolo burstingdonde elimina el llamado consecutivo al algoritmobackoff y fastframing el cual concatena tramaspara aumentar el tamaño de la MPDU.Cuando el valor de slottime

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz15para determinar la probabilidad de que ocurra unacolisión en otro slot se toma el modelo J. Simo [21]el cual lo calcula a partir del intervalo de vulnerabilidadque se genera por el número de slottime(s)que transcurren sin percibir la transmisión de otraestación.Analizadas las características que presenta elmodelo J. Simo [21] en cuanto al BER=0 se construyóel modelo “CPS” como aproximación para elcálculo del throughput UDP saturado Bidimensionalen enlace punto a punto IEEE802.11 este modelose obtuvo a partir de la máquina de estados que sepresenta en la Fig. 9 en la cual se define el tiempode colisión, de una transmisión exitosa y la ventanadonde ocurre una colisión.A partir de esta máquina de estados se determinael tiempo de transmisión exitosa y el tiempo decolisión considerado el algoritmo backoff el cual generaun retardo que depende del estado del canalya sea que se encuentre libre u ocupado y el númerode retransmisiones generadas por las colisiones,los anteriores tiempos se utilizan en la evaluacióndel throughput en el enlace de comunicación.Fig. 9. MÁQUINA DE ESTADOS DCFPara diferenciar en cuáles casos se llega alestado de transmisión exitosa y en cuáles ocurreuna colisión se toman consideraciones presentadasen el modelo J. Simo en la definición intervalodel IV (intervalo de vulnerabilidad), para definir elintervalo de colisión (IC), definido como el intervalode tiempo durante el cual la estaciones STAy STB, que hacen parte del enlace punto a punto,pueden colisionar cuando transmitan asumiendoque STA tiene una ventana CW ay CW bSTB tieneuna ventana, con un valor de Slottime fijo. Parauna mejor comprensión, considérese el siguienteejemplo. Dos estaciones STA y STB intentan transmitirde manera simultánea. La ventana seleccionadade forma pseudo aleatoria para STA es CW ay para STB es CW b. La estación que tenga la menorventana de contención transmite, pero debidoa la distancia entre ellas, la otra estación no detectacon su mecanismo CC/CCA que el canal seencuentra ocupado. Si se supone que STA tienela menor ventana, sólo podrá colisionar con STBcuando la ventana de contención llegue a cerodebido a que no percibe la transmisión de STA,lo cual se puede calcular a partir del número deSlottime(s) que transcurren en el tiempo de propagacióny el tiempo que tarda el mecanismo CCAen determinar que el canal se encuentra ocupado,IC=δ+CCATime. También se puede calcular el númerode slots dentro de los cuales puede ocurriruna colisión el cual se nombra como ICN (Intervalode colisión normalizado), este se encuentraexpresado en la siguiente ecuación:Considerado que la ventana de contenciónse encuentra ranurada el intervalo de colisión seaproxima a un valor entero, el intervalo de colisiónes la mitad del intervalo de vulnerabilidad definidopor J. Simo [21].Conocido el número de slots que puede transcurrirantes que alguna estación determine que elcanal se encuentra ocupado debido a la distanciapresente entre estas dos estaciones y con el valorde las ventanas de contención CW a, CW bse determinala ocurrencia de colisión. De acuerdo a loanterior se considera que una colisión existe si:Fuente: Adaptado de Probabilistic Model Checking of the IEEE 802.11 WirelessLocal Area Network Protocol [34] y A Finite State Model for IEEE 802.11Wireless LAN MAC DCF [35]

16ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21Para calcular el throughput en un enlace puntoa punto a partir de una secuencia de estadosque describa el envío de cada paquete se debedeterminar a partir del cociente entre la cantidadde paquetes enviados por las dos estaciones multiplicadopor el tamaño promedio de los paquetesentre el tiempo que transcurre para realizar el envíode estos.El throughput UDP Bidireccional saturado ()lo podemos calcular a partir del cociente entreel número de los paquetes enviados por las dosestaciones y el tiempo promedio que transcurreen enviarlos considerando el número de intentosNI el cual depende del número de colisiones, enla siguiente ecuación se presenta una expresiónpara el cálculo de esta métrica de red.Ecuación (12):El promedio para el tiempo una transmisiónexitosa y la de una colisión considerado que la estacióntransmite se expresa en la ecuación 13 y14 respectivamente. [6][21][32][33]Donde:Como las expresiones (13) y (14) no dependende i y se considera que el tamaño del paqueteUDP es el mismo para cada transmisión la ecuación(12) se reescribe de la siguiente forma:Ecuación (16):La ventana de contención ranurada es enteray se selecciona de forma pseudo aleatoria a partirde una distribución uniforme como se presente enlas siguientes expresiones.Los estados para la estación 1 y 2 se definen apartir de las variables aleatorias R(i) y K(i) respectivamente,estas dependen del estado transmisión,es decir, backoff=0, el canal ocupado o bussydonde congela el contador de backoff por sensarque el canal se encuentra ocupado, el estado decolisión dobla la ventana de contención debido, elestado de reinicio de la ventana de contención portransmisión exitosa o pérdida de paquete se logracuando llega al número máximo de retransmisiones,los valores que pueden tomar las variablesaleatorias se expresan a continuación.Donde NR es el número máximo de retransmisionesen el estándar IEEE802.11b/g es 7 y 4cuando se utiliza el servicio Request to send RTS/ Clear to send CTS.A continuación en la Fig. 10, se presenta unacomparación de la predicción del throughput UDPsaturado bidireccional que presenta el modelo deJ. Simo y el modelo CPS para un enlace punto apunto considerando los valores definidos en la TablaII, un tamaño de paquete UDP de 1000bites ypara distancias entre 0 a 100Km.Fig. 10. COMPARACIÓN DEL MODELO DE J. SIMO CON EL MODELO CPSDonde:Define el tiempo promedio de la ventana decontención para los paquetes enviados por lasdos estaciones T WR(i),1para ST1 (Estación 1) yT WK(i),2para ST2 (Estación 2) la cual depende dela ocurrencia de colisión según (11) y el númerode retransmisiones de ST1 y ST2. La función minpermite decir cuál de las dos estaciones genera elevento de una transmisión exitosa o la ocurrenciade 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, Díaz17III. MEDICIONES DE THROUGHPUTPara las mediciones experimentales de throughputse diseñó un grupo de prototipos Wi-Fi autónomosalimentados con energía fotovoltaica, los cualesse presentan en la Fig. 11, los cuales se utilizaronpara las pruebas de laboratorio y en campo abierto.Fig. 11. PROTOTIPOS DE NODO WI-FI AUTÓNOMO ALIMENTADO CONPANELES FOTOVOLTAICOSPara las pruebas de laboratorio se uso un cablecoaxial para emular las pérdidas por propagaciónen el enlace punto a punto considerando lasdistancias 0, 5, 10Km.Para cada nodo de comunicación se le ajustaronlos tiempos de la capa MAC para mejorar eldesempeño sobre redes de largo alcance, los parámetrosmodificados son el tiempo ACKtimeoutel cual se incremento 2δ como se aprecia en laecuación (23) y el slottime se aumentó en δ verecuación (24) de tal forma que el throughput bidireccionalsea cercano al máximo, todo estos parámetrosse ajustaron con el driver de MADWIFI elcual sirve como controlador sobre el chip AtherosAR5414 que hace parte del radio XR2.Fuente: AutorCada enlace punto a punto se realizó con lasmotherboards Soekris NET4801-48 y ALIX2D2 enlas cuales se le instaló el sistema operativo LinuxVoyage y el driver MADWIFI. Cada uno de los nodosutiliza el radio EXTREMErange2 (chipset atherosAR5414). En la Tabla III se dan las especificacionesde las características técnicas del hardware utilizadopara la construcción de cada uno de los nodosque hacen parte del enlace de comunicación.TABLA IIIHardware utilizado para las pruebasDispositivo Referencia CaracterísticasMotherboard 1Motherboard 2RadiosALIX2D2Soekrisnet4801-48Ubiquiti (XR2)Sistema Operativo Linux Voyage Version 0.6.2DriverMADWIFIAntenas HG2424 24 dBiCable LMR400 2 metrosFuente: Autor del proyecto.CPU: 500 MHz, AMD GeodeLX800DRAM: 256 MB DDR (onboard )Storage: CompactFlash socket2 miniPCIFirmware: Award tinyBIOSCPU: 233 MHz, AMD GeodeSC1100SDRAM: 128 Mbyte (on board)Storage: CompactFlash1 Mini-PCI socketChipset atheros AR5414 32-bitmini-PCI Type IIIAmadwifi-modules-2.6.30-voyage_0.9.4~rc2-1+7.0-1_i386.debDonde Slottime stdes el tiempo que se define enel estándar IEEE802.11b/g para un slot.Las mediciones del throughput UDP en cada unode los enlaces punto a punto IEEE802.11b/g realizadosen laboratorio y en campo abierto se utilizó elgenerador de tráfico IPERF [36], cada prueba tuvouna duración de 180 segundos. Para los resultadosde las pruebas realizadas en laboratorio se le introdujeronpor software los retardos por propagación.Para las pruebas de campo abierto se seleccionarondiferentes puntos en Bucaramanga y zonascircundantes al área metropolitana (zonas rurales)en los que se disponía de seguridad para los equiposde medición y los nodos Wi-Fi autónomos durantela permanencia de las pruebas.TABLA IVSitios seleccionados para las pruebas de campoNodo Latitud Longitud Altura (m)A 7° 8’26.09”N 73° 7’17.87”O 991B 7° 8’21.0”N 73° 7’16.1”O 990C 7° 7’59.81”N 73° 7’17.08”O 1000D 7° 7’39.90”N 73° 7’15.80”O 998E 7° 6’14.4”N 73° 5’10.5”O 1293F 7° 9’24.50”N 73° 9’43.40”O 1060G 7° 4’55.5”N 73°11’48.7”O 1358H 7° 8’28.4”N 73° 7’23.1”O 975I 07°07’14.4”N 73°04’37.4”O 1565Fuente: Autor del proyecto.

18ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 7 - 21En la figura 12 se presenta la ubicación decada uno de los emplazamientos seleccionados.Fig. 12. SITIOS SELECCIONADOS PARA LOS ENLACES DE COMUNICACIÓNEn la Fig. 13 se presentan los resultados delas pruebas de throughput realizadas en campoabierto comparado con los valores obtenidos conel modelo teórico y las pruebas realizadas en laboratoriopara cada una de las diferentes distancias.En la Fig. 13 se puede apreciar que las pruebasde throughput UDP unidireccional en campoabierto se aproximan al modelo teórico y al valorobtenido en las pruebas de laboratorio, aunquese puede apreciar un discrepancia en las medidasobtenidas para la distancia de 5.01Km estose debe a que en este lugar funcionan unos sistemasde comunicación que operan en la bandade 2.4GHz el cual se encuentra en el rango de frecuenciasdonde opera nuestro sistema de comunicación.En la Fig. 14 se presenta las medicionesdel espectro en el rango de frecuencias 2412 a2484 MHz, al analizar el espectro se puede apreciarla existencia de interferencia en el canal decomunicación, lo cual aumentó el número de paquetesmedidos, esta medición se realizó sobreen el punto I de la Fig. 12.Fig. 13. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL IEEE802.11BFuente: Autor del proyectoA continuación en la Tabla V se describe los diferentesenlaces punto a punto construido en campoabierto y su respectiva configuración del ACKTimeouty el slottime.TABLA VFuente: Autor del proyecto.Fig. 14. MEDICIÓN DEL ESPECTRO EN LA BANDA DE 2.4GHZEnlaces de comunicación establecidos en campoEnlacesDistancia(km)Slottime (ms)11g11bAcktimeout(ms)A-B 0.16 9 20 48B-C 0.65 9 20 48D-E 4.674 23 34 75E-F 10.212 43 54 116B-I 5.01 25 36 79G-H 10.46 43 54 116Fuente: Autor del proyectoFuente: Autor del proyectoA continuación en la Fig. 15 se presenta elthroughput UDP con la técnica bursting que sepuede utilizar sobre el radio XR2.Fig. 15. PRUEBAS DE CAMPO UDP UNIDIRECCIONAL BURSTINGIEEE802.11BFuente: Autor del proyecto

Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz19En la Fig. 16 se presenta las mediciones dethroughput UDP Bidireccional y el valor obtenidocon el modelo teórico “CPS” propuesto. En la Fig.16 se puede apreciar que el modelo permite predecirel throughput UDP que se obtuvo en el campoabierto.Fig. 16. PRUEBAS DE CAMPO UDP BIDIRECCIONAL IEEE802.11BAGRADECIMIENTOSSe 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 enla construcción de los prototipos WiFi autónomosy la realización de las pruebas en laboratorio y encampo abierto.REFERENCIAS[1] G. Hernán. Wireless networks and rural development:Opportunities for Latin America. Information technologiesand international development, Vol 2, No. 3, pp.47-56, Spring, Boston: The Massachusetts Institute oftechnologies, 2005.[2] C. Luis, Q. River, C. César, L. Liñán. Wild: Wifi basedLong Distance. Lima, Pontificia Universidad Católicadel Perú, 2009, 180 p.Fuente: Autor del proyectoCONCLUSIONESSe realizó e implementó una metodologíapara caracterizar el desempeño del estándarIEEE802.11 en un radio enlace de largo alcance,Donde se logró determinar el throughput UDPmáximo que se puede obtener de acuerdo a la distanciapresente entre las estaciones.Los radios Wi-Fi modificados los parámetrosde su control de acceso al medio se presentancomo una solución de conectividad de bajo costoque permite ofrecer banda ancha en enlaces delargo alcance lo cual es fundamental para las zonasrurales de la geografía colombiana.Para predecir el throughput saturado bidimensionalse propuso, implementó y validó un modelo“CPS” para el envío de paquetes UDP sobre DCFen redes punto a punto sobre enlaces de largo alcance.En los enlaces de comunicación en los que seencontraba presente interferencia disminuyó considerablementeel throughput comparado con elvalor teórico esperado.Se encontró asimetria en el flujo de datoscuando se realizaron mediciones del throughputUDP Bidireccional en cada uno de los enlacespunto a punto.[3] S, Surana, Designing Sustainable Rural Wireless Networksfor Developing Regions, Trabajo de grado (PhDfilosofía en ciencia de la computación), Universidad deCalifornia, 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, QUIJANDRIAYvanna, QUISPE River, REY Carlos, SALMERÓN Sandra,SÁNCHEZ Arnau, SANONI, Paola, SEOANE Joaquín,SIMÓ, Javier y VERA Jaime. Redes inalámbricas parazonas rurales, Lima, Pontificia Universidad Católica delPerú 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 IEEE802.11para su Aplicación en el Despliegue de Redes Extensasen Zonas rurales aisladas de Países en Desarrollo.Trabajo de grado (Doctor en ingeniería de telecomunicación).Universidad Politécnica Superior, Escuelasuperior de ingenieros de telecomunicación, Departamentode Ingeniería y Sistemas Telemáticos 2007.[7] E. M. María, Guía para el Diseño e implementaciónde redes inalámbricas en entornos rurales de Perú,Trabajo de grado (Ingeniero de Telecomunicaciones),Escuela Politécnica Superior, Universidad Autónomade Madrid, 2010.[8] P. B, Germán, Guía de tecnologías de conectividadpara acceso en áreas rurales. Unión internacional detelecomunicaciones, Oficina de desarrollo de las telecomunicaciones,2007, 84p.

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Análisis de desempeño del IEEE802.11 para la conectividad de zonas rurales de Colombia - Gualdrón, Díaz21[34] M. Kwiatkowska, G. Norman and J. Sproston. ProbabilisticModel Checking of the IEEE 802.11 WirelessLocal Area Network Protocol. In H. Hermanns and R.Segala (editors) Proc. PAPM/PROBMIV’02, Vol. 2399of Lecture Notes in Computer Science, pages 169-187, Springer. July 2002.[35] D. K. Puthal y B. Sahoo, A Finite State Model for IEEE802.11 Wireless LAN MAC DCF, Emerging Trends in Engineering& Technology, International Conference on,pp. 258-263, First International Conference on EmergingTrends in Engineering and Technology, 2008.[36] R. P. Keith, G. Jared,How to Guide on JPerf and IPerf,Wireless LAN profesionals 2011.

Análisis sobre el comportamiento del Throughputen redes LAN bajo tecnología Power LineCommunicationsAnalysis about behavior of the Throughput in LAN networks undertechnology Power Line CommunicationsJuan Carlos Vesga FerreiraM. Sc. en Telecomunicaciones,Universidad Pontificia BolivarianaDocente Auxiliar ECBTI- UNADjuan.vesga@unad.edu.coGerardo Granados AcuñaEsp. en Telecomunicaciones,Universidad Autónoma de BucaramangaDocente Auxiliar ECBTI- UNADgerardo.granados@unad.edu.coResumen— El rendimiento es sin duda uno de los aspectosde mayor interés dentro del análisis global en lasredes LAN, considerado el efecto que produce sobre elusuario final. El rendimiento puede ser definido segúndiversos puntos de vista, lo que permite incorporar otrasformas de evaluación según el objeto de interés en particular.Básicamente, los parámetros más comunes paraevaluar el rendimiento de una red son: Throughput, utilizacióndel canal y diversas medidas de retardo.Throughput, es la capacidad de un enlace de transportarinformación útil. En otras palabras, representa“la cantidad de información útil que puede transmitirsepor unidad de tiempo”. Este puede variar en una mismaconexión de red según el protocolo usado para la transmisión(TCP o UDP) y el tipo de datos de tráfico (HTTP,FTPy otros).Un objetivo muy importante al analizar el throughputse encuentra relacionado con la calidad del servicio(QoS / Quality of Service) en la red, la cual juega un papelimportante a la hora de evaluar la eficiencia de unared centrada en aplicaciones sensibles al tiempo, talescomo: video y audio, entre otras.Desde el punto de vista tecnológico, el hacer usode la red eléctrica como medio físico de transmisión hasido considerado como una excelente alternativa en laprestación de servicios de interconexión de última milla.El uso de adaptadores de red basados en PLC facilita eldiseño de redes LAN y comunicaciones de banda anchaa través de la red eléctrica, al convirtir cualquier tomacorrienteen un punto de conexión para el usuario, sinla necesidad de cableados adicionales a los existentes.Este artículo presenta un análisis experimental sobreel comportamiento del Throughput en redes LAN sobrePLC, bajo el uso de adaptadores de red soportadoscon el estándar HomePlug 1.0.Palabras clave— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA,Modelo estadísticoAbstract— The performance is without doubt one of theaspects of greatest interest within the overall analysis inLANS, considering the effect that it produces on the enduser. The performance can be defined according to variouspoints of view, allowing to incorporate other formsof evaluation depending on the object of interest in particular.Basically, the most common parameters for evaluatingthe performance of a network are: Throughput,use of the channel and various measures of delay.Throughput, is defined as the capacity of a link to carryuseful information. In other words, represents “theamount of useful information that can be transmittedper unit of time”. It may vary in the same network connectiondepending on the protocol used for the transmission(TCP or UDP) and the data type of traffic (HTTP,FTP, etc. ).One of the most important objectives to analyze thethroughput is related to the quality of service (QoS /Quality of Service) on the network, which plays an importantrole in assessing the efficiency of a network centeredin time-sensitive applications, such as: video andaudio, among others.From a technological point of view, making use of thePower network as physical environment of transmissionhas been considered as an excellent alternative in theprovision of interconnection services of last mile. Theuse of network adapters based on PLC facilitate the designof LANS and broadband communications throughthe Power network, converting any wall socket in a connectionpoint for the user, without the need for additionalwiring to the existing ones.This article presents an experimental analysis on thebehavior of the throughput in LANs on PLC, under theuse of network adapters supported with the standardHomePlug 1.0.Keywords— Throughput, PLC, HomePlug, ANOVA, StatisticModelRecibido: 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, Granados23I. INTRODUCCIÓNLa red eléctrica representa un medio hostilpara la transferencia de datos debido a que no hasido diseñada para transmitir información. PLC alser una tecnología emergente se enfrenta a variosinconvenientes tales como: niveles excesivos deruido, la atenuación de la señal a las frecuenciasde interés, discontinuidades en la impedancia característicadel canal y efecto multipath [1], entreotros aspectos; que afecta considerablemente suóptimo desempeño. Además, es muy difícil obtenerun modelo significativo de este canal, debidoa la constante conexión y desconexión de dispositivos.Una de las principales características de la tecnologíaPLC bajo el estándar HomePlug 1.0 [2] esel uso de OFDM como técnica de modulación [3],la cual implementa un esquema de transmisiónadaptativa, que analiza las condiciones del canalacorde con la relación SNR presente en el medioen un momento dado. Esto juega un papel muyimportante a la hora de analizar el comportamientode la tecnología PLC durante el desarrollo delexperimento.La red PLC está sujeta a limitaciones relacionadascon la tecnología utilizada. Estas limitacioneshacen referencia a la velocidad de transmisión, lacual en la mayoría de los casos, no corresponde ala tasa esperada, debido a que la red PLC trabajabajo el uso de un medio compartido, donde elancho de banda entre los usuarios disminuye amedida que aumenta la cantidad de estacionesactivas en la red PLC. Las estaciones que formanparte de la red PLC deben estar en la misma fasede la red eléctrica [4], [5].El rendimiento, es uno de los aspectos de mayorinterés dentro del análisis global en las redesLAN, debido al efecto que produce sobre el usuariofinal. Puede ser definido según diversos puntosde vista, permitiendo con ello incorporar otras formasde evaluación dependiendo del objeto de interésen particular. Básicamente, los parámetrosmás comunes para evaluar el rendimiento de unared son: Throughput, utilización del canal, Jitter yRTT, entre otros [6]. Aquí el tema de investigaciónestá centrado en el Throughput.Throughput, es la capacidad de un enlace detransportar información útil. Representa la cantidadde información útil que puede transmitirsepor unidad de tiempo. Puede variar en una mismaconexión de red según el protocolo usado parala transmisión y el tipo de datos de tráfico, entreotros factores [2]. La expresión matemática quepor definición describe este parámetro es:L M: Longitud total del mensajeL C: Bits de control del mensajeT M: Tiempo de transmisión del mensajeT ACC: Tiempo de acceso al medioLa mayoría de los métodos empleados para lasmediciones se caracterizan por hacer evaluacionesde la conexión entre hosts enviando algún patrónde tráfico para luego realizar su evaluación.Las mediciones se repiten varias veces y luego sepromedian para obtener una mejor aproximación.Para el desarrollo del experimento se hará usode adaptadores Ethernet-PLC con el fin de determinarla variación del Throughput en la red LANsegún: el tamaño del paquete, el número de estacionesactivas en la red y la distancia en metrosentre el PC-Cliente y el PC Servidor.II. CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DEL DISEÑOEXPERIMENTALUn aspecto fundamental en el diseño de experimentoses decidir cuáles pruebas o tratamientosse van a ejecutar en el proceso y la cantidadde repeticiones de cada una, de manera que seobtenga la máxima información al mínimo costosobre el objeto de estudio.Un diseño experimental, es algo más que unconjunto de condiciones de prueba: es una secuenciade etapas o actividades que deben realizarsepara cumplir con éxito los objetivos que sepersiguen. Actualmente, existen diversos tiposde diseños experimentales en donde cada unode ellos permite estudiar situaciones que ocurrenen la vida práctica, ajustándose a las necesidadesdel investigador. Se debe saber cómo elegir elmás adecuado para cada problema.El tipo de diseño experimental seleccionado esel factorial, cuyo objetivo consiste en estudiar elefecto de varios factores sobre una o varias respuestas(Throughput). Es decir, se busca estudiar

24ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32la relación entre los factores y la respuesta, conla finalidad de comprender mejor cómo es la relacióny generar conocimiento que permita tomaracciones y decisiones que mejoren el desempeñodel proceso [7].Para estudiar la manera cómo influye cada factorsobre la variable de interés, es necesario elegiral menos dos niveles de prueba para cada uno deellos. Con el diseño factorial completo se ejecutanaleatoriamente en el proceso todas las posiblescombinaciones que pueden formarse con los nivelesseleccionados.Un diseño de experimentos factorial o arreglofactorial es el conjunto de puntos experimentaleso tratamientos que pueden formarse y consideratodas las posibles combinaciones de los nivelespor el número de factores [7]. Los factores sonaquellas variables que se investigan en el experimento,con relación a la forma como afectana la(s) variable(s) de respuesta. Los niveles sonaquellos valores que puede tomar cada uno delos factores. Por ejemplo, con k=2 factores, y cadafactor con dos niveles de prueba, se forma el diseñofactorial de 2x2=2 2 que consiste de cuatrocombinaciones o puntos experimentales.Para esta investigación se consideraron tresfactores: tamaño del paquete, número de PC activosen la red y distancia entre el PC (Cliente) y elServidor. Cada factor presenta un número específicode niveles cuantitativos acorde con la Tabla I.TABLA IFACTORES VS. NIVELESFactor Descripción No. Niveles1 Tamaño del paquete 62 Número de host 63 Distancia 4Fuente: Los AutoresEn virtud de lo anterior, corresponde a un diseñofactorial de 6x4x6=144 combinaciones detratamientos o puntos experimentales. El númerode replicaciones del experimento es de cinco (5),por lo tanto, se tomaron 720 mediciones por cadavariable respuesta.Cada uno de los métodos de diseño experimentalrecomienda el uso de una técnica estadísticapara el análisis e interpretación de los datos.En el caso particular del diseño factorial, la técnicasugerida es el análisis de varianza [8]. Enestadística, el análisis de la varianza (ANOVA, segúnterminología inglesa) es una colección de modelosestadísticos, en los cuales la varianza estáparticionada en ciertos componentes debidos adiferentes variables explicativas [9].El nombre de análisis de varianza (ANOVA)viene del hecho que se utilizan coeficientes devarianzas para probar la hipótesis de igualdadde medias. La idea general de esta técnica es separarla variación total en las partes con la quecontribuye cada fuente de variación en el experimento[7], [9]. El análisis de varianza, permiteidentificar si las muestras tomadas en diferentessituaciones llamadas “factores” o “tratamientos”,influyen significativamente desde un punto de vistaestadístico sobre la variable respuesta. Desdeeste punto se vista, se establecen hipótesis sobreel comportamiento de los factores y al final seaceptan o rechazan según los resultados arrojadospor el ANOVA [9]-[11].El uso del análisis de varianza no obedece a realizarcomparaciones por capricho o para descubrirlo evidente. La comparación de tratamientos surgecomo una necesidad en la lógica de pretender tomaruna decisión, en la solución de un problema ocomo paso importante para el mejor entendimientode un proceso [7]. En el contexto de un problemade investigación surge la necesidad de realizaralguna comparación de tratamientos con el fin deelegir la mejor alternativa o tener una mejor comprensióndel comportamiento de la variable de interésen cada uno de los distintos tratamientos.La estrategia normalmente se basa en obteneruna muestra representativa de mediciones decada uno de los tratamientos, y con base en lasmedias y varianzas muestrales construir un modeloestadístico que describa el comportamiento deesta comparación [8]-[10]. El modelo estadísticodescribe el comportamiento de la variable observaday en cada diseño incorpora un término adicionalpor cada factor. El modelo es una manerade expresar matemáticamente todo lo que se suponepuede influir sobre la variable de repuestaen un diseño dado [7].El objetivo del ANOVA es determinar si ciertasvariables pueden explicar una parte significativade la variación, la variación aleatoria es pequeñafrente a la variación explicable o determinista. Alfinalizar el experimento, se busca identificar si unoo más factores afectaron a la variable respuesta, y

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados25con ello establecer una relación de causalidad, ysentar las bases para el modelo empírico de predicción.III. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTOEn la actualidad, existen diferentes herramientassoftware que permiten realizar medicionessobre una red. La mayoría de herramientasopera mediante configuraciones cliente/servidor,al enviar paquetes de un host a otro, generarsituaciones de tráfico controladas y aleatoriasy permitir variar el tipo de protocolo detransmisión, TCP o UDP, el tamaño del paquete,y en algunas ocasiones la tasa de transferencia.Entre las herramientas software más utilizadasse encuentran: Chariot, MGEN, Iperf, SmokePing,TTCP, entre otras. Sin embargo, tenidas en cuentalas características y su uso constante en situacionesque requieren evaluar el rendimiento de unared, se utilizará Iperf como herramienta softwarepara la medición del Throughput y otros parámetrosrelacionados con retardos propios de la redLAN sobre PLC bajo el estándar HomePlug 1.0.Iperf es una herramienta diseñada para medirel rendimiento del ancho de banda vía TCPy UDP. Iperf reporta throughput, retardo (delay),Jitter (variación del retardo) y pérdidas de datagramas,que permite manipular diversos parámetrosdel tráfico generado [12].Para establecer una comunicación entre dosequipos, uno de ellos debe configurase comoservidor y otro como cliente. El experimento consisteen conectar diversos equipos de cómputo,haciendo uso de adaptadores PLC-ethernet separadosentre sí a una distancia conocida. Iperfgenerará tráfico desde cada uno de los PC haciael Servidor acorde con la configuración de parámetrosestablecida [13].Fig. 1. ESQUEMA DE CONEXIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LA RED PLC CONFINES EXPERIMENTALESforma de conexión de cada uno de los equipos.Como dato adicional para el experimento, losadaptadores se ubicaron dentro del mismo circuito(fase) eléctrico.Tal como se mencionó anteriormente, se consideraronpara el desarrollo del experimento tresfactores: tamaño del paquete, número de PC activosen la red y distancia entre el PC (Cliente) y elServidor. Los valores establecidos para cada unode 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 especificacionesdel fabricante)• Distancia entre PC-Cliente y Servidor:5m,10m,20m,30mCon referencia a la distancia, se utilizaron valoresdentro del rango de distancias en una viviendapromedio.Los adaptadores PLC utilizados correspondenal modelo NETGEAR XE102 Wall-Plugged EthernetBridge que operan bajo el estándar Homeplug 1.0y cumplen con las siguientes especificaciones técnicas,tabla II:TABLA IIESPECIFICACIONES TÉCNICAS ADAPTADORES USADOSCaracterísticaProtocol/Standards:Modulation Support:Frequency Band:Quality of Service:ValorHomePlug 1.0 specification, IEEE 802.310/100 Ethernet (10Mbps) and IEEE 802.3uFast Ethernet Compliant14MbpsInterconecta hasta 10 Plug IP’sOFDM , DQPSK, DBPSK and ROBO4.3 Mhz to 20.9 Mhz bandSoporta (FEC)4 niveles de prioridad de paquetes en formaaleatoriaUso de algoritmos adaptativos bajo el uso deCSMA/CAManeja encapsulamiento de paquetesBaja Latencia, Alto Throughput y JitterajustableSecurity Support:Hardware:Uso del algoritmo DES a 56bits paraencriptaciónPotencia Mínima (4.5 watts)Fuente: Los AutoresLa Figura 1, muestra una topología bus utilizadapara la implementación de la red PLC y laLED Indicators:Fuente: los autores1 x Power LED1 x Powerline Activity Status LED1 x Ethernet Link/Activity Status LED

26ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32Dadas las condiciones experimentales descritasse considera que las cinco replicaciones delexperimento son suficiente garantía para medirlos efectos principales y las interacciones.IV. MODELO ESTADÍSTICO Y ANÁLISIS DEVARIANZA PARA THROUGHPUTEn un diseño factorial de tres factores (axbxc)se supone que el comportamiento de la respuestaY puede describirse mediante el modelo de efectosdado por:En donde:a=Tamaños del paqueteb=distancias entre estacionesc=Número de estaciones o host en la red PLCn=Número de réplicas del experimentoY ijkl= Throughput para un tamaño de paquete(i) a una distancia entre estaciones (j), con unnúmero de estaciones en la red PLC (k), para lareplicación (l).μ=Media general del Throughput independientede cualquiera de los factores considerados enel experimento.A i= Efecto del tamaño del paquete (i)B j= Efecto de la distancia entre estaciones (j)C k= Efecto del número de estaciones (k)(AB) ij= Efecto de la interacción entre los factoresTamaño del Paquete y Distancia entre host(AC) ik= Efecto de la interacción entre los factoresTamaño del paquete y Número de host(BC) jk= Efecto de la interacción entre los factoresDistancia entre Host y Número de host(ABC) ijk= Efecto de la interacción de los tres factoresε ijkl= Error aleatorioEl estudio factorial de tres factores (A,B,C) permiteinvestigar los efectos: A,B,C,AB,AC,BC y ABC;donde el nivel de desglose o detalle con el quepueden estudiarse depende del número de nivelesutilizado en cada factor. Para el caso particular,se tienen siete efectos de interés sin considerardesglose y con ellos se pueden plantear sietehipótesis nulas(H o) y cada una apareada con unahipótesis alternativa (H A). El ANOVA para probarcada una de estas hipótesis se ilustra en la TablaIII.Las hipótesis de interés para los tres factoresdel modelo anterior y sus interacciones son:H o: Efecto A = 0, H A: Efecto A ≠ 0H o: Efecto B = 0, H A: Efecto B ≠ 0H o: Efecto C = 0, H A: Efecto C ≠ 0H o: Efecto AB= 0, H A: Efecto AB ≠ 0H o: Efecto AC = 0, H A: Efecto AC ≠ 0H o: Efecto BC = 0, H A: Efecto BC ≠ 0H o: Efecto ABC = 0, H A: Efecto ABC ≠ 0Para casos en los que todos los factores delexperimento son fijos, es posible formular y probarfácilmente hipótesis acerca de los efectos principalesy las interacciones. Para el caso de modelosde efectos fijos, los test para probar las hipótesissobre cada efecto principal y las interacciones sepueden construir al dividir el CM correspondientedel efecto o la interacción por el CM ELos gradosde libertad para cada efecto principal son los nivelesdel factor menos uno y el número de gradosde libertad para una interacción es el producto delnúmero de grados de libertad asociados con loscomponentes individuales de esta.Resumen del ProcedimientoVariable dependiente: ThroughputFactores:• Distancia entre estaciones• Número de host o estaciones activas en la redPLC• Tamaño del PaqueteNúmero de muestras experimentales: 720V. VALIDEZ DE LOS RESULTADOS OBTENIDOSEXPERIMENTALMENTELa validez de los resultados obtenidos encualquier análisis de varianza queda supeditadaa que los supuestos del modelo se cumplan.Estos supuestos del modelo de ANOVA son: normalidad,varianza constante (igual varianza delos tratamientos) e independencia. Esto es, larespuesta (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, Granados27y las mediciones deben ser independientes. Estossupuestos sobre (Y) se traducen en supuestossobre el término error (ε) en los diferentesmodelos. A continuación se realiza el análisispara cada uno de los tres supuestos:Supuesto de Varianza Constante. Una formade verificar el supuesto de varianza constante(o que los tratamientos tienen la misma varianza)es graficar los valores estimados contra losresiduos (Ŷ ijvs ε ij). Generalmente, Ŷ ijva en el ejeX (horizontal) y los residuos en el eje vertical.Fig. 2. VALORES RESIDUALES VS. VALORES ESTIMADOSPARA THROUGHPUTFuente: Los AutoresEn la Figura 2 donde se relacionan los valoresresiduales contra los valores estimados,se observa una ligera violación al supuesto devarianza constante, debido a una semejanza alpatrón tipo “corneta” que adoptan los residuosa medida que el valor estimado va en aumento.Sin embargo, esta violación no es tan fuertecomo para generar un impacto significativo enel momento de emitir conclusiones sobre el modelopropuesto.Debe tenerse en cuenta en la interpretaciónde esta Gráfica que aunque existan diferenciaspequeñas, estadísticamente no se considerancomo diferencias significativas. Adicionalmente,deben tomarse en cuenta la cantidad de observacionesrealizadas en cada uno de los factores,ya que este hecho puede llegar a impactaren la dispersión aparente de cada tratamiento.Supuesto de NormalidadUn procedimiento para verificar el supuestode normalidad de los residuos, consiste en graficarlos residuos en una gráfica de probabilidadnormal, la cual se incluye en la mayoría de losprogramas estadísticos.FIG. 3. VALORES RESIDUALES DE THROUGHPUT EN PAPEL ORDINARIOFuente: los autoresEn la figura anterior, correspondiente a la gráficade probabilidad, se observa el cumplimientodel supuesto de normalidad de los residuos, debidoa que estos se encuentran ajustados sobre larecta graficados en papel ordinario.Supuesto de IndependenciaEl supuesto de independencia en los residuospuede verificarse si se grafica el orden en que setomó un dato contra el residuo correspondiente.Fig. 4. RESIDUOS SEGÚN EL ORDEN EN LA TOMA DE LOS DATOSFuente: los autoresEn la Figura 4, en donde se ilustra la relaciónentre los valores residuales y el orden en el quefueron tomados los datos experimentalmente seobserva el cumplimiento del supuesto de independenciadonde los valores residuales se encuentrandistribuidos de manera aleatoria sobrela horizontal.VI. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOSEFECTOS ACTIVOSA través del uso del software estadístico Statgraphics,se realizó un análisis multifactorial dela varianza para Throughput, el cual realiza variostests y gráficos para determinar qué factores tienenun efecto estadísticamente significativo en elThroughput como variable de salida.

28ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32En la Tabla III se muestra el resultado del análisisde Varianza correspondiente al Throughput:TABLA IIIANOVA COMPLETO PARA THROUGHPUTFig. 5. INTERACCIÓN ENTRE DISTANCIA Y HOSTFuente deVariaciónA: Tamañodel paqueteSuma deCuadrad(SC)Gr. Lib(C.M)Cociente(Fo)p-Valor502,750 5 100,550 15873,65 0,00B: Distancia 0,220 3 0,0731 11,551 0,00C: No. Host 984,718 5 196,943 31091,13 0,00InteracciónAxBInteracciónAxCInteracciónBxCInteracciónAxBxC0,138 15 0,0091 1,450 0,11384,542 25 15,3816 2428,279 0,000,103 15 0,0068 1,0869 0,360,210 75 0,0028 0,4426 1,00Error 3,649 576 0,0063Fuente: Statgraphics Plus 5.1En la Figura 5 se evidencia de manera visual unamuy poca importancia de la interacción entre la distanciay el número de host existente en la red, consideradaslas distancias a las cuales se efectuó elexperimento (5m, 10m, 20m, 30m) debido a que laslíneas se encuentran paralelas entre sí. Por otro lado,debido a que la pendiente de las rectas es muy cercanaa cero, quiere decir que la influencia del factordistancia sobre el valor del Throughput es muy bajo.Fig. 6. INTERACCIÓN ENTRE TAMAÑO DEL PAQUETE Y HOSTTOTAL 1876,330 719Fuente: los autoresAl efecto cuyo p-value sea menor al valor especificadopara α, se declara estadísticamentesignificativo o se dice que está activo. Es decir,aquellos valores donde p-value

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados29En la Figura 7 se evidencia una muy poca importanciade la interacción entre el tamaño del paquetey la distancia entre estaciones, ya que laslíneas se encuentran casi paralelas entre sí. Sinembargo, debido a que la pendiente de las rectastiende a aumentar considerablemente a medidaque aumenta el tamaño del paquete, reflejala fuerte influencia del tamaño del paquete comofactor importante sobre el valor del Throughput.VII. ANÁLISIS DE MEDIASRechazada la hipótesis nula en un análisis devarianza, es necesario ir al detalle y ver cuálestratamientos son diferentes. Cuando se acepta lahipótesis nula H o: μ 1= μ 2= ... = μ k= μ, el objetivo delexperimento está cubierto y la conclusión es quelos tratamientos son iguales. Si por el contrario serechaza H oy, por consiguiente, se acepta la hipótesisalternativa H A: μ i≠ μ jpara algún i ≠ j, es necesarioinvestigar cuáles tratamientos resultarondiferentes o cuáles tratamientos provocan la diferencia,donde el gráfico de medias y los gráficosde interacción ayudarán a interpretar los efectossignificativos que el análisis de varianza no logroespecificar satisfactoriamente.El método utilizado para el análisis de mediasfue el método Tukey, considerado como el más comúnmenteutilizado en la comparación de paresde medias de tratamientos, el cual consiste encomparar las diferencias entre medias muestralescon el valor crítico dado por:Según el tamaño del PaqueteTABLA IVMEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL TAMAÑO DEL PAQUETENivel Frec MediaErrorEstándarLímiteInferiorLímiteSuperior64 120 0,2834 0,007265 0,269164 0,297703128 120 0,5598 0,007265 0,545539 0,574078256 120 0,8878 0,007265 0,873547 0,902086512 120 1,4783 0,007265 1,46403 1,492571024 120 2,2072 0,007265 2,19299 2,221531500 120 2,5604 0,007265 2,54615 2,57469Fuente: Statgraphics Plus 5.1Cuando se rechaza H omediante el ANOVA, yse concluye que no hay igualdad entre medias poblacionalesde los tratamientos, pero no se tieneinformación específica sobre cuáles tratamientosson diferentes entre sí, el análisis de medias permitehacer una comparación visual y estadísticade las medias de los tratamientos. A continuaciónse muestran los resultados de medias por mínimoscuadrados para Throughput, con un Intervalode confianza del 95% en relación con cada uno delos factores.Fig. 8. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚNEL FACTOR TAMAÑO DEL PAQUETEDondese obtiene del análisisANOVA, en función del cuadrado medio del error yn es el número de observaciones por tratamiento,k es el número de tratamientos, N-k es igual a losgrados de libertad para el error, α es el nivel de significanciaprefijado y el estadístico q α(k,N-k) sonpuntos porcentuales de la distribución del rangoestudentizado, que se pueden obtener en tablas.Se declaran “significativamente diferentes” lospares de medias cuya diferencia muestral en valorabsoluto sea mayor que Tα. A diferencia de losmétodos LSD y Duncan, el método de Tukey trabajacon un error α muy cercano al declarado por elexperimentador. Cuando se hace uso del métodode Tukey (HSD), hay un 5,0% de riesgo de consideraruno o más pares como significativamente diferentescuando su diferencia real es igual a cero.Fuente: Statgraphics Plus 5.1Según la DistanciaTABLA VMEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN LA DISTANCIA ENTRE ESTACIONESNivel Frec MediaErrorEstándarLímiteInferiorLímiteSuperior5 180 1,35766 0,00593 1,346 1,3693110 180 1,32958 0,00593 1,31793 1,3412320 180 1,31893 0,00593 1,30728 1,3305830 180 1,31185 0,00593 1,3002 1,3235Fuente: Statgraphics Plus 5.1

30ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 22 - 32Fig. 9. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚNEL FACTOR DISTANCIAreflejo efectos significativos en el comportamientodel Throughput, lo cual es coherente con los resultadosobtenidos previamente.VIII. CONCLUSIONESFuente: Statgraphics Plus 5.1Según el número de HostTABLA VI.MEDIAS PARA THROUGHPUT SEGÚN EL NÚMERO DEL HOSTNivel Frec MediaErrorEstándarLímiteInferiorLímiteSuperior1 120 3,7085 0,00726 3,69423 3,722772 120 1,85292 0,00726 1,83865 1,867194 120 0,9282 0,00726 0,913939 0,9424786 120 0,6159 0,00726 0,60163 0,630178 120 0,4831 0,00726 0,468922 0,49746110 120 0,38831 0,00726 0,374047 0,402586Fuente: Statgraphics Plus 5.1Fig. 10. MEDIAS E INTERVALOS HSD DE TUKEY SEGÚNEL FACTOR NÚMERO DE HOSTFuente: Statgraphics Plus 5.1Frecuencia Total: 720Media Total: 1,32951En las figuras anteriores se ilustra el valor delThroughput medio por cada nivel según el factoranalizado. También se presenta el error estándarde cada media, el cual corresponde a una medidade variabilidad en la muestra. Las dos columnasde la derecha muestran los intervalos para cadauna de las medias con un 95% de confianza. Segúnel análisis de medias, los mejores promediosse obtuvieron a medida que el tamaño del paqueteaumentó y la cantidad de host existentes en lared era reducido. La distancia entre los host noLa implementación de redes PLC no debe serconsiderada como un reemplazo de las tecnologíasexistentes, sino como una solución complementariaque trabaja en conjunto con otras tecnologíasde acceso. PLC ofrece una instalaciónsimple y rápida en donde solo es necesario conectarun adaptador o MÓDEM PLC, convirtiendocualquier toma de corriente en un punto de accesoa la red; lo que permite la transmisión simultáneade voz, datos y video sobre un mismo medio;se origina la prestación de múltiples servicios:acceso a Internet de Banda Ancha, telefonía localcon protocolo de IP, aplicaciones multimedia(videoconferencia, televisión interactiva, vídeo yaudio bajo demanda, juegos en red), entre otrosservicios.Un diseño experimental es una secuencia deetapas o actividades que deben realizarse paracumplir con éxito los objetivos que se persiguen.En vista de lo anterior y para óptimo desarrollo delpresente estudio, fue seleccionado el tipo factorial,cuyo objetivo consiste en estudiar el efectode varios factores sobre una o varias respuestas(Throughput). Para el caso particular se implementóun diseño factorial de 6x4x6=144 combinacionesde tratamientos o puntos experimentales,con tres factores de tipo cuantitativo (tamañodel paquete, número de estaciones activas en lared y la distancia en metros entre el PC-Cliente y elPC Servidor), el cual respondió satisfactoriamentea cada una de las necesidades en el procesode investigación. El número de replicas del experimentofue cinco (5), las cuales se consideraronsuficiente garantía para medir los efectos principalesy las interacciones, para un total de 720 medicionesde la variable respuesta.En todo modelo, es importante saber combinarparámetros, variables, relaciones funcionalesy restricciones que formen los componentesque desarrollan la función objetivo. El análisis devarianza (ANOVA) permitió descomponer la variabilidadde Throughput en cada una de las contribucionespor factor, bajo un nivel de confianzadel 95,0%. El análisis de varianza identificó cua-

Análisis sobre el comportamiento del Throughput en redes LAN bajo tecnología Power Line Communications - Vesga, Granados31tro efectos estadísticamente significativos ( ). Laúnica interacción significativa estadísticamenteentre los factores fue la interacción AC, la cualcorresponde a la interacción entre los factores Tamañodel Paquete y Número de host o estacionesexistentes en la red PLC.Según el análisis de medias, los mejores promediosse obtuvieron a medida que el tamaño delpaquete aumentaba y la cantidad de host existentesen la red era reducido. La distancia entre loshost no reflejó efectos significativos en el comportamientodel Throughput a las distancias en lascuáles se desarrolló el experimento (5m, 10m,20m, 30m) y que encajan dentro de una viviendapromedio. Por otro lado, se observó un efecto considerableen la interacción de los factores tamañodel paquete y número de estaciones, debido al aspectoquebrado de las líneas. Según la pendientede las rectas en los gráficos de interacción se puededecir que el Throughput tiende a estabilizarsealrededor de 1Mbps a medida que aumenta eltamaño del paquete y el número de estaciones,donde se evidenció que la mayor influencia sobrela variable salida depende del número de estacionesque se encuentren activas en la red PLC.La validez de los resultados obtenidos en cualquieranálisis de varianza queda supeditada a quelos supuestos del modelo (normalidad, varianzacontante e independencia) se cumplan. En el casoparticular, bajo el uso de gráficos de residuos sepudo comprobar los supuestos del modelo propuestopara el Throughput, cumplen a satisfaccióncon cada uno de los supuestos, y se garantizacon ello que los resultados del experimentoobedecen a una muestra aleatoria de distribuciónnormal con media cero y varianza constante.Aunque existen herramientas de predicciónque se encuentran disponibles comercialmente,su costo es muy elevado, lo cual limita su adquisicióny aplicación en el entorno regional. Algunosejemplos son: WinProp, SitePlanner, CINDOOR;sin embargo, el uso de Iperf como herramientasoftware de libre distribución permitió realizar diversaspruebas sobre el entorno de red basadoen PLC, las cuales arrojaron resultados bastanteinteresantes; y brindaroo las herramientas parala definición del modelo empírico de predicción yla forma de interacción entre diversos factores inmersosen el proceso de comunicación.La intención final de este estudio es establecerlas bases para evaluar el comportamiento delJitter, el cual se encuentra directamente relacionadocon el rendimiento de la red PLC implementada,y considera la influencia de cada uno delos siguientes factores: el número de estacionesactivas en la red, la distancia entre ellas y el tamañodel paquete; bajo las condiciones de la redeléctrica existentes en ambientes corporativos yresidenciales. Sin embargo, es importante considerarque los resultados obtenidos pueden estarsujetos a modificaciones y ajustes posteriores debidoal grado de sensibilidad de los instrumentosutilizados para realizar la medición y las condicionesexistentes en la red en el momento de llevar acabo el experimento.REFERENCIAS[1] S. M. Kumar, S. Nutan, and J.K. Diwedi, “Power LineCommunication: A Survey”. International ConferenceOn Recent Trends in Engineering, Technology & Management,Bundelkhand Institute of Engineering &Technology, Jhansi, India. Feb. 27, 2011.[2] HomePlug 1.0 Specification, HomePlug Power lineAlliance, 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 LineCommunications: 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 InternationalConference on Information Technology, Dubai, pp218-222, 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 ExperimentosAnálisis de datos estándar y no estándar”, BogotáD.C., Ed. Universidad Nacional de Colombia, 1997.[9] R.O. Kuehl, “Principios estadísticos para el diseño yanálisis de investigaciones”. México. Ed.Thompson,2006.[10] W. Moreno, “Aplicaciones al diseño y análisis de experimentos”.Bucaramanga, Ediciones UIS, 2002.

32ITECKNE 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 LineTransfer of Data for Computer Simulation”, InternationalJournal of Communication Networks and InformationSecurity (IJCNIS), vol. 3, no. 2, 104-111, Aug.2011.[13] J. Anatory y N. Theethayi, “Broadband Power-Line CommunicationSystems: Theory and Applications”, cap. 3,Boston, Ed. Wit Press, 2010

Performance Evaluation of Self-Similar Models forTraffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Casefor the QRD NetworkEvaluación del Desempeño de los Modelos de tráfico Auto-similares enredes IEEE 802.11 - Caso de Estudio Red QRDEvelio Astaiza HoyosPhD(c) Procesado de señales y las comunicacionesUniversidad de Vigo-EspañaMsC. Ingeniería, área de telecomunicaciones,Universidad del CaucaProfesor Asistente - Universidad del Quindío.Investigador grupo GITUQeastaiza@uniquindio.edu.coeastaizah@unicauca.edu.coHéctor F. Bermúdez OrozcoPhD(c) Procesado de señales y las comunicaciones,Universidad de Vigo-EspañaMsC Electrónica y Telecomunicaciones,Universidad del CaucaProfesor Asistente - Universidad del Quindío.Investigador grupo GITUQhfbermudez@uniquindio.edu.cohebermudez@unicauca.edu.coDiego Fernando Salgado CastroIngeniero ElectrónicoUniversidad del QuindíoGrupo GITUQdfsc984@hotmail.comAbstract— This paper evaluates the performance offractal or self-similar traffic models in IEEE 802.11networks. This study is focused on the “Quindio RegiónDigital” (QRD) network. Performance evaluation of thetraffic models is performed in three stages. In the firststage, we obtain the statistical characteristics of thecurrent traffic on the QRD network. In the second stage,the most suitable traffic models are selected for thecurrent characteristics of the QRD network such as outof-saturationoperation and management of heterogeneoustraffic. In the third stage, we define a performancemetric that is used to evaluate the traffic patternsthrough simulation.Keywords— QRD, WLAN, MAC, time slot, contention window,self-similarity, traffic, correlation, goodness of fittest, snnifer.I. INTRODUCTIONIn the recent years, wireless networks have becomepopular for the design of access networksdue to their potential benefits with respect to wirednetworks. Since the standard IEEE 802.11 hasbeen widely accepted for the design of these networks,a detailed study of this standard providesuseful tools to design and plan proper networks,and to meet user requirements with respect to informationmanagement and services.This paper presents the performance evaluationof one popular method to model WLAN802.11networks. This model takes into accountan exponential backoff protocol under non-saturatedstations and heterogeneous-traffic-flow conditionsto compute the throughput of the distributedcoordination function (DCF) for basic access.Therefore, this model is suitable for the analysis oftraffic frames in a real network. In this paper, theperformance of this model is compared using actualdata from the “Quindío Región Digital” (QRD)network.The model under analysis assumes that the probabilitiesof packet collision of a packet is constantand independent on the state and station regardlessthe number of retransmissions. This assumption,validated through simulations, shows high-accurateresults even when the number of stations inthe wireless LAN is greater than 10.This paper is organized as follows. Section 2defines the two medium access mechanisms usedin DCF, basic mechanism and RTS/CTS (Requestto send/Clear to send) mechanism, as well as acombination of both. Section 3 shows the resultsand statistics obtained for a real traffic in the QRDRecibido: 03/08/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39

34ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39network. Sections 4 and 5 include the performanceevaluation of the model under study, which takeinto account real conditions such as non-saturatedstations and heterogeneous traffic. Section 6 presentsthe simulation results that verify the performanceof this model on the QRD network. Finally,Section 7 summarizes the results and discussesthe performance of the model on real network data.II. DISTRIBUTED COORDINATION FUNCTION802.11This section presents an overview of the distributedcoordination function (DCF) described bythe IEEE 802.11 protocol. A detailed description isincluded in [6], [7], [8], [10] and [15].A station with a new packet to be transmittedsenses the channel activity. If the channel isfound inactive during a period of time equal tothe distributed interframe space (DIFS), the stationtransmits. Otherwise, if the channel is foundbusy (immediately or during the DIFS), the stationcontinuously senses the channel until it is foundinactive during a DIFS. From this viewpoint, thestation generates a random backoff interval beforetransmitting (i.e., performs an anti-collisionprotocol) to minimize the probability of collisionwithin the packets transmitted by other stations.In addition, to avoid channel break, a station mustwait for a random backoff time between two consecutivetransmissions of a new packet even if thechannel is found inactive during a DIFS. To improveefficiency, DCF uses a discrete backoff scale.The time following an inactive DIFS is sliced anda station can transmit only at beginning of eachslot time. The size of the slot time “σ” is set equalto the time required by each station to detect thetransmission of a packet from any other station.TABLE ISlot Time (ranura de tiempo), valores máximos y mínimos de la ventanade contienda para las tres especificaciones PHY del estándar 802.11:Frecuency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Direct Sequence SpreadSpectrum (DSSS), and Infrared (IR).PHY Slot Time (σ) CWmin CWmaxFHSS 50 µs 16 1024DSSS 20 µs 32 1024IR 8 µs 64 1024As shown in Table I, the size of the slot time “σ”depends on the physical layer, and it representsthe propagation delay involved in switching froma reception state to transmission state (i.e., RX-TXtime) as well as the time to signal to the MAC layerabout the channel state (i.e., to detect a busy time).DCF adopts an exponential backoff behavior, inwhich the backoff time for each packet transmissionis chosen to be uniform in the range (0,W-1), whereW is called contention window, and this windowdepends on the number of failed transmission for agiven packet. In the first transmission attempt, W isset to be equal to the minimum contention window(CWmin). After each failed transmission, W is doubleduntil reach its maximum value CWmax = 2 m CWmin.The values for CWmin and CWmax are reportedin the final version of the standard [15]. The backofftime counter is stopped when a transmission is detectedover the channel, and it is resumed when thechannel is found inactive again for more than oneDIFS. The station transmits when the backoff counterreaches zero. Fig. 1 depicts this operation.Since CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) is not based on the station capabilitiesto detect a collision by listening to their owntransmissions, an affirmative acknowledge (ACK) istransmitted by target station to signal a successfulpacket reception. ACK is transmitted immediatelyfollowing the packet reception, and this time intervalis called short interframe space (SIFS). As longas the SIFS (in addition to the propagation delay) isshorter than a DIFS, none station is capable of detectingchannel inactivity during a DIFS until the endof an ACK. If the transmitting station does not receiveany acknowledge for a certain ACK waiting time,or a different transmission packet is detected overthe channel, the transmission of packets is restartedaccording to the predefined backoff rules. The previoustwo-way transmission approach is called basicaccess mechanism. DCF defines an additional andoptional four-way transmission approach. This mechanismis called RTS/CTS, which is shown in Fig. 2.Fig.1. BASIC ACCESS MECHANISMSource: 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,Salgado35Fig. 2. RTS/CTS MECHANISMgrouped according to the arrival time and lengthof each packet. In this way, histograms and goodnessof fit tests are used to estimate the statisticsthat characterize the traffic and features of theQRD network.B. Identification of the distribution functionSource: P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, November 1997.The station that requires a packet transmissionmust wait until the channel is found inactiveduring a DIFS, following the backoff rules explainedabove. Then, instead of transmitting the datapacket, a preliminary short frame, called “requestto send” (RTS), is transmitted. When the targetstation detects a RTS frame, it responses, after aSIFS, by sending a “clear to send” (CTS) frame. Astation is allowed to transmit only if a CTS frame isreceived properly.RTS and CTS frames carry out informationabout the length of the packet to be transmitted.This information can be read by any other listeningtransmitters, which update the network allocationvector (NAV) that stores information about the periodof time when the channel is busy.RTS/CTS mechanism is efficient in terms ofsystem performance since it reduces the lengthof the frames involved in a contention process.In fact, even assuming perfect channel detectionby each station, collision may occur when two ormore packets are transmitted on the same slottime. If the two transmission stations employ aRTS/CTS mechanism, a collision is produced onlyin the RTS frame. However, this issue can be detectedquickly by all transmission stations due tothe lack of a CTS frame [5].III. ACQUISITION OF A REAL TRAFFICThis section shows the data obtained from areal traffic in the QRD network, and the statisticsperformed on this data.A. Capture of traffic in the QRD network andstatistics estimationA protocol analyzer was used to capture informationabout packets [12]. This information isThe methodology of goodness of fit test proposedby Kolmogorov-Smirnov [11] is used to determinethe distribution functions for the arrival-packettime and packet length. As a result of this test,the distribution function for the arrival-packet timeis found to be exponential, this is shown in Fig. 3.With respect to the packet length (or equivalently,the average service time), the distribution functionis uniform, this is shown in Fig. 4.Fig. 3. EXPONENTIAL DISTRIBUTION FOR THE ARRIVAL-PACKET TIME ONJANUARY 26, 2011.Source: Author of the projectFig. 4. UNIFORM DISTRIBUTION FOR THE PACKET LENGTHSource: Author of the projectIV. THROUGHPUT FOR THE REAL TRAFFICAND SELF-SIMILAR MODELA. Throughput for the real trafficFrom the QRD data, the time mean average ofthe packets is 0.0076 seconds, which suggeststhat the actual offered traffic is λ k= 7.6ms.

36ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39Fig. 4 shows an uniform distribution for thelength of the payload bits in the packets. Themean value is 1452.76 bytes, i.e., L k= 1452.76bytes. Hence, the throughput in Mbps againstthe number of network stations is shown in Fig.7. From this figure, it is possible to determine themaximum throughput of a network with differentnumber of terminals by dividing this value by thenumber of terminals. Thus, if packets with an averagelength of 1452.76 bytes are transmitted toany rate such as 1, 2, 11 or 54 Mbps, the maximumthroughput is 90 kbps, this is shown in Fig.5. Asumming 20 terminals for the QRD network,the effective transmitsion rate by terminal are 4.5kbps. This result is very accurate due to this analysistakes into account the time involved in solvingcollisions.Fig. 5. THROUGHPUT IN THE QRD NETWORK AS A FUNCTION OF THENUMBER OF STATIONSA random process {X(t),t∈R} is called H- sssiif itis self-similar with a parameter H, and it has stationaryincrements.• Lemma 1 [2]It is assumed that {X(t),t∈R} is a non-degnerativeprocess H- sssiwith an inifity variance. Then, 0< H ≤ 1, X(0) = 0 and the covariance is defined byIf X(t) is a non-degenerated process H- sssiwithfinite dispersion, then 0 < H ≤ 1. During simulationof the traffic, the range 0.5 < H < 1 is particularlyinteresting since the process H- sssiX(t) with H < 0cannot be measured, and it belongs to a pathologicalcase. While the case H > 1 is forbidden sincethe stationary condition in this process is cumulative.In practice, the range 0 < H ≤ 0.5 can beexcluded because this cumulative process is calledshort range dependence (SRD). For practicalpurposes only the range 0.5 < H < 1 is relevant. Inthis range, the correlation factor for the cumulativeprocess Y(t):has the following form:C. M / G / ∞ QueueSource: Author of the projectB. Throughput for the self-similar modelA study about the self-similarity on aggregatedtraffic using the Hurst parameter for a wirelessnetwork close to the QRD network is presented in[4]. The degree of self-similarity is obtained for theQRD network from the arithmetic summation ofthe degree of self-similarity for each frame independently.In other words, the Hurst parameter isobtained separately for the data frame, the controlframe, and the management frame, and those valuesare finally added together to obtain the Hurstparameter for the aggregated traffic.In [1], [2], [3], [9], [13] and [14], the self-similartraffic for WLAN networks is modeled through anM / G / ∞ queue.• Definition 1 [2]The M / G / ∞ process is defined as follows.The discrete-time M / G / ∞ queue is modeled withslot time “σ” as time interval. All Poisson-type arrivalswithin the slot time are used for service beforethe beginning of the next slot, where W(s=k),k=1,2,..., is the probability density function (pdf) ofthe service time S given in slot-time “σ” units. Forthis system, it is known that the pdf of the queuelength is a Poisson distribution at the end of eachslot time with mean λ = λ o*M[s], where λ ois theaverage number of arrivals when the system is atthe state 0 in the M / G / ∞ queue. However, thenext queue lengths at the end of the slot time arecorrelated with autocorrelation function r(k) = P(S> k. Hence, if this queue-length process is usedto generate the arrivals for the analyzed system,the next arrival process A is obtained from themarginal distribution of A, which is a discrete-timePoisson 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,Salgado37time, and P(S > k) is the autocorrelation function.In practice, it is necessary to obtain the autocorrelationfunction r(k), which could be used to computethe distribution required for the service time.In particular,802.11 network. The variations of the H parameterare shown in Fig. 6.r(k) is the same ρk, i.e., the offered traffic,which is replaced in the throughput S k(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),Where α = r(1) = 1 – M[S]. As a result, the arrivalprocess is and asymptotic self-similar processwith Hurts exponent H = 1 – β / 2.Since the M / G / ∞ queue describes only adiscrete-time arrival process, the next step is thegeneration of isolated arrival times. This procedureis obtained by grouping arrivals of K≥1 slottimes followed each other, and strong distributionover all intervals of length t o= σk seconds.Let N be the number of arrivals within k slot times.Since N is a Poisson process, the assignmentof each arrival inside the interval corresponds to auniform distribution (the distribution of interval timesbetween arrivals is still non-exponential).The offered traffic obtained from (3) and (5) interms of the autocorrelation function r(k), wherek is the average time of a packet on backoff statetaking into account the collisions described above,is given byUp to this point, all parameters are replaced tosolve the above equation except the Hurst parameter,which is varied to determine the degree ofself-similarity in the model, and so to obtain thefeatures of a real traffic.Self-similar models takes Hurst parameter valueswithin the range 0.5

38ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 33 - 39To support this claim, a numerical analysis basedon correlation provides more accurate informationthan a graphical analysis. Correlation results forthe self-similar model and the real traffic on theQRD network.Correlation coefficient for the real traffic andthe self-similar model:0.941Since the correlation coefficient is close to one,it is concluded that the model provide a strong correlationwith the real data.The previous results allow us to conclude thatthe model describes the features of IEEE 802.11network traffic.Fig. 7. THROUGHPUT FOR THE SELF-SIMILAR MODEL, AND REAL TRAFFIC.provides an estimation of the self-similarity degreefor the actual traffic. Independently on thedifferences between both models, it is possible toconclude that the actual traffic in the WLAN QRDnetwork is well described by a self-similar model.Under the assumptions about a memoryless Poissonprocess for the arrival time and the probabilityof packet collision independently on the previousstate, it was possible to obtain a simulatedthroughput that matches the throughput obtainedfrom a real traffic.The most important reason why the model wasselected for this study is the ability of this modelto describe real conditions in non-saturated networksand heterogeneous traffic, i.e., streamingand elastic flows. Hence, it was feasible to performa comparison under normal conditions, andthese simulation results are close to real data.REFERENCES[1] Oleg I. Sheluhin, Sergey M. Smolskiy, Andrey V. Osin.(2007). SELF-SIMILAR PROCESSES IN TELECOMMUNI-CATION. John wiley & sons, ltd.[2] Villy B. Iversen (2001). TELETRAFFIC ENGINEERINGHANDBOOK. Technical university of DenmarkSource: Author of the projectVI. CONCLUSIONSIn this paper, the one popular traffic modelsfor IEEE 802.11 wireless networks was evaluated.The model is based on self-similar theory, defininga simple but powerful model that capturesall characteristics of the medium access control(MAC). It is important to highlight that this modeldepends exclusively on the distribution of packetarrivals obtained for the QRD network. The selfsimilarityof the traffic turns out relevant once therandom process becomes similar at different scales,but this model (self-similar model) is no longerpopular due to the mathematical complexityand the complex estimation of the self-similaritydegree from the Hurst parameter. To estimate thisself-similarity degree, it is necessary to determinethe Hurst parameter separately for each frame,and then to obtain a unified Hurst parameter that[3] Jeremiah F. Hayes, Thimma V. J. Ganesh Babu. (2004).MODELING AND ANALYSIS OF TELECOMUNICATIONSNETWORKS. John wiley & sons, inc, Hoboken, New jersey.[4] Xiao-hu Ge, Yang Yang, Cheng-Xiang Wang, Ying-Zhuang Liu, Chuang Liu, Lin Xiang (2009) “Characteristicsanalysis and modeling of frame traffic in 802.11wireless networks,” John Wiley& Sons, Ltd.[5] G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE802.111Distributed Coordination Function,” IEEEJournal on SelectedAreas in Communications, Vol. 18,No. 3, March 2000.[6] Y.C. Tay and K.C. Chua, “A Capacity Analysis for theIEEE802.11 MAC Protocol,” Wireless Networks 7, 159-171, March2001.[7] B. Bellalta, M. Oliver, M. Meo and M. Guerrero (2005)“A Simple Model of the IEEE 802.11 MAC Protocol withHeterogeneous Traffic Flows,” Belgrade, Serbia andMontenegro.[8] Ken Duffy, David Malone, and Douglas J. Leith, (2005)“Modeling the 802.11 Distributed CoordinationFunction in Non-Saturated Conditions,” IEEE COMMU-NICATIONS LETTERS, VOL. 9, NO. 8.

Performance Evaluation of Self-Similar Models for Traffic on IEEE 802.11 Networks – Study of Case for the QRD Network - Astaiza, Bermúdez,Salgado39[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 OPE-RANDO A TASAS FIJAS O ADAPTIVAS USANDO EL ES-TÁNDAR IEEE 802.11 a/b/g,” Ingeniare. Revista chilenade ingeniería, vol. 15 Nº 3.[11] Evelio Astaiza Hoyos, Héctor Fabio Bermúdez, PabloAndrés Gutiérrez (2007) “Simulación De SistemasDe Telecomunicaciones”, Ed Padilla Bejarano, FerneyISBN: 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 ofUnidirectional Packet Delay of Wireless Traffic,” Lancaster,UK[14] Arcadio Reyes Lecuona, (2001) “MODELADO DE TRÁ-FICO DECLIENTES WWW” universidad de Málaga[15] P802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,November 1997

Arquitectura funcional para la implementación demobile IPTV sobre redes LTE y LTE-AvancedFunctional architecture for the implementation of Mobile IPTVover LTE and LTE-Avanced networksDiego Fernando Rueda PepinosaMSc(c) en Ingeniería – TelecomunicacionesUniversidad Nacional de ColombiaInvestigador del Grupo de GITUN.Universidad Nacional de Colombia.Bogotá, Colombiadfruedap@unal.edu.coZoila Inés Ramos RodríguezPhD.(c) en Ingeniería - Telecomunicaciones, Universidad deTelecomunicaciones e Informática de Moscú. Profesor Asociado,Líder del Grupo GITUN. Universidad Nacional de Colombia.Bogotá, Colombiaziramosd@unal.edu.coResumen— La televisión digital móvil sobre el protocolode Internet (Mobile IPTV) requiere que las redes de móvilesprovean los recursos y los mecanismos necesariospara garantizar la calidad en los contenidos entregadosa los usuarios. Las características técnicas de las tecnologíasde banda ancha móvil LTE y LTE-Advanced las perfilancomo las redes capaces para soportar el desplieguede Mobile IPTV. Por consiguiente, en este trabajo seha realizado el análisis de las redes LTE y LTE-Advancedcon el fin de proponer una arquitectura funcional paraorientar la implementación del servicio de Mobile IPTV.Palabras clave— Arquitectura funcional; Long TermEvolution (LTE); LTE-Advanced; Mobile IPTV; SubsistemaMultimedia IP (IMS); Servicio de Multidifusión y DifusiónMultimedia (MBMS).Abstract— Mobile digital television over IP networks(Mobile IPTV) requires that mobile networks providethe resources and mechanism necessary to guaranteethe quality of content delivered to users. The technicalcharacteristics of mobile broadband technologies LTEand LTE-Advanced will permit to be the networks ableto support the deployment of Mobile IPTV. Therefore,in this study we have done an analysis of the LTE andLTE-Advanced networks in order to propose functionalarchitecture to guide the implementation of the MobileIPTV service.Keywords— Mobile IPTV; IP Multimedia Subsystem(IMS); Long Term Evolution (LTE); LTE-Advanced; Multicast/BroadcastMultimedia Service (MBMS); FunctionalArchitecture.I. INTRODUCCIÓNEl crecimiento del número de usuarios, la multiplicidadde dispositivos para acceder a la red yla demanda de nuevos servicios y aplicacionesgeneran un aumento considerable en el tráfico dedatos que circula por la redes móviles y causanproblemas de congestión y la degradación en lacalidad de los servicios ofrecidos [1] [2]. Segúnel estudio realizado en [2], para el año 2016 eltráfico de datos móviles llegará a más 10.8 Exabytespor mes, del cual el 70% será generado porflujos de video. Es por tanto que las redes móvilesestán al borde de una tercera fase de evolución enla cual el tráfico de datos móviles será dominadoprincipalmente por contenidos de video y que serequerirán nuevas formas de optimizar la red paraevitar la saturación de la misma [3]. La estimacióndel incremento de este tipo de tráfico es unode los principales impulsores para la adopción delos nuevos estándares de banda ancha móvil LTE(Long Term Evolution) y LTE-Advanced (LTE-A) [3].Bajo este escenario uno de los servicios másexigentes en términos de consumo de recursosserá la Mobile IPTV puesto que requiere de unared de alta velocidad, baja tasa de error y bajoretardo para permitir la reproducción en tiemporeal del contenido seleccionado por el usuario [4].En consecuencia, el despliegue de sistemas LTEmarcará el inicio de una nueva era en las comunicacionesmóviles que permitirá a los operadorescontar con una plataforma global para soportarlas próximas generaciones de servicios con la calidadrequerida por cada uno de ellos [5].Las características técnicas de las redes LTE/LTE-A las perfilan como las tecnologías capacesde soportar el despliegue de la Mobile IPTV todavez que se constituyen en la evolución de las redesde 3G, con en un núcleo de red completamente IP(All-IP), capaces de ofrecer altas velocidades deRecibido: 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, Ramos41acceso, mejorar la eficiencia espectral, reducir elretardo y de diferenciar los flujos de tráfico [6] [7].Por lo tanto, es necesario contar con una arquitecturaque permita orientar la implementación delservicio Mobile IPTV sobre este tipo de redes y endonde se garantice la calidad de los contenidosentregados a los usuarios y la adecuada gestióndel servicio.Este artículo está organizado de la siguientemanera: en la parte II se encuentran los trabajosrelacionados con la temática tratada en estainvestigación, en la parte III se revisan los principalesaspectos para el despliegue del servicio deMobile IPTV, seguidamente, en la parte IV se analizay propone una arquitectura funcional para laimplementación de Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A, y por último, en la parte V, se presentan lasconclusiones obtenidas con el desarrollo de estetrabajo de investigación.II. ANTECEDENTESEntre los trabajos relacionados con esta investigaciónse pueden citar inicialmente a [8] y [9],donde los autores realizan la revisión y comparaciónde las arquitecturas funcionales recomendadaspor la Unión Internacional de las Telecomunicaciones(UIT) para la entrega de servicios deIPTV. Las arquitecturas presentadas por la UIT en[10] son tres y tienen como referencia a las Redesde Nueva Generación (NGN, Next Generation Networks)[11].La primera arquitectura fue definida para eldespliegue de IPTV sobre redes que no son NGN(Non-NGN IPTV), la segunda presenta una arquitecturabasada en NGN sin la inclusión del SubsistemaMultimedia IP (IMS, IP Multimeda Subsystem)(NGN non-IMS IPTV) [12] y la tercera sebasa en la implementación de IPTV en NGN consu componente de IMS (NGN-IMS IPTV) [13]. Deestas arquitecturas, la más estudiada ha sido laarquitectura NGN-IMS IPTV.Los autores de [14], [15] y [16] consideran alIMS como un elemento indispensable para el controlen las sesiones, el lanzamiento del servicio ylos mecanismos autenticación, autorización y contabilidad(AAA, Authentication, Authorization, andAccounting) así como para la aplicación de políticas,control de admisión y gestión de recursos.Dichos trabajos están orientados hacia la implementaciónde IPTV en entornos NGN.En [17] se realiza un estudio de la señalizaciónpara la prestación de servicios de video sobreredes LTE integrando el IMS junto al serviciode MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service)[18]. El IMS se implementa para controlarlas sesiones, proporcionar la admisión a la red yel control de políticas, mientras que el MBMS seutiliza para la entrega de contenido multimedia através de portadoras de multidifusión y difusióna múltiples usuarios dentro de la misma zona decobertura [17]. Sin embargo, no se consideró lainclusión de una entidad de gestión del servicio.En consecuencia, los trabajos encontrados enla literatura se diferencian de esta investigaciónpuesto que aquí se propone y analiza una arquitecturafuncional para orientar la implementacióndel servicio Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-Acon el objetivo de garantizar la calidad de los contenidosentregados a los usuarios y la adecuadagestión del servicio.III. CONSIDERACIONES PARA LAIMPLEMENTACIÓN DE SERVICIOSDE MOBILE IPTVA. Definición de Mobile IPTVEn las redes móviles la IPTV se enmarca bajoel concepto de Mobile IPTV, que se define comouna tecnología capaz de permitir a los usuariosla transmisión y recepción de tráfico multimediaque incluyen señales de televisión, video, audio,texto e imágenes por medio de redes cableadaso inalámbricas basadas en el IP con QoS, QoE,seguridad, movilidad e interactividad [19]. ConMobile IPTV los usuarios pueden disfrutar de latelevisión digital (TD) y los servicios relacionadosen cualquier lugar, a cualquier hora y sobre cualquierdispositivo, inclusive mientras están en movimiento[20].Cabe señalar, que la IPTV es diferente de lassoluciones de televisión sobre Internet, debido aque esta última permite a los usuarios ver videoso canales de televisión en un entorno del mejoresfuerzo, mientras que en los sistemas de IPTVes requisito que el servicio y la red sean debidamentegestionados y controlados para asegurar lacalidad en los contenidos entregados [21] [22].

42ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51La implementación de la IPTV está definidapor una cadena de valor conformada por el proveedorde contenidos, el proveedor del servicio,el operador de red y el usuario final [23]. Eneste contexto, el material audiovisual generadopor el proveedor de contenidos es multiplexadocon otros contenidos multimedia y aplicacionesinteractivas, para posteriormente ser transmitidopor la red IP del operador de red [24]. Dellado del usuario, este debe disponer de un dispositivoque le permita la recepción y decodificaciónde los canales de TD y ejecución de lasaplicaciones interactivas [24].B. Clasificación de los servicios de IPTVLa UIT clasifica a los servicios de IPTV entres categorías: básicos, selectivos mejorados,e interactivos [25]. Los servicios básicos estánconformados por canales de audio, canales deaudio y video (A/V), y canales de A/V con datos.Estos se emiten por difusión y pueden ser enalta definición (HD, High Definition) o en definiciónestándar (SD, Standar Definition) [25].Los servicios selectivos mejorados abarcanla 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 grabadorade vídeo personal (PVR, Personal Video Recorder),entre otros. Esta categoría ofrece serviciosde IPTV más avanzados que los serviciosbásicos puesto que están destinados a mejorarla comodidad del usuario y a proporcionar unaamplia gama de contenidos A/V que pueden serseleccionados por usuario según sus preferencias[25].Finalmente, se tienen los servicios interactivosde IPTV como: T-information (noticias,tiempo, tráfico, y otros), T-commerce (compras,subastas, y transacciones bancarias, entreotros), T-communication (correo, video teléfono,mensajería y demás), T-entertainment(juegos, blog, etc.), y T-learning (educaciónprimaria, intermedia, secundaria y superior)[25]. Estos servicios requieren de un canalde comunicaciones bidireccional para que elusuario pueda interactuar con los contenidosmultimedia mediante las aplicaciones interactivasde forma tal que puedan personalizar elcontenido que desean ver.C. Retos para la implementación de MobileIPTV.La implementación de sistemas de MobileIPTV debe superar varios desafíos antes que losservicios asociados sean ampliamente desplegadosy utilizados. Entre los retos más importantesque deben ser abordados por parte de los proveedoresdel servicio y los operadores de red están:• Propagación en el enlace inalámbrico: se presentanerrores en la transmisión, shadowing,fading, reflexiones temporales, interferenciasy obstáculos que causan una reducción en elnivel de potencia de recepción y aumento enla pérdida de paquetes de ráfagas lo que afectacalidad de la recepción de contenidos deIPTV [26].• Velocidad de transmisión de datos del enlaceinalámbrico: el incremento en el tráfico de datosmóviles limita la capacidad de la red paramantener la tasa de datos mínima para la entregade servicios de IPTV [26].• QoS y QoS: los parámetros de desempeñode la red como velocidad de transmisión, retardo,jitter y pérdida de paquetes deben sermantenidos dentro de los niveles aceptablespara el despliegue de sistemas de IPTV [4].• Cobertura del servicio: la dificultad para implementaruna red móvil que cubra todas lasáreas geográficas puede conllevar como soluciónla habilitación del handover vertical entreredes heterogéneas cada una de las cualestiene recursos diferentes que pueden afectarel manejo de los flujos asociados a la IPTV[26].• Multiplicidad de equipos de usuario (UE, UserEquipment): en el mercado existen distintosequipos para acceder al servicio de IPTVcomo TV, computadores, smartphones y tablets,que ofrecen capacidades diferentes enprocesamiento, almacenamiento, tamaño yresolución de pantalla lo que impacta directamenteen la visualización de los contenidos einterfaces de usuario [26].• Retardo de inicio de reproducción de contenidos:se genera por el tiempo que tardan losequipos de los usuarios en unirse a la red,el tiempo de llenado del buffer de los UE receptores,y el tiempo de decodificación de loscontenidos de A/V. Esta característica afecta

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos43la experiencia de los usuarios en el uso deservicios de IPTV [27][28].• Tiempo de conmutación de canal (zappingtime): impide que el cambio de canal sea rápidoy ágil. Corresponde al tiempo necesariopara recibir una trama que permita comenzarel proceso de decodificación del nuevo canal yse debe al retardo introducido por el protocolode multicast, al retardo en el buffer y el retardode decodificación [28].• Mercados de consumo: Existe la posibilidadde la baja demanda por parte de los consumidoresdebido a la visualización de la IPTV enpantallas pequeñas, por ello se requiere deun modelo de negocio con servicios de IPTVinnovadores e interfaces de usuario atractivas[26].Regulación y normatividad: la regulación existentepara el despliegue de Mobile IPTV es escasay aun no se tiene una normatividad clara al respectotoda vez que se trata de un servicio novedosoy que aun no ha sido ampliamente desplegado.D. Capas de la arquitecturaLa arquitectura funcional para la implementaciónde Mobile IPTV sobre redes LTE/LTE-A quese propone está orientada a garantizar la calidadde los contenidos entregados a los usuarios y laadecuada gestión del servicio. La arquitectura sebasa en capas, las cuales cumplen con funcionesbien definidas y ofrecen servicios entre sí. En laFig. 1 se presenta la arquitectura funcional de altonivel.UTRAN está compuesta por una malla de nodos Bevolucionados (eNB), los cuales son una especiede estaciones base distribuidas a lo largo del áreade cobertura de red. Un eNB define una celda yservirá a múltiples UE que se encuentren en suzona de influencia. Pero un UE sólo puede estarconectado a un único eNB al tiempo [27].La arquitectura de protocolos de la red E-UTRAN se da tanto para el plano de control comopara el plano de usuario. En el Plano de Control(CP, Control Plane) está el protocolo NAS (Non-Access Stratum) y el protocolo para el Control deRecursos de Radio (RRC, Radio Resource Control)tal y como se muestra en la Fig. 2 [30]. El protocoloNAS comunica al UE con la Entidad de Gestiónde la Movilidad (MME, Mobility Management Entity)y se usa en el enganche de los UE a la red, enla autenticación, en la gestión de las portadorasdel EPC y en el manejo de la movilidad [31]. Entretanto, el protocolo RRC es usado para la difusiónde información, la búsqueda (paging) de UE, el establecimientoy mantenimiento de las portadorasde radio, la gestión de la conexión RRC, la trasferenciadel contexto de UE durante el handover ypara los reportes de medidas como la Informaciónde la Calidad del Canal (CQI, Channel Quality Information)desde el UE [32].Fig. 2. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE CONTROLFig. 1. ARQUITECTURA FUNCIONAL DE ALTO NIVELFuente: [30].Fuente: autores del proyecto1) Capa de Acceso: corresponde a la Red deAcceso por Radio Terrestre Universal - Evolucionada(E-UTRAN, Evolved - Universal Terrestrial RadioAccess Network) de las redes LTE/LTEA. La E-El Plano de Usuario (UP, User Plane) la capa deacceso consta de la pila de protocolos presentadaen la Fig. 3 como: Protocolo de Convergencia dePaquetes de Datos (PDCP, Packet Data ConvergenceProtocol), 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 losencabezados IP basada en la Compresión de EncabezadosRobusta (ROCH, Robust Header Compression),el cifrado y la protección de la integri-

44ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51dad de los datos transmitidos [33]. La subcapaRLC tiene a cargo la segmentación y concatenaciónde los paquetes de datos, y el manejo de lasretransmisiones mediante Solicitudes de RepeticiónAutomática (ARQ, Automatic Repeat reQuest)[34]. Por su parte, la subcapa MAC se encargadel manejo de las retransmisiones ARQ Hibridas(HARQ, Hybrid ARQ), del mapeo entre los canaleslógicos y de transporte, de la programación deltráfico de los enlaces ascendente y descendente,de la multiplexación de los UE, de la identificacióndel servicios MBMS y de las selección del formatode transporte [35].Fuente: [30]Fig. 3. PILA DE PROTOCOLOS EN EL PLANO DE USUARIOLa capa PHY es la responsable de la protecciónde datos de los errores del canal mediante el usode 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 desincronización, realiza mediciones de las característicasdel canal de radio y su respectivo informea las capas superiores, ejecuta funciones de procesamientode radio frecuencia (RF) incluida configuraciónde antenas, modulación, demodulacióny transmisión por diversidad [30]. En la Tabla I seresumen las principales características de la capaPHY para las redes LTE/LTE-A.TABLA ICARACTERÍSTICAS DE LA CAPA PHY EN LAS REDES LTE/LTE-ACaracterísticas LTE LTE-AEsquema de acceso UL SC-FDMADLOFDMAAncho de banda de RF 20 MHz 100 MHzTasa de bits pico DL 300 Mbps 1 GbpsModulaciónMultiplexación espacialFuente: autores del artículoUL 75 Mbps 500 MbpsQPSK, 16QAM, 64QAMMIMO2) Capa de Transporte: está conformada por elnúcleo de paquetes evolucionado (EPC, EvolvedPacket System) de las redes LTE/LTE-A, el cualproporciona al sistema de IPTV un núcleo All-IP,con las capacidades de ofrecer calidad del servicioy acceso desde cualquier lugar y dispositivoincluso si el usuario esta en movimiento.Las principales funciones de esta capa son lagestión la movilidad de los UE (en el momento delhandover dentro de la misma red o en el handoververtical), el acceso a diferentes servicios ofrecidospor el proveedor (voz, video y datos), la conexión asistemas 3GPP y aquellos que no lo son, la conectividadIPv4/IPv6, la administración de las políticasde QoS y de carga, y los mecanismos para laoferta de servicios MBMS [30].Los elementos de red que integran al EPCson la entidad de gestión de la movilidad (MME),la puerta de enlace del servicio (S-GW, ServingGateway), la puerta de enlace a la red de paquetesde datos (PDN-GW, Packet Data NetworkGateway), la entidad encargada de las políticas yreglas de carga (PCRF, Policy and Charging RulesFunction) y los elementos para ofrecer serviciosde MBMS [30].3) Capa de Control: tiene como base al núcleodel IMS [37] que otorga así a la arquitectura deIPTV el registro de usuarios y mecanismos AAA, lagestión de las suscripciones, la centralización delos perfiles del usuario, flexibilidad en las políticasdel usuario, la personalización de servicio, la gestiónde sesiones, enrutamiento, el lanzamiento deservicios, numeración, interacción con los facilitadoresde servicio NGN (presencia, mensajería,gestión de grupos, y otros), movilidad, calidad deservicio, control de portadoras y una solución unificadade tasación y facturación [15].Además, la inclusión de IMS en la arquitecturaaporta en la adaptación de los flujos de la IPTV alos recursos de la red y a las capacidades de losUE. De este modo los usuarios pueden acceder alservicio de IPTV desde cualquier lugar, a cualquierhora y sobre cualquier dispositivo, inclusive mientrasestán en movimiento. El IMS también permiteel control flexible del servicio de IPTV debidoal que el manejo de sesiones se basa en el Protocolode Inicio de Sesión (SIP, Session InitiationProtocol) [15]. Otro escenario para los servicios deIPTV basados en IMS está en traspaso de las sesionesentre diferentes dispositivos con lo cual el

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos45usuario podrá continuar observando el contenidoasí cambie de UE.La capa de control está constituida por las entidadespara el control de sesiones de llamada(CSCF, Call Session Control Funtion), y se utilizanpara el establecimiento de las sesiones multimediaentre los usuarios y para preparar la entregade los servicios solicitados según las característicasde la sesión del usuario [15]. Dichas característicascomo el perfil de usuario, políticas,suscripciones, preferencias, entre otros, se almacenanen el servidor de suscripción local (HSS,Home Subscription Server).4) Capa de servicios y aplicaciones: Entre susobjetivos están almacenar y adquirir los diferentescontenidos de A/V, formar la parrilla de programación,integrar las aplicaciones interactivas con loscanales de televisión, emitir y controlar los flujosdel servicio de IPTV, y atender el diálogo de controlde reproducción de contenidos (iniciar, pausar,detener, avanzar y retroceder) y de interactividadcon las aplicaciones [38].Los principales componentes de esta capa sonlas entidades para el descubrimiento servicios(SDF, Service Selection Function) y la selección deservicios (SSF, Service Selection Function), la entidadpara el control del servicio de IPTV (SCF, ServiceControl Funtion) y la entidad encargada de laentregar (MDF, Media Delivery funtion) y controlar(MCF, Media Control Funtion) los contenidosmultimedia.5) Capa de gestión: proporciona funciones degestión y comunicaciones para la operación, administracióny mantenimiento de la red móvil y elaprovisionamiento del servicio de IPTV. Dentro delas funciones de la gestión de red se considera lagestión de la configuración y activos del servicio;la gestión de eventos con el objetivo de asegurarsu correcto funcionamiento y ayudar a prever incidenciasfuturas; la gestión de incidentes que afectenla calidad del servicio y su restauración en elmenor tiempo posible; la gestión de problemas yerrores frecuentes que degradan la calidad delservicio; el monitoreo del desempeño a nivel dered; la gestión de la seguridad al tomar accionesapropiadas para prevenir accesos no autorizadosa la red; y el control de cambios para la provisión,cese o modificación de la capacidad de la redpara el soporte de los servicios [39].Por su parte, la gestión del servicio se relacionacon los aspectos contractuales de los serviciosofrecidos a los clientes. Entre sus tareas están laatención al usuario y gestión de las solicitudesque realicen; la interacción y negociación con proveedoresde servicios; el mantenimiento de losacuerdos de nivel de servicio y del portafolio deservicios [39].6) Proveedor de Contenidos: es la entidad propietariade los contenidos o es la poseedora dela licencia para vender los activos de los mismos.Su función es la producción y entrega de contenidoslos cuales pueden ser videos, audios, datos,texto y aplicaciones interactivas. Forman parte delos proveedores de contenidos los programadoresde canales de TV satelitales o terrestres, los productoresde programas de TV, las bases de datosde contenidos (series y películas), las empresasde desarrollo de software y otros proveedores decontenido [12].Fig. 4. ARQUITECTURA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE MOBILE IPTV SOBRE REDES LTE/LTE-AFuente: autores del aríiculo

46ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51E. Descripción detallada de la arquitecturaLos principales componentes de la arquitecturapropuesta para la implementación del serviciode IPTV sobre redes LTE/LTE-A se muestran endetalle en la Fig. 4 y se describen a continuación.1) Equipos de usuario (UE): realizan la identificaciónde los usuarios, la decodificación de loscontenidos, despliegue de las imágenes, reproduccióndel audio y ejecución de las aplicacionesinteractivas que conforman los servicios deIPTV. El UE contiene el módulo de identificaciónde suscriptor universal (USIM, Universal SubscriberIdentity Module) con la información deautenticación para acceder a la red. Del mismomodo, el UE monitorea el rendimiento del canalde radio y transmite al eNB la CQI, soporta la interfazde radio LTE/LTE-A para el enlace ascendentey descendente, y se encarga de mapearel tráfico del enlace ascendente en las clasesde tráfico [40].2) Nodos B evolucionados (eNB): realizanmúltiples funciones en el CP como la gestión derecursos 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 ydescendente. Adicionalmente en el UP el eNB seencarga de la compresión de encabezado IP y cifradode flujo de datos de usuario; de la selecciónde la MME; del renvío de datos desde el UE haciala S-GW; de la programación y transmisión de informaciónde búsqueda (paging) originada desdela 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 accesoal EPC de las redes LTE/LTE-A. El MME se encargade la señalización NAS para soportar la movilidadde los UE (handover dentro de la red LTE o handoververtical) y los procedimientos para la gestiónde las sesiones (establecer y mantener la conectividadIP entre el UE y el PDN GW), del mismomodo provee la seguridad a la señalización NAS.El MME también se encarga de la autenticaciónde los usuarios (mediante la interacción con elHSS), de la gestión de los perfiles de suscripcióny de la conectividad a los servicios mediante laselección del S-GW y del PDN-GW para un UE aliniciar la conexión o mantener la conectividad enmovilidad de los UE [30].4) Puerta de enlace de servicio (S-GW): Suprincipal función es la gestión y la conmutaciónde los paquetes de datos del usuario. El S-GW actúacomo soporte de la movilidad en el plano deusuario durante los handover entre eNB de la mismared y como soporte para la movilidad entre lared LTE y otras tecnologías 3GPP. En el estado dereposo de los UE, el S-GW termina la ruta de datosdel enlace descendente y activa la búsquedacuando llegan datos para el UE. El S-GW gestionay almacena los contextos de los UE, por ejemplo,los parámetros del servicio de la portadora IP yla información de enrutamiento de la red interna.Además, efectúa la marcación de paquetes a nivelde transporte en el enlace descenderte y ascendente,monitorea los datos y los recolecta parapropósitos de contabilidad y de carga al usuario, yrealiza la interceptación de comunicaciones legal[30].5) Puerta de enlace de la red de paquetes dedatos (PDN-GW): proporciona conectividad IP delos UE hacia las redes de paquetes de datos externasy servicios siendo el punto de entrada ysalida del tráfico para el UE. Un UE puede teneruna conectividad simultánea con más de un PDN-GW para acceder a múltiples redes de paquetesde datos. El PDN-GW lleva a cabo la asignación dedirecciones IP, la aplicación de políticas, el filtradode paquetes para cada usuario, el soporte de carga,la marcación paquetes a nivel de transporteen el enlace descenderte, la interceptación legal yla detección de paquetes. Otra función clave de laPDN-GW es la de apoyar la movilidad de usuariosen cualquier caso del handover [30].6) Función de políticas y reglas de carga(PCRF): es el elemento de red responsable deasignación y definición de las reglas de políticasy control de carga (PCC, Policy and Charging Control).Este componente lleva a cabo las decisionessobre cómo manejar el servicio en términos deQoS, además ofrece información al PCEF (Policyand Charging Enforcement Function) ubicado enel PDN-GW, o si es necesario al BBERF (BearerBinding and Event Reporting Function) localizadoen el S-GW para el establecimiento de las portadorasy las políticas adecuadas a los flujos del serviciosegún los requisitos de desempeño [41]. Lasportadoras y políticas permiten que la red pueda

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos47identificar los flujos de paquetes asociados a unservicio para dar el tratamiento preferente y conello garantizar los recursos necesarios para mantenerla calidad en el servicio.Es de tener en cuenta que el PCRF únicamenteaplica las reglas PCC a los flujos de servicios deunidifusión y no a los multidifusión y difusión [41],razón por la cual en entornos de IPTV los serviciosque serán beneficiados por las reglas definidas enel PCRF son los servicios de VoD los cuales se manejarándiferenciadamente del resto de serviciosconforme las reglas así lo definan.7) Servidor de suscripción local (HSS): Es unabase de datos que almacena todos los datos delos usuarios y registra la ubicación del usuario enla red. El HSS almacena el perfil del suscriptor elcual contiene información sobre los servicios quepueden ser utilizados por el usuario según lo contratadoson el proveedor del servicio (paquetes dedatos, servicios de IPTV, telefonía, roaming, etc.).Además almacena los vectores de autenticación ylas claves de seguridad para cada UE [40].8) Proxy-CSCF (P-CSCF): Es un servidor SIP queactúa como la puerta de entrada al sub-sistemaIMS desde la red LTE/LTE-A. Los principales objetivosdel P-CSCF son garantizar la señalizaciónentre la red y los suscriptores y la asignación delos recursos para los flujos multimedia por mediode la interacción con el subsistema de control deadmisión y recursos (RACS) [37]. En la arquitecturael P-CSCF se conecta con el PCRF para la asignaciónde las reglas PCC a los flujos de serviciosasociados a la IPTV. Por tanto, a través del P-CSCF,el IMS puede controlar la operación de la capa detransporte que para este caso corresponde a losservicios portadores del EPS.9) Serving-CSCF (S-CSCF): Es la principal entidadde control dentro del IMS puesto que actúacomo servidor de registro SIP (SIP Registrer). Estecomponente procesa los registros de los usuariosy almacena su ubicación actual, también es el responsablede la autenticación de los usuarios y lagestión de las sesiones. Las políticas del suscriptoralmacenadas en el HSS controlan las operacionesrealizadas por el S-CSCF para un suscriptor enparticular [37].10) Interrogating-CSCF (I-CSCF): Es un servidorSIP que actúa como puerta de entrada de la señalizaciónSIP proveniente de redes externas porejemplo la consulta a los servidores de nombresde dominios (DNS). El I-CSCF consulta al HSS paradescubrir el S-CSCF apropiado para el usuario.[37].11) Entidad de descubrimiento y selección deservicios (SDF/SSF): El SDF brinda la informaciónque se requiere para que un UE pueda identificarlos servicios de IPTV disponibles (descubrimientode servicios personalizados). En la arquitecturauno o varios SSF pueden utilizarse para proporcionarla información del servicio y las preferenciasde los usuarios para que con ello los serviciospuedan 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 losservicios de IPTV. Las tareas generales de un SCFson el inicio de sesión y control de los servicios deIPTV; la interacción con el núcleo IMS y el S-CSCFpara recibir, validar y realizar peticiones de serviciosde IPTV realizadas por los usuarios; la autorizacióndel servicio y validación de las peticionesdel contenido seleccionado por el usuario conbase a la información de su perfil; la selección delas funciones relevantes de control/entrega de loscontenidos de IPTV; la personalización de la experienciadel usuario y el control del crédito [15].13) Entidad multimedia de IPTV (MDF/MCF):Desempeña funciones para la entrega y el controlde los contenidos multimedia asociados a laIPTV. Las funciones del MDF son el manejo de laentrega de los flujos multimedia usando el Protocolode Tiempo Real (RTP, Real Time Protocol); elalmacenamiento de los contenidos multimedia einformación del servicio; el procesamiento, codificacióny decodificación de contenidos multimediaen varios formatos y la protección de contenido[15].Entre tanto, las principales actividades realizadaspor el MCF son la selección de los servidoresde MDF; la transmisión de los contenidos por lasredes de transporte y el control del activo en laentrega de los contenidos; la aplicación de políticaspara la distribución y gestión de contenidos; elmapeo de la identificación del contenido y su ubicaciónen el MDF; la interacción con el UE medianteel uso de comandos RTSP para la reproduccióndel contenido; la recopilación de información estadísticasobre el uso del servicio y la generación deinformación de facturación [15].

48ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 5114) Servicio de multidifusión y difusión multimedia(MBMS): En las redes LTE/LTE-A el servicioMBMS ofrece un modo de distribución punto-multipuntocomo una alternativa valiosa a la unidifusióncuando un gran número de usuarios accedensimultáneamente al mismo contenido. Por ejemplo,durante la transmisión en vivo de un programade televisión muchos flujos serian enviadosindividualmente con el mismo contenido a losusuarios. Pero con la multidifusión se toma ventajade las cualidades inherentes de la difusión enlas redes inalámbricas, puesto que permite enviarel mismo contenido una sola vez a igual númerode usuarios [42]. En este escenario, la multidifusiónhace más eficiente el uso del espectro y reducelos costos por bit [42].La activación del servicio MBMS se logra conla inclusión de un mínimo de elementos comoel Centro de Servicios de Multidifusión/Difusión(BM-CS, Broadcast/Multicast Service Center), lapuerta de enlace del MBMS (MBMS-GW, MBMSGateway) y la Entidad de Coordinación de multidifusiónpara múltiple celdas (MCE, Multi-cell/multicastCoordinating Entity). Gráficamente, en la Fig.5 se puede observar la interconexión de dichoselementos en la red LTE/LTE-A.Fuente: [30]Fig. 5 ARQUITECTURA LÓGICA DEL SERVICIO MBMSEl MB-SC se encarga de la programación de unservicio MBMS, del anuncio del servicio a los UE;de la autorización de usuarios, de la asignaciónde portadoras de identificación del servicio, y lainicialización y terminación de las portadoras derecursos de MBMS. El MB-SC puede ser el puntode contacto directo con el proveedor del servicio.Entre tanto, la MBMS-GW permite enviar los paquetesIP de multidifusión a todos los eNB que formanparte de servicio MBMS, también realiza elcontrol de la señalización de las sesiones MBMShacia la red E-UTRAN usando una interfaz a la entidadMME.Finalmente la entidad MCE, que correspondea una función lógica y puede residir en otro elementode la red como en un eNB, realiza el controlde admisión, la asignación de los recursos deradio en toda la red de multidifusión/ difusión defrecuencia única (MBSFN, Multimedia BroadcastMulticast Service Single Frequency Network), dela señalización del control de la sesión, y toma decisionessobre la configuración de los enlaces deradio [30].Gestión de la calidad de servicio en redes LTE/LTE-ALos sistemas LTE/LTE-A proporcionan a los UEun servicio de conectividad IP a las redes de paquetesexternas como por ejemplo a Internet o auna Intranet corporativas. El servicio de conectividadIP se denomina conexión PDN y se caracterizapor una dirección IP única a través de la cualel UE opera en la red externa. Las redes externasse identifican mediante una etiqueta denominadaAccess Point Name (APN). De esta forma para elestablecimiento de una conexión PDN entre un UEy una red externa se utiliza el parámetro APN paradeterminar una PND-GW o varias PND-GW queofrecen los servicios solicitados por el usuario. UnUE puede establecer múltiples conexiones PDNsimultáneas [43].El servicio de conectividad IP de las redes LTE/LTE-A soporta calidad de servicio (QoS). De estaforma, el trato que reciben los paquetes IP de unadeterminada conexión PDN puede adaptarse a lasnecesidades de transmisión de los servicios a losque accede el usuario en aspectos como velocidadde transmisión, retardo y tasa de pérdidas depaquetes. En este contexto, es importante teneren cuenta que a través de las redes LTE/LTE-A sepueden proporcionar servicios de diferente índoleque no requieren los mismos recursos de transmisión.Por tanto, la adaptación de la QoS de lasconexiones PDN a las características de los serviciospermite que la red LTE/LTE-A proporcioneuna buena experiencia de uso a los usuarios a la

Arquitectura funcional para la implementación de mobile iptv sobre redes LTE y LTE-avanced- Rueda, Ramos49vez que posibilita una gestión eficiente de los recursosde transmisión puesto que se reservan losrecursos estrictamente necesarios para satisfacerlos objetivos de calidad de servicio [43].La forma de gestionar la calidad de servicioen las redes LTE/LTE-A se estructura en torno ala definición de lo que se denomina servicio portadorEPS (EPS Bearer Service). Un servicio portadorEPS realiza la transferencia de paquetes IPque tienen asociados unos parámetros de QoS yla plantilla TFT (Trafic Flow Template), que es utilizadapara seleccionar el flujo de paquetes IP alque debe proveerse QoS. En este sentido, todoslos paquetes IP asociados a un determinado servicioportador EPS reciben el mismo trato de QoSen la red [43].La activación, modificación y desactivación delos servicios portadores EPS se controla desde lasredes LTE/LTE-A con base a los datos de subscripcióndel usuario y/o a las políticas de uso recibidasdesde el sistema PCC. Para los sistemas deIPTV esta característica es determinante para garantizarlos recursos necesarios y con ello brindarla QoS manteniendo los parámetros de desempeñodentro de los niveles aceptables. Los procedimientosprincipales relacionados con la gestiónde sesiones son [43]:1) Procedimiento de registro (Network Attach):A través de este procedimiento se establece elservicio de conectividad IP que ofrece la red LTE/LTE-A. Existen diferentes variantes del procedimientode registro en función de si la red de accesoutilizada es E-UTRAN o cualquiera de las otrasredes de acceso alternativas 3GPP y no 3GPP contempladas.2) Procedimiento de petición de servicio (ServiceRequest): El modelo de servicio ofrecido por lasredes LTE/LTE-A permite que un usuario en modoocupado (sin una conexión a E-UTRAN) mantengaabiertos los servicios portadores EPS en la redtroncal. Este procedimiento permite una reactivaciónrápida del plano de usuario cuando el terminalpasa de ocupado a conectado.3) Petición de conexión PDN solicitada por elterminal (UE Requested PDN Connectivity): Las redesLTE/LTE-A permiten que el UE inicie el procesode establecimiento una conexión PDN adicional ala conexión PDN establecida en el proceso de registro.4) Activación, modificación y desactivación delos servicios portadores EPS dedicados (EPS BearerActivation/Modification/Deactivation): La gestiónde los servicios portadores EPS dedicados esuno de los pilares de la gestión de sesiones en lared LTE. La activación y modificación de estos serviciospuede estar vinculada al control dinámicode QoS ofrecido por el subsistema PCC.5) Modificación del servicio portador solicitadapor el terminal (UE requested bearer resourcemodification): Este procedimiento permite que elterminal pueda solicitar cambios en los serviciosportadores que le ofrece la red. Los cambios puedenser a nivel de los parámetros de QoS como enlos filtros de paquetes que determina la composicióndel tráfico agregado en un servicio portador.Si la solicitud de modificación realizada por un UEes aceptada por la red, ésta procede a iniciar losmecanismos pertinentes de activación, modificacióny/o desactivación de los servicios portadoresEPS (el control sigue teniéndolo la red, pero eneste caso, atendiendo a una petición provenientedel UE).IV. CONCLUSIONESLas características técnicas de las redes LTE/LTE-A las perfilan como las tecnologías capacesde soportar el despliegue de la Mobile IPTV todavez que se constituyen en la evolución de las redesde 3G, con en un núcleo de red All-IP, capacesde ofrecer altas velocidades de acceso, mejorar laeficiencia espectral, reducir el retardo y proporcionarcalidad del servicio.La adecuada gestión de mecanismos y políticasde calidad de servicio permitirán que la redLTE/LTE-A pueda identificar los flujos de paquetesasociados a un servicio para dar el tratamientopreferente y con ello garantizar los recursos necesarioscon el propósito que los parámetros dedesempeño de la red estén dentro de los nivelesaceptables para la entrega de servicios de MobileIPTV.La arquitectura propuesta para la implementaciónde servicio de Mobile IPTV en redes LTE/LTE-A se basa en el uso del IMS como componenteesencial para el control de sesiones, el lanzamientodel servicio, mecanismos AAA, la aplicación depolíticas, el control de admisión y la gestión derecursos. También se plantea la inclusión del ser-

50ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 40 - 51vicio de multidifusión y difusión de multimedia(NMBS) de as redes LTE/ LTE-A para lograr optimizarel uso del espectro radioeléctrico y de anchode banda, logrando con ello ampliar la coberturade usuarios del servicios básicos de Mobile IPTV.TRABAJOS FUTUROSLa arquitectura propuesta permitirá la definiciónde un modelo de red LTE en el cual se simularáel tráfico generado por un servicio de MobileIPTV con el objetivo de evaluar los principales parámetrosde desempeño de la red ante distintasconfiguraciones.AGRADECIMIENTOSEste trabajo presentó los resultados parcialesde la de tesis de Maestría en Ingeniería – Telecomunicaciones:Marco de Referencia Técnico parael Despliegue del Servicio de IPTV sobre RedesMóviles LTE (Long Term Evolution) con Calidad deServicio (QoS), la cual es desarrollada en el Grupode Investigación en Teleinformática de la UniversidadNacional de Colombia – GITUN.REFERENCIAS[1] Analysys Research, “Global Mobile Broadband: Marketpotential for 3G LTE (Long Term Evolution),” p. 93, Jan.2008.[2] Cisco Systems, “Cisco Visual Networking Index: GlobalMobile Data Traffic Forecast Update, 2011–2016,” p.29, Feb. 2012.[3] O. Oyman, J. Foerster, Yong-joo Tcha, and Seong-ChoonLee, “Toward enhanced mobile video services over Wi-MAX 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 4GMobile 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. IMT-Advanced Evaluation Workshop, 3GPP, Beijing, pp. 1-48, Dec. 2009.[7] I. Siomina and S. Wanstedt, “The Impact of QoS Supporton the End User Satisfaction in LTE Networks withMixed Traffic,” in Proc. IEEE 19th International Symposiumon Personal, Indoor and Mobile Radio Communications,2008 (PIMRC 2008), IEEE, pp. 1-5, Sep.2008.[8] C. S. Lee, “IPTV over Next Generation Networks in ITU-T”, in Proc. 2nd IEEE/IFIP International Workshop onBroadband 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 InternationalConference 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 subsystemArchitecture,” Feb. 2011.[13] ETSI TS 182 027 V3.5.1, “IPTV Architecture; IPTVFunctions Supported by the IMS Subsystem,” Mar.2011.[14] M. Volk, J. Guna, A. Kos and J. Bester, “Quality-AssuredProvisioning 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. “IPTVServices 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 Distributionover IPTV and its Integration with IMS”, in Proc.2010International Conference on in Data Storage and DataEngineering (DSDE 2010), IEEE, pp. 101-105, Feb.2010[17] Y. Sun, Y. Dong, Z. Zhao, X. Wen, and W. Zheng, “EnhancedMultimedia Services Based on Integrated IMS-MBMS Architecture in LTE Networks,” in Proc. 20106th International Conference on Wireless CommunicationsNetworking 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, “MobileIPTV: Approaches, Challenges, Standards, and QoSSupport,” 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 WiMAXand LTE,” IEEE Trans. Communications Magazine, vol.48, no. 8, pp. 68-76, Aug. 2010.

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Multilistas aplicadas a la implementación de unparseador de XML para la definición de XPDL 2.2en objective c para iOSMultilists applied to an XML parser implementation in Objective Cfor iOS for XPDL 2.2 standardDaniel Iván Meza LaraIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de ColombiaJoven Investigador Grupo InnovaTIC,Universidad Piloto de Colombiadanielmezal@gmail.comLeidy Andrea Ruiz RodríguezIngeniero de Sistemas, Universidad Piloto de ColombiaJoven Investigador Grupo InnovaTIC,Universidad Piloto de ColombiaLeidy.ruiz.r@gmail.comÓscar Elías Herrera BedoyaDoctor en Telecomunicaciones,Universidad Politécnica de ValenciaDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo InnovaTIC,Universidad Piloto de Colombiaoscar-herrera@unipiloto.edu.coResumen— En este trabajo se expone la implementaciónde estructuras de datos en el desarrollo de unparseador que permite la interpretación de archivosXPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) en su versión2.2, mediante multilistas. Junto con el metamodelopropio del XPDL se busca solucionar una problemáticaen la interpretación del esquema XML, permitiendoun correcto almacenamiento de los elementos bajo ellenguaje Objective C para iOS, con el cual se pretendeinnovar en el campo de las plataformas móviles quehacen uso del lenguaje estándar BPMN (BusinessProcessModelingNotation) para la representación de procesosde negocio y que generan el XPDL. El objetivoprincipal de un XPDL es describir la información delflujo 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 languageBPMN(Business Process Modeling Notation) usedto represent business processes, the XPDL(XML ProcessDefinition Language) is generated, which describesthe data flow information of the process using aXML(Extensible Markup Language) schema. This documentshows the implementation of data structures onthe development of a parser which allows the interpretationof XPDL files in the 2.2 version; using togethermulti-lists and the XPDL meta-model, the interpretationof the XML schema problematic is pretended tobe solved, allowing a correct storage of the elements.As an additional contribution, the development of thefunctional parser is made under the Objective C lan-guage for iOS, which is pretended to innovate in themobile platform field.Keywords— BPMN, GDataXML, Objective C, Parser, BusinessProcess, XPDL.I. INTRODUCCIÓNEn este artículo, se presenta un modelo parala implementación de estructuras de datos complejasque faciliten la generación de documentosXPDL (XML ProcessDefinitionLanguage) [1], loscuales son generados de forma organizada pormedio de un esquema conceptual definido por elmetamodelo propio.Con la apropiación del esquema conceptualse componen las jerarquías del XML (ExtensibleMarkupLanguage)[2], que basado en el-estándarXPDL 2.2, contiene la representación de los elementospropios del modelado de procesos de negociobajo el lenguaje BPMN (Business Process-ModelingNotation)[3] cuya representación gráficadel ejemplo de un proceso se muestra en la Fig. 1.La representación de los procesos de negociopor medio del BPMN dentro de un modelador,muestra la unión entre los objetos y las relacionesentre ellos de forma gráfica, a partir de esto segenera el XPDL en el cual se guarda, por medioRecibido: 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,Herrera53de un esquema XML, todas las características propiasdel proceso. (Ver Tabla I).Fig. 1 EJEMPLO DE LA REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN PROCESO ENNOTACIÓN BPMNPara la definición de los tipos de datos e inclusiónde cada elemento del BPMN dentro delesquema XML, se realiza un modelo preliminarque valide los elementos básicos del BPMN; laabstracción del modelo conceptual define demanera general cada elemento de flujo que puedapresentarse dentro del proceso diagramado;posteriormente se realiza la ampliación y definiciónde los tipos de objetos creando así un metamodelo.El metamodelo generado contiene todos loselementos de flujo usados para la representacióndel BPMN, según cada elemento, se definen susatributos propios y las relaciones entre objetos [4].Con la conceptualización del esquema XML ysegún cada elemento propio del metamodelo [5]se construyen las estructuras de datos denominadasmultilistas que, al ser implementadas alesquema, buscan de forma sencilla acceder a loselementos y sus respectivos atributos; las multilistasse encargan de guardar las características delos objetos y sus atributos.Las relaciones entre los objetos van de lamano con nodos establecidos para cada objeto,los cuales se encargan de enlazar los elementospadres (contenedores), por ejemplo los Pools, ylos nodos hijo (contenido), por ejemplo, los Lanes,de esta manera se asegura que el XPDL creadocumpla con el estándar 2.2 y el esquema XML definidopreviamente; con esto se asegura que cadaelemento incluido dentro del estándar BPMN, desdeun Pool hasta un elemento DataStore, cree unnodo índice propio y se conecte al elemento próximopara construir la jerarquía del XPDL.Como la estructura de XPDL se crea a partirdel esquema XML, se deduce que en la plataformaiOS la interpretación del archivo del XPDL 2.2no tiene problema al iniciar el parseo del proceso,por esta razón, al iniciar la implementaciónde dicho parseador se analiza sobre qué tipos deparsers pueden ser implementados en ObjectiveC[6]. Para la creación del parser se toma comopunto de partida el esquema XML definido para elestándar XPDL 2.2.El analizador sintáctico que realiza el parseo,tanto de escritura como de lectura del documentocon extensión XPDL usa el API para Google XMLde uso exclusivo para Objective C denominadoGDataXML[7], el cual permite el manejo de archivosde forma dinámica y sin alterar el rendimientode la memoria en el dispositivo, lo cual es importanteal desarrollar aplicaciones para dispositivosmóviles de Apple [8].Para concluir con la implementación del parseadorse realizan pruebas tanto del rendimientoy consumo de procesos dentro del dispositivocomo de la ejecución del parseador XPDL.II. ESQUEMA CONCEPTUAL XPDLEl lenguaje estándar XPDL fue desarrolladopor WfMC (Workflow Management Coallition) [9]en 2001, cuyo objetivo principal es almacenar ymodificar las características del diagrama del proceso,dicho lenguaje permite por un lado leer yeditar los procesos y por el otro ejecuta el modeloen un compilador de XPDL en una suite BPM [10].A. Modelo preliminar BPMNTomando como base la diagramación delBPMN y la especificación actual del lenguajeXPDL, definida por WfMC para su nueva versión2.2, se propone un esquema conceptual básicoque especifica qué entidades y relaciones existenal momento de realizar la creación del XPDL.Como primera instancia se tienen en cuentatodos los elementos que contiene el BPMN comonotación (ver Fig. 2), de estos se parte un modeloinicial, dicho modelo abstrae de manera general,los elementos diagramados por medio del esquemaBPD (Business ProcessDiagram)[11].Obtenida la abstracción de los elementos usadosen el BPMN y establecidas relaciones entreellos, el paso siguiente es crear el diagrama conceptual(ver Fig. 3), el cual conllevará a la creacióndel metamodelo propio del XPDL.

54ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61El modelo conceptual contiene, además de loselementos definidos del BPMN, el tipo de relacionesque se establecen entre los objetos, creandoasí un paquete llamado BPD, el cual mantienecada elemento en un contenedor interno (Package);dependiendo de los elementos se estableceuna relación de acuerdo a cuantos elementos podríanexistir dentro del contenedor interno, para elcaso de los Swimlanes, siempre iniciará en uno yno estará limitada la creación de elementos, porotro lado, para el elemento WorkFlowProcesses, lacreación está limitada a uno, ya que solamente enun proceso diagramado habrá un flujo de eventos.Fig. 2 MODELO PRELIMINAR BPMNA partir de la anterior definición del modeloconceptual del XPDL y mediante una abstracciónprofunda sobre cada elemento, se establece elmetamodelo, en el cual se definen de manera individuallas relaciones entre cada tipo de objetos.B. Metamodelo XPDLEl metamodelo [12] identifica las entidades yatributos para el intercambio, o almacenamientodel modelo de procesos, establece una serie dereglas de herencia para asociar una delimitacióndel proceso individual con definiciones de entidadespor especificación de participantes, los cualesse establecen en el nivel de paquetes en vezdel nivel de definición individual de procesos (verFig. 4).Fig. 4 METAMODELO XPDLFig. 3 DEFINICIÓN DEL MODELO CONCEPTUAL PARA XPDLLa estructura jerárquica del metamodelo permitegenerar de manera estructurada la creacióndel parseador; posterior al anterior análisis sehace una representación gráfica y comparaciónentre dos lenguajes BPMN y XPDL.III. IMPLEMENTACIÓN DEL PARSERLa definición del paquete permite la especificaciónde un número de atributos de definición deelementos, los cuales serán aplicados en definiciónde procesos individuales contenidos dentrodel paquete.El lenguaje XPDL y BPMN son muy similares, seorganizan en forma de organigrama [13], una formasimple de ver sus similitudes es mostrar gráficamente(ver Tabla I) elementos específicos en elcódigo XPDL que representa un objeto gráfico enel 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,Herrera55Tomando como ejemplo el XPDL generado porBizAgiModeler®, se muestra en la Tabla 1.TABLA IREPRESENTACIÓN DE UN BPMN EN LENGUAJE XPDL. GENERADO PORBIZAGI.Conocido el modo de interpretación que leda el lenguaje Objective C al esquema XML ycon un amplio conocimiento en la creación demétodos que abstraen la información presentadaen los archivos XML, se debe programarde manera lógica la búsqueda de elementosinternos y sus atributos, esto se logra mediantela implementación de un parser o analizadorsintáctico que actúe de manera dual, ya que elparser debe interpretar y crear un archivo XPDLsegún el estándar en su versión 2.2.El proceso para iniciar el parser XML, requierede la entrada de un archivo, el cual contieneel valor de cada elemento individual definido.A. Definición de ParserEn iOS no existe propiamente un marco referentea las definiciones XML como XML Documentspara aplicaciones ejecutadas en OSX [14],por tal razón es primordial crear un parseador propiopara la definición del XPDL; dado que existendiferentes librerías que permiten realizar el parseo,se elabora una comparación entre estas, deigual manera se evalúa su rendimiento una vezestén implementadas sobre el lenguaje ObjectiveC(ver Fig. 9).Un parser o analizador sintáctico lee el documentoXML y comprueba que esté bien escrito,adicionalmente puede ser usado para verificar suestructura[15].Este parser puede ser de tipo SAX(Simple APIfor XML) o de tipo DOM(DocumentObjectModel),tal como se determina en [16]:• SAX: Parser en el cual el código es notificadoconforme se avanza dentro del árbol XML, yel programador se encarga de mantener enmente el estado y la construcción de cualquierobjeto que se quiera conservar mientrasel parser avanza dentro del archivo.• DOM: Parser que lee todo el documento yconstruye en memoria una representación enla que se puede hacer un query para saberla información dentro de distintos elementos.Los parsers que analizamos en este trabajo yque se definen [16] son los siguientes:• NSXMLParser: Es un parser SAX incluido pordefecto con el iPhone SDK.• libxml2: Es una librería de código abierto quese incluye por defecto con el iPhone SDK. Laslibrerías soportan el procesamiento de parsersSAX y DOM. Es capaz de hacer parser alos datos a medida que son leídos.• TouchXML: Es un parser DOM de estiloNSXML. Solo se pueden realizar lecturas dearchivos.• TBXML: Es un parser DOM ligero diseñadopara ser tan rápido como sea posible mientrasse consume lo mínimo de recursos dememoria. Salva tiempo porque no realiza validaciones,no soporta XPath y solo se puederealizar lectura de archivos XML.• GDataXML: Parser DOM de estilo NSXML, desarrolladopor Google, que permite la manipulaciónsencilla de objetos dentro del XML.Como la estructura del XPDL se crea a partirde un modelo XML, se deduce que sus nodos jerárquicosson inalterables, así se hace más fácilla representación de cada elemento como objetoen el lenguaje de programación. De ante mano sesabe que cualquier lenguaje debe soportar la estructuradel lenguaje XML, por ello inicialmente lainterpretación del documento XPDL con la ayuda

56ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61de cualquiera de las librerías anteriores no fue unproblema en el caso de la plataforma iOS, ya queiOS internamente maneja un archivo PList[17],que contiene una estructura propia XML, el cualrepresenta cada elemento de la aplicación comoun objeto.B. Selección del parser.Para la selección del parser se generaron unaserie de pruebas, primero se decide que debehacer el parser en una parte específica del documento,por ejemplo, una compuerta, como unobjeto en el XPDL.Dentro de las pruebas realizadas se observaque entre más complejos son los archivos, los parserSAX no pueden ser utilizados, ya que se necesitaleer el documento completamente para sólobuscar un elemento específico.Ya que el parser de tipo SAX, no permite realizarbúsquedas internas en el documento, se decideoptar por un parser de tipo DOM, el cual esmás ágil en la búsqueda de elementos y consumemenos recursos, además accede a un nodo especificodel árbol en el XPDL.De los parsers de tipo DOM se descartan TouchXMLy TBXML, ya que estos no permiten la escriturade archivos XML y no son útiles para la implementacióndel diagramador.Al implementar GDataXML, se observa queeste parser incorpora libxml2 por defecto y permiterealizar tanto la lectura como la escritura de archivosXPDL, así como la búsqueda de elementosque se necesiten dentro del archivo.Consideradas estas características y las Tablasen las que se hicieron las pruebas de velocidad(ver Fig. 8), se toma la decisión de usar el parserGDataXML de tipo DOM, ya que su tiempo de procesoes mejor que la mayoría y además permite laescritura y lectura de archivos XML.C. Parser XPDL con GDataXML.Dentro de las clases del parser GDataXML, seencuentran implementados métodos que retornanelementos o atributos abstraídos del XPDL.GdataXML provee dos interfaces, una de ellases GDataXMLNode que contiene métodos privados,los cuales obtienen los nodos del árbol quese genera al leer el archivo XPDL. Otra interfaceimportante es GDataXMLElement que no sólo permitecrear una instancia que tiene la capacidadde navegar dentro de un tag (padre) o un grupo detags permitiendo así la abstracción de atributospropios del nodo padre, sino que también permitecrear y modificar un nuevo elemento dentro delXPDL.Previo al parser, se crean las clases con atributosque representan cada elemento del BPMN,(ver Tabla 1), para esto fue necesario entender elmetamodelo del XPDL (ver Fig. 4).La primera labor del parseador es el manejode la lectura e interpretación de un documentoXPDL, para esto, se crea una clase que contieneel parser y se implementa el método que carga elarchivo XPDL.Para estar más seguros de los elementos quemaneja el lenguaje XPDL, se crea un diccionariode datos, el cual contiene la definición de los objetosdel lenguaje XPDL 2.2; posteriormente se defineel XPath [18], este es el encargado de recorrerel árbol jerárquico del documento XPDL, que permiteel despliegue de la ruta del objeto a parseary accede a la información de los nodos atributosdefinidos en dicho documento.Para realizar el recorrido de cada objeto dentrodel documento, se crea un elemento propiodel parser, el cual por medio de ciclos, abstraeel valor de los atributos tanto del padre como delos hijos en cada nivel del XPDL. Dentro de estaclase se instancian los objetos (color azul) y susatributos (color negro), que se usan en la representacióngráfica del proceso. La siguiente figuradescribe el proceso de lectura que realiza el parserpara la abstracción de atributos, de acuerdo almetamodelo del elemento Pool. (Ver Fig. 5).Fig. 5. PROCESO DE LECTURA DEL PARSER PARALA 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,Herrera57Posterior a la abstracción de los objetos y susatributos, estos se almacenan dentro de un arregloque guarda al elemento hijo, este elemento seintroduce 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 NODOPOOLS.si el nodo es o no un espacio vacío, se toma comonodo significativo, de tal manera que no se cumplíacon el estándar del XPDL en su versión 2.2.Observado lo anterior se decidió por optarpor otro tipo de estructura, que concluya con laimplementación de listas dobles o multilistas enlazadas,que conectadas entre sí por medio delatributo id de cada elemento, permiten una fácilinterpretación de los objetos y una apropiada ejecuciónde los procesos.Con la adopción de multilistas, el método debúsqueda permite acceder a la información demanera ordenada a través de campos claves, eneste caso los nodos ID. Las multilistas permitenllegar a un registro por diferentes caminos. El caminolo determina el campo clave sobre el cual serealice la búsqueda [19].A. Creación de MultilistasIV. IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESTRUCTURASMULTILISTASDe acuerdo con la jerarquía de nodos del XPDLy sus respectivos atributos, se realiza un análisissobre qué tipo de estructura se adaptaría mejor almomento de parsear el documento XPDL.Como primera instancia se opta por implementarárboles de datos, dado que la jerarquía delXML está desarrollada por esta estructura y estopermitiría una fácil abstracción y creación de losobjetos.Con la implementación de los árboles y mediantemétodos de conservación para los nodos,en la lectura del documento XPDL no hubo problemaalguno. Mientras que en la creación de unnuevo documento, el esquema se creaba con nodosvacíos, es decir, si en el proceso se establecíala creación de un Pool y ningún Lane, el métodode generación que recorría el árbol de jerarquíasle cargaba al elemento Pool un contenedor Lanescon su respectivo nodo Lane sin que dicho elementohubiera sido creado; dicho de otro modo,En la Fig. 6 se muestra de manera general, unamatriz de objetos Pools, la cual representa la listadoblemente enlazada, esta tiene el objeto POOLScomo 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 generaasí una jerarquía de objetos. Cada hijo está encabezadopor un ID, el cual es heredado por elpadre, que permite la fácil búsqueda, el acceso adicho objeto y sus respectivos atributos.Para lograr el parseo en la multilista, el primerelemento que se crea es el Pool, dado quees el contenedor de flujo del proceso; la multilistadenominada POOLS tiene un nodo principal quela identifica llamado IDPool, este será el nodoconector de los elementos que están contenidosdentro del Pool.De igual manera para el caso de los LANES, elnodo principal está dado por el IDPool, pero parala identificación del objeto se crea un nodo secundariodenominado IDLane, el cual permite teneracceso a los atributos de este elemento.Cada elemento, además, está conectado aotra multilista denominada NODEGRAPHICSIN-FOS, que contiene información referente al tamaño,la posición de los elementos y se referenciacon el ID de cada elemento creado.Para lograr la creación del parser, inicialmentese evalúa la estructura propia del lenguaje estándarXPDL con niveles propios del lenguaje en su

58ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61versión 2.2, la cual, agrupa objetos de manera individualcon sus atributos, coordenadas y demásespecificaciones.B. Estructuración del XPDLTomado como referencia y observada la creacióndel archivo XPDL generado por BizAgiModeler®[20], cabe resaltar que la estructura generadano contiene un orden legible para el programador,ya que ordena los elementos por su posición, esdecir, captura el valor de la coordenada X y generalos elementos de manera descendente.Se realizaron documentos ejemplo de XPDLcon cada tipo de elemento de BPMN, en los cualesse observaba la jerarquía y la validez del documentoXPDL creados por el modelador BizAgi-Modeler; como resultado se obtuvo el árbol dejerarquías del proceso con sus elementos y atributos(ver Tabla II).En el siguiente ejemplo se toma el elemento deevento inicio, que bajo el estándar gráfico BPMNse representa por un círculo y su estructura enXPDL (ver Tabla II).Tabla IIEstructura XPDL evento inicioSegún los aspectos funcionales anteriormentedescritos, el paso siguiente es la codificación ycreación del parseador XPDL.V. CONFIGURACIÓN DEL PARSER ENOBJECTIVE CEl proyecto el cual contiene el parseador delXPDL, se crea en el entorno de desarrollo (IDE) deObjective C, llamado Xcode [21] en su versión 4.3.3.En la configuración general del proyecto se realizanciertas modificaciones para que el parseadorfuncione correctamente, en este punto entraLibxml2, una librería que se importa en la clase .hdel parseador y llama dependencias propias delXML que permite la manipulación de los árboles,nodos y validación de los demás elementos deldocumento de XML.Para la validación del documento utilizamosXPath [22], que por medio de los array, ayuda afragmentar el documento XPDL dependiendo dela división de los tags (ver Fig. 7).Los nodos que son abstraídos por el XPath, sepueden manipular como elementos individualessegún la posición del Array; también es posiblemodificar el archivo XML y mantener las versionesde modificación.Fig. 7 DECLARACIÓN DEL XPATH PARA EL ELEMENTO POOL.NSArray *elementosPools = [docnodesForXPath:@”//fb:Pools/fb:Pool”namespaces:nserror:nil];VI. RESULTADOS OBTENIDOSPrevio a la implementación del parseador y suejecución, se realiza una interpretación completade un archivo XML para seleccionar de acuerdo alas velocidades, qué tipo de parser se va a utilizarpara la implementación con el lenguaje estándarXPDL 2.2.A continuación se muestran las pruebas quese realizaron para la selección del parser:A. Pruebas para la selección del parserDado que es primordial medir la velocidad conque el dispositivo móvil ejecuta los procesos enuna aplicación, para este caso la primera pruebade selección se basa en la medición de la velocidadde los diferentes parsers.Las figuras que se muestran a continuacióndan a conocer cómo interactúan los distintos parsersdentro del dispositivo y el tiempo (tomado ensegundos) que les toma incluir la información deun archivo XML de 900KB de prueba, que contienelas mejores canciones en iTunes[19].La evaluación se realiza con 10 ejecuciones delas 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,Herrera59los 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 velocidaddel parser (ver Fig. 8), de la cual se concluyeque el mejor parser es TBXML, dado que tardómenos tiempo en parsear el archivo.Fig. 8 VELOCIDAD EN SEGUNDOS DEL PARSER. PARA IPOD TOUCH 4GB. Pruebas de la ejecución del parser dentro deObjective C.En estas pruebas se evaluaron diferentes archivosXPDL variables en su tamaño; observadosu comportamiento se obtuvo la siguiente Gráfica(ver Fig. 10), en donde se muestra el tiempo quetardó cada archivo en realizar el parseo, recorrerla multilistas y guardar los objetos dentro documentodel XPDL.FIG. 10 PRUEBA DE ARCHIVOS CON EL PARSER XPDL.En la segunda prueba se realizó una medicióndel uso de memoria por cada tipo de parser (verFig. 9), en esta se concluye que el parser que menosrecursos de memoria consumió fue Libxml2de tipo SAX.Tomados como punto de partida estos datos,se realiza un análisis sobre qué tipo de parserimplementar; en este punto se tuvo en cuenta laestabilidad del parser GDataXML y se evaluó laimportancia que este parser le da a la lectura ycreación de un archivo XPDL.Fig. 9 USO DE MEMORIA EN MB PARA IPOD TOUCH 4GSe concluye así, que sin importar el tipo deXPDL el parseador se ejecutará correctamente; lavariabilidad del tiempo de ejecución depende deltamaño del archivo y de la cantidad de elementosBPMN contenidos en él.C. Pruebas físicas de fugasEstas pruebas se encargan de hacer un recorridogeneral en los métodos para buscar variablesque permanezcan en ejecución y muestransu ubicación. En la Fig. 11 se muestran los Bytesvs. Tiempo de ejecución, en la cual las barras representanlas variables que quedan en ejecucióndespués de cerrar una escena.Fig. 11 PRUEBAS DE FUGASD. Pruebas físicas de hilos de ejecución.En estas pruebas se verifica la cantidad de hilosque se ejecutan durante la ejecución normaldel programa. (Ver Fig. 12).Fig. 12 PRUEBAS DE HILOS DE EJECUCIÓNA partir de esto, se genera una serie de pruebasen las que inicialmente se establece quéoperaciones debe hacer el parser, por ejemplo,abstraer información de una parte específica deldocumento, como es el caso de un elemento Activitydentro del XPDL.

60ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 52 - 61VII. CONCLUSIÓN Y TRABAJO FUTUROEn esta investigación se plantea una soluciónpara la representación de elementos del BPMN2.0 [24] recopilados dentro de un archivo creadobajo el lenguaje estándar XPDL en su versión 2.2,que por medio de la implementación de estructurasde datos llamadas multilistas, permite almacenarde manera sencilla y eficiente los valores decada elemento contenidos dentro del documentoXPDL.Dado que estas estructuras son únicas y complejas,se percibe la necesidad de incorporar unparser que haga de moderador entre los objetosdel BPMN y el lenguaje XPDL.El procedimiento más relevante de la investigaciónfue la creación del parser, ya que, dentro deObjective C, no se ha implementado la generaciónde este tipo de estructuras. Con GDataXML, sesoluciona este inconveniente y facilita la lecturay escritura del archivo de diagramación del XPDL.Con la realización de esta investigación seabordan temáticas poco desarrolladas tanto en elámbito organizacional como en la parte de implementacióny desarrollo para dispositivos móviles.Para comprobar la eficiencia del parseador,se realizaron una serie de pruebas, en donde secompararon archivos de distinto tamaño, los cualescontenían diferente tipo de información. Comoresultados obtenidos, se observó la eficiencia y elrendimiento del dispositivo realizando el parseode los archivos (ver Fig. 10); se concluye que elparseador se ejecutará de forma exitosa siemprey cuando el XPDL esté estructurado de maneracorrecta y sin importar el tamaño del documento.Por otro lado, para probar la resistencia del dispositivoen el momento de la ejecución del parseador,se realizaron pruebas físicas, donde sepuede comprobar la cantidad de datos que sonprocesados (ver Fig. 12) y la cantidad de memoriautilizada por la aplicación desde el inicio del parseo(ver Fig. 11).Como resultado satisfactorio, se realizó lainserción y validación del parseador dentro delproyecto de grado denominado Aplicación en entornosmóvil para el modelamiento de procesosde negocio [25], en el cual se implementó el parseadorde XPDL, permitiendo así, mediante unainterfaz amigable, la creación, modificación ymodelamiento de procesos de negocio dentro deldispositivo móvil de forma exitosa, innovando enel campo del desarrollo de aplicaciones móvilespara la gestión de procesos.Lo anterior permite apoyar la búsqueda denuevas tecnologías y soluciones a problemáticaspropias de los negocios, e incorporar mejorasen la realización y gestión de procesos desdesu planteamiento que pasa por su distribución acada uno de los miembros del grupo de trabajo yfinaliza con la ejecución del proceso, beneficia alas personas participes de este, incluido, por supuesto,el usuario final.De igual forma, y como trabajo futuro, se puedenrealizar implementaciones que mejoren eldesempeño de la presente implementación en elámbito del desarrollo de software y optimizaciónde código y la capacidad de auto generar códigopara el parseador basado en el esquema y las reglaspropias 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 ProcessModel 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 DefinitionLanguage, 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 forYour iPhone Project. Julio 2012. [Online]. Disponibleen: http://www.raywenderlich.com/553/how-tochose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project.[7] Gdata-objectivec-client. Google Data APIs ObjectiveC 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 232011. [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,Herrera61[10] Jon Puke. XPDL – The silent Workhouse of BPMP1.Noviembre 23 2011. [Online]. Disponible en:http://www.wfmc.org/Published-Research/Article/View-category.html.[11] BPD, Catalog of Business Modeling and ManagementSpecifications. Noviembre 23 2011. [Online]. Disponibleen: http://www.omg. org/technology/documents/br_pm_spec_catalog.htm[24] BPMN. OMG, Object Managment Group. Business ProcessModeling Notation. Agosto 2011. [Online].http://www.bpmn.org/[25] D. Meza, L. Ruiz. Aplicación en entornos móvil para elmodelamiento de procesos de negocio. UniversidadPiloto de Colombia. Julio 2012.[12] Process Definition Interface- XML Process DefinitionLanguage, Package Meta Model. Workflow ManagementCoalition (WfMC). P 14.Julio 2012. [Online]. Disponibleen :http:// www.wfmc.org/.[13] Appian, Appian BPM Suite: Mobiles. Noviembre 232011. [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].Disponibleen: http://www.bpmn.org/ Documents/XPDL_BPMN.pdf.[15] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parserfor 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].Disponibleen: http://www.w3schools. com/xpath/[19] F. Roberto. Algoritmos, estructuras de datos. Programaciónorientada a objetos. Ecoe ediciones 2005. Bogotáp. 273.[20] BizAgi, BizAgiModeler. Noviembre 25 2011. [Online].Disponible en: http://www.bizagi.com/[21] Xcode. Developer tolos. Julio 2012 [Online]. Disponibleen: https://developer.apple.com/ technologies/tools/.[22] R. Wenderlich. How To Choose The Best XML Parserfor Your iPhone Project. Noviembre 2011. [Online]. Disponibleen: http://www. raywenderlich.com/553/howto-chose-the-best-xml-parser-for-your-iphone-project.[23] Apple, iTunes. Diciembre 2 2011. [Online]. Disponibleen: http://www.apple.com/es/itunes/.

Medida simultánea de rotaciones y traslacionesde un objeto en el plano a partir de la informaciónde fase de una rejilla radialSimultaneous measurement of the rotation and traslation of an objectin the plane using phase information of a radial gridLuis Alejandro Galindo VegaEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiasanalejox18@hotmail.comCamilo Andrés Ramírez PrietoEstudiante de Ingeniería Electrónica,Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiagamada5@hotmail.comJaime Enrique Meneses FonsecaPh. D. SciencesPourL’ingenieurProfesor Titular, Investigador Grupo GOTS,Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombiajaimen@uis.edu.coJaime Guillermo Barrero PérezIngeniero Electricista,Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Investigador Grupo CEMOS,Universidad Industrial de Santander UISBucaramanga, Colombiajbarrero@uis.edu.coResumen— En este artículo se presenta una estrategiaque permite determinar de forma simultánea la posicióny orientación de un objeto en el plano. El métodoconsiste en analizar un sistema de franjas radiales adheridoal objeto y por medio de procesamiento digitalde imágenes determinar su fase. Este proceso requieredeterminar con precisión subpixel las coordenadas delcentro y el eje radial de las franjas. Se emplea el métodode la Transformada de Fourier y se realiza la transformaciónde coordenadas rectangulares a radiales sepuede calcular la fase y el centro del sistema de franjas.De esta manera, la fase del sistema de franjas radialesse utiliza como elemento codificador para la medidade posiciones angulares y posiciones del objeto en elplano. Evaluaciones experimentales demuestran que latécnica desarrollada tiene precisión sub-pixel al evaluardesplazamientos y rotaciones de un objeto en el plano.Se evalúa el error introducido en el cálculo de posiciónangular y desplazamiento del objeto. El estudio de la influenciade los parámetros del sistema de franjas radialespermitió establecer que el tamaño y la cantidad defranjas son factores determinantes para que el métodopresente un mínimo error.Palabras clave— Extracción de fase, metrología óptica,Procesamiento Digital de Imágenes.Abstract— This paper presents a strategy that allows todetermine the position and orientation of an object ina plane. The method consists of analyzing a system ofradial fringes adhered to the object and by means of a digitalimage process to determine its phase. This processrequires the coordinates of the center with sub-pixel accuracyand the radial axis of the fringes. Using the Fouriertransform method and performing a transformationof coordinate systems from rectangular coordinate intoradial, it can be calculated the phase of fringe systemand the center of the radial fringes. Thus, the phase ofthe radial fringes is used as an encoder for measuringangular positions and spatial positions of the object inthe plane. Experimental evaluations show that the techniquedeveloped has sub-pixel accuracy in evaluatingdisplacements and rotations of an object in the plane. Itis evaluated the error introduced in the calculation of angularposition and displacement of the object. The studyof the influence of system parameters of radial fringeslet to establish that the size and number of fringes aredetermining factors for the present method in order toreduce the error.Keywords— Phase extraction, optical metrology, DigitalImage Processing.I. INTRODUCCIÓNVarias aplicaciones industriales tienen la necesidadde determinar con precisión el desplazamientoy rotación de un objeto en el plano, porlo que se requiere de equipos sofisticados quecumplan dicha función. Como no se conoce undispositivo en el mercado que lleve a cabo lasdos medidas de forma simultánea, se tienen queadaptar varios dispositivos lo que eleva su costode implementación. Encoders, potenciómetros lineales,sensores inductivos y sensores laser sonlos instrumentos más utilizados para tal fin, algunosde ellos limitados en resolución y en rango demedida.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, Barrero63En la línea investigativa de metrología ópticadel grupo de Óptica y Tratamiento de señalesGOTS de la Universidad Industrial de Santander,se han realizado investigaciones conjuntas conel grupo de Óptica de L’Institute FEMTO – ST deBesançon – Francia con el fin de determinar unsistema de posicionamiento global que permitagenerar un dispositivo de Reconstrucción Tridimensional(R3D) portátil. Los resultados obtenidosmuestran que una mira o rejilla con franjasparalelas en coordenadas cartesianas permiteobtener la posición de un cuerpo en el espacio,a precisión subpixel [1], [2]. Un análisis matemáticoprevio permite determinar que un sistema defranjas radiales puede ser usado para medir rotacionesy traslaciones de un objeto en el plano. [3]La técnica desarrollada en este trabajo consisteen adquirir una imagen de un sistema de franjasradiales o rejilla radial; mediante un algoritmocomputacional de procesamiento de imágenes sedeterminan las coordenadas del centro de la rejillaen el plano. La extracción de su fase geométricapermite reportar la orientación angular de larejilla radial.Pruebas de laboratorio validan el método, en elque se estudia el desempeño del algoritmo paradeterminar el error introducido en el cálculo deposición angular y desplazamientos en 2D pararejillas radiales con diferentes parámetros.II. SISTEMA DE FRANJAS RADIALESUn sistema de franjas radiales correspondea una distribución en la que los puntos de igualintensidad generan un patrón de líneas rectasradiales que provienen de un centro común. Deesta manera, al extraer valores de intensidad depuntos ubicados a igual distancia del centro seobtiene un perfil periódico. Matemáticamente elsistema se expresa en coordenadas polares (r, θ)por:donde: ɑ 0(r,θ) es el fondo continuo, ɑ 1(r,θ) esel contraste, (2π⁄P θ)*θ representa la fase, siendoel paso angular medido en grados y es la máscaraque define la región con franjas en la imagen.Como se muestra en la Fig. 1, las franjas seencuentran entre un radio menor y uno mayor, yposee dos sectores angulares sin franjas.La fase del sistema de franjas radiales correspondeal argumento la función coseno de (1), secaracteriza por tener un comportamiento lineal enfunción de la variable θy no depende de r, teniendola misma distribución espacial de un sistemade franjas rectangulares en coordenadas cartesianas.FIG. 1. SISTEMA DE FRANJAS RADIALES O REJILLA RADIALA. Cálculo de la fase de un sistema de franjasradiales.Con la información contenida en la fase del sistemade franjas radiales es posible determinar suorientación y posición en el plano. Aunque en la literaturase encuentra poca información acerca deun método directo para extraer la fase a este tipode distribuciones, se plantea la estrategia de hacerun cambio de coordenadas, de tal manera queel sistema de franjas radiales se comporte comoun sistema de franjas rectangulares. El cambio decoordenadas rectangulares a polares implica calcularcorrectamente la ubicación del centro de larejilla radial. De esta manera, la imagen final conla transformación de coordenadas posee franjasparalelas, de la cual es posible extraer la faseempleándose métodos conocidos como la Transformadade Fourier [4], corrimiento de fase [5],Fourier con ventana [6],[7-8] y Transformación deWavelet [9], entre otros.B. Cálculo del centroHaciendo uso de las propiedades de la transformadade Fourier, es posible determinar las

64ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71coordenadas del centro de la rejilla radial con altaprecisión [10].• Desplazamiento en el dominio espacial: aatransformada de Fourier de una función desplazadapresenta un término de fase linealque depende del desplazamiento.el corrimiento y minimiza el contenido frecuencialde la parte imaginaria. La Fig.4 muestra la trayectoriaseguida por el algoritmo en la estimación delcentro después de varias iteraciones.FIG. 3. FASE DE LA TRANSFORMADA DE FOURIERDE LA IMAGEN DE LA FIG. 2Simetría para señales real y par: La transformadade Fourier de una función par es netamentereal.FIG. 2. IMAGEN EMPLEADA PARA VALIDAR EL ALGORITMO DE BÚSQUEDADEL CENTROPara el caso de la imagen del rectángulo, elcentro teórico fue (232,287) y el procedimientoencontró (232.096,286.963).FIG. 4. TRAYECTORIA SEGUIDA POR EL ALGORITMODE BÚSQUEDA DEL CENTROLa Fig. 2 muestra la imagen de un rectángulocon ruido adicionado. Se observa que su centrono coincide con el centro de la imagen. La Fig.3muestra la fase de la transformada de Fourier,calculada mediante la función arcotangente. Seobserva que debido a la función arcotangente,la fase está limitada entre ±π. Si se eliminan lasdiscontinuidades al adicionar valores enteros de2π se obtiene una fase lineal, cuya pendiente esfunción del corrimiento del centro del rectángulocon respecto al centro de la imagen. Determinadala pendiente y según (3) se puede calcular elcorrimiento x oy y o. Este valor es empleado parareposicionar la figura y verificar si su parte imaginariaes cero. Debido a la influencia del ruido sedesarrolló un procedimiento iterativo que estimaC. Conversión de sistemas de coordenadasLas ecuaciones (4) y (5) muestran la conversiónde sistemas coordenados rectangulares apolares, siendo y las coordenadas del centro de larejilla radial, calculadas por el procedimiento indicadoanteriormente.

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, Barrero65FIG. 8. TRANSFORMADA DE FOURIERAl realizar este procedimiento se obtiene quecada punto del plano rectangular tiene un puntoequivalente en el plano polar y forma un patrón defranjas, como el que se muestra en la Fig. 6.FIG. 9. FILTRO PASA-BANDASFIG.5. CONVERSIÓN DE SISTEMAS COORDENADOSFIG. 10. COMPONENTE TF {} FILTRADAFIG. 6. SISTEMA DE FRANJAS TRANSFORMADOFIG. 11. COMPONENTES REAL E IMAGINARIAFIG. 12. FASE CONTINUAD. Extracción de la faseHaciendo uso del método de la Transformadade Fourier [4] para sistemas rectangulares, se extrael a fase d el sistema de franjas transformado.La distribución en intensidad de un sistema defranjas rectangular se muestra en la Fig. 7.FIG. 7. PERFIL SINUSOIDAL DEL SISTEMA DE FRANJAS RECTANGULARESRealizada la transformada de Fourier se encuentrantres lóbulos, Fig. 8, uno central debidoa la TF de la componente continua y dos lóbuloslaterales ubicados en ±f 0,f 0=1 ⁄ P θ, correspondientea la TF de A (x,y)cos(φ (x,y)).Un filtro pasa-banda permite filtrar un lóbulolateral, Fig. 9. Al aplicar la Transformada inversade Fourier al contenido frecuencial filtrado Fig.10, se obtiene una distribución compleja como seobserva en la Fig. 11. La fase de este complejo

66ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71corresponde a la fase geométrica del sistema defranjas rectangulares y la amplitud correspondeal contraste de las franjas. Para obtener la fasedel complejo se emplea la función arcotangente,la cual está limitada en el rango de [-π, π]; la fasepresenta discontinuidades en las transiciones ± πque ocurren en las líneas centrales de las franjasnegras de la Fig. 5. Para eliminar dichas discontinuidadestradicionalmente se adicionan valoresde 2πN, siendo N una función entera en escalónapropiada para eliminar las discontinuidades. Esteprocedimiento de convertir la fase discontinua encontinua es llamado “Unwrappingalgorithm” [11].La Fig. 12 muestra la fase continua obtenida despuésde eliminar las discontinuidades.El procedimiento anterior es aplicado a la imagenmostrada en la Fig. 6. La Fig. 13 muestra lafase obtenida y la Fig. 14, la fase del sistema defranjas radiales obtenida al realizar la transformaciónde coordenadas inversas: radiales a rectangularesdefinidas por (6) y (7).FIG. 13. FASE OBTENIDA DEL MÉTODO DE LA TRANSFORMADA DE FOU-RIER APLICADO A LA IMAGEN DE LA FIG. 6III MEDIDA DE LA ORIENTACIÓN Y POSICIÓNEN EL PLANOUna vez obtenida la distribución de fase seprocede a emplearla para establecer la posiciónangular y espacial de la rejilla radial. La rejillaradial ha sido diseñada mediante dos sectoresangulares con franjas ubicadas entre dos radios,uno interno menor y otro externo. Las regionesexternas son eliminadas por la máscara. Cadasector angular posee, para el caso de la Fig. 1, 28franjas negras y 27 franjas blancas. Según la funcióncosenoidal que define las franjas, el centrode una franja blanca debe tener un valor de fase2πN, donde N es un número entero. Y el centro deuna franja negra debe tener un valor impar de πy ubicarse en una discontinuidad de la fase discontinua.La máscara empleada en la rejilla radialhace que el sistema tenga simetría con respectoal centro y se pueda emplear el procedimiento indicadoen la sección IIB. De esta manera se puedeestimar el centro con precisión subpixel mediantela distribución simétrica de las franjas. El centrocalculado permite hacer el seguimiento del desplazamientoespacial en el plano introducido a larejilla.FIG. 15. PROCESO PARA EL CÁLCULO DE FASE DELSISTEMA 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, Barrero67La posición angular de la rejilla es determinadabuscando la fase correspondiente a la franjablanca que se ubica en el centro de cada sectorangular. Así, como hay 27 franjas blancas parala rejilla de la Fig. 2, la franja central posee unafase de 26π, asignado cero a la primera franjablanca. A partir de los radios máximo y mínimo,y conociendo el número de discontinuidadesque corresponde al número de franjas en cadasector, se puede calcular para cada sector lasposiciones interpoladas que poseen el valor defase de la franjas central. Esta interpolación defineuna línea radial que pasa por el centro de lafranja central de cada sector, identificadas porlas líneas azul y roja en la Fig. 15, y al ser interpoladasposeen precisión subpixel. Al rotar larejilla radial, el algoritmo desarrollado determinalas posiciones angulares de cada línea central encada sector y al compararlas secuencialmentesus valores, se puede determinar el valor de larotación introducido.IV VERIFICACION EXPERIMENTALPara determinar la precisión del método, sehicieron pruebas de laboratorio en las que seusaron platinas mecánicas de rotación y traslaciónque sirvieron como referencia teórica de losdesplazamientos; se compararon los resultadosobtenidos y se determinó el error del método.También se evaluó la influencia en la precisiónpara diferentes parámetros de la rejilla radial,como tamaño y paso angular.El montaje que se llevó a cabo para la evaluacióndel método constó de un sistema de rotacióny traslación con una precisión de un minutoarco y 10 µm, respectivamente. La rejilla radialse ubicó sobre una superficie plana adherida alsistema de traslación y rotación. Las imágenesfueron adquiridas por una cámara CCD de 640 x480 pixeles y focal 12mm, ubicada a 90cm dela rejilla. En una cuadrícula milimetrada se determinóque un pixel equivale a 754.15µm sobre larejilla radial.Para evaluar traslación se desplazó manualmentela rejilla a intervalos de 100 µm. Paracada posición se adquirieron 50 imágenes. Laposición inicial se asumió como punto de referenciadel desplazamiento.La Fig. 16 muestra las coordenadas del centropara 5 traslaciones realizadas; cada posicióntiene graficada las 50 coordenadas del centro dela rejilla radial.En la Fig. 16 se observa que cada eje poseeun tamaño máximo de un pixel: el sistema estimatraslaciones al interior de un pixel, lo cual verificala precisión subpixel del método de medida.FIG. 16. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA 6 POSICIONES.Al adquirir 50 imágenes en cada posición seencuentra que el centro calculado presenta unadesviación cercana a 0.0025 pixeles, que correspondea 1.88 µm sobre el objeto, como se puedeobservar en la Fig. 17.

68ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71FIG. 17. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE CENTRO PARA UNA POSICIÓNLa Fig. 18 muestra el error medido como la diferenciaentre la posición esperada y la posicióncalculada con el método, para cada rejilla en funcióndel desplazamiento introducido. La Fig. 19muestra la desviación estándar del error medidopara cada rejilla. Se concluye que para rejillas deigual tamaño hay una relación inversa entre elnúmero de franjas y el error introducido: a menornúmero de franjas mayor error.FIG. 20. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTALPARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑOA. Influencia del tamaño y número de franjasen el cálculo del centro.Con el fin de establecer la influencia del paso ytamaño de la rejilla en el error, se utilizaron rejillasradiales de 24, 16 y 12 franjas en cada sector angular,para rejillas de igual tamaño.FIG. 18. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO TEÓRICO Y EXPERIMENTALPARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJASFIG. 21. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLASDE DIFERENTE TAMAÑOFIG. 19. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFE-RENTE NÚMERO DE FRANJASEl tamaño es otra variable importante en elprocedimiento. Para tal fin se evaluó el error introducidopor el algoritmo para rejillas radiales de10, 16 y 20 cm de diámetro.De igual forma, las curvas de error en funcióndel desplazamiento y la desviación estándar delerror en función del tamaño de la rejilla, las Fig.20y Fig.21, indican que a mayor tamaño de rejillamenor 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, Barrero69La evaluación en rotación se hizo con desplazamientosangulares de un grado, adquiriendo 50imágenes para cada posición.FIG. 22. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DELA REJILLA PARA 6 POSICIONES ANGULARES.medir rotaciones inferiores al límite de rotaciónque se puede medir con la cámara.B. Influencia del tamaño y número de franjasen el cálculo de orientación angular de larejilla.Se construyeron rejillas con 12, 16 y 20 franjas,con las que se evaluó la diferencia entre valorteórico y experimental de las posiciones angulares.FIG. 24. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO YEXPERIMENTAL PARA REJILLAS CON DIFERENTE NÚMERO DE FRANJASEn la Fig. 22, cada punto representa el ángulode orientación de la rejilla radial para las diferentesdesplazamientos angulares, empleando la posiciónangular de un sector con franjas.Según la resolución de la imagen el ángulo mínimoque se puede medir a precisión pixel es de0.08952 grados que corresponde a:FIG. 25. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFE-RENTE NÚMERO DE FRANJASdonde 640 es el número de pixeles horizontalesde la imagen. Al adquirir 50 imágenes parauna posición y calcular el ángulo de orientación dela rejilla este presenta una desviación de 0.004grados,Fig. 23.FIG. 23. DISPERSIONES EN DETECCIÓN DE ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DELA REJILLA PARA UNA POSICIÓN ANGULARDe esta forma se demuestra que el método tieneprecisión subpixel, es decir, el método puedeDe igual forma, se evaluaron los errores enfunción de las diferentes posiciones angulares yla desviación estándar para cada rejilla, Fig. 24 yFig. 25. Se demuestra que para una rejilla radialcon mayor número de franjas el error en el cálculode orientación es menor.

70ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 62 - 71FIG. 26. DIFERENCIA ENTRE DESPLAZAMIENTO ANGULAR TEÓRICO YEXPERIMENTAL PARA REJILLAS DE DIFERENTE TAMAÑO.En el presente artículo se presenta un métodopara medir la posición y rotación de un objeto en elplano. El procedimiento emplea un procesamientodigital de imágenes sobre una rejilla con franjasdistribuidas radialmente. El procesamiento sebasa en la extracción de la fase del sistema defranjas radial, con el método de la transformadade Fourier. El cálculo de la fase se realiza al haceruna transformación de sistemas coordenados ydeterminar el centro a partir de la información defase de la imagen simétrica de la rejilla. Las evaluacionesexperimentales demuestran que el métodopermite medir desplazamientos y rotacionesa valores inferiores a los definidos por el pixeladorealizado por la cámara CCD. También se demuestraque rejillas de tamaño grande y mayor númerode franjas introducen menor error en el cálculo dedesplazamientos y rotaciones. La etapa siguientede la investigación consiste en realizar la evaluaciónexperimental del método propuesto con otrosistema que mida rotaciones y/o traslaciones deprecisiones conocidas.AGRADECIMIENTOSFIG. 27. DESVIACIÓN ESTÁNDAR DEL ERROR PARA REJILLAS CON DIFE-RENTE NÚMERO DE FRANJASLa investigación fue apoyada por la Vicerrectoríade Investigaciones y Extensión de la UniversidadIndustrial de Santander, Colombia (ProyectoNo. 5184: Posicionamiento global de alta resolucióna campo extendido por visión estéreo: Aplicacionesen metrología óptica).REFERENCIAS[1] N. Arias, J. Meneses, y M. Suárez, “Medida de la Orientación,Posición y Desplazamiento en el Plano de unObjeto por Codificación de Fase, ”Bistua: Revista de laFacultad de Ciencias Básicas, Vol. 7, No.. 2, pp. 1-8,julio – diciembre, 2009.[2] N. Arias, Reconstrucción 3D a manos libres: Estrategiade posicionamiento global, Tesis Doctoral, UniversidadIndustrial de Santander, Bucaramanga, COLOMBIA.2010De igual forma se evaluó el comportamientodel tamaño de la rejilla para igual número de franjas.Como era de esperarse el error en el cálculodel ángulo de orientación de la rejilla radial es menor,cuando el tamaño es mayor, Fig. 26 y Fig. 27.V. CONCLUSION[3] N. Reina, Análisis Teórico – Experimental de un Sistemade Franjas Radiales: Aplicaciones en PosicionamientoGlobal de un Objeto, Tesis pregrado, UniversidadIndustrial de Santander, Bucaramanga, Colombia.2010.[4] M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi,“Fourier-transformmethod of fringepattern analysis for computer-basedtopography and interferometry”, J. Opt. Soc. Am.,vol.72, pp. 156-160, 1982.[5] Z. Pérez, L. Romero,Sistema Óptico de ReconstrucciónTridimensional para la detección de Ampollas en Recubrimientos,Tesis Pregrado, Universidad Industrial deSantander, 2004.[6] Q. Kemao, “Windowed Fourier transform for fringe patternanalysis,” Applied Optics, vol. 43, pp. 2695–702,2004.[7] Q. Kemao, “Two-dimensional windowed Fourier transformfor fringe pattern analysis: Principles, applicationsand implementations,” Optics and Lasers in Engineering,vol. 45, pp.304–17, 2007.

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, Barrero71[8] Z. Wang Z andH. Ma, “Advanced continuous wavelettransform algorithm for digital interferogram analysisand processing,” Optical Engineering, Vol. 45, pp.045601, 2006.[9] P. Sandoz, “Wavelet transform as a processing tool inwhite-light interferometry,” Optics Letters, Vol. 22, pp.1065–1067, 1997.[10] L. Oriat and E. Lantz, “Subpixel detection of the centerof an object using a spectral phase algorithm on theimage”, Pattern Recognition, Vol. 31, No. 6, pp. 761-771, June 1998.[11] J. Meneses, T. Gharbi and P. Humbert, “Phase Unwrappingalgorithm for images with high noise content basedona local histogram,” Appl. Opt. vol. 44, No. 1, pp.1207-15,2005.

Influence of Particle Size and Temperature onMethane Production From Fique’s BagasseInfluencia del tamaño de partícula y la temperatura sobre laproducción de metano a partir del bagazo de fiqueLiliana del Pilar Castro MolanoIngeniera Química PhD, Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad San BuenaventuraCartagena, Colombialcastro@usbctg.edu.coCarolina Guzmán LunaBacterióloga PhD, Universidad Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiacaguzlun@uis.edu.coHumberto Escalante HernándezIngeniero Químico PhD Industrial de SantanderDocente Tiempo Completo, Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombiaescala@uis.edu.coAbstract— The aim of this work was to evaluate the effect of particlesize of fique`s bagasse (FB) on anaerobic biodegradationand biogas production, by means of co-digestion of this lignocellulosicsubstrate using both bovine ruminal fluid and pig manureas inoculums. Anaerobic reactors were incubated by 8 days. Reducingsugar, Volatile Fatty Acid (VFA) and methane productionswere measured using three different bagasse particle diameter;5 mm (bagasse´s natural size), 2.36 mm and 0.85 mm. Reductionof bagasse particle size increased reducing sugars formationand improved substrate mass transfer to microbial inoculums.At minor particle size it was favored hydrolytic step and VFAproduction. Natural particle sizes of bagasse were more difficultto biodegrade than lower ones. In this sense, methane concentrationwas increased 19% when 0.8 mm particle size was used.Anaerobic fermentation processes were carried out at 25°C and39°C. Methane production at 25°C, show that these microbialconsortia are able to resist temperature changes and transformall products on anaerobic digestion process.Keywords— Anaerobic digestion, Biogas, Fique´s bagasse, Lignocellulosicwaste, Mechanical treatment.Resumen— El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto deltamaño de partículas del bagazo de fique sobre la producciónde biogás empleando como inóculo una mezcla de líquido ruminalcon lodo estiércol de cerdo. Los reactores anaerobios fueronincubados durante ocho días. Como variables de respuesta secuantificó la concentración de azúcares reductores totales, ácidosgrasos volátiles y producción de metano, usando tres tamañosdiferentes de partícula 5mm (Estado natural del bagazo defique), 2.36mm y 0.85mm. Durante la fermentación se observóque la reducción del tamaño de partícula del bagazo, incrementóla formación de azúcares reductores, mejorando la transferenciade masa entre el inóculo y el sustrato. El menor tamaño departícula favoreció la etapa hidrolítica y la producción de ácidosgrasos. El bagazo de fique en su estado natural dificulta la biodegradaciónanaerobia de éste sustrato. En este sentido, la concentraciónde metano se incrementó un 19% cuando el bagazo seredujo a 0.8 mm. Los procesos de fermentación anaerobia fueronllevados a cabo a 25°C y a 39°C. La producción de metano a25°C, demostró que los consorcios microbianos presentes en lamezcla de líquido ruminal y lodo estiércol de cerdo son capacesde resistir los cambios de temperatura y la transformación de todoslos productos del proceso de digestión anaerobia.Palabras clave— Digestión anaeróbica, Biogás, Bagazo decaña de Fique, Residuos lignocelulósicos, Tratamiento mecánico.I. INTRODUCTIONFique´s bagasse (FB) is an agricultural by-productobtained during natural fiber process production,composed by cellulose, hemicellulose, lignin,lipids and proteins [1]. According to its composition,bagasse is considered an important lignocellulosicbiomass source [2]. Lignocellulosic wastesare suitable substrates for anaerobic digestionprocess because of its carbon source [3]. Lignocellulosicbiomass digestibility is limited by factorssuch as cellulose cristallinity, polymerization degree,moisture content, superficial area and lignincontent. However, high lignin content in bagasse limitshydrolytic step and bioconversion system [4].Anaerobic biodegradation of lignocellulosicsubstrates requires microbial consortia with highhydrolytic and methanogenic activities. Bovine ruminalfluid, active anaerobic sludge, bovine andpig manure have been previously used as biologicalmatrices 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, Escalante73digestion process mixes different inoculums ormicrobial consortia to improve the anaerobic digestionprocess. Co-digestion enhances nutrientequilibrium, dilutes toxic components and allowsa synergic effect in microorganisms to increasehydrolytic activity [6]. Use of sisal pulp and fishwastes co-digestion increases methane productionfrom 54 to 94% in comparison with otherinoculums [7]. Bovine Ruminal Fluid (BRF) is anexcellent inoculum for lignocellulosic substratedigestion, because its high cellulosic activity. Inaddition, if BRF is mixed with methanogenic inoculum,significant biogas yield are achieved [8]. Municipalwaste solids mixed with bovine manure orwastewater sludge, increase in almost 20% biogasyields [9]. Temperature is a physical variable thataffect microorganism growth and therefore biologicalreaction rates. Biological reactions (20- 40°C) for methane production from organic matterrequire more energy than conventional chemicalreactions [10].Pre-treatment processes are designed to decreasecellulose polymerization grade, weak ligninbonds with carbohydrates and increase particlesuperficial area. This process improves masstransfer process between inoculums and substrate.These processes increase cellulose bioavailabilityfor enzyme biodegradation to monosaccharides.It has been proposed substrate pretreatmentbased on caustic and/or acid wash, heating andsize particle reduction [11].On the other hand, there is an inverse relationshipbetween substrate particle size and methaneyield [12]. For example, size reduction in tomatowastes increases yield values in 23% [13]. Whitsisal residues, hydrolytic activity improves significantlywith particle size reduction, generatingincreasing in methane yields from 0.18 to 0.22CH4/kg SV [14]. In starch degradation, the bestyield value was obtained at substrate particle sizeof 0.35 mm [15].In Colombia, fique´s industry produces 20,800kg of residual wastes (bagasse and juice) per seededhectare; these are delivered to grounds andwater streams causing environmental pollutionproblems [16].A possible solution of fique´s bagasse environmentalpollution problem is the utilization as substratefor biogas production. However, its high lignincontent requires a specific treatment. For thisreason, the aim of this research was to evaluatethe effect of fique’s bagasse particle size and temperatureon methane production during anaerobicbiodegradation of this substrate.A. SubstrateII. MATERIALS AND METHODSFique´s Bagasse was obtained as a sub-productduring natural fiber process production fromFique Industry. Bagasse samples were conservedin cooled containers during transportationand analysis. FB was sun dried at environmentalconditions for 36 hours. Natural particle size diameterof FB was 5 mm. During pretreatment, FBwas ground in a Willey-Mil’s equipment to achieveparticle size diameter of 0.85 and 2.36 mm. Differentparameters such as: pH, lignin, cellulose,hemicelluloses and Acid Detergent Fiber (ADF)content, Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS)were determined according to Standard Methodsfor Examination of Water and Wastewater [17].B. InoculasBovine Ruminal Fluid (RF) from urban slaughterhouseand Pig Manure (PM) from municipal pigfarms were used as inoculums for digestion in a1:1 ratio v/v. Inoculum composition used in anaerobicdigesters is presented in Table I.TABLE IINOCULUM CHARACTERIZATION (RF-PM)ParameterRF-PMpH 8TS (%) 43.7VS (%) 23.6Alkalinity (mgCaCO3/L)Volatile Fatty Acid – VFA (mg/L)C. Experimental Design31007200Anaerobic fermentation experiments were carriedout using fique´s bagasse with particle sizesof 5, 2.36 and 0.85 mm. Reactors were incubatedfor 8 days at 25 and 39 ± 2°C containing anoperational volume of 350 ml. Hydrolytic activity,pH, VFA and methane percentage were consideredas response variables. Total Reducing Sugar(TRS) concentration was determined accordingto Dinitrosalicylic Acid Method – DNS, using aGENESYS 20 Thermo Spectronics Spectrophotometer[18]. VFA concentration was quantified by

74ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77titration method [19]. Methane percentage wasdetermined with a PGD-IR (model Status ScientificControls) infrared gas detector.Experimental results were analyzed with Stat-Graphics plus 5.1, StatPoint Inc. (Virginia, EE.UU)Software. The Fisher’s test (F) was used to verifydata statistical significance between results.III. RESULTS AND DISCUSSIONAccording to the Fique’s bagasse characteristics,this substrate is considered a lignocellulosicwaste, for this reason the results are comparedwith another investigations where this type of matrixis evaluated.A. Effect of mechanical treatment on FB lignocellulosicstructure.1.20 and 0.87, respectively, at the same particlesize. These results indicate that mechanical treatmentimproves strongly the hydrolytic activity ofmicrobial consortia at the initial stage. This effectcan be attributed because the increase of the superficialarea at smaller particle size, allowing abetter interaction between substrate and inoculums[21], [22]. These results are correlated withchanges on lignocelullosic structure during FBmechanical treatment (see Table I). On the otherhand, temperature affects hydrolytic activity beinghigher at 39 °C than at 25°C; because enzymaticactivity of microorganisms present an optimaltemperature 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 notaffected by particle size diameter reduction. TSand VS concentrations from FB were suitable forstart-up anaerobic digestion process accordingwith other studies [20]. Additionally, lignin contentis decreased proportionally with reduction of wasteparticle size. These results suggest that smallersize particles improve mass transfer between inoculumsand substrate. On the other hand, reductionof particle size decreases ADF concentrationand improve FB digestibility.TABLE IICOMPOSITION OF THE FIQUE’S BAGASSEParameter FB 5mm FB 2.36 mm FB 0.85 mmpH 4 4 4TS(%) 93.1 92 92.7VS(%) 89.2 88.8 88.6Cellulose(%) 41.8 23.4 18.7Hemicellulose(%) 22.1 24.8 27.1Lignin(%) 16.6 15.5 6.81ADF(%) 64.6 44.8 44.7B. Efecto of temperature and mechanicaltreatment on hydrolytic stageIn Fig. 1, it is observed that smaller particlesize increase TRS concentration. Hydrolytic activity,defined as total reducing sugar consumptionrate, 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 carriedout at 25 ºC achieved hydrolytic activity of 1.55,C. Effect of temperature and mechanicaltreatment on VFA production.Fig. 2 and 3 show that during Anaerobic Digestionof Fique´s Bagasse (ADFB), pH values weremaintained in a range between 7 and 8.5. ThesepH range favor growth and metabolic activity of microbialconsortia. The biological behavior can berelated to VFA variations. Size particle reductionincreases hydrolytic activity, producing increases

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante75in VFA concentrations. VFA produced during acidogenicstage were no affected with temperaturevariations. However, VFA consumption rate wasfaster at 39°C.Fig. 2. EFFECT OF PARTICLE SIZE ON PH VARIATIONS AND VFA PRODUC-TION AT 25 ºC DURING ADFBD. Effect of temperature and mechanicaltreatment on methane production during FBanaerobic biodigestion.Fig. 4 shows that it is possible bioreactor startupsfor anaerobic biodigestion using 3 differentFB particle sizes (5, 2.36 and 0.85 mm) at 25and 39ºC. These results can be explained in termsof equilibrium between methanogenic bacteria,acid consumer bacteria and inoculum adaptationto FB substrate. Higher methane production wasobtained with smaller FB particle size. At 25 ºC,best results of methane production were achievedat 8th day. At 39 ºC, the higher value was achievedat 4th day.Fig. 4 EFFECT OF PARTICLE SIZE AND TEMPERATURE (25°C Y 39°C) ONMETHANE PRODUCTION DURING ADFBFig. 3. EFFECT OF PARTICLE SIZE ON PH VARIATIONS AND VFA PRODUC-TION AT 39 ºC DURING ADFBIn Fig. 5 are depicted statistical analyses of FBparticle size effect on methane production at twodifferent temperatures. The probability function(P) of Fisher test was 0.0004 and 0.0046 formethane production at 25°C and 39°C, respectivelyshowing that there are significant differencesbetween each experiment (IC 95%).

76ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 72 - 77Fig. 5. STATISTICAL ANALYSES OF FB PARTICLE SIZE EFFECT ON ADFBParticle-size reduction has been the most commonlyused factor to describe the increase in substratesurface area resulting from a pre-treatment[25]. Pretreatment proved to be suitable for applicationsat full-scale biogas plants, increasing themethane yield of fique´s bagasse by up to 19%.Reduction of FB particle size affects the lignocellulosicstructure, probably by cellulose crystallinitydecrease, improving mass transfer substrate/inoculums. Mechanical treatment influenced oneveryone of anaerobic digestion stage, becausehydrolytic activity are higher at smaller FB particlesizes, and produced higher VFA values and methaneyields.Additionally, mixture of bovine ruminal fluidand pig manure were able to degrade and adaptto this lignocellulosic substrate (Fique`s Bagasse)working efficiently at mild temperature conditions.ACKNOWLEDGEMENTSAuthors wish to thank financial support by DepartamentoAdministrativo de Ciencia Tecnologíae Innovación, Ministerio de Agricultura y DesarrolloRural and Vicerrectoria de Investigación y Extensión- Universidad Industrial de Santander. Technicalsupport from C. Vargas and C. Zambranois also hardly recognized.REFERENCES[1] P. Barrera, X. Salas, L. Castro, C. Ortiz and H. Escalante,“Estudio preliminar de la bioproducción de metanoa partir de los residuos del proceso de beneficio delfique”, (Preliminary study for methane bioproductionfrom the waste generated in the fique production).RevistaIon, vol. 22, n°1, pp. 21-25, 2009.[2] C González, León and P. A. García, “Different pretreatmentsfor increasing the anaerobic biodegradabilityin swine manure”, Bioresource Technology, vol. 99,n° 18, pp. 8710–8714, 2008.Finally, these results are according to studiescarried out by Palmowski and Müller. Theseauthors have demonstrated that reduction in particlesizes improves anaerobic digestion of substrate,due to increases in superficial areas of availablesubstrates for microbial metabolism [24].IV. CONCLUSIONS[3] A.T.W.M. Hendriks and G. Zeeman, “Pretreatments toenhance 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 alternativefuel from agricultural, industrial and urbanresidues”, Resources, Conservation and Recycling,vol. 50, n°1, pp. 1-39, 2007.[5] C. Sullivan, P. Burrell, W. Clarke and L. Blackall, “Comparisonof cellulose solubilisation rates in rumen andlandfill 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

Influence of Particle Size and Temperature on Methane Production From Fique’s Bagasse - Castro, Guzmán, Escalante77treatment option of meat industry wastes”, BioresourceTechnology, vol. 100, n°6, pp. 1903-1909, 2009.[7] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi andB. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisalpulp and fish wastes”, Bioresource Technology, vol.95, n°1, pp. 19-24, 2004.[8] Z.B. Yue, H.Q. Yu, H. Harada and Y.Y. Li, “Optimizationof anaerobic acidogenesis of an aquatic plant, Cannaindical by rumen cultures”, Water Research, vol. 41,n°11, pp. 2361-2370, 2006.[9] R. Chamy, O. Cofré, D. Alcazar and P. Chinga, “Codigestiónde RSU y lodos aerobios residuales, comoalternativa a procesos de tratamiento tradicionales”,(Co-digestion of MSW and aerobic waste sludge as analternative to traditional treatment processes), CongresoInteramericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental1-7, 2002.[10] S. Rebac, J. Ruskova, S. Gerbens, J. Van Lier, A. Stamsand G. Lettinga, “High-Rate Anaerobic Treatment ofWastewater under Psychrophilic Conditions”, Journalof Fermentation and Bioengineering, vol.47, n°12, pp.231-238, 1995.[11] A. J. Ward, P.J. Hobbs, P.J. Holliman and D. Jones, “Optimizationof the Anaerobic Digestion of AgriculturalResources”, Bioresource Technology, vol. 99, n°17,pp. 7928–7940, 2008.[12] S. Sharma, I. Mishra, M. Sharma and J. Saini, “Effectof particle size on biogas generation from biomassresidues”,Biomass y Bioenergy, vol.17, n° 4, pp. 251-263, 1988.[13] D. J. Hills and K. Nakano, “Effects of particle size onanaerobic digestion of tomato solid wastes”, Agriculturalwastes, vol. 10, n°4, pp. 285-295, 1984.[14] A. Mshandete, A. Kivaisi, M.S.T. Rubindamayugi andB. Mattiasson, “Anaerobic batch co-digestion of sisalpulp and fish wastes”. Bioresource Technology. Vol.95,n°1, pp. 19-24. 2004.[15] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio dela etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidónen residuos de maíz”, (Study of the hydrolyticstage of anaerobic degradation of starch in corn residue),Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitariay Ambiental. Departamento de Procesos Químicos,Biotecnológicos y Ambientales, Universidad TécnicaFederico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004.implications in dairy cattle. Methods for Dietary Fiber,Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharidesin Relation to Animal Nutrition”, Symposium,Journal of Dairy Science, vol.74, n°10, pp. 3583-3597, 1991.[18] G. Miller, “Use of DinitrosaIicyIic Acid Reagent for Determinationof Reducing Sugar”. Analytical Chemistry,vol. 31, n°3, pp. 426-428,1959.[19] G. K. Anderson and G. Yang, “Determination of bicarbonateand total volatile acid concentration in anaerobicdigesters using a simple titration”, Water EnvironmentResearch 64, pp. 53–59, 1992.[20] S. Kusch, H. Oechsner and T. Jungbluth, “Biogasproduction with horse dung in solid-phase digestionsystems”. Bioresource technology, vol. 99, n°5, pp.1280-1292, 2007.[21] L. Guerrero, C Rivadeneira and R. Chamy, “Estudio dela etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidónen residuos de maíz”, (Study of the hydrolyticstage of anaerobic degradation of starch in corn residue),Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitariay Ambiental. Departamento de Procesos Químicos,Biotecnológicos y Ambientales, Universidad TécnicaFederico Santa María, Valparaíso, 1-7, 2004.[22] V. Vavilin, B. Fernandez, J. Palatsi and X. Flotats, “Hydrolysiskinetics in anaerobic degradation of particulateorganic material: An overview”, Waste Management,vol. 28, n° 6, pp. 939-951, 2008.[23] G. Lettinga, S. Rebac and G. Zeeman, “Challenge ofpsychrophilic anaerobic wasterwater treatment”,Trends in Biotechnology, vol. 19, n°9, pp.363-370,2001.[24] L.M. Palmowski and J.A. Müller, “Anaerobic degradationof organic materials - significance of the substratesurface 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 anaerobicdigestion systems: A review”. Waste Management, vol32, n° 9, pp. 1634-1650.[16] Guía ambiental del subsector fiquero, (EnvironmentalGuide fique’s Subsector), Ministerio de Agriculturay Desarrollo Rural, Colombia, edición 2, pp. 21-58,2006.[17] P.J. Van Soest, J.B. Robertson and B.A. Lewis, “Carbohydratemethodology, metabolism, and nutritional

Evaluation of operating and mixing conditions ofa polymer dispersion co-vinyl acetate and esteracrylic to obtain recovered leatherEvaluación de las condiciones de mezclado de una dispersiónco-polimérica de vinil acetato y éster acrilico con residuos solidos decueroDanny Guillermo Cañas RojasB.Sc Chemical Engineering, UISdany7987@hotmail.comMario Álvarez Cifuentes, Ph. DProffessor, Chemical Engineering, UISmalvarez@uis.edu.coJorge Guillermo Díaz Rodríguez, M.ScAssistant Proffessor, Mechatronics engineering, USTAjorgeguillermo12@mail.ustabuca.edu.coResumen— El trabajo presenta el desarrollo de un diseñoexperimental que permitió evaluar las condicionesde operación del proceso de obtención de láminas decuero recuperado con aglomerante. Para llevarlo a cabose hicieron pruebas preliminares de obtención del material,para seleccionar las variables del proceso quemás afectaban las condiciones finales de la lámina decuero recuperado. Seguidamente, se realizó un diseñode experimentos tipo 2 k , en donde k=4 variables, correspondiendoa: porcentaje en peso de agua, relaciónmásica de aglomerante / cuero, presión y temperaturade curado. Se procedió a la obtención del material ysu posterior caracterización, midiendo resistencia ala tensión, porcentaje de compresibilidad, resistenciaal desgarre y porcentaje de absorción de agua. Comoresultado se obtuvo que los factores principales queoptimizan, las variables de respuesta en los niveles estudiadosson: la temperatura de curado en el nivel bajoy la cantidad de aglomerante en el nivel alto, mientrasque para el porcentaje de absorción de agua tambiénfue significativo la cantidad de agua agregada duranteel proceso. Se compararon las características del materialobtenido, con las de las plantillas para zapatosy se obtuvieron resultados superiores de resistencia aldesgarre, porcentaje de compresibilidad y porcentaje deabsorción de agua. Por último se concluyó que a travésde la implementación del proceso de reciclaje de cuerosugerido en el trabajo, se obtuvieron láminas de cuerorecuperado, cuyas propiedades permitirían tener aplicaciónindustrial.Palabras clave— cuero recuperado, desechos sólidos,caracterización de materiales.Abstract— This paper presents the development of anexperimental design that evaluated the operating conditionsof the process to obtain binded recovered leathersheets. Preliminary tests were performed to obtain thematerial, and to select the process variables that affectedthe most the bonded leather sheet final properties.Then, an experimental design type 2 k was run, where k= 4 variables corresponding to the percentage by weightof water mass ratio of binder leather, pressure, andcuring temperature. The obtained material was characterizedby tensile test, percentage compressibility,tear strength, and water absorption percentage. Theresult showed that the main factors that optimize theresponse variables in the levels studied were: the curingtemperature in the low value and the amount of binderin the high level, whereas for the water absorption ratewas also significant amount of water added during theprocess. The properties of the material obtained werecompared to commercial shoe insoles and the resultswere superior on: tear resistance, compressibility andpercentage rate of water absorption. Finally, it was concludedthat through the implementation of the recyclingprocess suggested, recovered leather sheets propertieswould allow industrial application.Keywords— Solid waste, recovered leather, materialscharacterization.I. INTRODUCTIONThe tanning process consists on transformfinganimal skin in leather, being mineral-tanning themost efficient in reducing processing time [1]. Ineach of the leather tanning phases is generatedan appreciable amount of solid waste that usuallyends up in landfills. Currently the landfill inRecibido: 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 TOOBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz79Bucaramanga takes in approximately 800 Tn ofgarbage per day, of which 2% comes from leatherwaste resulting in about 480 tons per month [2].In 2010, the Colombian leather industry hadgrowth in production and total sales for shoes of14.2% and 16.3% respectively over 2009. In 2010,according to DANE, leather goods experienced agrowth of 17.4% in production and 13.2% in sales,while exports and imports registered growth of22% and 26%. The leather manufacturing industryexperienced growth in 2010 compared to 2009,production and sales, with 10.5% and 10.7%, respectively.On the other hand, leather imports in2010 amounted to 7% over the previous year [3].It is shown then that the volume of leatherthrown into Carrasco landfill is considerable andaccording to production projection, said volumewill increase. This paper presents an alternativefor obtaining a fibrous material from leather solidwaste which could be used by the leather goodsindustry.II. LITERATURE REVIEWDifferent studies have been carried out seekingthe development, with different purposes, ofleather solid waste. FRIEDMAN [4] patented arather simple method that worked by superposingsmall glued leather disks onto another until forminga solid cilinder which could be sliced to formleather strips. Woodruff [5] filed for a patent forthe manufacture of artificial leather through “theuse of fibrous material in an aqueous rubber dispersionsof the nature of latex as raw materials”.BEVAN [6] patented a method of forming a leahersheet from leather fibers consisting of a series ofsteps in which is a tangle of fibers is exposed toa liquid high pressure jets on its surface whichcauses the fibers to be even more entangledforming, then a fibrous surface. However, the latterthree authors did not report any performancevalues. YANIK et al [7] studied the performanceof leather waste pyrolysis obtainning carbonresidues, which were used for activated carbon.Kindlein et al. [8] obtained leather sheets frombound layers of leather scrap using hot melt techniques.Moreover, DIMITER [9] patented a processthat pulverized and mixed leather fiber with a moltenresin of vinyl ethyl acetate, in a ratio of 25%by weight, obtainning recovered leather sheetswith high impact resistance, electrical stabilityand permeability. HENKE [10] mixed leather fiberswith a binder dissolved in a solvent, using a reinforcedmesh between fibers and a polyvinyl chloridepaste obtaining a recycled extruded leathersheet with flexibility and tensile strength similar tothose of real leather. DA FONTE et al [11] crushedwaste leather and aminoplast resins mixed with aproportion of 30 to 40% by weight using catalystsand carrying out curing over a hot press. ADDIEand FALLS [12] obtained recycled leather sheetsfollowing the methodology by DA FONTE using,during mixing, 20% by weight of binder and addingwater to the process without the use of catalysts.The most common binders used to bind leatherand textile fibers are designed based on acrylicmonomers [13], which can be polymerized withother organic and inorganic ingredients to form alatex film which gives properties such as adhesionand stability to the fibers mixed with said binder.Other types of adhesives, such as PVC usedfor laminated panels [14] are based on urea andformaldehyde whose application was introducedin 1937 as an adhesive paper [15]. For this casestudy,it was used a binder of vinyl acetate andacrylic ester, because the acrylic adhesives aresoluble in water [13] and the monomers vinylacetate have low flaming points, which facilitatehandling, being the premium main material for adhesives[14].It is shown that the intention of reusing wastefrom tanning and leather prodcution are not isolatedeven for products other than those proposedin this case.MethodologyTo determine the operating conditions of mixingand pressing leather solid waste with a binderfrom an experimental design, preliminary testswere performed to select the design variables.Then a 2 k type experimental design was performed[17], where k=4 variables correspondingto: percentage by weight of water, mass ratio ofbinder / leather (during mixing), pressure, andcuring temperature (during pressing). Two levelswere taken for the design variables: high and low.The result of said design yielded 16 scenarios.Then the material was obtainned according to thedesign and subsequent characterization by measuringstress, percentage of compressibility, tear

80IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84and percentage of water absorption. Additionally,it was conducted a preliminary economic analysisof cost per unit area of recycled leather. Figure 1shows the methodology for this study.Fig. 1. METHODOLOGY STEPSTABLE IIGEOMETRIC NOTATIONScenario P T % binder / leather% by weight ofwater1 -1 -1 -1 -12 +1 -1 -1 -13 -1 +1 -1 -14 +1 +1 -1 -15 -1 -1 +1 -16 +1 -1 +1 -17 -1 +1 +1 -18 +1 +1 +1 -19 -1 -1 -1 +1There were carried out the 16 scenarios and areplica of each. Particles were ground to a size of2 mm, then they were mixed with water and binderand were cured for 15 minutes. Table I shows thehigh and low values for the used variables. To selectthese values, it was taken into account valuesreported in the literature review. Preliminary testsshowed results that allowed selection of the levelsfor the design of the experiment.TABLE IRANGES OF PROCESS VARIABLES USEDVariable High level (+1) Low level (-1)Pressure 150 Kg f/cm² 100 Kg f/cm²Temperature 80 °C 70 °C% binder /leather 3/7 2/810 +1 -1 -1 +111 -1 +1 -1 +112 +1 +1 -1 +113 -1 -1 +1 +114 +1 -1 +1 +115 -1 +1 +1 +116 +1 +1 +1 +1ResultsIn Figures 2, 3, 4, and 5 the circles representexperimental data, the diamonds represent datafrom the replicas and triangles represent datafrom verification tests 2, 5 and 9, according to thevalues shown in Table 2. The dotted line in Figures2, 3, 4 and 5 corresponds to the average values ofeach of the tests performed on the material usedin the preparation of insoles.Figure 2 shows that the third test showed thehighest tensile strength value with 5.57 MPa anda low percentage of error between duplicates.Fig 2. TENSILE TESTS RESULTS% by weight of water 25 15To characterize the obtained samples, a Shimadzu® universal testing machine was used. Themachine was equipped with a load cell of 1 kN fortensile tests and for the compression test it wasequipped with a 100 kN cell. The tests were doneaccording to standards ASTM D1610-01, D6015-10, D2209-00, ASTM D2212 and ASTM D2213.Table II shows the geometric notation design ofexperiments.Data statistical analysis was performed usingSTATGRAPHICS CENTURION 16.Figure 3 shows that the maximum tear resistancewas exhibited by samples 2, 9 and 10, witha 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 TOOBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz81Fig. 3. SLIT TEAR RESISTANCE TEST RESULTSFigure 4 shows that the percentage of compressibilityobtained for the samples was about10%, which is below 18.5% obtained for commercialinsoles.Fig. 4. PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY RESULTSFigure 5 shows that the tests 9 and 10 reportthe lowest percentage of water absorption with a16 and 17% respectively and with the least errorbetween duplicates. When compared with the reportedvalue of the material used in the manufactureof insoles, it was observed that lower valueswere obtained.DiscussionIn figure 2 is shown, as a solid line, the averageresults of tensile strength reported by ADDIEAND FALLS [12]. Said values are above for thoseobtained in this work. However, when comparingthe values of tear resistance, Figure 3 showsthat values were higher than those reported bythe same authors.SILVA [19] after characterizing 86 samplesof safety footwear leather, obtained an averagetensile strength quite high compared with thoseobtained in this work, but he also reported tearresistance values consistent with those reportedin figure 3.Concerning the percentage of water absorptionis desirable it is minimal. According to [17],citing 2396 NTC, insoles footwear must meet apercentage of maximum water absorption of 50± 2%. The values shown in Figure 4 show that itmeets said standard.A Pareto analysis shows the effect of processvariables and their influence on it. For example,in the Pareto diagram of Figure 6, it is appreciatedthe amount of binder added to the processis significant on the samples tensile strength,The best combination is obtained by keepingpressure, temperature and water amount at alow level and the relationship binder / leatherat a high level.Fig. 6. PARETO ANALYSIS FOR TENSILE STRENGHTFig. 5. PERCENTAGE OF WATER ABSORPTION RESULTSIt is seen in the Pareto chart in Figure 7 howtear strength depends significantly on the relationshipbinder / leather. This allows assessingthe best mixing arrangement for maintainingthe same conditions reported for maximum tensilestrength under levels studied.

82IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 78 - 84Fig. 7. PARETO ANALYSIS FOR TEAR STRENGHTThe summary of the best combinations foundare shown in Table IIITABLE IIIOPTIMAL VALUES OF VARIABLES USEDVariablePressure(Kg / cm2)Temp(°C)% binder /leather% byweight ofwaterTensile 100 70 3 / 7 15Tear Strenght 100 70 3 / 7 15Figure 8 shows the Pareto analysis for the percentageof compressibility test, being temperaturethe main cause of the variation. For the percentageof compressibility, the best arragment correspondswhen the four variables are in low level becauseit requires the least material deformation.Fig. 8. PARETO ANALYSIS FOR PERCENTAGE OF COMPRESSIBILITY% Compressibility% water absorption100 70 2 / 8 15100 70 3 / 7 25Finally, a preliminary estimate of costs for recoveredleather sheets was made for productionof 1 Tons per day. This was done in order to assessthe process economic viability. There wereconsidered initial invesment cost, direct costs ofmanufacturing and fixed manufacturing costs [16]for the first year of production.For initial investment were estimated onlyequipment, whereas for manufacturing directcosts were included raw materials, industrial services,supplies, labor, maintenance and repair. Forfixed manufacturing costs were considered thedepreciation of equipment, insurance and taxes.Table IV shows the estimated costs in ColombianPesos.TABLE 4TOTAL COSTS FOR THE FIRST YEAR IN PRODUCTIONTotal cost of production (thousands $)Initial invesment 53.000Pareto diagram in Figure 9 shows the variablesthat cause effect on the percentage of water absorption.It is appreciated that this depends on thepressure and temperature in their low level andthe amount of binder and water in their high one.Fig. 9. PARETO ANALYSIS FOR WATER ABSORPTIONManufacturing direct costs 1.079.350Fixed manufacturing costs 6.996Total ($) 1.139.346Dividing the total cost by the annual production,it yields a value of $10,100 per sheet of 1.5m 2 . When compared to the cost of an insole sheet,which oscilates around $ 7,000 for the same dimensions,it is evident that the proposed processfor recycling leather is not viable economically,but it is technically and environmentally. However,comparing with the cost of recovered leathersheet placed in Bucaramanga, which has a costof $ 48,000 per 1.5 m 2 [18], the process turnsout economically viable. Additionally, there will bea 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 TOOBTAIN RECOVERED LEATHER - Cañas, Cifuentes, Díaz83CONCLUSIONSThe temperature and relation binder / leatherbear a significant influence over response variables,during pressing and mixed respectively.The most significant factor on the four 4 responsevariables, based on the levels studied duringthe pressing stage, corresponds to the curingtemperature in the low level (70° C).The values obtained for the percentage of compressibilityand percentage of water absorptionare low compared with values obtained for commercialinsoles. This gives flexibility to manipulatethe weight percentage of water during mixing. Thatis, if one wants to choose a combination whereone gets the best response variables within thestudied levels, it becomes a cost / benefit wherethe amount of water, although it was raised at alow level for tensile strength, tear and percentageof compressibility, can work at a high level, becausethe increase in process water reduces the mixingtime. This should be reflected in the reductionof the mixer power consumption.The pressure should be maintained at low level,the temperature in the low level and the relationshipbinder / leather in the high level, sincethis appears to produce no significant effect onthe percentage of compressibility.It was thought initially that recovered leathersheets would exceed tear strength, percentageof compressibility and the percentage of waterabsorption, compared with the same propertiesof commercial insoles. However, if the final productdoes not require reaching values of tensilestrength, the material obtained with the proposedmethod has the ability to replace it.REFERENCES[1] Centro Nacional de Producción más Limpia y TecnologíasAmbientales. CNPMLTA. ¨Proyecto Gestión Ambiental enla Industria de Curtimbre. Manual Sectorial Ambiental¨.Febrero de 2004. Medellín. Colombia Disponible en internet:http://www.sirac.info/Curtiembres/html/Archivos/Publicaciones/Manual.pdf.[2] VERGARA, Marisol V. POIRRIER, Paola. TORRES, Rodrigo.Influencia del porcentaje de solidos totales y nutriente enla cinética de biodegradación de sustratos orgánicos. Centrode estudios e investigaciones ambientales (CEIAM).Universidad industrial de Santander y Colciencias. Octubrede 2009 Disponible en: http://ciia.uniandes.edu.co/Simabiotpresent/DIA%201/7.%20Vergara.pdf.[3] Asociación Colombiana de Industriales de Calzado, elCuero y sus Manufacturas. ACICAM. ¨Informe SectorialEnero 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 NewMaterial 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 MATERIALUSING HYDROENTANGLEMENT. United Kingdom IntellectualProperty 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 syntheticfabrics reuse. Journal of cleaner productions. 2007, P.1-6[9] United States Patent. Patent number 4, 287,252. DI-MITER, S. Reconstituted leather and method of manufacture.Appl. 184,656. Sep 1, 1981[10] US Patent Number 4,497,871. HENKE, E.W. Reconstitutedleather and method of manufacturing same.Appl. 489,001. Feb 5, 1985[11] World Intellectual Property organization InternationalBureau. Appl.No. 98/18863. DA FONTE, J. Process ofrecycling leather residues and Productions of compositematerials. 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 Polymerizationand Copolymerization whit Acrylic Monomers.Vinyl Acetate Copolymerization whit Acrylic Monomers.Recuperado de la base de la base de datosCRCnetBase[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 labase de datos CRCnetBase. 2003.[15] KEIMEL, A. Historical Development of Adhesives andAdhesive Bonding. En: Handbook of adhesive Technology.2ª ed., New York. Cap. 1. Recuperado de la basede datos CRCnetBase. 2003.

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Evaluación computacional del flujo a través demembranas porosasComputational evaluation of fluid flow through porous membranesTatiana López MontoyaIngeniera Mecánica, Universidad Pontifica BolivarianaInvestigador auxiliar Grupo de Energía y Termodinámica,Universidad Pontificia BolivarianaMedellín, Colombiatatiana.lopezmo@alfa.upb.edu.coMauricio Giraldo OrozcoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia BolivarianaDocente e Investigador Grupo de Energía y Termodinámica,Universidad Pontificia BolivarianaMedellín, Colombiamauricio.giraldo@upb.edu.coCésar Nieto LondoñoPh.D. Ingeniería, Universidad Pontificia BolivarianaDocente e InvestigadorGrupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial,Universidad Pontificia BolivarianaMedellín, Colombiacesar.nieto@upb.edu.coResumen— El flujo a través de membranas porosas esde vital importancia en el entendimiento de diversosfenómenos industriales y biológicos. Y recientementeha crecido el interés de su estudio para aplicacionesde transferencia de calor mejorada y a escalas pequeñas.Antes de involucrar la transferencia de calor enlas membranas se hace un estudio hidrodinámico paraayudar a su caracterización. En el presente artículo sepresenta el estudio realizado al comportamiento de lapresión y perfiles de velocidad asociados al flujo de unfluido incompresible a través de una membrana porosaen diferentes condiciones de empaquetamiento. Con elfin de establecer una base comparativa adecuada, lamembrana porosa es representada mediante un empaquetamientode esferas en arreglo triangular desfasado.Los resultados obtenidos mediante el software de CFDFluent mostraron una gran influencia de la distribuciónespacial de las esferas en el canal sobre la caída depresión. Desde el punto de vista de patrones de flujo,se observó una interacción fuerte entre los flujos aguasabajo de cada esfera. En la última capa de esferas, sepresenta un desprendimiento de vórtices influenciadotanto por el tamaño de la esfera, como por el número deesferas empleado para representar la membrana.Palabras clave— Factor de empaquetamiento CFDmembranas porosasAbstract— In the present article, study of the behaviorof flow profiles and pressure associated with the flowof an incompressible fluid across a porous media withdifferent packing conditions is shown. For practicalpurpose, the porous media was modeled as a staggeredpacked bed of spheres. The simulation was made inCFD software Fluent. Results showed a great influenceof the sphere diameter in the pressure drop. Regardingstreaklines, there was found to be a strong interactionbetween the flows of each sphere downstream. A vortexdetachment influenced both by the sphere size and thenumber of spheres was present in the last layer of thebank of spheres.Keywords— CFD Porous mediaI. INTRODUCCIÓNLa tecnología de micro-sistemas (MST por sussiglas en inglés) se ha desarrollado a pasos agigantadosdesde hace varias décadas. El objetivoes incrementar la capacidad de estos dispositivosy aumentar su potencia, lo cual conlleva a grandescantidades de calor que necesitan ser extraídaspara garantizar el correcto funcionamiento de losdispositivos. Más concretamente se ha trabajadoen intercambiadores de calor del tamaño necesariopara poder implementarlos en los MST. Losmicro-intercambiadores de calor ofrecen muchasventajas sobre sus semejantes a escalas mayores,la transferencia de calor por unidad de áreaes mucho mayor, su desempeño global tambiénes superior y debido a su tamaño son más económicos,entre otras [1]-[2]. Debido a la reducciónde espacio por el cambio de escala, se han implementadomicro-canales como medio para que selleve a cabo el intercambio de calor. Pero dichasgeometrías tienen asociadas una gran caída depresión debido a los diámetros hidráulicos tan pequeños,además a estas escalas las condicionessuperficiales toman mayor importancia sobre lospatrones de flujo y transferencia de calor. Comoalternativa a los micro-canales se propone utilizarmembranas porosas [3]-[4].Recibido: 15/03/2012/ Aceptado: 06/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94

86ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94Debido a la naturaleza de su geometría, lasmembranas ofrecen un espacio propicio para elintercambio de calor entre dos fluidos. De hechoexisten trabajos previos donde se utilizaron mediosporosos para aplicaciones de enfriamiento y transferenciade calor. Lage et al. realizaron un estudiocon matrices porosas de aluminio comprimidaspara caracterizarlas térmica e hidráulicamente enfocandosu uso en micro-intercambiadores de calor[5]. Por su parte Jiang et al. realizaron un estudioteórico y experimental comparativo entre un microintercambiadorde calor con canales (MCHE) yun micro-intercambiador de calor con medio poroso(MPHE) donde llegaron a la conclusión de quedesde el punto de vista de transferencia de calorel MPHE tiene mejor desempeño pero en términostermohidráulicos , el mejor desempeño fue parael MCHE con canales profundos [6]. Estudios conenfoques más específicos en el tema se puedenencontrar en la literatura tal como el de Trebotichy Miller, que presentaron un nuevo método de simulaciónpara aplicaciones en microfluídica queinvolucran fenómenos de transporte de partículascoloidales a escala micrométrica [7]. Tomado encuenta lo anterior, se hace necesario evaluar condetenimiento el comportamiento hidrodinámico demembranas porosas, e involucrar tanto los comportamientospuramente cinéticos, como las caídas depresión asociadas, con el fin de aprovechar adecuadamentelas ventajas evidenciadas experimentalmenteen cuanto a la transferencia de calor [6].Este trabajo se concentra en el comportamientode los campos de velocidades y las caídas de presiónque suceden en una membrana. Con el fin depresentar parámetros comparativos adecuados, lamembrana es simulada como un sistema de esferasen arreglo triangular, particularmente dos configuracionesdiferentes espaciales y tres diámetrosdiferentes, los cuales son evaluados desde los puntosde vista ya mencionados. El trabajo inicia conuna descripción del medio poroso empleado paralas simulaciones computacionales, seguido de unabreve descripción de los modelos matemáticos ylas condiciones de frontera necesarias. Finalmente,se presentan los resultados de la simulación ylas conclusiones del trabajo.II. MEDIO POROSO COMPUTACIONALGeneralmente los materiales porosos presentanestructuras aleatorias [8], pero dado que esdifícil establecer una estructura aleatoria representativay, más aún, cambiar sus parámetros,para este estudio se optó por la utilización de arreglostriangulares desfasados de esferas, como elmostrado en la Fig. 1. La sección transversal delcanal donde se encuentra el arreglo de esferas esde 0.01 m 2 .Fig. 1. ARREGLO TRIANGULAR DE ESFERASSe emplearon dos configuraciones diferentesde arreglos, las cuales se diferenciaron por la separaciónentre esferas, tanto adyacentes comotangentes, de la cara que enfrenta al flujo. En laFig. 2 se muestran a modo ilustrativo los espaciamientospara el arreglo de esferas de 15mm dediámetro, las medidas de los espaciamientos estánen milímetros. Para ambas configuraciones elvolumen total ocupado por el arreglo se mantuvoconstante. Igualmente, para ver la influencia deltamaño de la esfera se trabajó con arreglos de esferasde 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 comoreferencia un volumen total de 100.000mm 3 , quesería el volumen del cubo tomado como base paracrear el arreglo de esferas.TABLA IFACTOR DE EMPAQUETAMIENTOD15 D18 D32Conf 1 40.82% 37.56% 39.46%Conf 2 44,53% 34,51% 39.46%Estrictamente un medio poroso común no presentala uniformidad ni la simetría que se obtienecon la geometría utilizada, pero tradicionalmentese han utilizado empaquetamientos de esferas ycilindros para estudiar el flujo a través de mediosporosos de forma teórica y numérica con resultadosaceptables que han sido validados con montajesexperimentales [9]-[11].

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto87Fig. 2. CONFIGURACIONES 1 Y 2 CON ESFERAS DE 15, 18 Y 32MM DE DIÁMETRO RESPECTIVAMENTEIII. ECUACIONES GOBERNANTES YCONDICIONES DE FRONTERAEl comportamiento de fluidos newtonianosestá gobernado por las ecuaciones de Navier-Stokes. Para el estudio fluido-dinámico del flujo através de los arreglos de esferas, se requiere lautilización de un modelo en 3D constituido porlas ecuaciones de continuidad y de cantidad demovimiento lineal, las cuales se muestran a continuaciónpara 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 depropiedades constantes, incompresible, con flujoisotérmico y se encuentra en estado estacionario.La longitud característica mínima del arreglo deesferas es suficientemente grande para consideraruna condición de no deslizamiento sobre lasparedes [12]. Por el extremo de entrada se tieneun flujo con una velocidad U y por el extremo desalida del canal se tiene un flujo con presión atmosférica.A. MalladoPara la construcción de la malla se utilizó la herramientade mallado de Ansys 12.1. La geometríade la malla se construyó con elementos tetraédricos.Debido a la complejidad de la geometría, altamaño de los canales formados por el espacioentre esferas y que los mayores gradientes develocidad se encuentran en las paredes, fue necesarioreforzar la malla alrededor de las esferas.Para esto se utilizó un sizing (función que regula eltamaño de malla) con elementos de 0,001m, querefinó la malla alrededor de las esferas. Como esevidente, dos esferas presentan un solo punto decontacto, lo cual puede generar problemas al momentode contacto, por lo tanto, se optó por dejarun pequeño espacio entre las esferas para llevara cabo las simulaciones. La configuración de unamalla típica implementada en el arreglo triangularde esferas está compuesta por 3243702 elementostetraédricos y 639034 nodos.La malla se puede ver en la Fig. 3.Fig. 3. CORTE LONGITUDINAL DE MALLA TÍPICA PARA EL CANAL Y ARRE-GLO DE ESFERASB. Método de soluciónLa estrategia utilizada comúnmente para la simulacióndel flujo en medios porosos implica la

88ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94adición de un término asociado a la porosidaden la ecuación de momentum. Si bien esta formapermite una correcta aproximación a la caída depresión y otros comportamientos relevantes, nopermite visualizar campos de flujo, e inclusive,en algunos casos, es difícil establecer los parámetrosadecuados para diferentes membranas.Por lo tanto, este trabajo pretende simular directamenteel flujo en diferentes configuraciónde una membrana simulada, empleando lasecuaciones mostradas en la sección III. Dichasecuaciones fueron resueltas para un régimenlaminar estacionario mediante el método de volúmenesfinitos (FVM por sus siglas en inglés)implementado en el software AnsysFluent. FVMinvolucra la discretización e integración de lasecuaciones gobernantes sobre el dominio delcontrol de volumen. Para este caso, el dominiode solución fue un canal horizontal de 0,4 m delongitud y de sección transversal cuadrada de0,01m de lado, en cuyo centro se encontraba elarreglo de esferas. La longitud del canal es suficientepara permitir un flujo laminar totalmentedesarrollado (8 diámetros hidráulicos aproximadamente).El algoritmo que utiliza Fluent para resolverlas ecuaciones en volúmenes finitos es el métodosemi-implicito para acoplar las ecuaciones depresión (SIMPLE -semi-implicit method for pressure-linkedequations- por sus siglas en inglés).En el esquema SIMPLE se utiliza una ecuaciónadicional a las anteriormente mencionadas quesirve de enlace entre la velocidad y la presión,ya que en la ecuación de continuidad no aparecela variable presión de forma explícita. Enforma general, el procedimiento del algoritmoSIMPLE consiste en un proceso iterativo dondese comienza por suponer unos valores inicialespara los campos de velocidad y presión, luegose resuelve el conjunto de ecuaciones discretizadasy se utiliza una ecuación de corrección.Este proceso se repite hasta que converja lasolución [13]. El software Ansys Fluent tienepredeterminado el esquema de discretizaciónUPWIND, el cual consiste en la discretizaciónde los términos diferenciales de las ecuacionesque se van a resolver, de forma que el valor dela variable en un nodo determinado es funciónúnicamente de los valores de dicha variable enel nodo situado justo aguas arriba.IV. RESULTADOSPara las simulaciones llevadas a cabo en elsoftware Fluent, se trabajó con agua como fluidode trabajo con dos diferentes velocidades deentrada. Se realizaron simulaciones para ambasconfiguraciones de arreglos y tres diferentes tamañosde esferas. El número de Reynolds parael canal con el medio poroso en medio se calculócon las siguientes ecuaciones [14]:Donde V es la velocidad perpendicular a lasuperficie de la membrana porosa, K es la permeabilidady √ es la viscosidad cinemática. Paracalcular las propiedades del fluido se tomó comoreferencia una temperatura de 25°C. Para unacolumna de esferas empaquetadas de diámetrod, y de porosidad φ, Ergun propuso la siguientecorrelación para calcular su permeabilidad K;A su vez, la porosidad de un medio poroso ubicadoen medio de un canal cerrado se puede calcularcomo [15]:Donde Ap representa el área ocupada por elfluido (área sombreada en la Fig. 4) y A, el áreatotal de la sección transversal.Fig. 4. DISTRIBUCIÓN DE ÁREAS EN LA SECCIÓNTRANSVERAL DEL ARREGLOEn la Tabla II se muestran para las diferentesconfiguraciones y diámetros, su porosidad, permeabilidady el número de Reynolds para cadauna de las velocidades de entrada. El valor de la

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto89velocidad para el Re1 es de 0,001m/s y para elRe2 es de 0,072m/s.TABLA IICARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES MEDIOS POROSOSPorosidadPermeabilidad[m2]Re1@0,001m/sRe 2@0,072m/sD15 1 0,184 14 x 10-9 0,13 9,54D15 2 0,179 13 x 10-9 0,13 9,04D18 1 0,238 35 x 10-9 0,25 18D18 2 0,242 37 x 10-9 0,26 18,55D32 1 0,157 81 x 10-10 0,21 15,45D32 2 0,156 80 x 10-10 0,21 15,33Los resultados obtenidos para la caída de presiónmedida 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 caídade presión se tiene a través de la membrana.Fig. 5. RESULTADOS DE LA CAÍDA DE PRESIÓN PARA LOS DIFERENTESDIÁMETROS Y CONFIGURACIONES

90ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94La mayor caída de presión se presentó con elarreglo de menor diámetro de esferas. Aunque elvolumen total se mantenga constante, la configuracióndel espaciamiento entre esferas tambiéninfluye en la caída de presión, y como se puedever en las gráficas, la configuración dos que tienemenor espaciamiento, generó una menor caídade presión. Excepto para el caso de las esferas dediámetro 32mm, donde sucedió el caso contrario.Ya que al reducir el espacio entre esferas para laconfiguración dos, se dejó mayor espacio entre elarreglo de esferas y el canal por donde el fluidoencontró menor resistencia al fluir (y aunque seacercaron más las esferas entre sí, no se creó suficienteespacio para adicionar más esferas).Otro factor interesante en lo relacionado a lascaídas de presión, se refiere a la relación entre elvalor de dicha caída y el diámetro. Por ejemplo, enel caso de la configuración uno con los Reynoldsentre 7 y 15, un incremento de 3mm, equivalentementea solo el 20%, representa una reduccióndel 27.2%. Más aún, cuando el diámetro se incrementaun 113% (de 15mm a 32mm) la caída depresión se reduce en 58.5%.Cabe resaltar que el arreglo con las esferas demayor diámetro tuvo un comportamiento inversoal de las otros dos. Al conservarse el mismo volumentotal, esto hizo que las esferas de diámetrode 32mm dejaran muchos espacios libres en losextremos del arreglo haciendo que el flujo pudieradesviarse fácilmente por ahí y así evitar cruzar através del medio poroso, esto también pudo habersido la causa del por qué la configuración uno(con esferas de diámetro de 32mm) presentaramenor caída de presión que la configuración dos,diferente a los otros dos casos.Un contorno típico de presión para la geometríadel problema es mostrado en la Fig. 6, Se puedeobservar que el comportamiento de la presión noes igual para todas las esferas debido a la configuracióntriangular desfasada utilizada, así comotampoco es uniforme sobre una misma esfera,esto debido a que la distribución de la velocidadvaría dependiendo de las esferas que la rodean.Hay esferas que están totalmente rodeadaspor otras esferas, mientras que otras presentanespacios libres cerca a las paredes del canal pordonde el flujo se comporta de manera diferente alno tener restricciones, esto se puede ver mejor enFig. 7, donde se muestran cortes paralelos al sentidodel flujo con los contornos de presión sobrelas esferas. En estas figuras se puede observarque para las esferas más pequeñas el flujo es uniformesobre todas ellas, es decir, el flujo se repartepor igual a través de todo el arreglo, mientrasque para los tamaños de esferas más grandes seve como las esferas de los extremos son las quemayor interacción tienen con el flujo.Fig. 6. CONTORNO DE PRESIÓN CONFIGURACIÓN 1 D15Fig. 7. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE PRESIÓN PARA LAS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2RESPECTIVAMENTE

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto91Fig. 8. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNAVELOCIDAD DE 0,072M/SFig. 9. RELACIÓN EMPAQUETAMIENTO VS. CAÍDA DE PRESIÓN PARA UNAVELOCIDAD DE 0,001M/SAdicionalmente, en las Fig. 8 y 9 se muestrala relación entre el factor de empaquetamientoy la caída de presión sobre las membranas.Como era de esperarse, las caídas de presiónse incrementan a medida que se incrementa elfactor de empaquetamiento del sistema. Otro factorinteresante que se evidencia es cómo la configuración2 tiene una pendiente mayor que la quese presenta en la configuración 1, lo que mue entonces,una influencia mucho mayor del diámetrode las esferas para estos casos. Otro factor quesalta a la vista es la falta de correlación entre resultadosde las diferentes configuraciones con losresultados de los bancos de esferas con 32mmde diámetro. Esto se debe, como ya se había manifestadoanteriormente, a los espacios existentesentre las paredes y las esferas. Si bien esto haceimposible realizar una comparación cuantitativaentre los resultados, si permite intuir que la caídade presión es significativa, pues implica queel flujo evita parar por el espacio ocupado por lasesferas.

92ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94La Fig. 10 muestra las líneas de corriente lascuales describen el flujo a través del medio poroso.Dichas líneas ilustran cómo al cambiar bruscamentede dirección, se generan regiones circularesen la superficie de las esferas, las cualesrepresentan las zonas de estancamiento. El comportamientodel flujo permanece de forma organizadamientras fluye a través de la zona central delarreglo de esferas, mientras que en la parte superiore inferior al terminarse el medio poroso tiendena formarse pequeños remolinos causados porla forma brusca del flujo. Lo cual puede explicar lapresión negativa que se presenta en las caras delas esferas de la última capa. Al darse los posiblesremolinos, parte del flujo se devolvería momentáneamentedebido a la baja velocidad, al hacer queestas presiones tiendan a cero.Fig. 10. LÍNEAS DE CORRIENTE A TRAVÉS DEL ARREGLODE CONFIGURACIÓN 1 D32de turbulencia y el desprendimiento de vórtices.Las zonas de alta velocidad son más notorias enlas esferas pequeñas, pero la formación de turbulenciay el desprendimiento de vórtices se hacenmás evidentes en los arreglos de esferas másgrandes. Este comportamiento concuerda con elcomportamiento de la presión, es decir, en la últimacapa de esferas se tiene una contrapresiónque ocasiona cambios en la dirección del flujo ypor ende se origina la turbulencia.De estas figuras también se puede ver unaclara diferencia entre las dos configuraciones dearreglos, para los tres tamaños de esferas, la configuraciónuno muestra una zona de muy baja velocidaddetrás de la última capa de esferas, queen común tienden a formar un perfil parabólicoque aumenta con el aumento del tamaño de esfera,mientras que para la configuración dos las zonasde estancamiento se dan de forma individualpara cada una de las esferas de la última capa.Fig. 11. PLANOS CON LOS CONTORNOS DE VELOCIDAD PARA LOS DIFE-RENTES ARREGLOS. D15C1, D15C2, D18C1, D18C2, D32C1 Y D32C2RESPECTIVAMENTEEn la Fig. 11 Se muestra el contorno de velocidad,para cada tamaño de esfera y sus dos configuraciones,en un plano paralelo al sentido delflujo. De estas imágenes se puede ver cómo paratodos los tamaños de esferas se presenta unagran simetría respecto al eje z, lo cual es lógico yaque los contornos de presión también mostraronesta misma simetría. Se puede observar cómo enlos extremos del arreglo y en los espacios entreesferas se da una aceleración del flujo, que lleva ala formación de zonas de alta velocidad, que al entrara la última capa de esferas se encuentra conla zona de estancamiento y propicia la formación

Evaluación computacional del flujo a través de membranas porosas - López, Giraldo, Nieto93en la última fila de esferas un desprendimiento devórtices que aumenta a medida que aumenta eldiámetro de las esferas.Partiendo de estos resultados es posible entoncesconcluir que un adecuado control sobre elfactor de empaquetamiento y la distribución delas estructuras puede mejorar significativamenteel comportamiento hidrodinámico de las membranasporosas, haciéndolas una alternativa atractivapara su empleo en sistemas de transferenciade calor y recuperación de calor.REFERENCIAS[1] B. Ramos-Alvarado, P. Li, H. Liu, A. Hernández-Gurerrero,“CFD study of liquid-cooled heat sinks with microchannelflow field configurations for electronics, fuelcells, and concentrated solar cells,” Applied ThermalEngineering, vol. 31, no 14, pp. 2494-2507,Oct. 2011.[2] T. L. Ngo, Y. Kato, K. Nikitin, T. Ishizuka, “Heat transferand pressure drop correlations of microchannel heatexchangers with S-shaped and zigzag fins for carbondioxide 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 replenishingimpacts on critical heat flux and heat transfercoefficient of nucleate pool boiling on multiscale modulatedporous structures,” J. Heat and Mass Transfer,vol.54, pp. 3146-3155, May 2011.V. CONCLUSIONESEl estudio del comportamiento hidrodinámico(caída de presión y patrones de flujo) a través deun medio poroso fue realizado mediante un arreglotriangular desfasado de esferas. Las ecuacionesfundamentales del flujo de fluidos fueron solucionadasnuméricamente para encontrar la caída depresión sobre el arreglo. Las simulaciones fueronrealizadas en el software de CFD Fluent.En general, se encontró que el diámetro delas esferas tiene gran influencia sobre la caída depresión, generándose en mayor proporción paralos arreglos de menor diámetro de esferas. El espaciamientoentre esferas, principalmente de lacara que enfrenta al flujo perpendicularmente, tienegran influencia sobre la caída de presión. Parael medio poroso de menor diámetro la influenciadel espaciamiento entre esferas es menor. Tambiénse observó una interacción fuerte entre losflujos aguas abajo de cada esfera. Presentándose[4] Q. Yuan, R.A. Williams, N. Arvanti, “Innovations in highthroughput manufacturing of uniform emulsions andcapsules,” 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, “Numericalcharacterization of micro heat exchangers usingexperimentally tested porous aluminium layers,” Int. J.Heat and Fluid Flow, vol. 17, no. 6, pp. 594-603, Dec1996.[6] P.X. Jiang, M.H. Fan, G.S. Si, Z.P. Ren, “Thermal-hydraulicperformance of small scale micro-channel and porousmediaheat exchangers,” Int. Journal of Heat and MassTransfer, Vol. 44. No. 5, pp.1039-1051, Mar 2001.[7] D. Trebotich,G. Miller, “Simulation of flow and transportat the micro (pore) scale,” 2nd InternationalConference on Porous Media and its Applications inSience and Engineering,USA, 17-21 jun. 2007.[8] M.E. Vanegas, R. Quijada, D. Serafini, “Microporousmembrane preparated via thermally induced phaseseparation from metallocenic syndiotactic polypropylenes,”Polymer, Vol. 50, No. 9, pp. 2081-2086, abr2009.

94ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 85 - 94[9] S.L. Lee, J.H. Yang, “Modeling of Darcy-Forchheimerdrag for fluid flow across a bank of circular cylinders,”Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol 40, No. 13, pp3149-3155, Sep 1997.[10] C. Nieto, R. Mejía, J. Agudelo, “Dinámica de fluidoscomputacional aplicada al estudio de regeneradorestérmicos,” DYNA, año 71, No. 143, pp. 81-93, Nov2004.[11] L.A. Patiño, H.J. Espinoza, D. Suárez, “Convección decalor transitoria en el flujo de fluidos a través de lechosempacados,” Universidad, Ciencia y Tecnología,Vol. 9. No. 36, pp. 210-216, Dic 2005.[12] M. Giraldo, Y. Ding, R.A. Williams, “ Boundary integralstudy of nanoparticle flow behavior in the proximity ofa 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 MassTransfer, Global Digital Press, 2010, p. 956.[14] A. Bejan, Convection Heat Transfer 3rd ed., Wiley Inter-Science, New York, 1948. pp. 694.15] S. Ergun, “Fluid flow through packed columns,” ChemicalEngineering Progress, Vol. 48, No. 2, pp. 89-94,1952._

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasapara Aprovechamiento Energético: una Revisión alEstado del ArteModeling of the biomass gasification process for energy recovery:Review for the actual tecnologyJosé Ulises CastellanosMSc en Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo MDL&GE(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética),Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombiajucastellanosc@unal.edu.coFabio Emiro Sierra VargasDr. MSc. Ingeniería Mecánica, Universidad de KasselDocente Tiempo Completo, Líder del Grupo MDL&GE(Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestión Energética)Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombiafesierrav@unal.edu.coCarlos Alberto Guerrero FajardoDr. MSc. Ing. Químico, Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo MDL&GE (Mecanismos de Desarrollo Limpioy Gestión Energética), Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombiacaguerrerofa@unal.edu.coResumen— El análisis del uso de biomasa como fuentede energía y el desarrollo de las investigaciones relacionadascon el proceso de gasificación; han originado elplanteamiento de diversos modelos para explicar y entendereste complejo proceso, tanto en su diseño, comoen su simulación, optimización y análisis; los cuales vanencaminados a satisfacer la necesidad de cuantificarla producción de energía y su eficiencia. Este artículopresenta un análisis de varios modelos de gasificaciónbasados en el equilibrio termodinámico, la cinética ycontrol basado en redes neuronales artificiales.Palabras clave— Biomasa, Cinética, Gasificación, Modelado,Redes Neuronales, Termoquímica.Abstract— The analysis of the use of biomass for energyproduction and the development of research relatedto the gasification process, have led to the approach ofvarious models for explaining and understanding thiscomplex process, not only in its design, but also in itssimulation, optimization and analysis; which are intendedto satisfy the need to quantify the energy productionand efficiency. This article presents an analysis of severalgasification models based on thermodynamic equilibrium,kinetics and control based on artificial neuralnetworks..Keywords— Biomass, Gasification, Kinetic, Modeling,Neural networks, Thermo-chemistry.I. INTRODUCCIÓNDurante los últimos años, a causa de los efectosdel calentamiento global; han surgido investigacionesde gran importancia en el campo deluso de la biomasa como una fuente de energíaalternativa, se reconoce que esta fuente energética,posee una distribución más homogénea a lolargo del planeta, junto a un potencial energéticomayor al de los combustibles fósiles [25]. Dentrode los procesos de aprovechamiento energéticode la biomasa, se puede destacar los procesos degeneración de gas combustible a partir de procesosde biodigestión (transformaciones biológicas)y gasificación (transformaciones termoquímicas)[30]. El segundo de ellos, se centra en la alta eficienciade la combustión, puesto que un balanceenergético positivo, por ende, económicamenteviable depende de la eficiencia en las conversionestermoquímicas ocurridas durante el proceso.Actualmente existen sistemas de combustióndirecta para generación de energía eléctrica [38]a partir de biomasa como combustible, pero conel problema de la dosificación inherente a unsólido [3], por esta razón la gasificación resultaatractiva, puesto que simplifica los sistemas dedosificación y transporte del combustible. El gasde síntesis de los procesos de gasificación normalmentees un gas compuesto por monóxido decarbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano,trazas de etano y eteno, agua, nitrógeno y algunoscontaminantes, como pequeñas partículas decarbonizado, ceniza y alquitranes [38]. La energíaproveniente de este material gaseoso, determinaRecibido: 26/03/2012/ Aceptado: 08/11/2012/ ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105

96ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105la calidad y el porcentaje de este en su obtención,ha sido la base fundamental de muchos estudios;los cuales algunos autores se han enfocado enla construcción de la máquina de gasificación,otros en la biomasa suministrada y algunos en eltratamiento del proceso agregando otros agentesque faciliten el proceso o realizando combinacionesentre los factores anteriores, pero siemprese busca incrementar la calidad del material gaseoso.[38][3]. Por esta razón, en el grupo de investigación“Mecanismos de Desarrollo Limpio yGestión Energética (MDL&GE)” de la UniversidadNacional se planteó, hace unos años, la construcciónde un gasificador con fines de investigaciónpara determinar la viabilidad tecnológica y socioeconómicade esta tecnología para Colombia.II. PROCESO DE GASIFICACIÓNLa gasificación de la biomasa es una tecnologíade más de cien años de antigüedad. Se tratade un proceso cuyo objetivo es la descomposicióntérmica de biomasa, particularmente de losresiduos producidos en la industria agrícola, madereray plantas de tratamiento de aguas, paraun aprovechamiento energético de los mismos.El gas generado puede ser quemado en motoresde combustión interna, turbinas o en equipos deproducción de calor y potencia.Un sistema de gasificación para producciónde calor y potencia consiste en un gasificador, unlimpiador de gas y un convertidor de energía quegeneralmente es un motor o una turbina. En esteproceso, la mayor dificultad se encuentra en elfiltrado del “gas de síntesis”, pues se requiere deequipos con capacidad para operar con gases aelevadas temperaturas, partículas en suspensiónde diferentes tipos y algunas veces altos flujos demasa (Diseño y construcción de un gasificador delecho fluidizado a escala de laboratorio para eltratamiento térmico de los residuos de tabaco,2005). Este proceso se cumple en una cámaracerrada y sellada que opera ligeramente por debajode la presión atmosférica con las siguientesetapas.Secado: el agua contenida en la biomasaes removida a una temperatura superior a los100°C.Pirólisis: la biomasa experimenta una descomposicióntérmica en ausencia de oxígeno.Habitualmente es dividida en pirólisis lenta y pirólisisrápidaOxidación: El aire, oxígeno, vapor de agua oagentes gasificantes son introducidos medianteun proceso externo al equipo, en algunos casosjunto a gases inertes, procedimiento realizadoentre 700- 2000°C.Reducción: En esta zona se producen numerosasreacciones químicas a alta temperatura(Ejemplos. Ecuaciones 1 y 2) [14].Desde un punto de vista científico, la gasificación,se trata de una reacción endotérmica heterogéneaentre el carbono contenido en la biomasay un gas reactante, sea vapor de agua odióxido de carbono:C + H 2O → CO + H 2(1)C + CO 2→ 2CO (2)En la Figura 1 se muestran las reacciones químicaspresentes en un proceso de gasificación.Fig 1. GASIFICADOR QUÍMICOFuente: S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. 2008A nivel industrial, el objetivo de la gasificaciónes favorecer las dos reacciones para producirun gas combustible. Sin embargo, para alcanzaresto, se deberá generar previamente los elementosnecesarios para ambas reacciones, es decir,el carbono, y los reactantes (CO 2y H 2O), así comotambién una cantidad de energía para la reacción[52]. Por otro lado, el poder calorífico del gas desíntesis se encuentra normalmente entre 3,5 – 6MJ/m 3 [2][41] según el agente gasificante utilizado,por ejemplo, al usar el aire atmosférico, setiene un gran porcentaje de nitrógeno, que es ungas inerte; por otro lado al usar oxígeno o vapor deagua se incrementa el valor.

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,Sierra, Guerrero97III. TIPOS DE GASIFICADORESA. Gasificador UpdraftEste tipo de gasificador tiene bien definidas laszonas de combustión parcial, de reducción y pirólisis.El aire es suministrado por la parte inferior delgasificador y el gas de síntesis es entregado por laparte superior a unas temperaturas relativamentebajas. En sus desventajas está el alto contenidode alquitrán del gas producido y la capacidad marginalque tiene en su carga, por ende, la imposibilidadde generar de un gas de síntesis en flujocontinuo que aumenta las dificultades para lautilización en motores de combustión interna. [9]B. Gasificador DowndraftEste gasificador entrega el gas de síntesis porla parte baja y la admisión de aire es realizadapor la parte media del mismo. Las dificultades deesta configuración son su contenido de cenizas yhumedad; por otra parte, el prolongado tiempo deencendido (20 a 30 minutos). Pero permite tenerun flujo continuo, por lo que es el tipo más aceptablepara motores de combustión interna y turbinasde gas. [2] [12]C. Gasificador CrossdraftEste gasificador tiene un tiempo de arranquecorto, alrededor de 5 minutos, capacidad de operarcon combustibles húmedos o secos y la temperaturadel gas producido es relativamente alta. Deahí que la composición del gas producido tenga unbajo contenido de hidrógeno y de metano. Comodesventaja, estos gasificadores, deben ser utilizadoscon combustibles de bajo contenido de cenizas,como la madera y el carbón mineral.[10] [11]D. De Lecho FluidizadoEn esta configuración, se suministra el airea través de un lecho de partículas sólidas a talvelocidad que estas partículas permanezcan enestado de suspensión, comenzando a calentar externamenteel lecho y el material de alimentación(biomasa).Las partículas del combustible se introducenen el lecho del reactor y se mezclan rápidamentecon el material, calentándose casi instantáneamentea la temperatura requerida. Como resultadode este tratamiento, el combustible se pirolizamuy rápidamente y da como resultado una mezclade componentes con una cantidad relativamenteelevada de materiales gaseosos [52][14].La composición de gas de síntesis producida porlos diferentes tipos de gasificador se muestra enla Tabla I [10].TABLA I.COMPOSICIÓN TÍPICA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE LA MADERA ENGASIFICADORES DE TIRO INVERTIDOCOMPONENTES [%]H 212-20CO 29-15CH 42-3CO 17-22N 250-54PODER CALORÍFICO 5-5.9MJ/m 3Fuente: Stassen HEM, Knoef HAM 1993IV. AGENTES GASIFICANTESLos agentes gasificantes son sustancias quese agregan al proceso y permiten la descomposiciónde los productos de la combustión parcial dela biomasa en componentes del gas de síntesis.Como ya se mencionó anteriormente, el oxígenocomo agente gasificante puede lograr un mejorrendimiento pero, a su vez, incrementa el costode producción. Adicionalmente a permitir las reaccionesde gasificación, la combustión parcialbrinda el calor necesario para secar la biomasa,producir la pirólisis e iniciar el proceso, ya que lasreacciones de gasificación suelen ser de tipo endotérmico,y dan como resultado dióxido de carbono(CO 2) y vapor de agua en los productos [43]. Alemplear vapor de agua como agente gasificante,se facilita la generación de H 2, el poder caloríficodel gas de síntesis será mayor, alrededor de 10-15MJ/m 3 [43][44]Otro agente gasificante, que muestra buenosresultados, es el CO 2, debido a su presencia en elgas de síntesis. Por otra parte, una mezcla entrevapor H 2O y CO 2del aire y/u O 2también puede serutilizada, junto con un porcentaje de la combustiónde biomasa con aire/O 2para proporcionar elcalor necesario para gasificación [43][44][41].Estrategias para el Modelado de Procesos deGasificaciónEl control de la producción de gas es uno delos grandes inconvenientes del proceso, puestoque las variables de control influyen directamen-

98ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105te en la calidad y composición del gas, donde elobjetivo es la minimización de los residuos tóxicosy alquitranes. Un aspecto clave para mejorarla eficiencia del proceso, es la integración de ladinámica del proceso de gasificación con la tomade decisiones reales de la operación de la planta.Estrategia evidenciada en el uso de modelos evolutivosinteligentes-adaptables para el control yoptimización.A. Control basado por modelos MBCEl Control (MBC) consiste en hacer un modeloal cual se le aplica una técnica adaptativa sin teneren cuenta retrasos en el tiempo ni variables relacionadascon la biomasa (peso, masa y demás).Una técnica derivada de la anterior es el ModeloPredictivo de Control (MPC), que utiliza un modelointerno para predecir la dinámica del sistema duranteun período fijo, característica que hace quelas técnicas MPC sean un modelo atractivo paralos ingenieros de la planta. Estos modelos puedenser construidos a partir de ensayos y datos tomadosexperimentalmente [29].Estas técnicas, se basan principalmente enmodelos mecanicistas, por lo tanto la efectividaddel control depende de la exactitud del modelo.Este problema se ha simplificado considerablementeal utilizar modelos de redes neuronales(RNA) Figura 2. Las cuales han demostrado su utilidaden implementaciones de control de procesosquímicos [19].Fuente: P., Basu. 2006Fig 2. ESQUEMA DE UNA RED NEURALAlgunas de las características relevantes delas RNA son:• Habilidad para representar a las arbitrarias relacionesno lineales.• La adaptación y el aprendizaje en los sistemascerrados, siempre a través de los off-liney en la adaptación de peso en línea.• Arquitectura de procesamiento distribuido,que permite un rápido tratamiento en gran escalade sistemas dinámicos.• La implementación de hardware.• Fusión de datos. Las redes neurales puedenoperar simultáneamente en los datoscuantitativos y cualitativos.• Los sistemas multivariable, para variasentradas varias salidas. [19][22].B. Control por modelo idealOtro modelo estudiado es el que opera comocero-dimensional. Este aprovecha las condicionesde lo ideal, una reacción química adecuada y eltiempo de permanencia. El modelo trata de suponerel intervalo más largo y observa la necesidadde completar la reacción en ese tiempo; de tal maneraque el modelo de equilibrio sea el apropiado.En todos los modelos de equilibrio, un conjuntode ecuaciones no lineales describen la conservaciónde las especies químicas (C, O 2, H 2, N, S) y lasecuaciones adicionales, para el equilibrio térmicode las reacciones independientes (las cuales correspondena la minimización de la energía librede reacción) que permite una predicción de la salidaa composiciones dadas de los reactivos y lascondiciones de operación (presión y temperatura).El conjunto resultante de ecuaciones no linealeses resuelto por iteración de la solución de un sistemalineal que, a su vez, se establece en términosde la matriz de tridiagonalización.El modelo fue usado para la simulación degasificación de carbón por Manfrida, 1990 [26],considerando un total de 19 especies de productocomúnmente encontradas en los procesos degasificación (CO, CH 4, H 2, C 2H 4, C 2H 6); algunas especiesque pueden ser relevantes desde el puntode vista ambiental y cuya formación podría serdescrita, al menos en parte, por reacciones deequilibrio, fueron también incluidas las especies(HCN, NH 3, H 2S y COS). El modelo asume compor-

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,Sierra, Guerrero99tamiento de gas perfecto para los reactivos y losproductos, de modo que no puede describir procesosde pirólisis donde se producen fraccionessignificativas de hidrocarburos líquidos; la únicaexcepción al comportamiento de gas perfecto esla posible presencia de carbón sólido entre los residuosde los reactivos. Propiedades termoquímicasde todas las especies fueron tomadas de lastablas de JANAF [16].Las condiciones termodinámicas, a las cualeslas reacciones tienen lugar, pueden ser manipuladaspor cambios de presión, temperatura (quepuede ser incluso calculada evaluando los procesosa condiciones adiabáticas) o calor transferidopor radiación de la zona de reacción. El flujo debiomasa así como el de aire (u Oxígeno, dependiendode la elección del oxidante) y agua o vapor,puede ser seleccionado por el usuario. El modeloes capaz de ejecutarse a un nivel de temperaturaespecificado, o para calcular iterativamente lascondiciones correspondientes a la temperaturade llama adiabática, o a cierre del balance deenergía a un porcentaje del valor calorífico de labiomasa como materia prima.El vapor inyectado en la zona de reacción puedeser producido regenerativamente dentro delgasificador. En este caso, el intercambio de calorentre el agua y el gas tiene lugar antes de la salidaen el gasificador. La producción regenerativade vapor puede también resolver el problema deenfriamiento de los gases de salida, cuando seanecesario.En conjunto del gasificador es descrito porun sistema incluyendo muchos bloques (reactor,módulos de transferencia de calor, entre otros),esquematizado en la Figura 3. El modelo proporcionauna descripción relativamente exacta delbalance de energía del gasificador (entrada y salidade energías químicas, valores caloríficos de lamateria prima y el gas de síntesis y condicionestermodinámicas de gas de síntesis a la salida),además se realizó un análisis de exergía [32] [51],que permite una estimación total de la irreversibilidaden el proceso de transformación de la biomasacomo materia prima dentro de una corrientecaliente del gas de síntesis del combustible ytambién proporciona detalles internos de las distribucionesperdidas que pueden ser analizadase interpretadas para buscar la minimización deltotal de pérdidas.Un punto que debería ser subrayado es que elprograma no toma en cuenta la diferencia de composiciónde las diversas fuentes de biomasa, proporcionandoel mismo análisis definitivo. Correcciónválida para balances de energía, pero pocoaproximada con la cadena de reacciones que conducena la formación de algunas especies (comoNH 3, cuya formación es afectada por la forma delos átomos de nitrógeno en el interior de las moléculasde la materia prima). La caracterización dela biomasa se obtiene de ellos sólo porque establezcasu composición, como puede ser encontradapor ejemplo en Domalski, 1987 [17][35].El encabezamiento de una partición primaria(parte) se precede de un numeral romano seguidode punto, espacio y el título en versalita (sólo laprimera letra en mayúscula). Todo ello centradosobre el texto que encabeza.El encabezamiento de una partición de segundoorden (sección) consiste en una letra mayúscula(en orden alfabético) seguida de punto, espacioy el título (con la primera letra en mayúscula), todoello en cursiva y justificado a la izquierda de la columna.El encabezamiento de una partición de tercerorden (apartado) consiste en un número arábigo(en orden natural) seguido de final de paréntesis ydel título (con la primera letra en mayúscula), todoello en cursiva y sangrado.Las particiones de cuarto orden (subapartados)se necesitan raramente, pero pueden usarse. Seencabezan mediante una letra minúscula (en ordenalfabético) seguida de un paréntesis de cierrey el título (con la primera letra en mayúscula), todoello en cursiva y sangrado.Si se necesitaran particiones de quinto ordendeben encabezarse simplemente mediante unaviñeta seguida del título en cursiva, todo ello condoble sangrado.C. Efectos de la biomasa empleadaPara la validación de los datos del código de simulación,se encontraron datos en experimentosdescritos en la literatura. Un ejemplo de ellos esel gasificador [9] que utiliza un aire inyectado circulanteen una unidad piloto de lecho fluidizado.Otro ejemplo es el aire inyectado presurizado enel reactor de lecho fluidizado. Gasificador de [45].Este utilizó un inyector de Oxígeno en un reactor

100ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105de lecho de flujo arrastrado. Los datos reportadosincluyen la composición del gas, un valor calorífico,la eficiencia del gasificador (incluidos ambosvalores caloríficos y calor sensible del gas a la salidadel gasificador) y su eficiencia de exergía. [9]D. Modelo PredictivoEl control predictivo es capaz de tratar muchosproblemas prácticos de control, tales como garantíasde estabilidad nominal, optimización del rendimientonominal y manejo de restricción, ademáspuede dar diseños sistemáticos para los sistemasmulti-variables como el caso del ciclo combinadode gasificación integrada (IGCC), el cual combinala gasificación de carbón con la tecnología delciclo convencional dando como resultado un procesode gasificación limpio del carbón de alta eficiencia.Las ventajas son: un alto rendimiento enla generación de energía, una eficiencia alta conIGCC, disminución en la contaminación.Límites de entrada: Los límites de flujo de entradano deben ser excedidos así como la tasa deentrada de los límites de cambio tampoco debenexcederse.Límites de producción (salida): La fluctuacióndel valor calorífico debe ser minimizado y siempreestar en el rango de +/- 10 kJ/kg, la fluctuaciónde presión debe ser minimizada y siempre menorque +/- 0.1 bar, la masa en el lecho debe oscilaren menos del 5% del nominal, y la oscilación detemperatura debe guardar un mínimo, que debeser siempre menor que +/- 1 CT-S Multi-modelo de control predictivoConsiderado un sistema dinámico no lineal elcual 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 nolineal, con salidas y() y entradas u(). De la anteriorformulación se puede denotar que el modelo T-Sse puede linealizar teniendo en cuenta las variablesy sus supuestas salidas, dentro de un rangodinámico limitado. [49][40]VI. PROGRAMACIÓN DE CONTROLADORESPrimero, se obtiene el control-objeto del puntode operación típico en un modelo lineal estacionarioen tiempo discreto. Para considerar el impactode perturbación en el modelo; el modelo debe serincorporado dentro de los elementos de perturbación.Asumido que las condiciones del modelo enel punto son variables acotadas. Donde u(k) es laentrada y y(k) es la medida de la perturbación enla entrada. [49][8]A. Modelo (PID) para un gasificadorEl gasificador de carbón es esencialmente unreactor químico donde el carbón reacciona conaire y vapor y cuyos productos del proceso de gasificaciónson un valor calorífico del gas de síntesis,que puede ser quemado en turbinas de gas.El controlador debe ajustar las entradas a finde regular las principales variables de salida delgasificador que, por ejemplo, son la temperaturadel gas, la presión del gas, el valor calorífico delgas y la masa en el lecho, entre otras.Puesto que el gasificador, es un sistema multivariabley altamente no lineal, con importantesinteracciones entre las variables de la entrada yla salida, las actuales estrategias de control sonpoco eficientes [49][47]. En los gasificadoresexistentes, el control automático no va más alládel control PI (proporcional/ Integral) o PID (proporcional/integral/ derivada) enlazados al flujoalrededor de los actuadores de alimentación delsistema. Por ejemplo, en el gasificador experimentaldel instituto de desarrollo tecnológico de EstadosUnidos, el circuito de control es cerrado porun operador humano experto, quien usa su juiciopara modular las tasas de flujo de masa (carbón:aire, vapor, aire y otros) y por lo tanto, los puntosestablecidos para los controles en el actuador desalida (PID). Procedimiento similar al utilizado enel gasificador de biomasa fluidizado a presión dela Universidad de Delf en los Países Bajos.B. Modelo Multivariable no LinealEl modelo empleado para el proceso del gasificadordel grupo MDL&GE es un modelo multivariableno-lineal, que tiene cinco entradas controlables(carbón, caliza, aire, vapor y el caudal)y cuatro salidas (presión, temperatura, masa enel lecho y la calidad del gas) con un alto grado deacoplamiento entre ellos. La piedra caliza se utilizapara absorber el azufre en el carbón, por endesu caudal debe establecer una relación fija con elflujo 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, Guerrero101de regulación para cada entrada. Otras entradasde control pueden incluir a las condiciones en elmodelo de límites; mejorando las maniobras deoperación en diferentes puntos, mediante el modelo(PSINK) de dos entradas de perturbaciónexterna, las cuales se representan por medio deperturbaciones inducidas por la presión. A continuaciónse 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 WLSLas 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 controlde un gasificador de carbón, junto a las técnicasde estimación de parámetros en línea, proporcionanun medio para inferir valores en tiempo realde las variables claves del proceso, que no puedenmedirse directamente. Estas estimacionesde Estado pueden ser útiles para el mejoramientodel control de proceso, mediante la filtraciónde Kalman (KF), la cual se aplica a un sistemano lineal de gasificación de carbón, operada inicialmenteen el marco de la estrategia de controlconvencional de retroalimentación. Donde, lasperturbaciones que no son medibles en la operaciónde gasificador, surgen de la presión dedescarga y la calidad de carbón de alimentación.El algoritmo KF es un método fácil de aplicar,sin complicaciones y con un diseño especial parael tratamiento o ajuste de los parámetros en conjunto.La principal motivación para el empleo deestimación de estado es la obtención de los valoresde las perturbaciones del proceso no medidas.Para ello, se trata v como variable de estadoadicional no medible que varía aleatoriamentesobre un valor fijo (inicialmente desconocido) yse incluyen en un estado aumentado, en consecuenciael vector z [21]En la línea de control predictivo se ha incorporadouna nueva acción de integración para darlibertad al seguimiento. La teoría propuesta porVíctor Becerra (Universidad Ciudad de México),destaca el hecho de que los límites de intervalode muestreo que se plantean en la práctica, sonel problema que se presenta al momento de laprogramación lineal MBPC cuadrática en cada intervalode muestreo, y puede tener un efecto perjudicialsobre el rendimiento de circuito cerradode alcanzar el sistema estable, esto sugiere queel control de entrada tiene limitaciones importantesen el diseño de sistemas de alimentaciónde gasificación.VII. EXPERIENCIA EN LA UNIVERSIDADNACIONAL DE COLOMBIAEn la Universidad Nacional se han realizadoprocesos de gasificación a partir de la cascara decacao, cascarilla de café, cascara de coco y madera,entre otros. Uno de los grandes inconvenientesen el proceso de gasificación, es el control de laproducción de gas de calidad y en qué porcentajeobtenerlo; poder minimizar los residuos tóxicosy alquitranes al punto de controlar la totalidaddel proceso. Una cuestión clave para mejorar laeficiencia energética y consolidar la gasificacióncomo fuente potencial de energía que permita laimplementación de sistemas automáticos en laindustria.Con base en las investigaciones desarrolladasen el grupo MDL&GE, se han incluido sistemas deadquisición 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

102ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 95 - 105de gasificación. (Figura 3) Mediante estas implementacionesse han implementado aplicacionesde control sencillo pero con grandes resultados.Tabla II y Figura 4 [11]Fig. 3. GASIFICADOR DE LECHO FIJOTABLA II.TEMPERATURAS DENTRO DEL REACTORtiempo (min) T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C)0 17,5 66,6 59,1 13,83 18,1 83,4 77,3 54,86 18,6 265,4 157 47,89 22 405 232,3 5413 56,3 568 343 76,519 39,8 454,4 465,8 96,825 51,9 618,5 553 170,429 50,3 592,2 510,3 250,433 47,2 568,2 526,7 230,237 52,1 656,3 513,1 303,641 55,9 679,4 531,1 303,544 49,5 683,9 564,1 327,648 49,3 751,8 596,2 336,7Fuente: Grupo de Investigación MDL&GEFig. 4. PERFIL DE TEMPERATURAS50 52,1 839,5 582,2 336,853 59,4 826,2 562,9 336,3Fuente: Grupo de Investigación MDL&GEVIII. CONCLUSIONESFuente: Grupo de Investigación MDL&GELos perfiles de temperatura como se muestraen la Figura 4 determinan los puntos donde sedebe utilizar algún tipo de control para mantenerla temperatura en relación con la calidad del gas(estabilización de las temperaturas).La monitorización en tiempo real de los perfilesde temperatura, garantiza que el control,sea manual o automático, mantenga regímenesde operación para realizar los experimentos conrepetitividad de las variables internas al reactor.Esto mejora el diseño de los experimentos.Se han desarrollado diferentes tipos de modelospara sistemas de gasificación y su reacción cinética,El sistema en equilibrio con las etapas decontrol por medio de redes neuronales artificiales,hacen que el comportamiento pueda predecir situacionesextremas. En los modelos cinéticos quepredicen el progreso y la composición del productoen diferentes posiciones a lo largo de un reactor,ha sido de gran ayuda adaptarlo a un sistemaequilibrado, ya que puede predecir el máximo rendimientoposible, en un producto deseado de unsistema de reacción. También proporciona un útildiseño de apoyo, para evaluar el posible comportamientoy sus límites en un complejo sistema dereacción que sea difícil o peligroso para reproducirexperimental.AGRADECIEMIENTOSEste proyecto fue financiado con recursos dela Universidad Nacional de Colombia, según proyectocódigo 13151; “Apoyo de la DIB a tesis deinvestigación en posgrado” y el Proyecto “Alianza

Modelado del Proceso de Gasificación de Biomasa para Aprovechamiento Energético: una Revisión al Estado del Arte - Castellanos,Sierra, Guerrero103estratégica para la investigación de la obtenciónde gas de síntesis desulfurado a partir de la gasificaciónde carbones colombianos” código 12651.REFERENCIAS[1] Proceedings of the 8th International Conference onMachine Learning and Cybernetics: Kinetic model establishmentand verification of the biomass gasificationfluidised 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 currentsituation and projections to 2010 and 2050. YoshiokaT, Hirata S, Matsumura Y, Sakanishi KW. s.l. :Biomass Bioenergy, 2005, Vol. p. 29.[4] INPUT AND OUTPUT CONSTRAINED MULTIPLE-MO-DELS PREDICTIVE CONTROL FOR GASIFIER MachineLearning 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, SwithenbankJ. Effect of fuel devolatilization on the combustion ofwood chips and incineration of simulated municipalwastes in packed bed. s.l. : FUEL, 2003.[6] X., Li. Biomass gasification in circulating fluidized bed,PhD dissertation. Vancouver, Canada : University ofBritish Columbia, 2002.[7] ESTATE ESTIMATION-BASED CONTROL OF A COAL GA-SIFIER. 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] VEGA. Process Presure transmitter VEGABAR. [En línea]2010. http://www.vega.com/en/Process_pressure_VEGABAR14.htm.[9] AN EQUILIBRIUM MODEL FOR BIOMASS GASIFICATIONPROCESSES M. RUGGIERO Y G. MANFRIDA. Stecco Facoltá,Sergio. Florence, Italy : Dipartimento di energética.di Ingegneria, Universitá di Firenze. VíaS.Marta 3Renewable Energy, 1999, Vols. Volume 16, Issues 1-4,January-April 1999.[10] Stassen HEM, Knoef HAM. Small scale gasificationsystems. Twente, Netherland : The Netherlands: BiomassTechnology Group, University of Twente, 1993.[11] S., Guerrero C. Sierra F. Ramírez. Procesos de Gasificaciónde materiales orgánicos. Grupo de investigaciónen Mecanismos de desarrollo Limpio y gestión Energétic.Bogotá : Universidad Nacional de Colombia, PrimeraEdición, 2008.[12] Modelling of a downdraft biomass gasifierwith finiterate kinetics in the reduction zone. Roy PC, DattaA, Chakraborty N. s.l. : Int J Energy Res, 2009, Vol.v.33:51.[13] Modeling of smoldering process in porous biomassfuel rod. Roshmi A, Murthy J, Hajaligol M. s.l. : Fuel2004, 2004, Vols. 83:1527–36.[14] Reed TB, Das A. Handbook of biomass downdraft gasifierengine systems. Colorado : Solar Energy ResearchInstitute, 1988.[15] Steam gasification of biomass in a fluidised-bed ofolivine particles. Rapagna S, Jand N, KiennemannA, 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, ChaoukiJ, Guy C. s.l. : AIChe J, 2006, Vol. v.52:72.[17] R, Rauch. Biomass gasification to produce synthesisgas for fuels and chemicals, report made for IEABioenergy Agreement. s.l. : Task 33: Thermal Gasificationof Biomass, 2003.[18] Energy production from biomass (part 3): gasificationtechnologies. 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 fluidizedbeds., 2006.[20] Energy production from biomass (part 1): overview ofbiomass. 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 ofchemical process systems. N.P. Bhat, T.J. McAvoy,. s.l.: Computers Chem. Engineering, 1990, Vols. 14-4.[23] Sustainable biomass power for rural India: Case studyof biomass gasifier for village electrification. Centre forSustainable Technologies, Indian Institute of Science.N. H. Ravindranath, H. I. Somashekar, S. Dasappa andC. N. Jayasheela Reddy. Bangalore, India : CURRENTSCIENCE, OCTOBER 2004, Vols. v87, NO. 7, 10 .[24] An assessment of a Biomass Gasification based PowerPlant in the Sunderbans. Center For Development andEnvironment Policy,. Mukhopadhyay, K. Joka, India, IndianInstitute of Management Calcutta : Biomass andBioenergy, 2004, Vol. 27-pp.253 – 264.[25] Perspectiva de la Comisión Europea en la biomasay la conversión termoquímica de residuos. Maniatis

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Control PID tipo fraccional para la posición delcabezal de una unidad de CD para aplicaciones enmicroscopia ópticaFractional PID controller designed for a CD pickup head positioncontrol to be used in optical microscopyPaula Andrea Ortiz ValenciaMSc. en Ingeniería área Automática,Universidad Pontificia Bolivariana. Docente Tiempo Completo,Investigador Grupo Automática y Electrónica,Instituto Tecnológico Metropolitano ITM. Medellín, Colombiapaulaortiz@itm.edu.coLorena Cardona RendónPhD(c) Universidad Nacional de ColombiaMSc. en Ingeniería área Automática,Universidad Pontificia Bolivariana.Grupo Inteligencia Artificial en Educación,Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín,lcardon0@unalmed.edu.coResumen— En este artículo se diseña un control PIDtipo fraccional para la posición del cabezal de una unidadde CD que se piensa emplear en el desarrollo de unmicroscopio óptico motorizado. En dicha aplicación sereemplazará el disco o CD por una placa con la muestraque va a ser estudiada, y se usará el cabezal de launidad para iluminar la muestra. Con el controlador diseñadose busca que no haya dependencia del subcódigoescrito en un CD para determinar la posición delcabezal, para lo cual se usará un ratón de computadorcomo sensor de posición. También se busca un controlque mejore el desempeño del sistema y que sea robustofrente 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 sintonizacióndel control se utiliza la toolbox de optimizaciónde Matlab con la función fmincon. Al final del artículose presentan los resultados en simulación, se concluyesobre la resolución obtenida, la robustez del controladory la viabilidad del sistema de control para ser empleadoen un microscopio.Palabras clave— Control de posición, Control Fraccional,Control Robusto, Microscopía óptica, ratón óptico,unidad de CD.Abstract— On this work a fractional PID controller isdesigned for a CD pickup head position control that isintended to use in the development of a motorized opticalmicroscope. In such an application the disk or CDwould be replaced by a plate with the sample to be studied,and the pickup head would be used to illuminatethe sample. The controller is designed in such a way thatthere is no dependence on a CD written subcode to determinethe position of the head, and for this, a computermouse is used as a position sensor. We also look forthe controller to improve the system performance andto be robust against model uncertainties of the plant,that is why we use a fractional controller PI^λ D^μ andadjust the parameters K_p, K_i, K_dλ and μ accordingto five robustness rules. For tuning the control we usethe Matlab optimization toolbox together with fminconfunction. At the end of the paper we present the simulationresults, concluding about the resolution obtained,the robustness of the controller and the viability of thecontrol system to be used in a microscope.Keywords— CD , fractional control, position tracking, robustcontrol, , optical microscopy , optical mouse.I. INTRODUCCIÓNDebido a las rápidas mejoras en las tecnologíasde manufactura electrónica, los computadoresse han convertido en productos electrónicosde corta vida, lo que termina en una gran cantidadde computadores desechados que pueden contaminarseriamente el medio ambiente [1]. Paraaportar una solución, muchos investigadores handesarrollado trabajos en los que diferentes partesde computador se reutilizan y adaptan para darsoluciones innovadoras a problemas en diversosámbitos. Una parte de computador que ha tenidoespecial interés es la unidad de Disco Compacto(CD), ya que contiene elementos opto-mecánicosmuy precisos.Cuando se revisa el estado del arte, se encuentranaplicaciones de las unidades de CD enperfilometría [2]–[8], en microscopía de barrido[9], en microscopía de fuerza atómica [10] –[14],para desarrollar un velocímetro [15], [16], paradesarrollar un interferómetro de Fizeau multifasehomodino [17], para medir rectitud [18], parael desarrollo de una micro-máquina de mediciónpor coordenadas [19][20], para crear un pulsadorRecibido: 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, Cardona107electrónico [21], para desarrollar un acelerómetroóptico [22][23], en el desarrollo de una sondatáctil tridimensional [24], para desarrollar unbiosensor óptico [25], un sistema de análisis celular[26], un sistema de micro-espectroscopia deRhaman miniaturizado [27], para medir eventosvinculantes 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 unbio-chip [35], para desarrollar un autocolimador[36], para detectar drogas y uniones en célulasbiológicas [37].Como aporte adicional en esta línea, en el InstitutoTecnológico Metropolitano (ITM), en Colombia,se está desarrollando un microscopio ópticode bajo costo con platina motorizada, a partir deuna unidad de CD desechada. En este caso, en lugarde un CD, se tendría una placa con la muestrapara ser observada y el cabezal de la unidad serviríapara iluminar la muestra de manera enfocada,l conuna cámara Web al lado opuesto para tomarlas imágenes.En el control normal de posición del cabezal deuna unidad de CD se lee un sub-código escrito enel CD que informa al sistema la posición del cabezalen cada momento. Pero, en este trabajo, nose tiene un CD sino una placa con una muestra y,por lo tanto, se pierde el sub código que permiterealimentar el lazo de control.La mayoría de los trabajos estudiados, en losque se desarrollan aplicaciones alternativas a lasunidades de CD, utilizan únicamente la tecnologíade auto-enfoque encontrada dentro del cabezalde la unidad, muchos no requieren controlar elmovimiento del cabezal y los que sí lo requieren,usan motores o plataformas piezoeléctricas queson costosas y que, por lo tanto, no podrían serempleadas en este trabajo, ya que se quiere lograrun microscopio de bajo costo. Se exceptúanlos trabajos de Islam et al. [8], quienes usaron unratón óptico para medir la velocidad del cabezal,y Bartoli et al. [5], [6], quienes usaron el mismocabezal óptico de la unidad como sensor. Sin embargo,en los trabajos mencionados, se controla lavelocidad del cabezal más no su posición.Para lograr medir la posición del cabezal, eneste trabajo se recurrirá a la combinación de dossensores, a saber, un ratón óptico y un codificadorde un ratón optomecánico de computador,mediante la técnica de mínimos cuadrados ponderados.El control de posición de la platina se harácon un controlador PID tipo fraccional. La razónpor la cual se seleccionó este tipo de control esque éste posee la ventaja frente a otros controladoresrobustos de que los conceptos teóricos yel lenguaje utilizado son de fácil comprensión, yaque se lo puede ver como un caso especial de loscontroladores PID de orden entero, que son de comúnmanejo para todos los profesionales de estaárea de conocimiento. Adicionalmente, los controladoresde orden fraccional por su cantidad deparámetros ajustables, permiten respuestas en eltiempo y la frecuencia del sistema de control másmaniobrables con un desempeño robusto, sin necesidadde utilizar representaciones en espaciode estado.Los controladores de orden fraccional sonuna nueva alternativa que ha permitido explicarfenómenos que eran imposibles de comprenderdesde el punto de vista de los sistemas linealesenteros [38], razón por la cual ha sido objeto derecientes desarrollos, contándose incluso conuna toolbox para Matlab [39] llamada CRONE(CommandeRobusted’OrdreNnon Entier) [39].Uno de los inconvenientes que tiene estecontrolador es la dificultad que se presenta parasintonizarlo. En este sentido se ha intentado aplicardiferentes técnicas para la sintonización decontroles fraccionales, como el método Ziegler-Nichols [40][41], series de polinomios [42], algoritmosgenéticos [43], enjambres de partículas[44], teoría electromagnética [45], cuantificadoresdinámicos [46] y modos deslizantes [47][48].Sin embargo, muchas de las técnicas usadas presentanproblemas por la cantidad de parámetrosque se requiere calcular, lo que se traduce en altacarga computacional y altos tiempos de procesamiento,siendo esta la razón de que muchos trabajosde implementación del control fraccional sehayan hecho sobre variables o procesos de reacciónlenta, tales como el control de temperatura.En este trabajo se optará por la aproximaciónusada en [40], que consiste en un método iterativoque busca cumplir cinco condiciones de robustez.La razón es que en dicho trabajo se muestrala posibilidad de obtener una sintonización rápidadel control con resultados robustos.

108ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117II. MATERIALES Y MÉTODOSA. Modelo de la Unidad de CDPara obtener un modelo de la unidad de CD, serecurrió a un software de modelado en 3D (AutodeskInventor ® 2011), en el cual se construyeronlos modelos de cada uno de los componentes apartir de medidas sobre una unidad de CD real tomadascon un calibrador. Luego, las partes modeladasse unieron en un archivo de ensamble paragenerar las relaciones entre ellas. La unidad deCD y el modelo en 3D se observan en la Fig. 1. Elmodelo está compuesto por los elementos que selistan a continuación (los elementos listados estánrealmente formados por varios componentes,pero sin movimiento relativo entre ellos):Placa: es el elemento fijo, allí están las guíaspor las que desliza el cabezal y el armazón del motor.Engranaje 22: Está conectado directamenteal eje del motor. Tiene 22 dientes y un diámetroprimitivo de 8.8mm.Engranajes 95_18: Son dos engranajes construidosen un solo cuerpo, uno de los cuales engranacon el engranaje 22 (de 95 dientes y un diámetroprimitivo de 38mm) y el otro engrana con lacremallera conectada al cabezal (de 18 dientes yun diámetro primitivo de 7.14mm).Cabezal: es el elemento cuyo desplazamientose quiere controlar. Está compuesto también porla cremallera, que engrana con una de las ruedasque componen el elemento llamado Engranaje95_18.Fig. 1. FOTO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EMPLEADA EN ESTE TRABAJO (ALA IZQUIERDA) Y MODELO EN 3D DE LA MISMA UNIDAD CONSTRUIDO ENAUTODESK INVENTOR ® (A LA DERECHA).Fuente: Autor del proyectoEn la Fig. 2 se muestra el mecanismo de movimientoque se pretende controlar. El Engranaje22 es accionado por un motor de corriente directa(DC) de la unidad de CD. Este engranaje transmiteel movimiento al Engranaje 95_18, que a su vez letransmite el movimiento a la cremallera que estáunida al cabezal.Fig. 2. MECANISMO QUE SE PRETENDE CONTROLAR.Fuente: Autor del proyectoA partir del modelado en 3D, fue posiblecrear un modelo del sistema en el software Simulink,mediante un aplicativo de enlace entrelos dos programas llamado SimMechanics Link.Esto permitió exportar las propiedades físicasde los objetos modelados (momentos de inercia,centros de gravedad, coordenadas, puntosde contacto), así como sus grados de libertad.El modelo exportado en Simulink se muestra enla Fig. 3.Fig. 3. MODELO DE LA UNIDAD DE CD/DVD EN SIMULINK.Fuente: Autor del proyectoEn el modelo de la Fig. 3, los bloques que representanlos cuerpos tienen puntos de conexiónque están determinados por coordenadas espaciales[x, y, z]. Los cuerpos se conectan entre sí através de uniones (revoluta, prismática) y a travésde restricciones (restricción de engranajes, actuadorde velocidad). Estas últimas, no fueron exportadaspor el programa SimMechanics Link, sinoque se crearon manualmente.La restricción de engranajes expresa la relaciónde velocidad entre los dos engranajes semuestra en (1):

Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona109(donde y son los diámetros primitivosde la rueda conductora y la rueda conducida, respectivamente,y , son las velocidades angularesde las mismas.El piñón y la cremallera constituyen un parcinemático en el que se convierte el movimientorotacional del piñón en un movimiento traslacionalde la cremallera. En el modelo, el piñón estásujeto a tierra por una unión de revoluta en sucentro, que le deja un solo grado de libertad rotacionalalrededor del eje z, mientras la cremalleraestá conectada a tierra a través de una uniónprismática que le permite moverse a lo largo deleje x. Los puntos de contacto del engranaje con lacremallera deben tener la misma velocidad y estarestricción se puede representar por (2):donde r pes el radio primitivo del piñón, es lavelocidad de giro del piñón (en rad/s) y ẋ es la velocidadde desplazamiento de la cremallera.B. Modelo del Motor de la UnidadEl control de posición de la cremallera (y porlo tanto del cabezal unido a ella) se hará controlandoel voltaje del motor de DC que transmite sumovimiento directamente al Engranaje 22. En elmodelo de la Fig. 3, se agregó un actuador sobreel engranaje, que consiste en un torque de entradaexpresado en N*m. Por tal motivo, se necesitade un modelo del motor de DC que relacione elcambio 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 eltorque, se puede expresar como se ve en (3) [50]:Donde V fes el voltaje aplicado al motor, R fes laresistencia de campo, L fes la inductancia y K mfesla constante de fuerza electromotriz. Para el motorde la unidad, estos valores son: K mf=1,23x10-2V s/rad, L f=2,189x10-3 Henrys y R f=21Ω. Al re-emplazar estos valores en (3), se obtiene que lafunción de transferencia (4) para el motor de launidad de CD.C. Modelo del CodificadorEl codificador empleado en esta aplicaciónpertenece a un ratón opto-mecánico de computador.El codificador consta de una rueda ranurada,un LED y sensor infrarrojo. Las ranuras en larueda rompen el haz de luz proveniente del LEDde tal forma que el sensor infrarrojo, al otro ladode la rueda, lee pulsos de luz cuya velocidad esdirectamente proporcional a la velocidad de girode la rueda.La rueda del codificador se ubicó sobre el Engranaje_22,teniendo, por lo tanto, una relación1:1 con el giro del motor. Conocida la relaciónentre los engranajes y la cantidad de ranuras delcodificador, es posible calcular el desplazamientode la cremallera. La resolución para medir estedesplazamiento estaría dada por (5):donde N es el número de ranuras en el codificador,Z 1y Z 2son el número de dientes del engranajeacoplado al motor (Engranaje 22) y el engranajeconducido (Engranaje 95_18), respectivamente,y D p3es el diámetro primitivo del engranaje queimpulsa la cremallera. Reemplazados los valoresen la ecuación, se tiene el resultado (6).De acuerdo con este resultado, para simularla medición del sensor, se cuantizó la medida dedesplazamiento de la cremallera en múltiplos de0,1039mm.D. Modelo del Ratón ÓpticoEn un ratón óptico, un sensor toma fotografíasde la superficie bajo el ratón y un motor de navegaciónóptica identifica características en lasimágenes y sigue la pista de su movimiento. Estose traduce en coordenadas x e y de movimientodel cursor. Conociendo la resolución del ratón, esposible traducir los desplazamientos del cursor en

110ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117desplazamiento del ratón en milímetros. En estecaso, el ratón de computador empleado tiene unaresolución de 0,03mm/píxel.Para usar el ratón óptico en esta aplicación, seadhiere una superficie de referencia al cabezal dela unidad que permanezca en contacto con el ratónfijo. El movimiento del cabezal y, por lo tanto,de la superficie de referencia, produce la lecturade desplazamiento en el ratón.Para simular la medida del sensor, se cuantizóla medida de desplazamiento de la cremallera enmúltiplos de 0,03mm.Donde δ es el tamaño de la zona muerta y ∆ esla resolución del sensor. Aunque (9) no indica unlímite superior para el valor de δ, se debe tener encuenta que, aun cuando un valor de δ mayor quela resolución del sensor garantizará una respuestadel sistema sin oscilaciones, mientras mayorsea δ, menor será la precisión lograda con el lazode control [53].G. Diseño del control fraccionalPara el análisis de los controladores fraccionalesse parte del diagrama de bloques presentadoen la Fig. 4.Fig. 4. DIAGRAMA DE BLOQUES DE ACCIONES DE CONTROLFuente: [38].E. Combinación de Ambos Sensores por el Métodode Mínimos Cuadrados PonderadosPara lograr una estimación de la posición delcabezal de la unidad combinando la medida delos dos sensores (el codificador y el ratón óptico),se usa la técnica de mínimos cuadrados ponderados,expresada en las ecuaciones (7) y (8) [51]:donde es la posición estimada, Z 1es la medidadel sensor 1 y es la varianza del error endicha medida, Z 2es la medida del sensor 2 y esla varianza del error en dicha medida, es la varianzadel error de la estimación .F. Solución a la Cuantización de los SensoresPara el control de la posición del cabezal, esnecesario tener en cuenta los límites impuestospor la resolución de los sensores, cuya cuantizacióncausa respuestas del sistema con oscilacionesen 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 ocasionala aparición de oscilaciones. Para que la soluciónpropuesta tenga efecto, se debe cumplir (9):La acción integral tiene como propósito disminuiry eliminar el error de estado estacionario,pero hace más lenta la respuesta del sistema ydisminuye su estabilidad. Por otra parte, la acciónderivativa busca aumentar la estabilidad delsistema pero tiende a incrementar los ruidos ylas perturbaciones de alta frecuencia. Usando unsistema de orden fraccional, es decir, μ ϵ (–1,1),estos efectos del controlador integral y derivativose reducen. Los resultados dependen del valorseleccionado μ, o en otras palabras, de la sintonizacióndel control fraccional. En este trabajo lasintonización del controlador se realiza mediantela función fmincon de la toolbox de optimizaciónde Matlab, haciendo uso de las restricciones propuestasen [40] donde se diseña el control conbase en cinco condiciones de robustez:Que la magnitud del sistema en lazo abierto,evaluado en la frecuencia de cruce de gananciaw cgcumpla con (10):2) Que el margen de fase ф evaluado en w cg,que está relacionado de forma directa con elamortiguamiento 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, Cardona1113) Para rechazar los ruidos de alta frecuencia, lafunción de sensibilidad T(jw) debe cumplir con (12):formadonde k=1,wn=42.73ε = 0.71,θ = 0.018 mostrado en (16),Para4) Para rechazar las perturbaciones de la salida,la función de sensibilidad S(jw) debe cumplircon (13):Fig. 5. RESPUESTA DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO ANTE UNA SEÑALESCALÓNPara5) Para tener un sistema robusto frente a variacionesde la ganancia, la derivada de la fasedel sistema en lazo abierto con respecto a la frecuenciadel cruce de ganancia w cgdebe cumplircon (14):Fuente: Autor del proyectoLa validación del sistema se muestra en la Fig. 6La función de transferencia del control fraccionalse muestra en (15):Fig. 6. VALIDACIÓN DEL SISTEMA IDENTIFICADO VS. EL SISTEMA REALANTE UNA SEÑAL ESCALÓNLos márgenes de ganancia (φm) y fase (φm)son medidas importantes de robustez que se relacionancon el factor de amortiguamiento del sistemay afectan la medida de desempeño, por estarazón, se tuvieron en cuenta en el diseño.III. RESULTADOS Y ANÁLISISPara el diseño del control es necesario encontrarel modelo matemático lineal del sistema, locual se logró mediante un proceso de identificaciónen lazo cerrado (ya que el sistema en lazoabierto es inestable), según la metodología propuestaen [54]. En la Fig. 5. Se observa la respuestadel sistema para una entrada tipo escalón.La respuesta obtenida se llevó a la toolboxidentde Matlab, la cual permite obtener una funciónde transferencia e indica el grado de ajustelogrado con un índice de desempeño. De esta manerase obtuvo el modelo de segundo orden de laFuente: Autor del proyectoSe obtuvo un índice de desempeño deLos parámetros de diseño para el sistema quese va a controlar son:• Margen de fase Mφ=60°.• Frecuencia de Ganancia w cg=60rad/s

112ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117• El sistema debe de ser robusto ante cambiode la ganancia.• Función de sensibilidad|S(jw)|_db≤-20db,∀w≤w_s=0.001 rad/s• Rechazo a ruido|T(jw)|_db≤-20db,∀ w≥w s=10rad/sCon estos parámetros, aplicada la metodologíaexplicada en la sección I-G, se obtuvo la siguientefunción de control:Fig. 8. RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES GANANCIASSe debe anotar que para el diseño del sistema decontrol no se tuvo en cuenta la cuantización de lossensores, más si se tuvo en cuenta en la simulaciónfinal para evaluar el desempeño del sistema controlado.La verificación de los parámetros de diseño semuestra de la Fig. 7 a la Fig. 10. En la Fig. 7 se muestrael margen de fase y de ganancia del sistema obteniéndoseun margen de ganancia de 62.1rad/s y unmargen de fase de 59.9°, presentándose un error de2.1 rad/s y 0.1° respectivamente, además se fuerzaa la fase del sistema a ser plana en un rango de frecuenciacentrada en w cg, lo que se traduce en robustezante cambios en la ganancia de la planta (dentrode unos límites variaciones), en este caso se fuerza aque 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 representael sistema en lazo cerrado ante una entradaescalón unitario, en la cual se verifica la robustez delcontrolador. En la Fig. 9, se observa que para una frecuenciade 0.00207rad/s la magnitud es de –20db.En la Fig. 10, se observa que para una frecuencia de162rad/s la magnitud es de –20db, cumpliéndoseconcon los requerimientos de diseño. El control fraccionalse validó con la toolboxninteger [52].Fuente: Autor del proyectoFig. 9. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD S(JW)Fuente: Autor del proyectoFig. 10. ANÁLISIS DE RUIDO T(JW)Fig. 7 ANÁLISIS DE MAGNITUD Y FASEFuente: Autor del proyectoFuente: Autor del proyecto

Control PID tipo fraccional para la posición del cabezal de una unidad de CD para aplicaciones en microscopia óptica - Ortiz, Cardona113Finalmente, para evaluar el comportamientodel sistema con el control diseñado, se incorporóla cuantización de los sensores al diagrama debloques mostrado en la Figura 11.Fig. 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA QUE INCORPORA EL CON-TROL DISEÑADO Y LA CUANTIZACIÓN DE LOS SENSORESque el control fraccional responde más rápido queel control convencional.Fig. 13. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORESPOR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CON UNCONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONALFuente: Autor del proyectoEl resultado obtenido se presenta en un grupode tres gráficas en la Fig. 12. Una, muestra la respuestadel sistema a la señal de excitación, otra,muestra la señal de control, y la última, muestra laseñal de error, todas las validaciones son obtenidasen simulación, con Matlab/Simulink.Fig. 12. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORESPOR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS).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 convencionalpierde controlabilidad.Fig. 14. PERTURBACIÓN AGREGADA AL SISTEMAFuente: Autor del proyectoAunque el control PID tipo fraccional se diseñósobre un sistema lineal identificado en lazo cerrado,en el cual las variables de entrada-salida puedenentregar alguna correlación que pueda alterar los resultadosde la estimación, obteniéndose un modelomatemático con incertidumbres, al implementarlorespondió adecuadamente, y mostró la robustez delcontrolador, en el cual se obtuvo una respuesta rápidacon un tiempo de estabilización cercano a los0.03 segundos, sin sobrepasos y con una respuestaen el elemento final de control muy buena.En la Fig. 13 el control fraccional es comparadocon un control PID convencional, obteniéndoseFig. 15. RESULTADOS OBTENIDOS COMBINANDO LOS DOS SENSORESPOR EL MÉTODO DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS (WLS), CONUN CONTROL CONVENCIONAL Y UN CONTROL FRACCIONAL, CON UNAENTRADA DE PERTURBACIÓN

114ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 106 - 117En general, un control tipo fraccional presentaun mejor desempeño que los controladores deorden entero, ya que estos tienen cinco grados delibertad en vez de tres grados de libertad de loscontroladores convencionales, logrando de estamanera un mejor desempeño en el sistema, presentandomayor robustez ante incertidumbres delmodelo o variaciones de los parámetrosIV. CONCLUSIÓNEn este artículo se diseñó un control PID tipofraccional para la posición del cabezal de una unidadde CD que se piensa emplear en el desarrollode un microscopio óptico motorizado. Se observaa partir de los resultados obtenidos que, con latécnica de control diseñada, mediante la combinaciónde un codificador de un ratón optomecánicocon un ratón óptico, para medir la posición delcabezal de la unidad de CD, se logra un sistemade respuesta rápido y sin sobrepaso, donde la respuestadel elemento final de control no presentaefecto timbre y se tiene una precisión aceptablepara desarrollar un microscopio óptico motorizadode bajo costo. Si bien no se logra una precisióndel orden de una micra o menos, como se podríaobtener con una plataforma piezo-eléctrica, unaresolución de 30 µm puede ser suficiente paradiversas aplicaciones en educación básica. Adicionalmente,se emplean partes de computadordesechadas, lo que genera un impacto ambientalpositivo. Se concluye, entonces, que el sistema decontrol diseñado, con la combinación de sensores,es apta para la aplicación en el desarrollo deun microscopio óptico.Se concluye también que el empleo de un controltipo fraccional para esta aplicación presentaventajas frente a los controles PID de orden entero,tanto en el tiempo de estabilización como enrobustez frente a perturbaciones. Adicionalmente,con la metodología de diseño iterativa implementada,se logró un diseño rápido y un resultado robustoa partir de la función de transferencia delsistema, sin requerir representaciones en espaciode estado.AGRADECIMIENTOSEste artículo se deriva de los proyectos deinvestigación denominados: “Desarrollo de unmicroscopio óptico con platina motorizada y adquisicióndigital de imágenes a partir de reciclajetecnológico de una unidad de CD/DVD” con códigoP10237 y “Metodología para modelar y controlarun sistema de combustión utilizando cálculofraccional” con código PM12104 ambos proyectosfinanciados por el Instituto Tecnológico Metropolitano– I.T.M. Los autores agradecen al grupode investigación en Automática y Electrónica delInstituto Tecnológico Metropolitano – I.T.M. susaportes para la realización de este proyecto.REFERENCIAS[1] C. H. Lee, C. T. Chang, K. S. Fan and T. C. Chang. “Anoverview of recycling and treatment of scrap computers”.Journalof 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 measurementsystem 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 opticalstylus with interferometric readout”. MeasurementScience & 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 opticalprofilometer 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 onedimensional 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 scanningsensor 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 alow-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 novelsurface profile measurement system”. AU Journal ofTechnology. Vol. 10, No. 3, pp. 203–209, 2007.

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Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa parala Detección de Distorsiones de la Arquitectura dela Glándula MamariaDecision System Based on Fuzzy Logic for Detection of ArchitecturalDistortionDuván Alberto Gómez BetancurMSc (c) Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,Universidad Nacional de ColombiaInvestigador Grupo GIDIA, Universidad Nacional de ColombiaMedellín, Colombiadagomezbe@unal.edu.coJohn Willian Branch BedoyaPh.D. Ingeniería – Ingeniería de Sistemas,Universidad Nacional de ColombiaProfesor Asociado, Investigador Grupo GIDIA,Universidad Nacional de ColombiaMedellín, Colombiajwbranch@unal.edu.coResumen— La distorsión de la arquitectura es un cambio anormaldel tejido de la glándula mamaria con la consiguienteformación de lesiones finas y espiculadas que no están asociadasa la presencia de una masa. La distorsión es el tercer hallazgomamográfico más común y por la dificultad de sudetección es el primer causante de falsos negativos enlos diagnósticos. Este artículo presenta la planeación,implementación y pruebas de un método que sirvecomo soporte para la detección de distorsiones dela arquitectura de la glándula mamaria a partir deimágenes de radiología de mama. El método asiste alos especialistas en el proceso de decisión diagnósticacomo segundo intérprete en el análisis de mamografíasmediante la integración de cuatro etapas principalesque van desde el pre-procesamiento de la imagen hastala clasificación final con base en las características detextura de las regiones de interés extraídas.El método presentado fue validado mediante el análisisde imágenes mamográficas de la base de datos DDSM(Digital Data base for Screening Mammography), quelogra valores de precisión general hasta de un 90.7% locual lo convierte en una base importante para la disminucióndel número de falsos negativos en la detección dedistorsiones de la arquitectura de la glándula mamaria.Palabras clave— Cáncer de mama, distorsión de la arquitectura,mamografía, procesamiento digital de imágenes, diagnósticoasistido por computador.Abstract— Architectural distortion is an abnormal change in themammary gland tissue with the consequent formation of thin andspeculated lesions that are not associated with the presence ofa mass. It is the third most common mammographic finding andbecause of its subtlety it is the first cause of false-negative findingson screening mammograms.This paper presents the design,implementation and test of a new method that serves as supportfor the detection of architectural distortion in the mammarygland from breast radiology images. The method proposed hereassists the specialists in the diagnosis of breast cancer throughfour main phases,which encompass from the preprocessing tothe classification of regions of interest using a classifier basedon fuzzy logic.The method described in this paper was validated through theanalysis of mammographic images from DDSM (Digital Databasefor Screening Mammography) obtaining values of 90.7% in theoverall accuracy.This result is a very important contribution andencourages the research in order to reduce the high number ofmisdiagnoses that are currently presented and lead to the highrates of morbidity from breast cancer.Keywords— Breast cancer, architectural distortion,mammography, digital image processing, computer aideddiagnosis.I. INTRODUCCIÓNEn los ambientes médicos las imágenes jueganun rol prominente en el diagnóstico y tratamientode enfermedades, debido a que permitenque los especialistas obtengan información vitalal observar el interior del cuerpo humano de unaforma no invasiva, y favorecer el diagnóstico tempranode patologías para que puedan ser tratadasde manera efectiva [1].Dentro de esas patologías que pueden serdiagnosticadas y tratadas se encuentra el cáncerque es una enfermedad que se presenta como resultadode mutaciones o cambios anormales enlos genes responsables de regular el crecimientode las células.Uno de los tipos de cáncer más comunes es elcáncer de mama que es una patología productodel crecimiento no controlado de las células de lamama que forma un tumor maligno.En el mundo el cáncer de mama es una patologíacada vez más común entre la poblaciónfemenina, por ejemplo para el caso de EstadosUnidos y Canadá, se estima que 1 de cada 8 mujeressufrirá la enfermedad a lo largo de su vida, yRecibido: 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, Branch119en el 2006 se calcularon 212.920 nuevos casosde cáncer de mama y 41.430 muertes producidaspor la enfermedad.Los datos estadísticos sobre cáncer de mamaen Colombia son difíciles de obtener y se encuentranprobablemente sesgados; sin embargo, esevidente un aumento progresivo en la incidenciadel carcinoma mamario, especialmente en lasciudades más densamente pobladas. Para el año2009 se reportaron 551 nuevos casos de cáncerde mama [2], lo cual comprueba el incrementode esta patología en los últimos años en el país,convirtiéndose en la primera causa de muerte porcáncer entre las mujeres.El cáncer de mama se ha convertido entoncesen un serio problema de salud pública que ha despertadoel interés de comunidades científicas mascuando se sabe que si se detecta a tiempo, se puedeevitar el desenlace fatal de la enfermedad.Para la detección temprana del cáncer demama existen diferentes exámenes o métodos clínicoscomo la resonancia magnética, la ecografía,la biopsia, la tomografía computarizada y la biopsiade ganglio linfático, entre otros. Sin embargo,la mamografía es el examen más eficaz para ladetección temprana del cáncer de mama.Los hallazgos clínicos más comunes que indicanel desarrollo de una patología cancerígena en lamama y que pueden identificarse a través de la mamografíason: masas, microcalcificaciones, distorsionesde la arquitectura y asimetrías de densidad.Las calcificaciones son hallazgos muy comunesen una mamografía y son consecuencias dediminutos depósitos de calcio en el tejido mamario.En cuanto a las masas debe describirse su tamaño,forma, márgenes y calcificaciones asociadasen los casos en los que la masa se presentecon calcificaciones. Por su parte la asimetría dedensidad es la presencia de tejido glandular enuna parte de la mama y que no se presenta con lamisma localización en la mama contralateral, puedeverse como una opacidad similar en las dosproyecciones de una mama pero no tiene característicasde una masa [3].La información restante de este artículo se estructuraen cuatro secciones. En la 2 se explica ladistorsión de la arquitectura de la glándula mamaria.En la 3 se describe el método propuesto. En la4, se evalúa el método y se presentan los resultadosobtenidos y en la 5 se dan las conclusionesdel método y se dejan las posibles direccionespara la investigación futura.II. DISTORSIÓN DE LA ARQUITECTURALa distorsión de la arquitectura es un cambioanormal del tejido de la glándula mamaria con laconsiguiente formación de lesiones finas y espiculadasque no están asociadas a la presencia de unamasa.En el BI-RADS (Breast Imaging Reporting andData System) [4] se define la distorsión de la arquitecturacomo el hallazgo en el cual la arquitecturanormal (de la mama) se distorsiona conmasas no definidas visibles. Esto incluye lesionesespiculadas y la retracción focal o distorsión en elborde del parénquima.La distorsión de la arquitectura hace referenciaentonces a la distorsión del parénquima de lamama pero sin presencia de masas ni aumentoen la densidad. Se trata del tercer hallazgo máscomún en mamografías, asociado a estados decáncer aún no palpables [5] y el primer causantede falsos negativos [6] pues debido a su sutilezay variabilidad, la distorsión de la arquitectura esomitida y puede pasar como tejido normal superpuestoen el momento de la valoración de las mamografíasde tamizaje.Debido a que el cáncer de mama interrumpe laarquitectura normal del parénquima, la distorsiónes considerada un signo temprano de cáncer[7].Fig. 1. MAMOGRAFÍA CON PRESENCIA DE DISTORSIÓNDE LA ARQUITECTURA DE LA GLÁNDULA MAMARIAFuente: Imagen tomada de [8]

120ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127Como se puede observar en la Fig. 1 la distorsiónde la arquitectura en la mamografía se presentacomo una anomalía en la que los tejidoscircundantes de la mama parecen ser dirigidoshacia un punto focal interno.De acuerdo con [9] en más de la mitad de loscasos en los cuales se han encontrado signos dedistorsión de la arquitectura se comprueba posteriormentemalignidad en el seno. Sin embargo,por la dificultad en la detección de la distorsiónde la arquitectura, se estima que esta anormalidades la causa de entre el 12% y el 45% delos casos de cáncer omitidos o mal interpretados[10].Si bien es cierto que son muchos los trabajosque se pueden encontrar en sistemas CAD(Computer-Aided Diagnosis) para el caso de cáncerde mama, también es cierto que mientras lamayoría han sido dirigidos a la detección y análisisde calcificaciones y masas [11][12][13][14],relativamente pocos han sido publicados en ladetección de la distorsión de la arquitectura dela glándula mamaria.Entre los trabajos más destacados para ladetección de la distorsión de la arquitectura dela glándula mamaria se encuentra[15] donde seusa morfología matemática para detectar distorsiónalrededor de la línea de piel y un índice deconcentración para detectar distorsión de arquitecturaal interior de la glándula mamaria obtenidotasas de sensibilidad superiores al 80%;en [16] se desarrolló un método para detectarmasas y distorsión de arquitectura al localizarpuntos rodeados por capas concéntricas. En [17]se presenta una investigación para la caracterizaciónde la distorsión de arquitectura con ladimensión fractal de Hausdorff y un clasificadorSVM (Support Vector Machine) para distinguirentre ROI (Regiones de Interés) con distorsión dearquitectura y aquellas con patrones mamográficosnormales, una clasificación con una precisióndel 72.5% fue obtenida con un conjunto de40 ROI.También se han publicado trabajos en loscuales a partir de filtros Gabor y análisis de dimensiónfractal se proponen métodos para detectarcandidatos iniciales de distorsión de laarquitectura en mamografías[18],[19].Rangayyan en [20] con características de texturade Haralick para la detección de distorsionesde la arquitectura de la glándula mamaria,comparó diferentes técnicas de clasificación. Apartir de 4.224 ROI obtuvo una sensibilidad de76% con un clasificador bayesiano, 73% con análisisdiscriminante lineal, 77% con una red neuronalartificial basada en funciones de base radialy una sensibilidad de un 77% con SVM.III. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO ENLÓGICA DIFUSAEn 1965 Lotfi A. Zadeh, propuso la lógica difusacomo una herramienta para el control y lossistemas expertos. Se trata de un método para elrazonamiento con expresiones lógicas que describenlas pertenencias a los conjuntos difusos,entendidos como un instrumento para la especializaciónde lo bien que un objeto satisface unadescripción vaga [21].El uso de la lógica difusa resulta bastante útilen problemas con alto grado de incertidumbrey donde se necesita usar el conocimiento de unexperto que utiliza conceptos ambiguos o imprecisos,por ello se ha visto un auge en su uso ensistemas de reconocimiento de patrones y visiónpor computador.En [22] se plantea un ejemplo de caso de unclasificador difuso en el que se tiene un problemade clasificación n-dimensional con M clases ym patrones de entrenamiento x p=(x p1,x p2,x p3,x p4,...,x pn) para p=1,2,3,...,m los atributos de los patronesestán normalizados [0,1] y se utilizan reglas difusasdel tipo if-then como base del sistema de clasificacióndifuso:Regla R j:Si x 1es A j1y…y x nes A jnentonces ClaseC jcon CF jpara j=1,2,...,Ndonde R jes la regla j-esima, A j1... A jnson funcionesde pertenencia de los conjuntos difusos enel intervalo [0,1], C jes la clase, dentro del conjuntode las M clases, consecuente, y CF jes el gradode certeza de la regla if-then difusa R j.En [23] se demostró que la inclusión del gradode pertenencia o certeza en la creación de las reglasdifusas if-then permite generar sistemas declasificación 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, Branch121A. Características de TexturaEn un gran número de aplicaciones de procesamientodigital de imágenes la textura es una de lascaracterísticas más importantes y utilizadas para larecuperación de información y la identificación deobjetos o regiones al interior de la imagen.Muchos son los trabajos y las aproximacionesque se han hecho para la descripción automáticao semi-automática de las características de texturapresentes en una imagen. Un ejemplo claro dedichas aproximaciones es el propuesto por Haralick[24]quien, basado en la premisa que la texturay el tono conservan una relación inextricableentre ellos, propone catorce características paradescribir la textura de los objetos o regiones presentesen una imagen.Para Haralick, las propiedades de tono y texturaestán siempre presentes en una imagen, yel procedimiento que sugiere para obtener las característicasde textura se basa en la presunciónde que la información de textura de una imagendefinida, está contenida en la totalidad o por lomenos el promedio de la relación espacial que lostonos de grises de la imagen tienen el uno conel otro. Es decir, esa información de textura estáadecuadamente contenida en un conjunto de matricesespacio-dependientes de los tonos de gris,las cuales son calculadas para diferentes ángulosy distancias de vecindad en los pixeles de laimagen y son conocidas como GCM (Gray level Co-Ocurrence Matrix).En la Fig. 2 se observa la vecindad más cercana(distancia d=1) para cualquier punto dentrode la imagen, exceptuados los puntos ubicadosen las filas y columnas de los extremos. La vecindad-8es utilizada para la definición de las matricesGCM en la propuesta de Haralick.(l 1,l 2) separados por una distancia d en un ánguloθ [24]. Es decir, dada una imagen l con N nivelesde gris, su GCM para un ángulo θ, se construyecon N filas y N columnas, y en cada intersecciónfila-columna se totaliza el número de veces dentrode la imagen en las cuales un punto l(x,y) con unnivel de gris l 1(de acuerdo con la columna de laGCM) posee un vecino en una distancia d y en ladirección θ con un nivel de gris l 2(de acuerdo conla fila de la GCM).A partir de la GCM, Haralick propone catorcecaracterísticas de textura: energía, contraste, correlación,suma de cuadrados, momento de diferenciainversa, suma promedio, suma de varianza,suma de entropía, entropía, diferencia de varianza,primera medida de información de correlación,diferencia de entropía, segunda medida de informaciónde correlación y máximo coeficiente decorrelación.En este trabajo se utilizan sólo cinco característicasde textura: energía, contraste, sumapromedio, momento de diferencia inversa y diferenciade varianza, ya que de acuerdo con [20]son esas características las que empaquetan nosólo la mayor cantidad de información visual, sinotambién la más relevante para la descripción dela textura de las regiones de interés detectadasal interior de la glándula mamaria en la imagenmamográfica.Las expresiones matemáticas para las cincocaracterísticas de textura utilizadas son:TABLA INomenclatura utilizada para las ecuaciones de las características detextura de Haralick utilizadasp(i,j)p x(i)Entrada (i,j) -ésima en la GCM,=P(i,j)/Ri-ésima entrada de la GCM obtenida sumando las filasde p(i,j),Fig. 2. VECINDAD-8 DE UN PÍXEL EN UNA IMAGENp y(f)j-ésima entrada de la GCM obtenida al sumar lascolumnas de p(i,j),N gNúmero de niveles de gris presentes en la imagenFuente: Haralick[24].Energía:Considerada la vecindad-8 que se observa enla Fig. 2 la GCM se construye con las probabilidadesde ocurrencia de un par de niveles de gris

122ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127Contraste:Suma promedio:dondeMomento de diferencia inversa:Diferencia de Varianzas:dondeAlgunas de las características de textura deHaralick tienen interpretación física directa conrespecto a la textura de la imagen, por ejemplo,para cuantificar la suavidad y la tosquedad de lamisma. Aunque otras características no poseendicha propiedad directa, ellas contienen y codificaninformación visual relativa a la textura con unalto grado discriminatorio.La característica de Energía se trata del cálculodel segundo momento angular y representa unamedida de la “suavidad” de la imagen, es decir,si todos los pixeles comprendidos en la región deanálisis poseen el mismo nivel de gris, entoncesel valor de Energía será igual a 1 mientras que sise tienen todas las posibles parejas de niveles degris con igual probabilidad, entonces, la regiónserá menos suave y por lo tanto el valor de Energíaserá menor.El Contraste de la imagen es una medida dela variación local de los niveles de gris de la imagen.De hecho, Ʃ iƩ jp(i,j) es el porcentaje de parejasde pixeles cuya intensidad difiere por n. Ladependencia n 2incrementa aún más las grandesdiferencias; por lo tanto, el valor de esta característicatoma valores altos para imágenes con altocontraste.El Momento de Diferencia Inversa es una característicade textura que toma valores altos paraimágenes con bajo contraste debido a la dependenciainversa (i-j) 2 .La Diferencia de Varianza es una medida decuán grande es la variación existente en las magnitudesde las transiciones de intensidad. Por ejemplo,si hay distribución equilibrada de las magnitudesde las transiciones de intensidad, entoncesel valor de diferencia de varianza será bajo, mientrasque si ciertas magnitudes de las transicionesde intensidad ocurren con mucha más frecuenciade lo que otras transiciones entonces se esperaríaun valor de diferencia de varianza más alto.La Suma Promedio es una medida de la relaciónentre zonas claras y densas de la imagen, esdecir, es una medida del promedio de los nivelesde gris presentes en las zonas de interés detectadasal interior de la glándula mamaria.Sin embargo, la interpretación de cada una delas características mencionadas y su representacióndesde la concepción del sistema de visión humanoes producto de las pruebas que se realicenpara cada aplicación en particular[24][25][26].Con el cálculo de las cinco características detextura de Haralick mencionadas se generan lasmedidas suficientes para alimentar el clasificadordifuso de tal manera que se pueda discriminarcada ROI en una de las dos posibles clases definidasen la investigación: normal o anormal.B. Sistema de decisión difusoLos valores calculados de las características detextura de Haralick de las ROI detectadas se utilizanpara la identificación, clasificación y determinaciónfinal de las áreas con presencia de distorsión de laarquitectura de la glándula mamaria mediante unclasificador basado en lógica difusa.El método propuesto en este documento proponeel uso de la lógica difusa ya que ésta presentadiferentes ventajas pues al utilizar términos lingüísticospermite plantear el problema en los mismostérminos 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, Branch123Asimismo, el éxito de la lógica difusa radica enel hecho de que el mundo es difuso y, por lo tanto,podría pensarse que no tiene sentido buscarla solución a un problema no perfectamente definidopor medio de un planteamiento matemáticomuy exacto, cuando es el ser humano el primeroque razona con la inexactitud.Los componentes principales de un sistemade decisión difuso son: los conjuntos difusos, lasfunciones de membresía o pertenencia difusas ylas reglas difusas. Cada conjunto difuso tiene unafunción de pertenencia correspondiente. Los rangosde los valores de la función de pertenencia oscilanentre cero y uno y pueden ser consideradoscomo un grado de verdad. Normalmente las funcionesde pertenencia de los sistemas de clasificacióndifuso son de forma trapezoidal, triangulary curva S [27].En el método propuesto en este documento, adiferencia de las funciones de pertenencia tradicionalmenteutilizadas en la literatura, se utilizanfunciones de pertenencia con distribución gaussiana,es decir, en forma de campana de Gauss.Así, si se considera x una característica de texturacualquiera que puede ser medida sobre unaimagen. Si μ es la media de los valores de x definidospara un conjunto de imágenes dentro deuna misma categoría (normal ó anormal) y σ es ladesviación estándar del conjunto de valores de x.Se define el conjunto difuso con una distribucióngaussiana y la función de pertenencia, normalizadapuede ser expresada como se observa en (6):Los parámetros μ y σ se utilizan para definir condetalle las funciones de pertenencia a las clasesnormal o anormal para cada una de las medidasde textura calculadas. Sin embargo, si el númerode imágenes de entrenamiento es pequeño, losvalores de μ y σ pueden no reflejar las verdaderascaracterísticas del conjunto de imágenes propiasde una de las clases.Para el proceso de clasificación se generan inicialmentelas funciones de pertenencia calculandolos valores de μ y de σ usando los valores delas características de textura definidas. Así se generandiez funciones de pertenencia, cinco paracada una de las características de textura para elcaso normal y cinco para cada una de las cincocaracterísticas de textura para el caso anormal.En el método propuesto se utilizan reglas difusassimples del tipo:Regla i: Si x 1es C i1y…, x mes C iMentonces y esw idonde i es el número de la regla analizada (coni =1,2,...,N para N reglas), x 1,...,x Mson variables deentrada para el clasificador difuso, y es la salidadel clasificador difuso, c i1,...,c iMson etiquetas difusascorrespondientes a las variables de entrada, yw ies un número real del consecuente de la regladifusa.Las siguientes son las dos reglas usadas en eltrabajo investigativo descrito:Regla (1): Si el valor de energía es la media delos valores de energía de los casos normales y elvalor de contraste es la media de los valores decontraste de los casos normales y el valor de sumapromedio es la media de los valores de suma promediode los casos normales y el valor del momentode diferencia inversa es la media de los valoresde momento de diferencia inversa de los casosnormales y el valor de diferencia de varianza es lamedia de los valores de diferencia de varianza delos casos normales, entonces el caso es clasificadocomo normal con 99.9% de certeza.Regla (2): Si el valor de energía es la mediade los valores de energía de los casos anormalesy el valor de contraste es la media de los valoresde contraste de los casos anormales y el valor desuma promedio es la media de los valores de sumapromedio de los casos anormales y el valor del momentode diferencia inversa es la media de los valoresde momento de diferencia inversa de los casosanormales y el valor de diferencia de varianzaes la media de los valores de diferencia de varianzade los casos anormales, entonces el caso es clasificadocomo anormal con 99.9% de certeza.Estas dos reglas se pueden observar gráficamenteen la Fig. 3.Para el proceso de defusificación se utiliza elmétodo de centro de gravedad tradicionalmenteutilizado [22]. La función utilizada en la parte delconsecuente del sistema de decisión difuso, es untriángulo isósceles normalizado, es decir, cuyo valormáximo es la unidad, como se puede observaren la Fig. 3

124ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127Fig. 3. MODELO DE RAZONAMIENTO DIFUSO. REGLAS DIFUSASEl método de inferencia difusa se describe acontinuación:Si μ normal(Q 1), μ normal(Q 2), μ normal(Q 3), μ normal(Q 4) y μ normal(Q 5) son las respectivas funciones depertenencia con distribución gaussiana para elcaso normal y μ anormal(Q 1), μ anormal(Q 2), μ anormal(Q 3),μ anormal(Q 4) y μ anormal(Q 5) son las respectivas funcionesde pertenencia con distribución gaussianapara el caso anormal, la relación de tipo and enlas reglas difusas es el mínimo valor para μ normal(Q 1), μ normal(Q 2), μ normal(Q 3), μ normal(Q 4) y μ normal(Q 5)y para μ anormal(Q 1), μ anormal(Q 2), μ anormal(Q 3), μ anormal(Q 4) y μ anormal(Q 5) estarán definidos como:sado en lógica difusa son: los conjuntos difusos,las funciones de membresía o pertenencia difusasy las reglas difusas[27]. Cada conjunto difuso tieneuna función de pertenencia correspondiente.En el método propuesto se definen cinco variablesde entrada correspondientes a las medidasde las cinco características de textura de Haralickseleccionadas en la investigación, como se observaen la Fig. 4.Para cada una de las variables de entrada sedefinen dos funciones de pertenencia correspondientesa los casos normal y anormal.Debido a que el comportamiento de una característicade textura definida en cualquier imagenestá estadísticamente distribuida en forma gaussiana,las funciones de pertenencia se definen deacuerdo con (6).FIG. 4. SISTEMA DE DECISIÓN BASADO EN LÓGICA DIFUSAyFinalmente, se toma el centroide o centro demasa entre μ normaly μ anormal.Cuando μ normal=μ anormalse trata de un caso sobreel cual no se puede decidir y en el presentetrabajo de investigación se toma como una falla oerror de clasificación.IV. RESULTADOSComo se mencionó anteriormente los componentesprincipales de un sistema de decisión ba-En la Tabla II se relacionan los valores de lasmedias y desviaciones estándar para cada variablede entrada y para los casos normal y anormal. Unejemplo de una de las variables de entrada implementadascon sus dos funciones de pertenenciase puede observar en la Fig. 5.TABLA. II.Características de textura utilizadas y valores de media y desviación estándar calculados para el sistema de decisión difusoMediaDesviación EstándarCaracterística de Texturacaso normal caso anormal caso normal caso anormalSuma Promedio 7.2656 204.37 99.86 53.5Energía 0.13 0.00083 0.29 0.0014Diferencia de Varianza 49.17 140.44 52.87 29.54Momento de Diferencia Inversa 0.96 0.998 0.17 0.00043Contraste 49.17 140.44 52.87 29.54

Sistema de Decisión Basado en Lógica Difusa para la Detección de Distorsiones de la Arquitectura de la Glándula Mamaria - Gómez, Branch125FIG. 5. EJEMPLO DE LA VARIABLE DE ENTRADA DE LA CARACTERÍSTICADE CONTRASTE PARA EL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSO Y LAS FUNCIO-NES DE PERTENENCIA ASOCIADAS A LA MISMAgeneral es la probabilidad de que el diagnósticoemitido por el método sea correcto y acorde conla situación real del paciente [27].Las tres medidas del comportamiento se definende la siguiente manera:Posteriormente se definen las clases de salidadel sistema de decisión difuso implementado.Para este caso se definen los conjuntos anormaly normal como clases de salida del sistema paralos casos de presencia y no presencia de la distorsiónde la arquitectura de la glándula mamariarespectivamente.Los conjuntos de salida se representan comouna función en forma de triángulo isósceles comose observa en la Fig. 6.FIG. 6. CONJUNTOS DE SALIDA DEL SISTEMA DE DECISIÓN DIFUSOEn la Fig. 6 se observan las funciones de pertenenciadel conjunto de salida con las clasesnormal y anormal definidas. Para los casos conpertenencia a la clase anormal la salida estará enel rango [-1 0] y para los casos con pertenencia ala clase normal la salida estará en el rango [0 1].Finalmente, se define el sistema de decisióndifuso de tipo Mandani y se establecen las reglasdifusas definidas anteriormente.El comportamiento del método propuesto seevalúa en términos de la sensibilidad, especificidady precisión general. La sensibilidad es la probabilidadde un diagnóstico positivo dado el casode una paciente con distorsión de la arquitecturade la glándula mamaria. La especificidad es la probabilidadde un diagnóstico negativo dado el casode una paciente que no presenta distorsión de laarquitectura de la glándula mamaria. La precisióndondeVP=Verdadero PositivoVN=Verdadero NegativoFP=Falso PositivoFN=Falso NegativoCon la extracción de las características de texturade las ROI identificadas y la clasificación delas mismas con un sistema de decisión basado enlógica difusa para asociarlas a las clases anormalo normal según presentaran o no distorsión de laarquitectura de la glándula mamaria respectivamente,se encuentran valores significativos en laprecisión general del método.A continuación se relaciona en la Tabla III delos datos para las variables de comportamientodel método presentado en este documento.TABLA. III.Resultados del método de detección propuestoVP FP VN FN44 12 112 4A partir de los datos de la Tabla. III. se puedencalcular los siguientes valores para las variablesde comportamiento: Sensibilidad 91.7%, Especificidad90.3% y Precisión General 90.7%.Los tres valores obtenidos en las medidas decomportamiento del método propuesto superan el90% de precisión general lo cual hace de este métodouna herramienta de apoyo para la detecciónde distorsiones de la arquitectura de la glándulamamaria comparable con los trabajos publicadospor otros autores, sin embargo realizar un análisiscomparativo a niveles más detallados resulta bastantedifícil ya que en cada investigación reporta-

126ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 118 - 127da los conjuntos de datos e imágenes varían deun trabajo a otro.V. CONCLUSIONESLos resultados del desempeño del método demuestranque debido al grado de incertidumbreinmerso en los diagnósticos que se hacen a partirde las radiologías de mama, el uso de un sistemade decisión diferente a los clasificadores clásicosreportados en el estado del arte, como el casodel sistema de decisión basado en lógica difusaimplementado en el presente estudio, permite alcanzarniveles de precisión general cercanos a un90%. Lo cual, considerado que se utilizó una basede datos de dominio público, hace del métodopropuesto una línea base de investigación en eltema de la detección de distorsiones de la arquitecturade la glándula mamaria.Asimismo, el método presentado puede serusado en diferentes escenarios clínicos paradiagnóstico y seguimiento de patologías dondese presente alteración de la distribución normalde tejidos como, por ejemplo, en el tratamientoy evolución de quemaduras. Además, según losresultados obtenidos para la detección de la distorsiónde la arquitectura de la glándula mamaria,puede plantearse la extensión del método parala detección de otras anomalías de la mama quepueden ser vistas a través de la mamografía comolas micro-calcificaciones, las masas y las asimetríasde densidad.Por otra parte, aunque las pruebas realizadasmuestran resultados de precisión superiores al90%, es importante una segunda validación alutilizar, por ejemplo, un conjunto de imágenesdiferente a la base de datos DDSM que permitaevaluar con más precisión el comportamiento delmétodo propuesto.Siempre será deseable incrementar los porcentajesde sensibilidad, especificidad y precisióngeneral, en los sistemas de diagnóstico asistidopor computador. Por esta razón para trabajos futurosse podría realizar un proceso de afinaciónde las funciones de pertenencia propias de losconjuntos difusos propuestas en este documento,a través del afinamiento de los parámetros dedichas funciones de pertenencia al aplicar, porejemplo, algoritmos genéticos como se sugiere en[27].Finalmente, el método de detección de distorsionesde la arquitectura de la glándula mamariadesarrollado, resulta ser una base importantepara la investigación aplicada, ya que los resultadosobtenidos a nivel de precisión general hacenposible que se pueda llevar a un entorno real y encontraraplicación local o regional incluso ampliadoel alcance del mismo método, para que ademásde asistir a los radiólogos en el momento dela evaluación de las mamografías, también sirvacomo herramienta de entrenamiento de nuevosespecialistas y como instrumento para la mediciónde la calidad del servicio diagnóstico prestadopor los radiólogos ya expertos.REFERENCIAS[1] E. Coto, “Método de Segmentación de Imágenes Médicas,”2003.[2] Instituto Nacional de Cancerología, “Casos nuevos decáncer de mama, según estadio clínico al ingreso y régimende afiliación.” 2009.[3] F. R. Narváez E., “Sistema de Anotación para Apoyoen el Seguimiento y Diagnóstico de Cáncer de Seno,”Universidad Nacional de Colombia, 2010.[4] American College of Radiology (ACR), Breast ImagingReporting and Data System, 4th ed. 2003.[5] A. M. Knutzen and J. J. Gisvold, “Likelihood of malignantdisease for various categories of mammographicallydetected, nonpalpable breast lesions.,” in MayoClinic 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 distorsionesde la arquitectura de la glándula mamaria apartir de imágenes radiológicas,” Universidad Nacionalde Colombia, 2012.[8] M. D. Phillips, “Invasive Lobular Breast Carcinoma:Pathology And Genetics Reflected By MRI,” The World-Care 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 mammographicarchitectural distortion based on concentrationof mammary gland,” in International CongressSeries, 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, Branch127ring routine screening mammography: a communitybasedstudy,” 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, andH. N. Du, “Approaches for automated detection andclassification of masses in mammograms,” PatternRecognition, 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 breastcancer with mammography: Recent advances,” InformationTechnology in Biomedicine, IEEE Transactionson, Vol. 13, No. 2, pp. 236–251, 2009.[14] R. M. Rangayyan and T. M. Nguyen, “Fractal Analysis ofContours of Breast Masses in Mammograms,” Journalof 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 methodsfor architectural distortions around skinline and withinmammary gland on mammograms,” International CongressSeries, vol. 1256, no. 0, pp. 950–955, Jun. 2003.[22] T. Nakashima, G. Schaefer, Y. Yokota, and H. Ishibuchi,“A weighted fuzzy classifier and its application toimage processing tasks,” Fuzzy sets and systems, Vol.158, No. 3, pp. 284–294, 2007.[23] H. Ishibuchi and T. Nakashima, “Effect of rule weightsin 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, “TexturalFeatures for Image Classification,” IEEE Transactionson Systems, Man and Cybernetics, Vol. 3, No. 6,pp. 610–621, Nov. 1973.[25] M. Amadasun and R. King, “Textural features correspondingto textural properties,” IEEE Transactions onSystems, Man, and Cybernetics, vol. 19, no. 5, pp.1264–1274, Oct. 1989.[26] H. Tamura, S. Mori, and T. Yamawaki, “Textural FeaturesCorresponding to Visual Perception,” IEEE Transactionson Systems, Man and Cybernetics, Vol. 8, No. 6,pp. 460–473, Jun. 1978.[27] D.-Y. Tsai and K. Kojima, “Measurements of texturefeatures of medical images and its application to computer-aideddiagnosis in cardiomyopathy,” 2005.[16] N. Eltonsy, G. D. Tourassi, and A. Elmaghraby, “Investigatingperformance of a morphology-based CAD schemein detecting architectural distortion in screeningmammograms,” 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 studyon the computerized fractal analysis of architecturaldistortion in screening mammograms,” Physics inMedicine 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 priorscreening mammograms using Gabor filters, phaseportraits, fractal dimension, and texture analysis,”International Journal of Computer Assisted Radiologyand 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 mammogramsacquired prior to the detection of breast cancerusing texture and fractal analysis,” in Proceedingsof SPIE, 2008, Vol. 6915, p. 691529.[20] R. M. Rangayyan, S. Banik, and J. E. L. Desautels,“Computer-aided detection of architectural distortionin prior mammograms of interval cancer,” Journal ofDigital Imaging, Vol. 23, No. 5, pp. 611–631, 2010.[21] S. Russell, Inteligencia Artificial - Un Enfoque Moderno,2nd ed. 2004.

Control de Temperatura para un Sistema deTanques Acoplados utilizando Autómatas FinitosCoupled tanks system temperature control using finite automataNathalie Cañón ForeroIngeniero en Mecatrónica.Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.Auxiliar de Investigación.Universidad Militar Nueva Granada.U1800871@unimilitar.edu.coJenny Gutiérrez CalderónIngeniero en Mecatrónica.Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.Joven Investigador.Universidad Militar Nueva Granada.gav@unimilitar.edu.coDiego Rodríguez MoraIngeniero en Mecatrónica.Grupo de Investigación GAV. Bogotá, Colombia.Auxiliar de Investigación.Universidad Militar Nueva Granada.U1800941@unimilitar.edu.coDarío Amaya HurtadoPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.Docente de Tiempo Completo Líder de Grupo GAV.Universidad Militar Nueva Granada.Bogotá, Colombiagav@unimilitar.edu.coÓscar Avilés SánchezPh.D. Ingeniería Mecánica. Universidad Estatal de Campinas.Director de programa de MecatrónicaUniversidad Militar Nueva Granada.Bogotá, Colombiaoscar.aviles@unimilitar.edu.coResumen— En este trabajo se realizó, el modelado y diseñodel sistema de control de la variable temperatura,en un tanque de almacenamiento de agua. Teniendo encuenta la arquitectura híbrida del sistema (relación dela dinámica continua y la dinámica a través de eventos),para esto fue utilizado autómatas finitos como herramientade modelado y control.Inicialmente se obtuvo el modelo matemático, quecorresponde a la dinámica continua, de la variable detemperatura del líquido que se encuentra en el tanque,agua. Por otro lado, para modelar el comportamiento delas variables que responden en función de eventos, setomó en cuenta los posibles estados del sistema. Posteriormente,se establecieron los requerimientos y restriccionesdel sistema que surgieron a partir del análisis, loscuales complementan el comportamiento de la misma,se obtuvo la representación del proceso y su control, enun concepto de dinámica hibrida, mediante autómatasfinitos. Este modelo se simuló con la herramienta StateFlowde Simulink de MATLAB® y se implementó en unsistema embebido Cyclone II. Previo a estos resultados,se realizó un controlador tipo PID para realizar la comparaciónde los comportamientos obtenidos en cada caso.Se verificó que es una técnica de fácil uso e implementacióncon gran eficiencia en tiempos de respuesta.Palabras clave— Autómata Finito, Sistema Hibrido, sistemaembebido.Abstract— This work was performed, modeling and controlsystem design variable temperature in a water storagetank. Given the hybrid architecture of the system (ratio ofcontinuous dynamics and the dynamics through events),was used finite automata as a tool for modeling and control.Initially, the mathematical model was obtained, whichcorresponds to the continuous dynamic, variable temperatureliquid in the tank, which in this case is water.This model is described by differential equations. Onthe other hand, for model the behavior of the variablesthat respond in terms of events was taken into accountthe possible states of the system. However, the developmentrequirements and restrictions system that emergedfrom the analysis, which complement the analysisof the same, obtaining the representation of the processand control, a dynamic hybrid concept, using automatafinite. This model was simulated with Stateflow toolof MATLAB ® Simulink and implemented in a Cyclone IIembedded system. Prior to these results, we performeda PID controller for the comparison of the behavior obtainedin each case. Verifying that the technique is easyto use and implement with high efficiency in responsetimes.Keywords— Finite automaton, hybrid systems, embeddedsystem.I. INTRODUCCIÓNUn sistema hibrido es un sistema dinámicoque tiene transferencia en estados discretos y variaciónen estados continuos. El comportamientodinámico de la parte continua se describe por mediode 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,Aviles129tras que el comportamiento dinámico de la partediscreta, se puede modelar por autómatas finitoso por redes Petri [1]. Cuando ocurre un evento discreto,el sistema describe el cambio dinámico delcomponente continuo [2].El análisis del comportamiento dinámico delsistema hibrido se puede verificar bajo ciertascondiciones iniciales y señales de entrada y verificasi el sistema cumple con ciertas reglas. Lossistemas híbridos son usados, por ejemplo, en losmodelos de procesos continuos que son controladospor controladores lógicos o sistemas embebidos[3].Al usar modelos híbridos para representar elcomportamiento de los sistemas que combinanprocesos de tipo continuo o discreto, se hace unareducción de la complejidad del modelo en orden,por ejemplo, en lugar de tener que representar lasrelaciones dinámicas a partir de un conjunto deecuaciones diferenciales no lineales de orden superior,se puede representar el mismo sistema porun conjunto de ecuaciones simples, usualmentela teoría de grafos es la más común para el modeladofísico de fenómenos. [4]Con el fin de tener un buen control sobrelos distintos procesos en las industrias y otrasáreas, ha sido necesario diseñar e implementardiferentes técnicas que permitan acceder a unmanejo completo de las situaciones, entornosy maquinarias. Una de las prácticas que ha empezadoa tener gran auge dentro de los métodospara realizar control en diferentes áreas, es elcontrol por medio de autómatas finitos. Este esun método que permite disponer una máquina deestados que tiene la tarea de controlar determinadoseventos [5].Los autómatas finitos simples implícitamentese han utilizado en las máquinas electromecánicashace más de un siglo. Una versión formal deellas apareció en 1943 en McCulloch-Pitts modelosde redes neuronales. (Un análogo antes habíaaparecido en las cadenas de Markov.) Un trabajointensivo sobre ellos en la década de 1950 (a vecesbajo el nombre de las máquinas secuenciales)estableció muchas propiedades básicas, incluidala interpretación de los lenguajes regulares y equivalenciade las expresiones regulares [6].Los autómatas se comenzaron a implementaren las áreas que requiriesen de procesos coneventos o características discretas, en donde estatécnica resulta más útil y sencilla. Otro espacio enel que se usa esta metodología es en los sistemasde analizadores sintácticos, en donde el uso deexpresiones regulares es masivo, esta es otra delas características principales de los autómatas[7].Sin embargo, esta técnica también se aplicaampliamente en el análisis y modelado de sistemashíbridos, donde la reducción en la complejidaddel orden de dicho modelo es muy notoria, deahí la importancia de su utilización. [8]Un autómata finito es básicamente un reconocedorpara un lenguaje, donde se tiene comoentrada una cadena de caracteres pertenecientesa cierto sistema alfabético definido previamente y,luego de acuerdo a esa cadena de entrada el autómataprocede a llevar una secuencia de eventoscondicionados por los estados y sus respectivasentradas [9]. Un autómata finito es el modelo quees representado como una máquina secuencial,el cual es capaz de generar una palabra de salidadada una palabra de entrada. Para ello, se defineun conjunto de estados que “memorizan” la partede la palabra de entrada leída en cada momentoy generan al mismo tiempo que transitan entre losestados, una salida. Se puede ver como un autómataque tiene dos cintas asociadas: una quelee las palabras de entrada, y otra de salida, enla que genera la respuesta del sistema. Pasa deun estado a otro, o al mismo estado, por medio deuna condición y este ciclo se termina cuando llegaal estado final [10].Surge la necesidad de aplicar nuevas técnicasde control e implementación del mismo, que permitaalcanzar un mayor desarrollo en distintas ramasde la ingeniería y las ciencias en general. Elmétodo de los autómatas finitos representa unasimplificación en comparación con las técnicasusadas en el control clásico, y la implementaciónen el sistema embebido implica una reducción decostos con respecto a la utilización de un computador,y un aumento de confiabilidad en relación asistemas como los Microcontroladores [11].Un sistema embebido es un sistema cuyafunción principal no es computacional, pero escontrolado por un computador integrado. Estecomputador puede ser un Microcontrolador o unMicroprocesador. La palabra embebido implicaque se encuentra dentro del sistema general,

130IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134oculto a la vista, y forma parte de un todo de mayoresdimensiones [12]. La Fig. 1 muestra el esquemade un sistema embebido.Fig. 2. CAD DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUAFig. 1. EJEMPLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO [10]De acuerdo a lo anterior se plantea el objetivode controlar la variable temperatura de un sistemade tanques acoplados mediante autómatasfinitos, y con esto, implementar luego el controlsobre un sistema embebido. Este trabajo explicarála metodología, el diseño global, la implementacióncon los resultados obtenidos de aplicaciónde la técnica de autómatas finitos.Fig. 3. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA SIN CONTROLII. MÉTODOA. Comportamiento real de la plantaPor medio del método experimental, se dará aconocer de forma clara la descripción de la plantade tanques acoplados. Este sistema consta deun tanque de almacenamiento que contiene unfluido, y es donde se lleva a cabo un proceso decalentamiento y enfriamiento del agua.Esta planta consta de un tanque, una resistencia,y un sensor, ver Fig. 2, los cuales llevana cabo el proceso. Las variables a controlar sontemperatura y flujo de calor. Los aspectos que setienen en cuenta en el análisis son los parámetrosdel sistema: la resistencia y la capacitanciatérmica.El comportamiento que muestra la planta ensu estado inicial, sin ningún tipo de control esel que se ve en la Fig. 3. Allí se observa que latemperatura del agua dentro del tanque subeaproximadamente hasta los 100 grados Celsius(siendo el eje vertical el valor en grados de latemperatura), donde el sistema se estabiliza.Acorde al comportamiento de la planta, se buscaque la respuesta de la variable temperatura oscileentre 75 y 76°C, y que se mantenga allí por eltiempo sea necesario. El fluido dentro del tanquetiene una altura aproximada de 0.20m.B. Modelo matemático del sistemaParte ContinuaPara el modelo del sistema térmico se tomó encuenta la ecuación diferencial de transferencia decalor (1).En donde q ies la entrada de flujo de calor queinduce la resistencia dentro del tanque, C es lacapacitancia del tanque, R es la resistencia del

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya,Aviles131material que va a cubrir el fluido, y θ es la temperatura.R está definida, como en (2).El comportamiento del sistema cuando la resistenciaestá encendida, por consiguiente en (9)se define:El sistema analizado por convección térmica,por lo tanto K, se define en (3)El análisis se basa en la transferencia de calorde la resistencia hacia el agua, el fluido adicionaparámetros al sistema, y estos se relacionan enla Tabla I.Masa (m)TABLA I.PARÁMETROS DEL FLUIDODATOS DE EL AGUA CONTENIDA EN EL TANQUEPARA UNA ALTURA DE 0.20 mCoeficiente de Convención del fluido (H)Área normal del flujo de calor (A)14.72kg32.76 kcal / m 2 s °C0.36308m 2Según lo anterior, el valor para la resistenciaR es (4):De acuerdo a los datos obtenidos, se determinaque la capacitancia C es (5):Parte DiscretaLos estados discretos del sistema son:• Estado de la resistencia del tanque encendida(S1)• Estado de la resistencia del tanque apagada(S2)C. AUTÓMATA FINITOEn el diseño del autómata finito se crean losdos estados en los que se desea que esté el sistema.Se considera que el autómata empieza a funcionarcuando la temperatura inicial sea de 21ºC,lo que indica que esta en el estado S1, dentro deéste la resistencia está encendida, y la ecuaciónque describe el comportamiento del sistema en(9), cabe resaltar que la temperatura del liquidodel tanque se incrementa en el estado S1. Cuandola variable alcanza un valor de 75ºC, el sistemacambia al estado S2, la resistencia se apaga y, porende, la ecuación del comportamiento correspondea (8) y la temperatura desciende. Los estadossimulados en Matlab ® se muestra en la Fig. 4.Fig. 4. AUTÓMATA PARA EL SISTEMA TÉRMICOEl 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 sistemaestá perdiendo calor, se representa la ecuación(7):El comportamiento del sistema está descritopor la ecuación (8):De acuerdo a la condición de la temperaturadel medio, el sistema cambia de estado, así semantiene que la variable temperatura oscile de75 y 76 grados Celsius en tanque de almacenamiento.Para la simulación del autómata, se usa Chart,es una herramienta de la librería de Simulink deMatlab ® que permite la simulación de los estados,como se muestra en la Fig. 5.En el bloque de funciones (off/on) se introdujeronlas ecuaciones de la parte continua que estánen función de , se integran por medio delbloque .

132IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134Fig. 5. MODELADO DE AUTÓMATA FINITOD. CONTROL PIDDe acuerdo con el modelo de la parte continua,se realizó el control PID del sistema térmico,cuya función de transferencia se muestra en laecuación (10)En el bloque de Chart en la Fig. 6 se introduceel autómata y se evalúa si el estado es encendidoo apagado.Se obtuvieron las siguientes constantes en 11:k p=15k i=0,6k d=1,6(11)Se simuló en la misma herramienta. ObservarFigura 8.Fig. 8. CONTROLADOR PID MODELADO EN SIMULINK DE MATLAB ®Fig. 6. BLOQUE DE CHARTLa respuesta del sistema con el controladorPID es sub-amortiguada, como se muestra en laFig. 9.Fig. 9. RESPUESTA DEL SISTEMA TÉRMICO CON CONTROLADOR PIDLa respuesta del sistema térmico con el controlde autómatas finitos se observa en la Fig. 7.Fig.7. SISTEMA CONTROLADO POR AUTÓMATAS FINITOSIII. IMPLEMENTACIÓN EN EL SISTEMAEMBEBIDOEl control diseñado por autómatas finitos parael tanque de almacenamiento, se implementó enuna FPGA Cyclone II de Altera ®. Esta tarjeta tienela facilidad que tiene su propio software llamadoQuartus II, y trabajó bajo el lenguaje de programaciónVHDL. En este sistema es necesario realizaruna secuencia para programar el sistema embebidoque se muestra en el Diagrama 1.

Control de Temperatura para un Sistema de Tanques Acoplados utilizando Autómatas Finitos - Cañón, Rodríguez, Gutiérrez, Amaya,Aviles133DIAGRAMA 1. SECUENCIA DE DISEÑO EN FPGADe acuerdo a las etapas definidas, se realiza lasíntesis, la compilación del código y se convierteen el lenguaje de acuerdo a la tarjeta que se utiliza.Ver Fig. 11.Fig. 11 SÍNTESIS DE PROGRAMADebido a la aplicación no se realizó la divisiónen módulos ya sea en top-dow y buttom-up. Estametodología consiste, en donde el diseño complejose divide en diseños más sencillos que sepueden describir más fácilmente. Mientras quela metodología bottom – up consiste en construirun diseño complejo a partir de módulos, ya diseñadosmás simples. En la práctica, el diseño usageneralmente ambas metodologías [13].Los datos procedentes del tanque de almacenamientoa la tarjeta, se tienen tanto los digitales(on/off de la resistencia) como los análogos, quese obtiene de la señal linealizada del sensor PT100 que tiene una variación de 2,095 V (75 ° C)y 2,340 V (21 ° C), el voltaje y la temperatura soninversamente proporcional.El sistema embebido no tiene conversor ADC, locual fue necesario anexar un integrado ADC0804,la implementación se muestra en el esquema dela Fig. 10. Con el conversor se obtiene una señalde 8 bits. Debido a que el cambio es pequeño,se decidió usar como referencia 2,45 V para unamayor sensibilidad. Una vez digitalizado el dato,se procede en realizar el programa. Se crea unaseñal de salida que dará ON/ OFF de la resistenciatérmica. 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 ADC0804Se procede a hacer la designación de los pines,con Pin Planner (Ver Fig. 12), que permite direccionarcada componente de los vectores.Fig. 12. PIN PLANNERPara la asignación de pin de salida, se muestraun ejemplo en la Fig. 13, el cual indica que la resistenciadebe encenderse.Fig. 13. EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE PINES EN PIN PLANNER

134IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 128 - 134Luego se enruta los pines anteriormente seleccionados,y se genera los archivos con los que seva programar el sistema embebido. Una vez realizadoeste procedimiento se implementa el controlen tarjeta.Como se muestra en la Fig. 14, en el sistemaembebido para este caso en el tanque hay unatemperatura de 66°C y como lo indica el led decolor verde la parte inferior derecha de la tarjeta,la resistencia térmica está encendida.Fig. 14. FPGA EN FUNCIONAMIENTOoptimizados para resolver un problema en específico.IV REFERENCIAS[1] Zhang Si-Bing, Chen Jie, Wang Ya. “A formal verificationmethod of hybrid system and simulation”, in Proc.3 rd IEEE International Conference on Computer Scienceand Information Technology (ICCSIT). Conf., pp.411-415[2] R. Alur, T. Henzinger, G. Lderriere, and G. Pappas. DiscreteAbstractions of hybrid systems. In Proceedingsof IEEE, volume 88, pages 971-984, 2000.[3] Nedialkov N. Mohrenschildt M. “Rigorous Simulationof Hybrid Dynamic Systems with Symbolic and IntervalMethods”, in Proc. American Control Conference, Proceedingsof the 2002. Conf., pp 140-147.[4] Fourlas F., Kyriakopoulos K., Vournas C. “Hybrid systemmodeling for power system”, IEEE Circuits andSystems Magazine, Vol. 4, no. 3, pp 16-23. Oct. 2004[5] Alberto M., Schwer I., Cámara v., Fumero Y. MatemáticaDiscreta: Con aplicaciones a las ciencias de la programacióny computación, Argentina, Ed. UNL, 2005.[6] WOLFRAM S. Anew Kind of Science, Estados Unidos,Ed. Wolfram Media; 2002.IV. CONCLUSIONESLa representación del proceso se realizó, teniendoen cuenta la interacción de la dinámicacontinua y la dinámica a través de eventos, utilizandoautómatas finitos.El control implementado por autómatas finitos,permitió reducir el número de orden de la ecuacióndiferencial, lo que facilita el análisis del sistema.Se realizó satisfactoriamente la implementacióndel control ON/OFF de la resistencia térmicadel tanque de almacenamiento, que comparadocon el controlador PID el tiempo de respuesta esmás efectivo.Con la simulación realizada se comprueba queen los sistemas híbridos, se puede implementar elautómata finito, y se observa que el cambio de estadodel sistema discreto muestra el cambio o elcomportamiento de la variable continua que parael caso es la temperatura.La implementación del control por autómatasfinitos en un sistema embebido, no es necesariodedicar un computador para controlar un sistema,ya que estos están específicamente diseñados y[7] HOPCROFT J., MOTWANI R., ULLMAN J. Introducción ala teoría de autómatas, lenguajes y computación, España,Ed. ADDISON-WESLEY; 2002.[8] CRUZ B., LARA E. Control híbrido de un sistema electromecánicode llenado de botellas. En Congreso Nacionalde Control Automático A.M.C.A, Universidad Autónomade Nuevo León, Monterrey, 24-26 Oct. 2007.[9] Cruz B., Avilés J., Lara E. “Diseño de un controladorbasado en el modelo del autómata híbrido”, Revistaacadémica 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”, RevistaAcadémica de la FI-UADY, Vol.10, no.2, pp. 5 15.May/ Ag. 2006[11] Hrúz B., Zhou M. Modeling and control of discrete-eventdynamical systems, Londres, Ed. Springer-Verlag, 2007[12] Wilmshurst T. An Introduction to the Design of SmallScale 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 Ingenieríadel Software: Modelos de desarrollo de programas,España, Ed. Delta Publicaciones, 2005.

Instrucciones a l os a utoresRevista ITECKNEInstrucciones Generales• Los artículos deberán ser enviados en formato digital al correo electrónico e-mail: iteckne@gmail.com.Los trabajos se aceptan para la publicación previo proceso de revisión de su calidad académica ycientífica.• Todo artículo postulado para publicación debe ser original o inédito, y no puede estar postulado para publicaciónsimultáneamente en otras revistas. En la página web de la Revista Iteckne se halla disponible ladeclaración de originalidad y cesión de derechos, que los autores deberán diligenciar y enviar al ComitéEditorial, junto con el artículo. La revista Iteckne requiere a los autores que concedan la propiedad de susderechos 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 elnúmero 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 cualquiertecnología, 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 rechazadosin 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 rechazarun trabajo es definitiva e inapelable.• Los trabajos pueden ser rechazados en esta primera evaluación porque no cumplen con los requisitosde redacción, presentación, estructura o no son suficientemente originales y/o pertinentes con la publicacióna editar. Los trabajos que son aceptados en esta primera etapa, son enviados a los paresacadémicos externos (árbitros) expertos en el área respectiva, cuyas identidades no serán conocidaspor 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 versióncorregida para lo cual disponen del tiempo que le indique el Comité Editorial. Los autores deben remitirla nueva versión con una carta física o correo electrónico en la que expliquen detalladamentelos cambios efectuados, de acuerdo con las recomendaciones recibidas. El Editor junto con el ComitéEditorial determinarán su aceptación, considerando el concepto de los evaluadores y las correccionesrealizadas por el(los) autor(es).• Los árbitros realizarán la evaluación de acuerdo al formato correspondiente establecido por la revistay 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 argumentosque 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 artículopodrá 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 publicaciónen otros medios. El contenido de cada artículo es responsabilidad exclusiva de su(s) autor(es)y no compromete a la Universidad.

136IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 135 - 137Forma de Presentación de los Artículos.Todos los documentos postulantes a ser publicados deberán tener las partes requeridas y cumplir conlos apartados descritos a continuación:De las partes del documentoEl documento debe contener: Titulo, Title, Autor (es), Resumen, Palabras clave, Abstract, Keywords, Introducción,Contenido del documento, Conclusiones, Apéndice(s), Agradecimientos, BibliografíaDe la redacciónPara lograr un buen estilo se recomienda respetar rigurosamente la sintaxis, la ortografía y las reglasgramaticales pertinentes. Se debe redactar en forma impersonal (la forma impersonal corresponde a laforma reflexiva, por ejemplo: se hace, se define, se definió, se contrastó). El trabajo debe estar exento deerrores dactilográficos, ortográficos, gramaticales y de redacción. Para resaltar, puede usarse letra cursivao 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 textocomienza 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 de25 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 sedesea 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 lasconclusiones del documento. Los agradecimientos, apéndices y referencias bibliográficas, no son consideradascomo Secciones numeradas del documento.• Las tablas deberán llevar numeración continua, comenzando en Tabla I., referenciando posteriormentesu título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la tabla con tabulacióncentral, en tipo de letra Arial, tamaño 8. (Ver plantilla revista Iteckne).• Las Figuras deberán llevar numeración continua, comenzando en Fig. 1. referenciando posteriormentesu título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la figura, con tabulacióncentral, en tipo de letra Arial, tamaño 8. Nótese que “Fig.” se ha escrito abreviada y hay dobleespacio antes del texto.• Las figuras incluidas en el contenido del artículo deben ser originales, suficientemente claras, parafacilitar la edición de la revista.• Todas las figuras deben ser enviadas por separado en formato jpg con una resolución entre 240 y 300dpi (puntos por pulgada).• Las tablas y figuras del documento, deberán ir referenciadas en el cuerpo del artículo. Dicha referenciadebe 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 enumeradasconsecutivamente (Número entre corchetes [1], y con el siguiente formato:

Instrucciones a los autores Revista ITECKNE137Artículos de revistas científicasAutor(es), Nombre de la publicación, Título de la revista, Volumen, Número, páginas y año. Deben iren fuente Arial, Tamaño 7.Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution systemprotection,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.LibrosAutor, Nombre del libro, Edición, Editorial, Año, páginas.Ejemplo: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, vol. I. New York: Wiley, 1950, p. 81.• En cuanto a las abreviaturas y símbolos, deben utilizarse solo abreviaturas estándar, evitando utilizarlasen el título y el resumen. El término completo representado por la abreviatura debe preceder dichaabreviatura 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 Arial10, 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 JournalGeneral instructions• The articles must be sent in digital format to the following email address: iteckne@gmail.com. Theiracademic 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 forpublication simultaneously in other journals. The declaration of originality and copyright assignmentis available in the Iteckne Journal webpage. The authors must sign it and send it to the PublishingCommittee, along with the article. The Iteckne journal requires the authors to grant the property oftheir author’s rights, so that their article and materials are reproduced, published, edited, fixed, communicatedand publicly transmitted in any form or means, as well as their distribution in any requirednumber of units and their public communication, in each of their modalities, including putting them atthe disposal of the public through electronic, optical or any other means of technology, for exclusivelyscientific, cultural, broadcasting and nonprofit aims.• The Publishing Committee makes a first evaluation, after which the work can be rejected without anyadditional evaluation or accepted for evaluation of the external academic pairs. The previous statementdoes not assure the immediate publication of the article. The decision to reject a work is definitive andunquestionable.• 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, theevaluating 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 theauthor/s along with the recommendations from the referees so that he/they prepare a new correctedversion within the time indicated by the Publishing Committee. The authors must send the new versionwith a physical letter or an e-mail in which they explain in detail the changes made, in accordance withthe received recommendations. The Publisher along with the Publishing Committee will determine itsacceptance, 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 thejournal and they will only publish the articles with over 35 points in the qualitative qualification scalefrom 1 to 50.• The authors will always be informed about the results of the process of evaluation that sustain the decisionof 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, incase 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 theirauthors and not the University’s.

Instructions to the authors, ITECKNE Journal139Presentation of ArticlesAll articles applying to be published must have the requirements described below:Concerning the parts of the documentThe document must contain: Title, Author/s, Summary, Abstract, Keywords, Introduction, Content of thedocument, Conclusions, Appendix (s) Acknowledgements, BibliographyConcerning the writingIn order to obtain a good style it is recommended to respect the syntax, spelling and grammar rulesrigorously. 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; leftand right, 25 mm.• The document must be in two-column format with a central space of 4.3 mm (see template in Itecknejournal).• 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 conclusionsof the document. The acknowledgements, appendices and bibliographical references, are notconsidered as numbered sections in the document.• The tables will take continuous numbering, beginning with Table I., referencing afterwards their title, inall 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, inall caps, located at the top part of the figure with center tab, in Arial 8. Note that " Fig." has been writtenabbreviated 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 thejournal.• Every Figure and Table included in the paper must be referred to from the text (Source: XXX). Thesereferences 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 betweensquare brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal):

140IITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 - 1798 • Diciembre 2012 • 138 - 140Articles for scientific journals:Author/s, Name of the publication, Title of the journal, Volume, Number, pages and year. They mustgo in Arial 7.Example: J.F. Fuller, E.F. Fuchs, and K.J. Roesler, “Influence of harmonics on to power distributionsystem 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 themin the title and the summary. The complete term represented by the abbreviation must precede thisabbreviation 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 Microsoftequation editor.• The article must have a minimum of 4 pages and a maximum of 20 pages, in the format establishedby the journal.