SISTEMAS & TELEMÁTICA · con sistemas humanos a través de la Web (WESST - HS) 25 Lady J. Guerra Chávez Javier A. Lenis Trujillo Andrés Adolfo Navarro Newball Jorge Alberto Vélez

1SISTEMAS& TELEMÁTICA

Arquitecturas tecnológicas y modelos de negocio para unoperador de Hotspots inalámbricos WI-FI.Caso estudio: modelo tecnológico y de negocio de la redinalámbrica Pwlan de banda ancha de EmcaliTelecomunicaciones E.I.C.E. 13Andrés Felipe MillánClaudia ZúñigaGloria P. VarelaSandra L. MurilloHéctor F. CastilloAlfredo Escandón

Entorno para la visualización y la prácticacon sistemas humanos a través de la Web (WESST - HS) 25Lady J. Guerra ChávezJavier A. Lenis TrujilloAndrés Adolfo Navarro NewballJorge Alberto Vélez Beltrán

Public-Resource Computing:Un nuevo paradigma para la computación y la ciencia 37Juan David Osorio Betancur

Análisis, modelamiento y simulación de redesenmalladas basadas en el estándar 802.16-2004 45Roberto Bustamante MillerRoberto Carlos Hincapié Reyes

Desarrollo de herramienta E-learning degestión del conocimiento para el mejoramientode la educación básica, secundaria y media vocacionalen Colombia 61Álvaro Hernán Bueno CastilloAlexandra Gómez

Estudio cualitativo de arquitecturasorientadas a computación móvil 81Mónica Aydé Vallejo VelásquezJosé Edinson Aedo Cobo

2 SISTEMAS& TELEMÁTICA




INGENIERÍA DE SISTEMAS E INGENIERÍA TELEMÁTICA

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EL EDITOR



Fecha de recepción: 05-09-2005 Fecha de aceptación: 28-11-2005

Arquitecturas tecnológicas y modelos denegocio para un operador de Hotspots

inalámbricos WI-FI.Caso estudio: modelo tecnológico y de

negocio de la red inalámbrica Pwlan debanda ancha de Emcali

Telecomunicaciones E.I.C.E.Andrés Felipe Millán

Universidad Santiago de CaliDirector de COMBA I+D

Claudia Zúñiga, Gloria P. Varela,Sandra L. Murillo, Héctor F. Castillo

Universidad Santiago de CaliInvestigadores asistentes de COMBA I+D

Alfredo EscandónEMCALI E.I.C.E

ABSTRACTThis paper presents technology archi-tectures and business models in wire-less hotspot Wi-Fi service providersmarket. Besides to describe a busi-ness and technology model for Broad-band Wireless Network (RIBA) ofEMCALI Local Service Provider, thiscould be implemented in the WirelessHotspots Colombian Providers.

RESUMENEste documento presenta las princi-pales arquitecturas tecnológicas y mo-delos de negocio de operadores de te-lecomunicaciones en el mercado dehotspots inalámbricos Wi-Fi. Ademásse detalla una propuesta de un mode-lo aplicado a la iniciativa denomina-da Red Inalámbrica de Banda Ancha(RIBA) del operador local EMCALI Te-lecomunicaciones E.I.C.E., que podríaser aplicado en los operadores de hots-pots inalámbricos colombianos.

PALABRAS CLAVEArquitecturas tecnológicas. Hotspotsinalámbricos. Modelos de negociopara operadores. Redes inalámbricasIEEE 802.11. Redes WLAN. RedesWLAN públicas (PWLAN). Wi-Fi.

Clasificación Colciencias: B

KEY WORDSBusiness Model for Service Provider.IEEE 802.11 Wireless Networks. Pu-blic Wireless LAN (PWLAN). Techno-logy Architecture. Wi-Fi. WirelessLocal Area Networks (WLAN). Wire-less Hotspots.


INTRODUCCIÓNLas redes inalámbricas basadas en elestándar IEEE 802.11, conocidas co-mercialmente como redes Wi-Fi, es-tán creciendo de manera aceleradadentro de las empresas; según Info-netics Research el 38% de las gran-des empresas de los Estados Unidosy 20% del Reino Unido han adoptadoestas redes para mejorar la conecti-vidad de sus organizaciones. Al igualque en las empresas, las redes ina-lámbricas locales públicas (PWLAN- Public Wireless Local Area Net-work), también denominadas “hots-pots inalámbricos”, proliferan en cen-tros comerciales, aeropuertos, hote-les y cafeterías de países desarrolla-dos de Europa, al igual que en Amé-rica del Norte.

Un hotspot inalámbrico Wi-Fi es unsitio público donde se permite el ac-ceso inalámbrico a servicios informá-ticos (WWW, correo electrónico, co-nexión VPN a redes corporativas,películas, juegos, etc.) a cualquierusuario usando dispositivos móvilescomo portátiles, PDA o teléfonos in-teligentes, mediante redes inalámbri-cas IEEE 802.11 certificadas por laalianza de interoperabilidad Wi-Fi.IDC Gartner estima la cantidad dehotspots inalámbricos públicos en elmundo en 90.000 en el 2004 y pro-yecta que estos sitios de conexiónpública crecerán a 250.000 en el 2007.En Colombia se desconoce la cifraexacta de hotspots inalámbricos, aun-que varias operadoras como ETB yAvantel han anunciado proyectospara desplegar estas redes en el país.Sin embargo, la escasez de dispositi-vos móviles con capacidad de co-nexión inalámbrica en las manos delos usuarios colombianos, en conjun-to con la falta de cultura tecnológica

de hotspots inalámbricos en sitiospúblicos por parte de propietarios yadministradores de estos estableci-mientos, hacen necesaria la implan-tación de una arquitectura tecnoló-gica y un modelo de negocio para ope-radores de hotspots Wi-Fi flexible yviable para Colombia.

Este documento está dividido en cua-tro partes; la primera detalla los di-ferentes tipos de hotspots inalámbri-cos, la segunda presenta algunas delas arquitecturas tecnológicas de ope-radores PWLAN más utilizadas, lue-go se presentan los principales mo-delos de negocio que pueden permi-tir a los operadores lograr un retornoa la inversión positiva de sus inver-siones en redes PWLAN y por últimose propone un modelo para los ope-radores colombianos teniendo encuenta los requerimientos de losusuarios y la infraestructura de lasempresas de telecomunicaciones.

CLASIFICACIÓN DE LOSHOTSPOTS INALÁMBRICOSPÚBLICOS WI-FISe pueden clasificar los hotspots ina-lámbricos en dos criterios: el tiempode permanencia de la red PWLAN yel interés comercial de los sitios.Usando el primer criterio, los hots-pots inalámbricos pueden ser perma-nentes o fijos, como grandes redesPWLAN en aeropuertos y hoteles, otemporales, por ejemplo cuando seinstala un hotspot inalámbrico portres días en un centro de convencio-nes durante un evento.

La Tabla 1 resume la clasificaciónbasada en el segundo criterio, es de-cir, en el interés comercial de la ex-plotación económica del hotspot ina-lámbrico público.


Tabla 1. Clasificación de los hotspots inalámbricos públicos Wi-Fi, según elinterés comercial de los sitios instalados.

Hotspot público Distribución Administración EjemplosWi-Fi de ingresos del hotspot

1.Hotspot El operador y el Operador Aeropuerto,comercial dueño del sitio hotel, centrode operador de común de convenciones

acuerdo

2.Hotspot Dueño del sitio Dueño del sitio Cafeteríacomercialindependiente

3.Hotspot No hay ingresos Dueño del sitio Centrocomercial comercialgratis

4.Hotspot No hay ingresos Agencia Parque, museocomunitario gubernamental

o local sin ánimode lucro

Esta investigación hace referencia alas arquitecturas tecnológicas y losmodelos de negocio de hotspots co-merciales Wi-Fi de operador perma-nentes o temporales, aunque existeun modelo de negocio denominadohíbrido que ofrece hotspot comercia-les gratis, con la contraprestación deobservar publicidad por algunos mi-nutos.

ARQUITECTURASTECNOLÓGICAS PARAHOTSPOT PÚBLICO WI-FI DEOPERADORLos componentes tecnológicos de laarquitectura de red para hotspots pú-blicos Wi-Fi de operador (Ver las Fi-guras 1 y 2) incluyen:

• Los hotspots inalámbricos Wi-Fi en sí mismos.

• Las redes WAN/MAN para laconexión con el operador pue-

den ser privadas o a través deinternet, utilizando tecnolo-gías que usan medios de trans-misión de cobre (xDSL, RDSI),coaxial (HFC), fibra (FTTx) oredes inalámbricas (LMDS,WiMAX).

• El centro de datos del operadordonde se localizan los servido-res de seguridad, gestión, ser-vicios agregados y facturación.

• Las redes corporativas LAN alas cuales se pueden conectarlos usuarios remotos desde elhotspot público Wi-Fi usandouna solución segura VPN.

Las arquitecturas tecnológicas parahotspot Wi-Fi de operador se puedensubdividir en:

La arquitectura tradicional (Ver Fi-gura 1) donde el sitio Wi-Fi incluyelos puntos de acceso inalámbricos, un


switche o hub para la interconectivi-dad, un enrutador para su conexióna la red internet o la red WAN priva-da y un controlador de acceso de red(NAC) que permite controlar el acce-so de manera distribuida. Existe unavariación de esta arquitectura tradi-cional que es completamente centra-lizada, la cual carece del controladorde acceso de red.

La arquitectura “HotSpot in the box”(Ver Figura 2) que consiste en un

punto de acceso inalámbrico Wi-Fique tiene características de switche,enrutador y controlador de acceso(este último componente es opcionalsi se quiere un control de acceso dis-tribuido). Esta arquitectura simplifi-ca las tareas de administración y dis-minuye los costos de instalación deun hotspot público Wi-Fi.

La Tabla 2 resume una comparaciónentre las dos arquitecturas tecnoló-gicas de hotspots Wi-Fi.

Figura 1. Arquitectura tradicional de hotspots Wi-Fi, con gestión de accesodistribuido y administración de red centralizada.

Figura 2. Arquitectura “HotSpot in the box”, de hotspots Wi-Fi, con gestiónde acceso y administración de red centralizada.


Tabla 2. Comparación entre las arquitecturas tecnológicas de hotspots pú-blicos Wi-Fi de operador.

Arquitectura tradicional

Ideal para hotspts muy grandes,con muchos puntos de acceso Wi-Fi;por ejemplo: centros comercialesgrandes, aeropuertos, universida-des

Los hotspots Wi-Fi son predomi-nantemente fijos y el área de cober-tura es grande

La inversión del operador esgrande

En el mismo sitio puede haber va-rios operadores de hotspots públi-cos Wi-Fi

Arquitectura HotSpotin the Box

Ideal para hotspots pequeños, porejemplo: cafeterías, restaurantes.

Los hotspots Wi-Fi son predominan-temente temporales y el área de co-bertura es pequeña

La inversión del operador es media-na o baja

Un solo operador de hotspots Wi-Fien el área de cobertura

Los operadores de redes PWLAN ne-cesitan desarrollar infraestructurasflexibles que soporten muchos servi-cios actuales y sean adaptables a losservicios futuros. En una red, estaflexibilidad se traduce en que losusuarios pueden acceder y usar elhotspot Wi-Fi fácilmente, permitien-do a los usuarios ingresar a la redPWLAN sin una configuración o soft-ware “especial” de cliente.

Algunos servicios que pueden pres-tar los operadores de hotspots públi-cos Wi-Fi son:

• Internet: Acceso, Hosting, Chat,Correo electrónico, transferenciade archivos.

• Juegos electrónicos en red

• Multimedia: Música, Ring To-nes, Películas

• Aplicaciones móviles usandoredes GPRS/Wi-Fi: WAP, Men-

sajería Instantánea, M-Commer-ce, M-Learning

• Voz: Telefonía corporativa o inter-conexión con sistemas de telefo-nía móvil

• Aplicaciones específicas: Por-tales Web personalizados, vigilan-cia inalámbrica, impresión ina-lámbrica, etc.

MODELOS DE NEGOCIODE OPERADORES HOTSPOTSPÚBLICOS WI-FIEn el pasado, pensar en una soluciónde conectividad inalámbrica en unsitio público parecía “ciencia ficción”,pero con el crecimiento de la canti-dad de hotspots Wi-Fi y la ampliaaceptación de los usuarios de las tec-nologías inalámbricas en sus portá-tiles, teléfonos o PDA, el negocio dehotspots públicos Wi-Fi se está con-virtiendo en una tecnología emergen-


te para los operadores que deseanrealizar inversiones en solucionesinnovadoras y rentables.

La cadena de valor agregado del ne-gocio de hotspots públicos Wi-Fi tie-ne una gran variedad de actores, locual implica que el operador de red oel operador del servicio de redesPWLAN debe estar abierto a interac-tuar con terceros constantemente, sidesea lograr un modelo de negocioque ofrezca un buen retorno a la in-versión. Una de las interacciones másimportantes es la relación de nego-cios entre varios operadores, el ope-rador de servicios requiere de un ope-rador de red que instale y mantengalas infraestructuras PWLAN, los ope-radores de otras tecnologías ofrecensoluciones sin desconexión e integra-das que son la tendencia actual entecnología para operadores de teleco-municaciones. Por otro lado, la rela-ción operador de servicio y dueño delsitio genera ingresos para ambas par-tes y promueve nuevas oportunida-des de negocio a través de la innova-ción tecnológica. La Figura 3 ilustrala cadena de valor agregado del ne-gocio de hotspots públicos Wi-Fi.

Los operadores PWLAN deben ejecu-tar algunas estrategias de negociospara lograr un negocio rentable, en-tre ellas están:

• Capturar localizacionesatractivas: El operador debe pre-ocuparse por realizar contratoscon los sitios más visitados porusuarios móviles, por ejemplo:aeropuertos, hoteles, y centroscomerciales.

• Ofrecer una cobertura nacio-nal o internacional: El opera-dor a través de acuerdos de ser-vicio con otros operadores ofrece

roaming nacional o internacional.El operador local intenta ofrecerun servicio ampliamente disponi-ble para los usuarios.

• Costo efectivo: El operador debelograr un mayor ARPU sin sacri-ficar la calidad de servicio alusuario. Por el contrario, el ope-rador entiende que debe ofrecermayor ancho de banda en loshotspots públicos que en la conec-tividad tradicional desde la casadel usuario.

Teniendo en cuenta estas estrategiasy la cadena de valor agregado del ne-gocio, los operadores pueden escogerentre una amplia variedad de mode-los de negocio para sus servicios dehotspots públicos Wi-Fi. La Tabla 3resume los más importantes modelos.

PROPUESTA DE UNAARQUITECTURATECNOLÓGICA Y MODELO DENEGOCIO PARA LA REDINALÁMBRICA PWLAN DEBANDA ANCHA DE EMCALILa operadora EMCALI Telecomunica-ciones ha brindado cobertura tradi-cionalmente a la ciudad de Cali y al-gunos municipios aledaños, con ser-vicios de telefonía pública básica, da-tos corporativos, internet, entre otros.Los objetivos del proyecto de red ina-lámbrica PWLAN de banda ancha deEMCALI son:

• Lograr mayor cobertura en áreasdifíciles de cablear de la ciudadde Cali y municipios aledaños,para ofrecer a estos nuevos usua-rios servicios de internet y telefo-nía pública básica.

• Generar servicios innovadorespara los usuarios móviles en si-


tios públicos, dando valor agrega-do e ingresos tanto a la empresacomo a los dueños del sitio.

Teniendo en cuenta los objetivos deloperador y las características delmercado de banda ancha en Colom-bia, se propone una arquitectura tec-nológica y de negocios viable y flexi-ble para la red RIBA, que incluye (Ta-bla 3):

• La integración tecnológica de so-luciones xDSL + hotspots Wi-Fi,fortaleciendo los servicios de úl-tima milla de xDSL del operadoren conjunto con la flexibilidad dela cobertura inalámbrica de loshotspots Wi-Fi. (Se puede ofrecerun producto a los clientes que in-cluya ambas tecnologías).

• Una arquitectura de “Hotspot inthe Box” para los hotspots ina-lámbricos del operador usando

gestión de acceso y administra-ción centralizada, que permitaajustarse a los requerimientos desitios pequeños o medianos de lasprincipales ciudades colombianasy a la simplicidad en el uso debi-do a la falta de una cultura tec-nológica madura entre los usua-rios y dueños de los sitios poten-ciales.

• Mejor calidad de servicio y asig-nación de ancho de banda para losusuarios de hotspots inalámbri-cos que para los usuarios conmu-tados residenciales.

• Una combinación de los modelosde negocio para PWLAN, queofrece a los usuarios planes de in-ternet más el servicio de hotspotspor una cuota adicional baja o detarjetas prepago basadas en eltiempo de uso.

Figura 3. Cadena de valor agregado de los negocios de operador de hotspotspúblicos Wi-Fi.


Tabla 3. Modelos de negocio más importantes para operadores de hotspotspúblicos Wi-Fi.

Modelo de negociode redes PWLAN Descripción

El operador ofrece los serviciosde acceso a internet, correoelectrónico, etc., por una cuo-ta mensual con contratosanuales o mensuales. El due-ño del sitio recibe una comisiónpor cada usuario conectado ocada usuario que se suscriba.

Ejemplo

T-Mobile ofrece un servicionacional con contrato anualpor una mensualidad de U$29.99 y si el contrato es men-sual el costo por mes es deU$39.99

Por suscripción

El operador ofrece los serviciosde acceso a internet en hots-pots públicos Wi-Fi como unservicio añadido para sus sus-criptores de redes de cable ocobre. Es una variación del mo-delo por suscripción.

Los usuarios pueden mante-ner sesiones conectadas en di-ferentes redes inalámbricas,por ejemplo: GPRS y Wi-Fi.Este modelo ofrece un serviciode datos móviles sin desco-nexión, lo cual plantea el másgrande potencial de retorno ala inversión en redes PWLAN

Swisscom ofrece a sus sus-criptores movilidad en su redUMTS/ GPRS / PWLAN.

Más ARPU para usuarios yaconectados

Integración con otros opera-dores de otras tecnologías ointegración de diferentes re-des inalámbricas

El operador ofrece el serviciogratis en contraprestación aque el usuario visualice pági-nas de publicidad por algunosminutos. Es un modelo que nosolo beneficia al operador, sinoal dueño del sitio promovien-do sus servicios y productos.

Híbrido M-Travel.com ofrece por verpáginas de publicidad, sesio-nes de internet gratuito por15 minutos.

El operador ofrece la conecti-vidad por tiempo: por hora opor día. El dueño del sitio reci-be una comisión por cadausuario conectado.

Wayport para sus clientes enhoteles ofrece una tarifa deU$9.95 por una noche con co-nexión Wi-Fi, cargado a lacuenta.

Por tiempo

Hotspozz ofrece tarjetas de 1hora (U$ 2.95) o 24 horas (U$7.95)

El operador ofrece tarjetas pre-pago por varios días, un día ovarias horas. El dueño del si-tio recibe una comisión por laventa de la tarjeta prepago.

Prepago

SBC ofrece acceso a redesPWLAN a sus suscriptoresactuales DSL por solo U$1.99más al mes.


• En conjunto con la academia y lasempresas de emprendimiento, eloperador debe promover serviciospersonalizados para los sitios conhotspots Wi-Fi lo que incluye por-tales Web, soluciones de comer-cio electrónico, aplicaciones depague por ver, etc.

• Un programa comercial que pro-mueva una cadena de valor agre-gado donde empresas integrado-ras Wi-Fi de terceros estén inte-resadas en generar negocios y eje-cutar funciones de diseño, imple-mentación y mantenimiento delos hotspots Wi-Fi.

• Un plan de incentivos y comisio-nes para los dueños de sitios eintegradores de soluciones Wi-Fique promuevan el interés por loshotspots Wi-Fi dentro de la comu-nidad.

• Se requiere de alianzas en el ám-bito nacional (ejemplo: ETB,EPM) e internacional (Ej: iPass)que permitan movilidad para losusuarios

• Ampliar la divulgación de los ob-jetivos de la red y su modelo tec-

nológico y de negocios entre lacomunidad.

5. CONCLUSIONES YPROYECTOS FUTUROSEsta propuesta fue realizada por el gru-po de investigación COMBA I+D enconjunto con el personal de Ingenieríade la Gerencia de Teléfonos de EMCALITelecomunicaciones, en el marco delproyecto de una red inalámbricaPWLAN de banda ancha de EMCALI.Este proyecto demuestra que es viablerealizar trabajos interinstitucionalesdesde la academia, que beneficien demanera práctica a las organizacionesdel sector productivo del país.

El grupo investigador pudo compro-bar el estado actual de las arquitec-turas tecnológicas y modelos de ne-gocio de operadores de hotspots Wi-Fi, lo cual generó una propuesta tec-nológica y de negocios que puede serviable para los operadores de teleco-municaciones colombianos, en espe-cial teniendo en cuenta las tenden-cias de integración entre varios ope-radores con los mismos propietarios,como por ejemplo E.T.B., E.P.M. yColombia Móvil.

Figura 4. Arquitectura tecnológica de hotspots inalámbricos para la red RIBAde EMCALI.


El grupo investigador detectó la ne-cesidad de promover la creación y for-talecimiento de operadores de red quese encarguen de realizar labores deingeniería como la construcción desitios de prueba o Site Survey, la ins-talación y posterior mantenimientode las infraestructuras PWLAN, quepermitan a los operadores de servi-cio como EMCALI ofrecer el servicio dehotspot público Wi-Fi como una alter-nativa de valor agregado en su por-tafolio comercial a sus clientes, sinrequerir una gran cantidad de perso-nal entrenado y altos costos en en-trenamiento y trabajo en campo.

El grupo de investigación COMBAI+D teniendo en cuenta los resulta-dos de esta investigación ha iniciadodos proyectos que favorecerán la pro-liferación de redes PWLAN en Colom-bia. El primero consiste en desarro-llar una plataforma de software quepermita ofrecer portales para los ope-radores de hotspots públicos Wi-Fi enel modelo híbrido o modelo de ingre-sos por publicidad. El segundo, enconjunto con otras instituciones uni-versitarias del Valle del Cauca y Par-queSoft dentro del ConsorcioI2COMM (Consorcio para la Investi-gación en Computación Móvil), queconsiste en el desarrollo de un siste-ma universal para clientes con dis-positivos móviles que permita porta-bilidad entre redes Wi-Fi/ GPRS /CDMA/WiMAX.

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10. Wi-Fi Market Information andStatistics. Hotspotzz Networks.2003.

CURRÍCULOSAndrés Felipe Millán. Ingeniero de

Sistemas de la Un iversidad Iceside Cali. Máster en Sistemas de re-des y Comunicaciones, Universidadpolitécnica de madrid, España

Proferos titular de la universidadSantiago de Cali. Jefe del área deredes y Telemática de la Facultadde ingeniería de la universidad


Santiago de Cali. Director del gru-po de investigaciones COMBA I+D.

Claudia Liliana Zuñiga. Ingenie-ra de sistemas y telemática de launiversidad Santiago de Cali. In-vestigadora asistente del grupode investigación COMBA I+D.Coordinadora del SIG Wireless-COMBA de la universidad San-tiago de Cali.

Gloria Piedad Varela. Ingeniera desistemas y telemática de la uni-versidad Santiago de Cali. Inves-tigadora asistente del grupo de in-vestigación COMBA I+D.

Sandra Lorena Murillo. Ingenierade sistemas y telemática de launiversidad Santiago de Cali. In-vestigadora asistente del grupode investigación COMBA I+D.




Entorno para la visualización y la prácticacon sistemas humanos a través de la Web

(WESST - HS)

Lady J. Guerra ChávezPontificia Universidad Javeriana: Calle 18 No. 118-250 Cali-Colombia

e-mail: [email protected]@puj.edu.co

Javier A. Lenis TrujilloPontificia Universidad Javeriana: Calle 18 No. 118-250 Cali-Colombia

e-mail: [email protected]@puj.edu.co

Andrés Adolfo Navarro Newball, MScPontificia Universidad Javeriana: Calle 18 No. 118-250 Cali-Colombia

e-mail: [email protected] de Telemedicina de Colombia: Carrera 103 No. 12C50, I 3

e-mail: [email protected]

Jorge Alberto Vélez Beltrán, MDCentro de Telemedicina de Colombia: Carrera 103 No. 12C-50, I 3

e-mail: [email protected]

ABSTRACTThis paper presents the developmentof a Web Environment for SurgicalSkills Training on Human Systems(WESST - HS). WESST - HS was con-ceived in order to satisfy the need tohave a generic specification of an or-gan which could be further usedwithin a surgical simulation. The ini-tial goal was reached and surpassed;at the end, it was found that in medi-cine is better to treat organs like sys-tems and that WESST - HS could beused independently. The generic spe-cification is included in a web ena-bled Java application that lets theuser interact with system’s and part’sinformation like shape, size, weight

and color. Also, it is possible to dis-play, scale, rotate and translate athree dimensional (3D) representa-tion of the human systems from a file.This article is a description of the ele-ments analyzed and developed in allthe stages of the project.

KEY WORDSMedical education, organ, telemedi-cine, surgical simulation, virtual rea-lity.

RESUMENEste artículo presenta el desarrollode un entorno Web para la prácticade habilidades quirúrgicas en siste-mas humanos (WESST - HS), conce-


bido con el fin de satisfacer la nece-sidad de una especificación genéri-ca de órganos humanos que pudieraser utilizada en una simulación qui-rúrgica. La meta inicial fue alcan-zada y superada; al final, se encon-tró que en medicina es mejor tratarlos órganos como sistemas y queWESST - HS podía ser utilizado in-dependientemente. La especificacióngenérica está incluida en una apli-cación Java accesible vía Web quepermite al usuario interactuar conla información de los sistemas y delas partes tales como forma, tama-

ño, peso y color. Además, es posibledesplegar, escalar, rotar y trasladarla representación tridimensional(3D) de los sistemas humanos desdeun archivo. Este artículo da una des-cripción de los elementos analizadosy desarrollados en todas las etapasdel proyecto.

PALABRAS CLAVEEducación médica, órgano, telemedi-cina, simulación quirúrgica, realidadvirtual.

Clasificación Colciencias: A


1. INTRODUCCIÓNEste trabajo presenta el análisis, di-seño e implementación de una herra-mienta que permite interactuar vir-tualmente con visualizaciones en 3Dde sistemas del cuerpo humano; ade-más, de conocer el manejo de las ca-racterísticas físicas básicas de losmismos. WESST - HS, que se deno-mina así de su nombre en inglés WebEnvironment for Surgical Skills Tra-ining on Human Systems, que es unaaplicación desarrollada en tres capas.Aquí, la capa física es la encargadadel almacenamiento de la informa-ción, la capa lógica maneja el proce-samiento de la información y la capade interacción es la que permite a losusuarios realizar sus peticiones. Porotra parte, en computación gráficaexisten diferentes métodos y especi-ficaciones para el modelado de obje-tos 3D. Para la implementación deWESST - HS se eligió la representa-ción de malla poligonal y el VirtualReality Modeling Language (VRML).La primera es la estructura quemuestra de manera eficiente las for-mas y el último es un formato que seha definido para el almacenamientode formas 3D. Finalmente, el resto dela información junto con el núcleo dela herramienta, es obtenida median-te la utilización de bases de datos yprocesada en un ambiente Orienta-do a Objetos.

1.1. Representación de objetos 3Dcon mallas poligonalesModelar objetos en tercera dimensiónno es una tarea sencilla, sin embar-go, a través de los años se han esta-blecido y mejorado técnicas de cómohacer representaciones más reales.Parte del buen desempeño de la re-presentación depende del uso que se

le quiera dar y de lo que se necesitevisualizar. Algunos de los factoresimportantes a tener en cuenta en larepresentación visual de objetos son:

• La estructura de datos que repre-senta los puntos de la forma, elprocesamiento y el diseño del pro-grama.

• El costo de procesar un objeto.

• La apariencia final del objeto.

• La facilidad o la complejidad deeditar la forma del objeto.

En la representación poligonal demallas, los objetos son representadospor una red de superficies poligona-les planas, en donde varios vérticesdefinidos en el espacio son unidos porlíneas que a su vez forman polígonos.Este esquema aproxima eficiente yfácilmente la superficie del objeto quese representa, por esta razón es muyutilizado, (Ver Figura 1).1

Figura 1. Representación poligonal.


1.2. Transformaciones geométricasen 3DEn tercera dimensión existen tres ti-pos básicos de transformaciones quepermiten manipular los objetos. Latraslación admite incrementos y dis-minuciones en movimiento relaciona-dos con el eje seleccionado. La rota-ción permite giros en el mismo senti-do y en sentido opuesto al de las ma-necillas del reloj. El escalamiento pro-pone incrementos y disminuciones enel tamaño del objeto. Aquí, hacer unatransformación implica un productomatricial o una secuencia de trans-formaciones individuales.2

1.3. Especificaciones pararepresentar objetos en terceradimensiónHasta el momento no existe un únicoestándar de software gráfico para larepresentación de objetos en tres di-mensiones. Los formatos 3D estánmás relacionados con la realidad vir-tual y lo que se almacena en los ar-chivos son escenas formateadas en 3Dcon información sobre el objeto. Es-tos formatos pueden llegar a ser muycomplejos. Algunos lenguajes brindanla descripción a base de texto, mien-tras que otros son binarios y necesi-tan un programa que permita desci-frarlos. VRML está formado por ins-trucciones independientes de plata-forma y extensibles; además, mane-ja el concepto de nodo, que lo hacefácil de utilizar. 3 La Figura 2 mues-tra el código VRML necesario paraproducir la malla poligonal de untriángulo.

1.4 Antecedentes de aplicacionesLas tecnología de información hansido aplicadas muchas veces en con-texto médico, particularmente en

anatomía. El proyecto el HumanoVisible, de la Biblioteca Nacional deMedicina de los Estados Unidos, hapermitido el estudio detallado de laanatomía humana de manera local yremota utilizando dispositivos comocascos de realidad virtual que permi-ten la visualización 3D de los diferen-tes sistemas humanos;4 por otra par-te, la simulación quirúrgica ha con-tribuido enormemente a la educaciónmédica;5,6 por ejemplo, el proyecto li-derado por el Centro de Telemedici-na de Colombia, en el que participanla Universidad Icesi, llamado el WES-ST - OT (Web Environment for Sur-gical Skills Training on Otolaryngo-logy) y financiado en parte por la Pon-tificia Universidad Javeriana, favo-reció la creación de un entorno de te-lesimulación que permite la prácticade la habilidad de orientación reque-rida para la cirugía endoscópica enotorrinolaringología.7 Inicialmente,en este proyecto se busca una contri-bución de WESST - HS, de maneraque sistemas humanos normales yanormales relacionados con procedi-mientos de otorrinolaringología pue-dan ser incluidos en el entorno deWESST - OT.

coor Coordinate {

point [

0.0 0.0.0.0,

1.0 0.0.0.0,

0.5 1.0.0.0,

]

}

coordIndex [0, 1, 2, 0, -1,]

Figura 2. Malla poligonal de untriángulo en VRML.


1.5. Clasificación de sistemas delcuerpo humanoUn órgano es una parte de un apa-rato o entidad morfológica formadapor tejidos con una función bien de-finida. Por otra parte, un sistema oaparato es un conjunto de elemen-tos (órganos) que relacionados entresí constituyen una unidad funcionalorientada a determinada finalidad.Partiendo de lo anterior, en el pro-yecto se habla de sistemas y partes(órganos) y no solamente de órganos.En el mundo de la medicina, los sis-temas son a su vez unidades delcuerpo humano que cumplen funcio-nes especializadas, aun cuando es-tán formados por diversas partes,tejidos, y se apoyan en otros elemen-tos. Hasta el momento se han clasi-ficado los sistemas humanos de lasiguiente manera:8

• Anatómicamente. Estudiando laestructura y relaciones de y en-tre los organismos (tamaño, color,forma y consistencia).

• Dependiendo del tipo. En térmi-nos generales se habla de huesos,glándulas, tejidos y vísceras.

• Dependiendo del sistema al cualpertenece sin olvidar los subsiste-mas incluidos enellos; por ejemplo:sistemas digestivo yrespiratorio.

• Fisiológicamente,es decir, estudian-do las funcionesque desempeñan,como por ejemplo:secreción en el sis-tema visual y con-tracción en el cora-zón.

• Patológicamente. Estudiando lasenfermedades y su curso normal.

2. EL DESARROLLODE WESST - HS

2.1 AnálisisPara el análisis de este proyecto seeligió la metodología orientada a ob-jetos, debido a que el entorno estácompuesto por un problema y por ele-mentos del ambiente real. Para co-menzar, se realizó el modelo de reque-rimientos y a partir de los mismos seinició con el modelo de datos y obje-tos que resultó clave al momento dedefinir los componentes a tener encuenta para que la herramienta fue-ra genérica, permitiese establecerparámetros, clara a la hora de reali-zar la implementación y fácil de usar.En la Figura 3 se observa el modelode datos y objetos resultante. Aquí,el resultado del modelo funcional esel de beneficiar estrictamente a laspersonas vinculadas al área de lamedicina, como médicos, estudiantesde medicina y en general personascon interés en esta ciencia; así, se in-cluyeron dos tipos de usuario: espe-cialista en medicina, el cual tiene elsuficiente conocimiento para utilizary administrar la aplicación de mane-ra que pueda orientar a otros usua-rios y al aprendiz de medicina.9

Figura 3. Modelo de datos y objetos.

WESST - HS incluye además las cla-ses que se describen en la Tabla 1.9


Tabla 1. Clases de WESST - HS

Clase Descripción

Inicio Esta clase es la puerta de entrada al entorno, permitevalidar el estado de un usuario tanto en la aplicacióncomo en las sesiones y además hace el llamado a laclase principal que a su vez es quien hace la represen-tación visual y funcional de gran parte de la aplicación.

Principal Es la clase en la que se establecen todas las posiblesopciones a las que el usuario puede acceder, tenien-do en cuenta el rol que éste desempeñe dentro de laaplicación. El método más importante de esta clasees llamado por la clase inicio para la visualizacióndel entorno. Esta clase usa los métodos que estable-cen en los paneles quienes acceden a la informaciónde la base de datos y a los métodos de VistaJ3D parala visualización de las formas.

VistaJ3D Es la clase más importante en la aplicación, se encar-ga de ejecutar funciones para el modelado y manipu-lación en pantalla de los sistemas y partes de estudioen 3D. Sus funciones son llamadas en la clase princi-pal en el momento de una visualización. Se relacionacon sistema y parte por que las especificaciones delmundo están registradas en un archivo cuyas rutasse encuentran almacenadas en estas clases.

Paquete Panel Este paquete contiene las clases que accederán a lascaracterísticas físicas de un sistema, un sistema deestudio, una parte o una parte de estudio, lo cual de-pende de las necesidades de la aplicación.

Mouse Esta clase representa el dispositivo que el usuarioutiliza para interactuar con las opciones disponiblesen la aplicación. Por medio de este dispositivo se pue-den realizar acciones comunes como presionar el bo-tón derecho o el izquierdo.

Teclado Esta clase representa el otro dispositivo con el que elusuario ingresa información relacionada con la apli-cación.

ConexiónBD Permite a la aplicación abrir y cerrar la conexión conla base de datos. Las operaciones en las clases siste-ma base, sistema, parte base, parte, pregunta, eva-luación y usuario utilizan las acciones básicas de basede datos, a saber: crear, consultar, actualizar y bo-rrar.


Tabla 2. Base de datos de WESST - HS

Tabla Descripción

Usuario Almacena los usuarios y la información de ellos comonombre y apellido. Tiene en cuenta los diferentestipos de usuario que pueden interactuar con la apli-cación, además proporciona información de si unusuario está activo o no en determinado momento.

Sistema Base Representa genéricamente las características idea-les de todos los sistemas que componen el cuerpohumano insertados en la aplicación. Es decir, quetodo sistema que vaya a ser insertado debe teneruna base que sería la que posteriormente haría po-sible la realización de abstracciones y conclusiones.

Sistema Representa una instancia no necesariamente idealde un sistema específico, ya sea un paciente o unestudio que se esté realizando; por lo tanto, debeestar ligado estrictamente a un sistema base queseguidamente oriente el análisis de la información.

Parte Base Almacena las características ideales de las partesque conforman un sistema. Una parte base debe es-tar asociada a un sistema base.

Parte Mantiene las características físicas de las partes deun sistema de estudio.

2.2 DiseñoEl proyecto se abordó mediante la di-visión global del mismo en tres capas.La capa física específica, el modelo dealmacenamiento de datos y el hard-ware de procesamiento de imágenes.La capa lógica define la estructura delproyecto y los procedimientos necesa-rios para la manipulación de la infor-mación. La capa de interfaz modelala interacción del usuario con la apli-cación,9 (Ver Figura 4).

Figura 4. Modelo de capas.

Por otra parte, la base de datos deWESST - HS contiene diez tablas quese describen en la Tabla 2.9

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2.3 ImplementaciónPara implementar el entorno se uti-lizó el lenguaje de programación Javay su librería Java 3D y el motor debase de datos MySQL. Por otra par-te, se empleó el cargador CyberX3Dpara Java10 que permite de manerageneral leer, escribir y manipular ar-chivos fácilmente con escenas quecontienen especificaciones VRML.

3. RESULTADO

3.1 El entorno WESST - HSLa Figura 5 muestra la interfaz deWESST - HS, la cual se diseñó demanera que fuera fácil de utilizar porel usuario final. Aquí, existe un menúen la parte superior, en donde se en-

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cuentran todas las operaciones que sepueden realizar en la aplicación. Ade-más, hay un lienzo en la parte infe-rior izquierda, que despliega un ár-bol en donde aparece el sistema deestudio y las partes que lo componen;en este árbol se despliega un menúpopup al hacer click izquierdo sobrecualquier elemento dentro del mismo,así, es posible realizar todas las ope-raciones correspondientes al subme-nú de selección en la parte superior.También, al lado derecho existe unalona en donde son desplegadas la in-formación de las partes o sistemas(Figura 5, derecha) y la representa-ción 3D del elemento propuesto en elárbol de selección al lado izquierdo(Figura 5 izquierda).

Evaluación Guarda la información relacionada con el examenque un usuario en determinada sesión puede reali-zar para medir sus conocimientos respecto a un sis-tema estudio, basándose en el sistema y las partesbase a los que esté asociado. Está ligado con el siste-ma base evaluado y con el usuario que realiza laevaluación.

Pregunta Sirve para insertar y consultar preguntas y respues-tas relacionadas con un sistema base incluido en labase de datos. Esta información solamente puedeser insertada por un usuario profesional.

Tipo de Usuario Ayudan a controlar parámetros de los tipos defini-dos en la aplicación, de tal forma que esta no se veaafectada en caso de algún cambio.

Tipo de Parte

Perfilde Sistema

Tabla Descripción


3.2 Prueba de validaciónLa prueba de validación preliminarde WESST - HS se realizó con la co-laboración de tres médicos. Aquí, parapoder evaluar la funcionalidad de laaplicación se establecieron los si-guientes criterios:

• Contribución en el campo de lamedicina (Cont).

• Interfaz adecuada y amigabilidadhacia el usuario final (Int).

• Velocidad de respuesta de la apli-cación (Vel).

• En cuanto a visualización, calidady realismo de las formas en tresdimensiones (Vis).

• Manipulación adecuada de lasformas (Man).

• Clasificación y enfoque del proble-ma inicial (Enf).

• Información proporcionada por laaplicación (Inf).

Figura 5. Interfaz de aplicación WESST - HS

• Potencial de la aplicación (Pot).

Teniendo en cuenta los resultados dela encuesta, en cuanto a los criteriosde evaluación y las especificacionesde prueba, se obtuvieron las califica-ciones que se muestran en la Tabla3; aquí, 1 es una calificación baja y10 una calificación excelente.9

4. DISCUSIÓN• Con las pruebas realizadas se con-

firmó que la herramienta elabora-da permite de manera amigable lavisualización y manipulación delos sistemas humanos en terceradimensión, así como el almacena-miento y despliegue de la informa-ción física de los mismos, lo cualfacilita el aprendizaje y entrena-miento en anatomía. Se evidenciaun gran potencial de utilización dela aplicación, así como un adecua-do enfoque, sin embargo, el des-empeño en términos de velocidaddebe ser mejorado.

Tabla 3. Validación preliminar de WESST - HS

Cont Int Vel Vis Man Enf Inf Pot

9 8,6 4,6 7,3 9,3 7,3 8,6 8,6


• Se logró crear una herramientagenérica y eficiente para la visua-lización, manipulación y estudiode sistemas del cuerpo humanoaprovechando las ventajas queofrece el diseño cliente-servidor yla facilidad de la metodologíaorientada a objetos. Sin embargo,es necesario realizar un plan depruebas de desempeño de la apli-cación para definir los requeri-mientos mínimos de ejecución dela misma.

• Aunque desarrollada en el con-texto del estudio anatómico, laabstracción de “sistemas y par-tes” para la implementación deWESST - HS, permite que conpocas modificaciones en la inter-faz gráfica, el entorno pueda serutilizado en otros campos de co-nocimiento y con objetivos dis-tintos. Así, cualquier sistema decuyas partes se tenga el archivode representación 3D en forma-to VRML, puede ser incluido enla aplicación sin limitación al-guna.

• La modularidad de la implemen-tación garantiza que las recomen-daciones planteadas se realicensin grandes inconvenientes. Estose debe a que el método de pro-gramación orientada a objetos,junto con el lenguaje Java consti-tuyen una forma adecuada de di-señar y desarrollar aplicacionesdel mundo real.

• La utilización de archivos con es-tándar VRML para la represen-tación de partes y sistemas 3D enla aplicación es una opción senci-lla de solución en WESST - HSpara el almacenamiento de ma-llas 3D.

• Después de realizar consultas yanálisis con personas vinculadasa la rama de la medicina, se con-cluyó que enfocar la aplicaciónpara manejar órganos médicos noera lo más adecuado y que seríamás significativo trabajar con ladefinición de sistemas humanos,ya que un órgano es solo una delas partes que interactúan paraque un sistema humano funcionecorrectamente. Finalmente, deacuerdo con lo evaluado con losmiembros del grupo de investiga-ción Destino de la UniversidadJaveriana y del Centro de Tele-medicina de Colombia, se decidióadoptar esta denominación parael planteamiento de trabajos fu-turos. Este es un logro importan-te alcanzado durante la fase deanálisis del proyecto.

• La escogencia del formato de al-macenamiento de mallas VRMLfacilita la inclusión o fusión deWESST - HS con otros proyectosdesarrollados actualmente en elgrupo Destino, pues es este el for-mato que se ha tomado como es-tándar por parte de sus integran-tes. Además, la abstracción de sis-temas humanos lograda en WES-ST - HS puede permitir la inclu-sión de variaciones anatómicas enWESST - OT

• Es necesario implementar el mó-dulo de evaluación de sistemasque se definió en la etapa de di-seño de la aplicación. En el futu-ro se espera que WESST- HS so-porte la definición de sistemas ysubsistemas de manera recursi-va. Por otra parte y, con el fin debrindar mayor entendimiento alos usuarios de WESST - HS,


resultaría conveniente proporcio-nar varias vistas de diferentessistemas al tiempo. También, se-ría muy interesante y significa-tivo permitir la visualización deanimaciones en la aplicaciónpara un mejor estudio de los com-portamientos de los sistemas hu-manos.

AgradecimientosA los doctores Carlos A. Gamboa,Antonio José Reyes, Aranda y Velas-co, por su decidido apoyo.

Gamboa C, Reyes AJ. Virtual Sur-gical Telesimulations in Otolaryn-gology. Studies in Health Techno-logy and Informatics. Vol. 111.2005. p. 353 - 355.

8. Viatusalud. Diccionario Médico.http:/ /www.viatusalud.com/diccionario.asp. Visitado 2004.

9. Guerra LJ, Lenis JA. Análisis ydiseño de sistema para la visua-lización y manipulación de órga-nos médicos a través de la Web.Tesis de Pregrado, Facultad deingeniería, Pontificia Universi-dad Javeriana - Cali. 2005.

10. Satoshi Konno. CyberX3D. http://java3d.j3d.org/utilities/loaders/vrml/cybervrml.html. Visitado2004.

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2. Watt A. 3D Computer Graphics.Addison Wesley: New York. 2000

3. Ames A, Nadeau DR, MorelandJL. VRML 2.0 Sourcebook. JohnWiley & sons: 1997.

4. Dev P, Senger S. The Visible Hu-man and Digital Anatomy Lear-ning Initiative. Studies in Heal-th Technology and Informatics.Vol. 111. 2005. p. 108 - 114.

5. Westwood JD, Hoffman HM,Robb RA, Stredney D. MedicineMeets Virtual Reality 05/13: TheMagical Next Becomes The Me-dical Now. IOS Press: Amster-dam. 2005.

6. Robb RA. The Virtualization ofMedicine: A Decade of Pitfalls andProgress. Studies in Health Tech-nology and Informatics. Vol. 85.2005. p. 1 - 7.

7. Navarro AA, Hernandez CJ, Vé-lez JA, Múnera LE, García GB,

CURRÍCULOSLady J. Guerra Chávez. Ingeniera

de Sistemas y Computación egre-sada de la Pontificia UniversidadJaveriana en Cali. Perteneció algrupo de investigación Destino dela Facultad de Ingeniería duran-te el desarrollo de su trabajo degrado.

Javier A. Lenis Trujillo. Ingenierode Sistemas y Computación egre-sado de la Pontificia UniversidadJaveriana en Cali. Perteneció algrupo de investigación Destino dela Facultad de Ingeniería duran-te el desarrollo de su trabajo degrado.

Andrés Adolfo Navarro Newball.Ingeniero de Sistemas y Compu-tación egresado de la PontificiaUniversidad Javeriana en Cali,tiene un MSc in Computer Gra-phics and Virtual Environmentsde la Universidad de Hull en In-


glaterra y una Especialización enRedes y Comunicaciones de laUniversidad Icesi en Cali. Actual-mente, se desempeña como pro-fesor en la Pontificia UniversidadJaveriana, Cali en donde coordi-na el grupo de Investigación Des-tino. Además, es fundador y co-director del Centro de Telemedi-cina de Colombia.

Jorge Alberto Vélez Beltrán. Mé-dico egresado de la Universidad

Libre en Cali, tiene una Especia-lización en Gestión de la Salud dela Universidad Icesi en Cali. Ac-tualmente, se desempeña comoprofesor en la Pontificia Univer-sidad Javeriana, Cali en dondeforma parte del grupo de Investi-gación Destino. Además, es fun-dador y Director del Centro de Te-lemedicina de Colombia y líder delos Servicios de Salud de Ecope-trol S.A, en la ciudad de Cali.



Public-Resource Computing:Un nuevo paradigma

para la computación y la ciencia

Juan David Osorio BetancurPsidium - Mobile Marketing

[email protected].

ABSTRACTThis article explores the Public-Re-source Computing concept, an ideathat has been successfully developedin the scientific community a fewyears ago, which involves the use ofspare computational resources avai-lable in the millions of PCs in theworld connected to Internet. We dis-cuss the SETI@home project, themost successful example of this con-cept, and we describe the BOINC(Berkeley Open Infrastructure forNetwork Computing) platform, asoftware system created to make iteasy for scientist to create and ope-rate public-resource computing pro-jects.

KEY WORDSSupercomputing, Public-ResourceComputing, Global Computing, Peer-to-peer Systems, Distributed Syste-ms, SETI@home, BOINC

RESUMENEn este artículo se explora el concep-to de Computación de Recursos Pú-blicos (Public-Resource Computing),una idea que se ha venido desarro-llando con gran éxito desde hace al-gunos años en la comunidad científi-ca y que consiste en el aprovecha-miento de los recursos de computa-ción que se encuentran disponibles enlos millones de PC que existen en elmundo conectados a internet. Se dis-


cute el proyecto SETI@home, el másexitoso representante de este concep-to, y se describe la plataforma BOINC(Berkeley Open Infraestructure forNetwork Computing), un sistema desoftware que busca hacer más fácil alos científicos la creación y manteni-miento de proyectos basados en com-putación de recursos públicos.

PALABRAS CLAVESupercomputadores, computación derecursos públicos, computación glo-bal, sistemas peer-to-peer, sistemasdistribuidos, SETI@home, BOINC

Clasificación Colciencias: C


1. INTRODUCCIÓNBlue Gene/L es un ambicioso proyec-to de IBM que busca crear el super-computador más poderoso del mun-do. Su más reciente sistema beta seencuentra actualmente en la cima dela lista del TOP500 de supercompu-tadores con sus 70.72 TeraFLOPS depoder de procesamiento sostenido.(1)

Sin embargo, la marca de 70 Tera-FLOPS fue superada un año antespor un proyecto nacido en el seno dela academia, con un presupuesto cien-tos de veces menor (y obtenido pormedio de donaciones), y una motiva-ción más idealista (pero que podríapartir en dos la historia de la huma-nidad): la búsqueda de inteligenciaextraterrestre.

1.1 SETI@homeSETI@home(2) surge como respuestaa dos de los principales obstáculos queenfrenta toda iniciativa de SETI:1

• El afán de contar con enormescantidades de poder de procesa-miento, debido a que es necesa-rio buscar señales débiles con pa-rámetros desconocidos (pues na-die sabe la forma en que trans-mitirá una inteligencia extrate-rrestre), separándolas del ruidode fondo y filtrando las interferen-cias de origen humano provenien-tes de miles de fuentes conocidasy desconocidas. La premisa bási-ca es que entre más poder decómputo se tenga, puede hacerse

una búsqueda más amplia y conmayor sensibilidad.(3,4)

• Los recursos económicos con losque puede contar una iniciativa deSETI son escasos en el mejor delos casos, y la mayor parte deltiempo, inexistentes, debido a quees aún un área polémica de la in-vestigación científica. El últimoproyecto de SETI patrocinado gu-bernamentalmente (por el gobier-no de EE.UU.) fue cancelado en1992, y desde entonces el apoyo aeste tipo de iniciativas se ha limi-tado a patrocinios secundarios deinstituciones académicas, empre-sas e individuos. Por eso la ideade tener un supercomputador de-dicado exclusivamente a la tareaes prácticamente impensable.

La idea de SETI@home es buscar elpoder de procesamiento allí donde seencuentra disponible en grandes can-tidades: cientos de millones de PC entodo el mundo, cuya velocidad de pro-cesamiento crece exponencialmentepor la Ley de Moore, que durantepartes subsanciales de su tiempo defuncionamiento se encuentran sinuso, y que están conectados por unared: internet.

Aun cuando SETI@home no fue elprimer proyecto2 concebido para ex-plotar estos ‘recursos públicos’, seconvirtió rápidamente en el más exi-toso, atrayendo a millones de usua-rios dispuestos a donar el tiempo li-

1. Search of ExtraTerrestrial Intelligence (Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre): Área de la cienciacuyo objetivo es detectar vida inteligente por fuera de la Tierra. En este artículo se habla de SETI refi-riéndose a radio SETI, su más importante rama, que emplea radiotelescopios para detectar señales deradio de banda estrecha (que no ocurren naturalmente) provenientes del espacio exterior.3

2. En 1997, dos años antes de su lanzamiento, surgieron dos proyectos que atrajeron a miles de participan-tes: GIMPS, que buscaba números primos extremadamente grandes (números de Mersenne), yDistributed.net, cuyo objetivo era romper por fuerza bruta algunos protocolos de encripción.


bre de sus PC por medio de un salva-pantallas que proporciona una vistagráfica del procesamiento de señalesen proceso. Desde su lanzamiento en1999, más de cinco millones de usua-rios se han registrado en el proyectoy un año después ya superaba lasmarcas de los supercomputadores delTOP500. A la fecha, más de un mi-llón de usuarios continúan activos,proporcionando más de 70 Tera-FLOPS de poder de procesamientosostenido. Además, el proyecto osten-ta la marca de ser la computaciónmás larga jamás realizada (1.5 millo-nes de años de CPU, a marzo de2004).

El éxito de SETI@home inspiró aotros proyectos académicos con nece-sidades similares. Sin embargo, has-ta hace poco un número relativamen-te pequeño de este tipo de proyectoshabía tenido éxito, debido en parte ala falta de un apropiado middleware(software de cliente y de servidor,herramientas de administración, ca-racterísticas del lado del usuario,etc.).

2. CONQUISTANDO ELPARADIGMA DE LACOMPUTACIÓN DE RECURSOSPÚBLICOS (PUBLIC-RESOURCECOMPUTING)La computación de recursos públicos(llamada también computación globaly computación peer-to-peer) ofrece re-cursos sin precedentes para la inves-tigación científica y la ingeniería. Seespera que para el 2015 haya mil mi-llones de computadores personales

conectados a internet; el poder de pro-cesamiento que representarán es delorden de varios PetaFLOPS. Más aún,la tasa de crecimiento de la velocidadde los coprocesadores gráficos, usadosen las tarjetas aceleradoras de vídeoen PC y en consolas de juegos, es in-cluso mayor que la de los procesado-res (se duplica cada ocho meses), y supoder de procesamiento de punto flo-tante puede ser varias veces mayorque el de una CPU, con una enorme yhasta ahora no explotada fuente derecursos de cómputo.3 Además, la com-putación de recursos públicos poseeotros aspectos. En cuanto al almace-namiento, por ejemplo, si 100 millo-nes de usuarios de PC donan cada uno10 GB de almacenamiento, se alcan-za una cifra de 1 Exabyte (10(18) bytes),que excede con creces la capacidad decualquier sistema de almacenamien-to centralizado.(6)

Sin embargo, para poder aprovecharesta abundancia de recursos es nece-sario superar una larga serie de re-tos técnicos: Adaptar una aplicacióna una multitud de plataformas, im-plementar sistemas de servidor y ba-ses de datos, mantener el registro delas cuentas de usuario y sus respec-tivos créditos (contribución de cadausuario al proyecto), manejar la re-dundancia y las condiciones de error,además de prever acciones malinten-cionadas de usuarios, y un largo et-cétera.

2.1 BOINCLa infraestructura abierta para com-putación en red de Berkeley (BOINC,

3. SETI@home está trabajando con NVIDIA para la creación de una versión de la aplicación que realice unagran parte del procesamiento en el procesador de las tarjetas de video de éste fabricante.


por sus siglas en inglés: BerkeleyOpen Infraestructure for NetworkComputing(7,8)) fue desarrollada por elLaboratorio de Ciencias del Espaciode la Universidad de California - Ber-keley, con el fin de “apoyar el desa-rrollo del paradigma de la computa-ción de recursos públicos”, por un ladofacilitando a la comunidad científicala creación de proyectos de este tipo,y por el otro, alentando al público engeneral a participar en proyectos, albrindarles una forma simple de unir-se a una o varias iniciativas, y con-trolar el uso que éstas hagan de susPC.

Los objetivos específicos de BOINCincluyen:

• Reducir las barreras de entradaa la computación de recursos pú-blicos. BOINC está diseñado paraser usado por científicos, no poringenieros de sistemas o expertosen programación. Las herramien-tas que provee son simples y biendocumentadas, de manera que unproyecto pueda ser creado con re-lativamente poco trabajo inicial,y pocas horas semanales de man-tenimiento. Además, el servidorcentral de un proyecto basado enBOINC puede consistir en unasola máquina que ejecute soft-ware de código abierto de uso co-mún, tales como Linux, Apache,PHP, Python y MySQL.

• Compartir recursos entre proyec-tos autónomos. Aun cuando losproyectos basados en BOINC sonautónomos (operan en sus propios

servidores, y corren completa-mente independientes unos deotros), un usuario puede partici-par simultáneamente en múlti-ples proyectos, definiendo paracada uno qué porcentaje de losrecursos de su máquina puedeutilizar. De hecho, cuando unusuario se registra en varios pro-yectos la utilización de sus recur-sos mejora, puesto que así si unproyecto se encuentra abajo pormantenimiento, el PC del parti-cipante puede utilizar sus recur-sos en otros proyectos, en lugarde simplemente esperar a que serestablezca la comunicación conel primero.

• Soportar aplicaciones diversas.BOINC soporta un amplio rangode aplicaciones, incluyendo las yaexistentes y escritas en lenguajescomunes (C, C++, FORTRAN),sin necesidad de realizar modifi-caciones extensas.

• Recompensar a los participantes.Para que un proyecto de compu-tación de recursos públicos seaexitoso, debe atraer y retener par-ticipantes, y para lograrlo debeofrecerles incentivos. El más im-portante para la mayor parte delos participantes4 es el crédito:una medida numérica de los re-cursos que ha brindado al proyec-to. BOINC provee un sistema decréditos por participante y porproyecto, que es altamente resis-tente a fraudes por parte de usua-rios malintencionados. Además,BOINC facilita a los desarrolla-

4. Según encuestas realizadas a participantes de SETI@home.


dores de un proyecto adicionargráficos de salvapantallas a susaplicaciones, aspecto importantedado que éstos son otros de losincentivos que más importan a losparticipantes.

BOINC provee herramientas (scriptsde Python e interfaces de C++) paracrear, iniciar, y detener proyectos, ycomunicarse con ellos; adicionar nue-vas aplicaciones, plataformas o ver-siones a un proyecto; crear unidadesde trabajo y monitorear el desempe-ño de los servidores y de los clientes.

Para participar en proyectos basadosen BOINC, un usuario debe descar-gar el cliente de BOINC. Este puedeoperar en diversas modalidades:

• Como salvapantallas, mostrandográficas asociadas al proyecto(que es el modo más usual).

• Como servicio de Windows, quepuede correr aun si un usuario noha iniciado sesión en el equipo;como una aplicación que muestrainformación acerca del proyecto yel uso del equipo.

• Como un programa de línea decomandos de UNIX.

BOINC también provee herramien-tas para realizar la instalación remo-ta del cliente en múltiples máquinas.

Un participante se une a un proyectovisitando el sitio web del mismo, lle-nando la forma de inscripción y re-gistrando el proyecto en el cliente.Para esto debe escribir la URL maes-tra del proyecto y un código de parti-cipante que le es asignado una vezrealizada su inscripción. El cliente deBOINC se ocupa de descargar lasaplicaciones y archivos necesarios,sin más participación del usuario

2.2 La Implementación de BOINCUn proyecto basado en BOINC seidentifica con una URL maestra, quecorresponde a la página principal delsitio web del proyecto, y funge comodirectorio de los servidores del mis-mo. Un proyecto involucra una o másaplicaciones, que pueden cambiar enel tiempo en forma transparente parael usuario.

El complejo de servidores de un pro-yecto basado en BOINC está centra-do en una base de datos relacionalque almacena información acerca delas aplicaciones, plataformas, versio-nes, unidades de trabajo, resultados,cuentas de usuarios, equipos de usua-rios, etc. Las funciones de servidorson realizadas por un conjunto deservicios web y procesos demonio:

• Los Servidores de Programaciónde Trabajo (Scheduling Servers)manejan las RPC de los clientes,que pueden consistir en solicitu-des de trabajo, envío de resulta-dos, o solicitudes de actualizaciónde datos.

• Los Servidores de Datos (DataServers) manejan los envíos deresultados por parte de los clien-tes, realizando un proceso de ve-rificación de los mismos para com-probar su validez. Tanto el envíode trabajo a los clientes como larecepción de resultados de losmismos se manejan por HTTP, demanera que los clientes puedenfuncionar detrás de un firewall.

3. APLICACIONES DE LACOMPUTACIÓN DE RECURSOSPÚBLICOSComo se ha visto, la computación derecursos públicos ofrece posibilidades


sin precedentes para diversos camposde la ciencia y la ingeniería, y ya exis-te un importante marco de trabajopara la creación de proyectos que ex-ploten este paradigma. Sin embargo,dadas las características propias dela computación de recursos públicos,se presentan ciertas limitaciones alrango de iniciativas que pueden apro-vechar este concepto:

• Las tareas deben tener una altarelación de cantidad de cómputoa cantidad de datos, es decir, sedebe poder realizar una gran can-tidad de computación sobre ungrupo relativamente pequeño dedatos (Por ejemplo, SETI@homerealiza cerca de doce horas decomputación sobre cada unidadde 350 KB de datos, produciendoresultados de 1 KB). Esto con elfin de mantener bajo el tráfico dered, y por consiguiente el costo deconectividad del proyecto.

• Las tareas deben ser inherente-mente independientes. Existenaplicaciones que pueden ser fácil-mente trabajadas en paralelo,pero que requieren una frecuen-te sincronización entre nodos.Este tipo de tareas no son com-patibles con las frecuentes fallasde comunicación que se daránentre los participantes y el servi-dor central de un proyecto de com-putación de recursos públicos.

• Las tareas deben ser tolerantes aerrores. Los participantes de unproyecto pueden generar resulta-dos erróneos al surgir fallas en elsistema operativo o en el hard-ware de sus PC, o bien en el clien-te BOINC en caso de que lo ha-yan modificado y recopilado paratratar de obtener un mayor ren-

dimiento; o generar resultadosdeliberadamente falsos para tra-tar de obtener un mayor crédito,o simplemente para vandalizar elproyecto.

• Y quizás lo más importante, unproyecto de computación de recur-sos públicos debe atraer partici-pantes.

Esto último añade un importantecomponente al paradigma: el aspec-to social. Los creadores de un proyec-to tienen que hacer mucho énfasis enla labor de atraer y mantener parti-cipantes, y para esto se han identifi-cado diversas estrategias. En primerlugar, las metas del proyecto debentener una alta aceptación (Por ejem-plo, existen iniciativas exitosas encampos como la investigación biomé-dica y el estudio del calentamientoglobal). Además, éstas deben ser ex-plicadas y justificadas con claridad.En segundo lugar, las gráficas de sal-vapantallas pueden ser en extremoimportantes para algunos participan-tes, y constituyen un poderoso meca-nismo promocional puesto que pue-den ser vistas por muchas personasque podrían interesarse en participar.En tercer lugar, debe crearse una co-munidad alrededor de un proyecto,donde los usuarios puedan compar-tir opiniones, consultar su crédito ycompararlo con el de otros participan-tes, crear perfiles de usuario y formarequipos. El factor motivacional depertenecer a una comunidad que apo-ya directamente un proyecto con me-tas importantes no se debe descuidar.

CONCLUSIÓNLa computación de recursos públicosofrece posibilidades sin precedentesa la ciencia y la ingeniería. El tener a


disposición potencia de cómputo yalmacenamiento virtualmente ilimi-tados permitirá la creación y desarro-llo de proyectos de investigación conniveles de complejidad que hubieransido imposibles unos años atrás. Elnivel de precisión con el cual los mo-delos matemáticos se aproximan almundo físico, y el detalle con el quepueden analizarse enormes cantida-des de datos, pueden crecer en variosniveles de magnitud mediante el usode este potencial. Sin embargo, estoplantea un nuevo reto a los investi-gadores: hacer mercadeo y publicidadadecuados de sus proyectos, aprendera conquistar al público y convencerlopara que participe.

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5. Skawinnski, K. Z. “IT & SETI:The Role of Computer Technolo-gy in the Search of Extraterres-trial Intelligence”. CaliforniaComputer News, July 2 2002.( h t t p : / / w w w. c c n m a g . c o m /story.php?id=146)

6. Anderson, D. P. “Public Com-puting: Reconnecting People toScience” Conference on SharedKnowledge and the Web, Residen-cia de Estudiantes, Madrid,Spain, Nov. 17-19 2003. (http://boinc.berkeley.edu/boinc2.pdf)

7. Anderson, D. P. “BOINC: ASystem for Public-ResourceComputing and Storage” 5thIEEE/ACM International Works-hop on Grid Computing, Novem-ber 8, 2004, Pittsburgh, USA.(http : / /bo inc .berkeley.edu/grid_paper_04.pdf)

8. BOINC: http://boinc.berkeley.edu

CURRÍCULOJuan David Osorio Betancur. In-

geniero Telemático de la Univer-sidad Icesi. Ha realizado investi-gaciones en el área de tecnologíasinalámbricas y computación dis-tribuida vinculado al grupo I2Tde la misma Universidad. Actual-mente es socio fundador y geren-te de tecnología de Psidium - Mo-bile Marketing, empresa dedica-da a la prestación de servicios devalor agregado sobre telefoníacelular.



Análisis, modelamiento y simulaciónde redes enmalladas basadas

en el estándar 802.16-2004

Roberto Bustamante Miller PhD.Laboratorio de Investigación en Sistemas Inalámbricos (LISI), Grupo GEST

Universidad de los [email protected]

Roberto Carlos Hincapié Reyes MSc.Grupo de investigación, desarrollo y aplicación en Telecomunicaciones e

Informática GidatiUniversidad Pontificia Bolivariana

[email protected]

ABSTRACTThe following article is a presenta-tion of mesh networks based on IEEEStandard 802.16-2004. Though it pro-vides a general description of thisstandard, it also includes specific cha-racteristics of mesh networks.

It also discusses technology issuesassociated with existing gaps foundin the above mentioned standardwhich have not yet been resolved. Italso describes typical problems ofmesh networks which hinder imple-mentation of these kinds of networ-ks besed on this or any other stan-dard.

The last section of this paper presentsinformation on the progress being

made as the result of the joint effortof the universities involved in thisproject, including the conclusionsthat heve been drawn so far.

KEY WORDSMesh Networks, Wimax, 802.16, Si-mulation, Modeling

RESUMENEl siguiente artículo es una presen-tación de las redes enmalladas basa-das en el estándar 802.16-2004 de laIEEE, describiendo característicasgenerales de este estándar y las es-pecíficas que provee para las redesenmalladas. Se muestran los proble-mas que afronta la tecnología, repre-


sentados en los temas abiertos quedeja el estándar y que aún falta porresolver, así como los problemas in-herentes a las redes enmalladas quedificultan su implementación basa-das en este o cualquier otro estándar.

El artículo termina presentando eldesarrollo que se está haciendo demanera conjunta por las universida-

des involucradas en el proyecto y lasconclusiones derivadas hasta el mo-mento.

PALABRAS CLAVERedes enmalladas, Wimax, 802.16,simulación, modelamiento.



1. INTRODUCCIÓNEl acceso de los usuarios a redes debanda ancha, orientadas a la trans-misión de datos, se ha vuelto unanecesidad apremiante para las em-presas de telecomunicaciones. Diver-sas modalidades de acceso como lasredes DSL y HFC, basadas en redesfijas alambradas, son una soluciónválida en las zonas que son cubiertaspor estas redes. Sin embargo, en lasregiones que no cuentan con esta in-fraestructura de comunicación, losaccesos inalámbricos son una granalternativa.

Dentro de las soluciones inalámbri-cas aparece el estándar 802.16,1 queofrece soluciones a los problemas depropagación en ambientes rurales, adistancias considerables y con anchosde banda grandes. Este estándar pro-vee un amplio rango de solucionespara sistemas que van desde confi-guraciones punto multipunto hastaconfiguraciones enmalladas, desdesistemas basados en portadora únicahasta basados en múltiples portado-ras y que incluyen rangos de modu-lación y codificación de acuerdo conlas condiciones del canal.2,3,4

Dentro del estándar se eligió traba-jar sobre las llamadas redes enma-lladas, las cuales presentan un con-junto de propiedades deseables comola robustez y la capacidad de exten-der la cobertura de redes fijas o ina-lámbricas, apoyadas en una estaciónbase, hacia usuarios remotos que nopueden acceder a ellas directamentepor causa de obstáculos, distancia ocarencia de infraestructura.

El trabajo con este tipo de redes in-volucra un conjunto de aspectos téc-nicos que es necesario resolver, comoel dimensionamiento de las redes, por

la falta de ecuaciones o modelos quepermitan obtener la solución másóptima ante cierta necesidad. Másaún, no se cuenta con despliegues deesta tecnología en el modo enmalla-do que permita entender el funciona-miento y tomar mediciones que ayu-den a construir un modelo. Por estoes necesario plantear modelos teóri-cos y basados en simulación para en-tender su operación y ayudar en elplanteamiento de modelos equivalen-tes del sistema.

Se presentan algunos apartes del es-tándar 802.16-2004, necesarios paraentender el trabajo desarrollado, pos-teriormente varios conceptos de lasredes enmalladas, los modelos de si-mulación que se están desarrollandoy finalmente algunas conclusiones.

2. ESTÁNDAR 802.16-2004El grupo de trabajo IEEE 802.16,1 hacreado un nuevo estándar para acce-so inalámbrico de alta velocidad ybajo costo, con facilidad de implanta-ción y que provee una solución esca-lable al problema de extender las re-des fijas hacia usuarios remotos. Losenlaces basados en este estándar cu-bren distancias tan grandes como sie-te kilómetros, con velocidades alrede-dor de los 70 Mbps, en condicionesóptimas como la presencia de líneade vista.

Más allá de crear accesos a usuariospor medio de un simple salto inalám-brico, la tecnología puede ser utiliza-da para crear soluciones de backhaulde área amplia. Cuando la soluciónse despliega en modo enmallado nosolamente incrementa la coberturasino que provee menores costos deinstalación, un más rápido desplieguey opciones de reconfiguración.


La primera versión del estándar, co-nocida como la 802.16, presentó lascondiciones necesarias a nivel de ca-pas PHY & MAC para el desplieguede redes en topología punto multipun-to, con frecuencias superiores a los 11GHz y por lo tanto con requerimien-tos de línea de vista. Este sistemautiliza una modulación de portadoraúnica de ancho de banda grande.

La primera revisión corresponde al802.16a, el cual modifica las condi-ciones anteriores y permite operacio-nes con frecuencias menores a 11 GHze incluye los modos de operación sinlínea de vista y la modulación con latecnología OFDM.5

Una revisión final de este estándarcorrespondió a la llamada 802.16-2004 u 802.16d, la cual resume losconceptos establecidos en las versio-nes anteriores y determina cuatro ti-pos de tecnologías físicas orientadasa portadora única SC (Single Carrier)y a múltiples portadoras (OFDM).Define adicionalmente el modo deoperación punto multipunto PMP yel modo de operación enmallado.

El estándar de la IEEE define los flu-jos de señalización y los formatos delos mensajes necesarios para el esta-blecimiento y mantenimiento de laconexión en los modos de operacióndescritos anteriormente, sin embar-go deja abiertos ciertos aspectos comoel diseño y operación de los algorit-mos de planificación o Schedulingalgorithms. Se dejó el trabajo de de-sarrollarlos a los fabricantes de equi-pos, lo cual quizás agregue niveles decompetencia entre ellos.

El estándar plantea un sistema físicoorientado a la transmisión de señalesde banda ancha a gran velocidad enambientes rurales o urbanos. Estas

señales experimentan problemascomo la multitrayectoria6 que ocasio-na una distorsión en el tiempo de laseñal por cuenta de las diversas com-ponentes que llegan al receptor conretardos variables unas respecto deotras. Este problema hace que las com-ponentes de frecuencia de la señalsean tratadas de forma diferente, alcontrario de los canales de banda an-gosta, donde el efecto del canal es elmismo en todas las frecuencias. Elestándar define técnicas como el au-mento de los tiempos de duración delos símbolos por medio de su descom-posición en múltiples portadoras comoes el caso del OFDM. Adicionalmentese definen mecanismos como el tiem-po de guarda, para mitigar el proble-ma de la interferencia intersimbólicay mecanismos de modulación y codifi-cación adaptativas, para permitiracondicionar la comunicación al esta-do de atenuación del canal y lograrmayor rapidez o mayor robustez, se-gún sea la necesidad.

La capa MAC del estándar es orien-tada a la conexión aunque transporteinformación de protocolos de capassuperiores que no sean orientados ala conexión. Se compone de una sub-capa superior de convergencia queadapta la información de protocolos dered a las unidades de datos de la capaMAC inferior. La subcapa de conver-gencia está especificada para recibirdatos de redes basadas en IP y ATM,pero el estándar permite la inclusiónfutura de más tipos de datos.

La subcapa común de la capa MACprovee los servicios de clasificación,empaquetamiento y fragmentación delos paquetes recibidos. La clasificaciónse da en función de flujos de conexión,descritos por medio de un ConnectionIDentifier o CID. Éste determina


completamente las condiciones de lacomunicación como capacidad, modu-lación y codificación utilizadas, tiem-pos de transmisión asignados en latrama de datos y puede contar con me-canismos adicionales de verificaciónde errores como el ARQ.

La capa MAC es responsable del pro-ceso de entrada del nodo a la red, re-gistro del usuario y solicitud del anchode banda necesario para la comunica-ción. En el modo enmallado es adicio-nalmente responsable de conectarsecon los demás nodos del vecindario.

Como se mencionó anteriormente, lacapa MAC tiene la función de reali-zar la negociación de la capacidadasignada a cada conexión y de acuer-do con los requerimientos del tipo detráfico que transporta. Se definen losniveles de calidad de servicio comoUGS, rtPS, nrtPS y BE, de acuerdocon las necesidades de ancho de ban-da y retardo de los usuarios.

De manera complementaria al están-dar, aparece el Wimax Forum,7 quedetermina los aspectos concretos dela implementación de esta tecnología.Este consorcio de empresas se ha en-cargado de crear una metodología deverificación de la interoperabilidad delos equipos de los diferentes fabrican-tes, de una manera similar a la for-ma como opera el WiFi. Se espera quepara finales de 2005 se emitan losprimeros certificados para equipos enla banda de frecuencias de 3.5 GHz,conocidos como la primera ola Wimax.

Existen muchos problemas en el de-sarrollo de la tecnología, como el mo-delamiento y diseño de algoritmos deplanificación, controles de admisión,parámetros de diseño orientados a lagarantía de la calidad de servicio y elaprovechamiento óptimo de los recur-

sos. El problema del dimensiona-miento aún sigue abierto pues depen-de de los algoritmos mencionados.8 Elhecho de ser una tecnología nacientehace imposible realizar muchas prue-bas del funcionamiento del mismo,por lo que su análisis cae en el campode la simulación y el modelamientoteórico de los sistemas.

3. REDES ENMALLADASUna red enmallada es compuesta poruna colección de nodos que se comu-nican entre sí, de manera directa. Sino hay necesidad de una entidad cen-tralizada que los controle,9 el modode operación se conoce como distri-buido, pero puede existir una entidadcentral que administre las condicio-nes de operación de la red, en cuyocaso se conoce como centralizado.

En cualquier caso, la comunicación serealiza entre los nodos directamente ycada nodo puede ser al mismo tiempofuente o destino de los datos o un en-rutador de la información de otro nodo.

En la Figura 1 se muestra un diagra-ma de una red de múltiples saltos, don-de la información es llevada desde unextremo a otro por diferentes nodos.

Figura 1. Red enmallada.

Si los nodos de la red se conectan demanera autónoma, sin configuraciónprevia, se dice que la red opera en


modo ad hoc. Si los nodos tienen mo-vilidad, entonces se conocen como re-des móviles ad hoc o MANET (Mobi-le ad hoc NETwork). Su característi-ca principal es que existe un conti-nuo cambio en la topología de la red,con enlaces que aparecen y desapa-recen de modo permanente.

Las características más relevantes delas redes enmalladas inalámbricasson las siguientes:

• Robustez: La presencia de enla-ces redundantes entre los usua-rios permite que la red se recon-figure automáticamente ante fa-llas.

• Topología dinámica: Se supo-ne que las redes enmalladas tie-nen la capacidad de reaccionarante cambios de la topología dela red. Por lo tanto la topologíacambiante es una condición dediseño necesaria.

• Ancho de banda limitado:Como el proceso de comunicaciónexige transportar datos de otrosusuarios y la cercanía de unos conotros precisa una coordinación enlos tiempos de transmisión, lasredes enmalladas cuentan conenlaces que usualmente perma-necen en condiciones de conges-tión. Existen esfuerzos importan-tes en el estándar 802.16-2004para mejorar el acceso al medio ylograr mejores desempeños en lared. Las primeras versiones deredes enmalladas basadas en elestándar 802.1114,15 son bastanteineficientes en el aprovechamien-to del espectro.

• Seguridad: La informacióntransmitida se encuentra ex-puesta a la amenaza de viajar a

través de un medio compartido.El estándar define una subcapade seguridad para proteger la in-formación de los usuarios y evi-tar el acceso de usuarios no au-torizados.

• Canales de comunicaciónaleatorios: A diferencia de lasredes fijas, las redes inalámbri-cas cuentan con la incertidumbrepropia de los canales de comuni-cación de radio. La característicacambiante de los mismos hacebastante inciertas las condicionesde comunicación. El estándar de-fine aspectos como la modulacióny codificación adaptativas parahacer frente a este problema.

• Carencia de modelos de di-mensionamiento apropiados:El modelo de capacidad de redesde datos está orientado a deter-minar la capacidad del enlaceante procesos de multiplexaciónde la información de los usuarios.El modelo de capacidad de las re-des enmalladas de múltiples sal-tos es un problema abierto8,10,11,12

Las redes enmalladas proveen, sinembargo, condiciones que permiten elacceso a usuarios en regiones apar-tadas. Hay artículos13 que muestrancómo la capacidad de un usuario au-menta cuando se pueden utilizar sal-tos intermedios para acceder a la es-tación base. A medida que un usua-rio se aleja, la velocidad del canal dis-minuye por cuenta de la reducción delesquema de modulación y el aumen-to de la robustez de la codificaciónpara compensar la disminución de lapotencia recibida. Si este usuario sepuede conectar a la estación base pormedio de dos o más saltos, de menordistancia, se podría contar con enla-


ces de mayor velocidad, aumentandosu capacidad. Este argumento no escompletamente válido si no se tieneen cuenta que al aumentar los usua-rios que acceden de la misma forma,la agregación de tráfico en el nodointermedio hace que la capacidad nopueda incrementarse de la manerapensada. Sin embargo, debe poderseencontrar un punto intermedio quemejore las condiciones respecto a lasolución punto multipunto. Esta es lahipótesis fundamental del trabajo,donde las estaciones base de los sis-temas de acceso serán ubicadas enzonas de alta densidad de usuarios,pero la cobertura de las regiones ale-jadas, puede lograrse por medio demallas que extiendan la cobertura dela celda.

El estándar 802.16-20041 define lasdiferentes tramas, campos y procesosnecesarios para el establecimiento y

operación de las redes enmalladas,así como las condiciones de las tra-mas y subtramas para la comunica-ción. Al contrario del sistema de PMP,no se define una trama de uplink yotra de downlink, sino un conjunto detramas donde los usuarios puedentransmitir, previa asignación de ran-gos de tiempo. Las tramas se dividenen subtramas de control y de datos.Las primeras permiten controlar laoperación de la malla y realizar pro-cesos de solicitud y asignación de ca-pacidad. Las subtramas de datos sondivididas en unidades de tamaño fijo,llamadas minislots, las cuales son launidad de asignación de la capacidada los usuarios. Un usuario puede re-cibir entre 1 y 256 unidades anterio-res, especificando el minislot de ori-gen y la cantidad de minislots asig-nados. En la Figura 2 se muestranalgunos aspectos de estas tramas.

Figura 2. Tramas del modelo enmallado.


Los procesos desarrollados en las re-des enmalladas se pueden dividir entres fundamentalmente, entrada a lared, establecimiento de enlaces y ne-gociación de la capacidad.

3.1 Entrada a la redCuando un nodo aparece en la red,bien sea porque se acerca a su área decobertura o porque es encendido, debebuscar sincronizarse con la red. Estose logra explorando los campos de las

tramas recibidas hasta encontrar unmensaje de configuración llamadoMSH-NCFG. Una vez determinadaslas condiciones de la red, debe elegirun nodo patrocinador o Sponsor, elcual determinará su ingreso o no a lared. Este proceso se muestra en la Fi-gura 3. El proceso incluye la sincroni-zación fina debido a retardos de pro-pagación, asignación de una direcciónIP, configuración adicional del nodo yautorización del ingreso del nodo.

Figura 3. Entrada de un nodo a la red.


3.2 Establecimiento de enlacesCuando el nodo logra su entrada a lared debe establecer enlaces con susvecinos. El nodo escucha permanen-temente los mensajes transmitidos enla red, hasta determinar los vecinosque se encuentran a su alrededor,posteriormente el nodo les envía men-sajes para establecer enlaces conellos. En este caso, entre dos nodosse crea una etiqueta del enlace o LinkID, correspondiente a los ocho bitsinferiores del CID definido anterior-mente. Los nodos negocian la veloci-dad de comunicación y condiciones demodulación y codificación a utilizaren este enlace. Todo el proceso de ne-gociación se realiza por medio de en-cabezados de configuración, transmi-tidos a velocidad y codificación comúny robusta. El proceso de estableci-miento del enlace se muestra en laFigura 4.

3.3 Procesos de planificaciónEste aspecto es dejado como un temaabierto en el estándar. Se definen dosmétodos: centralizado y distribuidocon coordinación y sin ella. En todosellos el estándar define los procesos,campos y señalización para que unnodo pueda solicitar capacidad (Re-quest) y para que se pueda asignaresta capacidad (Grant).

El método centralizado se utilizacuando la variabilidad del tráfico delos nodos es lo suficientemente lentacomo para que se justifique todo elproceso de recolección de las peticio-nes hasta un nodo centralizado y eltiempo necesario para la distribucióndel nuevo esquema de asignación. Eneste caso hay un nodo que conoce elestado de toda la red.

El método distribuido está orientadoa sistemas en los cuales las asigna-

Figura 4. Establecimiento de enlaces entre nodos.


ficación para poder encontrar solucio-nes cerradas a las ecuaciones, comoes el caso de los modelos de capaci-dad de Gupta.10,11,12 Los límites obte-nidos por dichos autores son bastan-te amplios y de poca utilidad en elproceso de diseño en ingeniería. Sonorientados a conocer tendencias delas variables, como por ejemplo paradeterminar la variación de la capaci-dad ante el aumento del número denodos.

Relacionar las ecuaciones obtenidaspor diversos autores puede mostrardiferencias de uno o dos órdenes demagnitud. Es necesario desarrollarmodelos más concretos, que den re-sultados más detallados, aunque im-plique la solución numérica de ecua-ciones.

Finalmente los modelos matemáticosse orientan a definir límites para lacapacidad de la red o para el retardode los paquetes en la misma. No to-man ambos problemas de manera si-multánea.8 En este sentido es nece-sario mencionar que no significa queno se alcancen resultados en ambasdirecciones, sino que pueden obtenerresultados muy concretos en una delas variables, pero muy vagos, am-plios y poco concluyentes en otra deellas. En ese sentido establecen lími-tes, ciertos pero imprácticos. Porejemplo, no tiene sentido hacer unmodelo matemático que prediga quela velocidad de un vehículo de com-bustión de gasolina no puede supe-rar los 50000 m/s. Es una cantidadcierta, pero aún completamente inal-canzable, por lo cual no dice mucho.

En cuanto a las redes enmalladas,uno de los mayores problemas es li-diar con la interferencia producidapor la transmisión de los nodos veci-

ciones de capacidad son cambiadaspermanentemente, sin la posibilidadde esperar mientras se centraliza lainformación. El costo son algoritmoscomputacionales muy complejos,usualmente de órdenes de compleji-dad no polinómicos (NP).8,16

Los algoritmos de planificación sonun tema de investigación abierto puesse necesita el desarrollo de modelossimples que puedan ser aplicados entiempo real en máquinas de baja ca-pacidad computacional, con requeri-mientos de cálculo bajos.

3.4 Otros aspectos de las redesenmalladasEl estándar define conceptos de cali-dad de servicio (relacionados con elancho de banda y el retardo de lospaquetes) con una alta flexibilidadpara las redes PMP basadas en unsolo salto. Sin embargo, el lograr elmismo nivel de desempeño en redesde múltiples saltos es un problemaimportante.

Los modelos matemáticos desarrolla-dos para medir la capacidad de losenlaces se basan en principios comola independencia estadística entre lasdiferentes fuentes de datos que acce-den a una cola de transmisión. Sinembargo, en una red, donde los datosson transmitidos de nodo en nodo, lallegada de los datos a uno de ellos,procedentes de diferentes nodos, sonvariables aleatorias usualmente co-rrelacionadas por haber transitado através de otros nodos comunes en lared. Por ejemplo, nodos utilizados pormuchas rutas en la red, producen re-tardos similares en los paquetes quecirculan a través de ellos.

Otro problema de estos modelos ma-temáticos es la necesidad de simpli-


nos. Se define dentro del estándar queun nodo debe coordinar su transmi-sión con el llamado vecindario exten-dido, compuesto por sus vecinos y losvecinos de ellos. El proceso de diseñobasado en varias capas o cross-layer,campañas de simulación y el desarro-llo de modelos matemáticos y estadís-ticos es necesario para estimar posi-bles soluciones óptimas a estos pro-blemas.

Un aspecto inquietante del proble-ma planteado es que mientras el es-tándar define ciertos aspectos muydetalladamente, quedan otros ele-mentos sin la más mínima defini-ción y se encuentran relacionadosentre sí. Este es el caso de las con-diciones físicas del modelo de trans-misión. Por ejemplo, para una co-municación basada en OFDM enredes enmalladas, se puede calcu-lar que la capacidad equivalentevista por un enlace entre dos nodosestá dada por:

capacidad, se cuenta con modelosmuy simples o poco aplicables, desdeel punto de vista práctico, para esti-mar cuánto debe ser el valor de M.

4. SIMULACIÓN YMODELAMIENTODe acuerdo con los planteamientosanteriores es conveniente desarrollarmodelos detallados en forma mate-mática y de simulación para poderanalizar el comportamiento del sis-tema y adquirir el conocimiento ne-cesario para estimar los procesos deplanificación de redes basadas en estatecnología.

Se conocen trabajos preliminares deotros autores, algunos orientados a lasimulación de la capa física y elOFDM 19,20,21,22,23,24,25 y otros a simula-ciones de la capa MAC, principalmen-te orientados a la evaluación de polí-ticas de planificadores TDMA o a pla-nificadores de paquetes.

En el grupo de trabajo del 802.16, seencuentran esfuerzos orientados almodelamiento de canales como elmodelo Stanford University Interim,el cual es apropiado para terrenossemi urbanos, clasificados para el te-rritorio de Estados Unidos, pero nolo es para terrenos urbanos ni paralas condiciones propias de implanta-ción del sistema en nuestro país.

El modelo depende de las condicionesde la señal, ancho de banda y frecuen-cia. En este sentido, para ser concor-dante con el desarrollo de la tecnolo-gía se debe tener en cuenta que lasbandas que contarán con equipos cer-tificados por el foro Wimax, serán, ensu orden de aparición, en frecuenciasde 3.5 GHz, 2.5 GHz y de 5.8 GHz.En estos rangos de frecuencias sepuede contar con canales de alrede-

Ceq = K N portadoras . CB . CRBW . n

Nfft (1+CP)

Ecuación 1. Capacidad equivalentede un enlace en redes enmalladas.

Donde K es un factor que depende delnúmero M de minislots asignados aun enlace y está dado por:

K = M . CEIL

Ttrama . BW.n

Nm(1+CP)

256

. Nm (1+CP)

Ttrama . BW . n

-7 . MSH_CTRL_LEN

Ecuación 2. Factor de capacidadequivalente.

Aunque se pueden encontrar mode-los muy detallados para calcular la


dor de 5.5 MHz, no canales de 20 MHzcomo aparecen en el estándar y sesuponen de manera general. Este as-pecto es altamente limitante en eldiseño de sistemas basados en el es-tándar 802.16-2004. Se requiere puesestudiar los modelos de propagaciónajustados a las frecuencias y anchosde banda que tendrían los sistemasdesplegados en el país.

Se encuentra múltiple literatura demodelos de canales y sobre todo de losvalores de los parámetros como delayspread, doppler spread, path loss co-efficient, etc. en diferentes escenarios.Un tema de investigación importantees el desarrollo de estos modelos y sulectura y estimación en condicionespropias de nuestras ciudades.

El proceso de modelamiento y simu-lación de sistemas basados en el802.16-2004, requiere un estudio de-tallado de los modelos de propaga-ción, para poder tener en cuenta elaspecto incierto de la propagación enel diseño del sistema. Los simulado-res orientados a paquetes, como elNetwork Simulator 2 (NS2),26 el Om-Net++,27 etc. proveen buenas herra-mientas para la simulación de proto-colos, pero se quedan cortos al mo-mento de simular el canal de propa-gación. Por el contrario, herramien-tas como el ICS Telecom,28 o el EDX,29

son muy buenas en simulación de lapropagación, pero utilizan modelosmuy primitivos para diseño de redesde datos inalámbricas (usualmentemodelos poissonianos, aplicables aredes de voz, pero no a redes de da-tos). Se requiere la unión de simula-dores que integren estas dos fortale-zas para plantear modelos completosque permitan diseños y medidas máscercanos a la realidad de los sistemasmodelados.

Se plantea entonces un trabajo queincluye el modelo de la propagacióndentro del simulador de paquetes.Esto se logra por medio de un con-junto de simulaciones de nivel de en-lace, orientadas a encontrar tablas ocurvas que permitan determinar laprobabilidad de error de un paqueteo una trama transmitida, en funciónde parámetros como la relación señala ruido, la longitud de la trama, lamodulación y codificación utilizadas,el delay spread, etc., como se mues-tra en la Figura 5. En ella se apreciauna curva de probabilidad de errorde paquete en función de la SNR y desu variabilidad (medida por la varia-bilidad del canal, relacionada con fe-nómenos de fading y shadowing).

Figura 5. Curva de PER vs paráme-tros.

El modelo detallado de simulaciónpermitirá trabajar sobre modelosequivalentes de las capas inferioresque ayuden a establecer ideas respec-to al comportamiento del sistema. Losmodelos matemáticos son ajustadosa aspectos concretos del estándar ypor lo tanto aportarán al problema deingeniería relacionado con el diseño,planificación e implantación de estetipo de redes.


5. TRABAJO A DESARROLLAREl trabajo que se está desarrollandoinvolucra estudiantes de doctorado,maestría y pregrado de la UniversidadPontificia Bolivariana en Medellín y ainvestigadores de los grupos GEST yGIDATI de las dos universidades an-teriores. Se está desarrollando un si-mulador en el software de simulaciónNS2, creando una comunidad de tra-bajo alrededor de esta herramienta,reconocida internacionalmente en múl-tiples artículos e investigaciones deprestigiosas universidades.

El proceso incluye el desarrollo de lasentidades de capas PHY & MAC yelementos de información (paqueteso mensajes) para el avance de las si-mulaciones. En el proyecto se ha de-sarrollado un extenso estudio de lasimulación para lograr que las enti-dades creadas sean compatiblescon los demás elementos del sis-tema y se puedan aprovechar lasfuentes de tráfico, agentes y al-goritmos de capas superioresimplementados dentro de la pla-taforma.

El modelo planteado permite te-ner en cuenta diferentes co-nexiones o CID en una mismaentidad MAC, así como la inclu-sión de diversos modelos de pla-nificadores. Esto permite unaestructura que facilitará el de-sarrollo del modelo enmallado yun modelo PMP, con la mismafilosofía del simulador y pormedio de la reutilización de com-ponentes comunes.

El modelo se basa en aprovecharlas funcionalidades de canalesinalámbricos del NS2, pero mo-dificando las condiciones de pro-

pagación y del canal por medio de lainclusión de modelos propios, así comoel desarrollo de toda la entidad MAC.

El NS2 cuenta con un completo desa-rrollo de la capa MAC del 802.11, perotiene pocos elementos en común conla capa MAC del 802.16: sin embar-go su estudio permite entender el fun-cionamiento de la herramienta ymuestra la forma de solucionar pro-blemas concretos del desarrollo. Enla Figura 6 se presenta una versiónsimplificada del modelo a formalizar.

Se planea también encontrar un mo-delo estadístico que permita hallarinformación del sistema y desarrollarprocesos de análisis de desempeñoque ayuden en el proceso de dimen-sionamiento de las redes. Este mode-lo figura en proceso de planteamien-to actualmente.

Figura 6. Modelo de simulación.


6. CONCLUSIONESEl estándar IEEE 802.16-2004 pro-vee una nueva forma de acceso parausuarios a redes inalámbricas conbuenas condiciones de capacidad, dis-tancia de enlaces y costo, que la con-vierten en una tecnología de muy pro-bable aplicación en soluciones de co-bertura en el país, tanto para topolo-gías PMP como enmalladas.

El estándar de la IEEE define aspec-tos concretos de la tecnología como losflujos de señalización y los formatosde los mensajes pero deja sin definirciertos aspectos como el diseño y ope-ración de los algoritmos de planifica-ción y controles de admisión. Estosaspectos abiertos son oportunidadesde investigación.

Las características más relevantesde las redes enmalladas inalámbri-cas son la robustez, la topología di-námica, el ancho de banda limitado,la seguridad, la aleatoriedad de loscanales de comunicación y la faltade modelos de dimensionamientoapropiados.

La solución enmallada incrementa lacobertura de la solución PMP, reducecostos y tiempo de instalación e in-crementa la robustez de la red. Sinembargo, es necesario estudiar aspec-tos como la agregación de tráfico paratener medidas más realistas de lacapacidad y obtener un punto inter-medio que permita extender la capa-cidad de las redes PMP por medio deredes enmalladas.

El estándar define conceptos de cali-dad de servicio con una alta flexibili-dad para las redes PMP basadas enun solo salto. Sin embargo, el lograrel mismo nivel de desempeño en re-des de múltiples saltos es un proble-ma por solucionar.

Las dificultades en el planteamientode modelos matemáticos apropiados,hace que este sea un tema abierto deinvestigación en las redes enmalla-das. Modelos que tomen en cuentaaspectos concretos de la tecnologíason necesarios para los procesos dedimensionamiento de redes basadasen el estándar.

Ante la inexistencia de equipos conlas funcionalidades presentes en elestándar, se requiere el desarrollo demodelos de simulación para compren-der el funcionamiento detallado delsistema.

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CURRÍCULORoberto Bustamante Miller. Inge-

niero Electrónico, graduado en laUniversidad de Surrey, Inglaterra.PhD en Ingeniería Electrónica(Antenas Adaptativas), Universi-dad de Surrey, Inglaterra. Actual-mente es profesor Asociado de laUniversidad de los Andes y direc-tor del Departamento de Ingenie-ría Eléctrica y Electrónica.

Roberto Carlos Hincapié. Ingenie-ro Electrónico y Magíster en Te-lecomunicaciones de la Universi-dad Pontificia Bolivariana. Ac-tualmente es candidato a doctoren Ingeniería, área de Telecomu-nicaciones en la misma Universi-dad, e investigador en el grupoGIDATI.




Desarrollo de herramienta E-learning degestión del conocimiento para el

mejoramiento de la educación básica,secundaria y media vocacional en

Colombia

Álvaro Hernán Bueno [email protected]

Alexandra Gó[email protected]

ABSTRACTAt this moment the investment levelsin technological platforms of the Co-lombian organizations of basic edu-cation are very low. Due to this, it isvery important the implementationof new and better technologies in the-se institutions and thus be able toincrease the educative level. Thiswork is based on the knowledge ma-nagement theories, widely used inorganizational environments in orderto implement a system that can de-velop new knowledge and abilities inthe Colombian students.

KEY WORDSKnowledge management, ContentManagement Systems (CMS), Web

development, E-learning, knowledgeinteriorization, knowledge exteriori-zation.

RESUMENActualmente los niveles de inversiónen plataformas tecnológicas de lasentidades de educación básica colom-bianas son muy bajos. Debido a esto,es indispensable que se implementennuevas y mejores tecnologías en di-chas instituciones para poder así in-crementar el nivel educativo. Estetrabajo se basa en las teorías de ges-tión del conocimiento, usadas amplia-mente en los entornos organizaciona-les para implementar un sistema quepueda desarrollar nuevos conoci-


mientos y habilidades en los estu-diantes colombianos.

PALABRAS CLAVEGestión del conocimiento, sistemas deadministración de contenido (CMS),

desarrollo web, E-learning, interiori-zación, exteriorización.

Clasificación Colciencias: B


INTRODUCCIÓNA continuación se presenta una solu-ción metodológica de gestión de cono-cimiento, que junto con el uso de lastecnologías de información y comuni-caciones y el de distintas herramien-tas de las que hablaremos más ade-lante, permite la interacción entre es-tudiantes de los colegios del país paragenerar conocimiento entre la comu-nidad estudiantil, aumentando de estamanera los niveles educativos en losplanteles. Esta solución, disponible enwww.destudio.com.co, cuenta conclientes en el Valle del Cauca y en otrosdepartamentos, de los cuales se pre-sentarán algunas estadísticas en tor-no al uso de la herramienta.

GESTIÓN DEL CONOCIMIENTOLa gestión del conocimiento(knowledge management) es unametodología, esquema de organiza-ción y proceso de funcionamiento quepretende aplicarse al mundo de laempresa o de cualquier tipo de orga-nismo social (entidad estatal, planteleducativo, etc.). En esta, “el conoci-miento” se considera un “recurso crí-tico” que debe gestionarse de mane-ra eficaz para contribuir a una ma-yor rentabilidad social y/o económicade las instituciones.

mación ni mucho menos en conoci-miento. El valor que estos aportan esfundamental ya que cumplen la fun-ción de captación. Tal recolección tie-ne origen en el área donde la organi-zación lleva a cabo este proceso. Lasorganizaciones que creen en la impor-tancia de los datos se tornan proacti-vas en su recolección en el mercadoen que se están desenvolviendo.

El ordenamiento significativo de da-tos genera patrones que se transfor-man en información a través de unordenamiento, acumulación y distri-bución en un lugar específico quepuede ser una base de datos, o unahoja de cálculo.

Cuando los datos son almacenados ytienen un objetivo, recién es el mo-mento de transformarlos en conoci-mientos para: lograr una venta, in-crementar los resultados específicos,mejorar el desempeño o conocimien-to de la organización en general o deun área específica, etc.

En resumen, el conocimiento es el va-lor agregado que surge de la percep-ción, manipulación y procesamiento dela información. Este es el proceso quediferencia a las empresas donde seconsidera que usar la información demanera estratégica tiene un alto va-lor en las organizaciones.

Otro enfoque, para el mismo concep-to, es el planteado por Tom Davenport:“es la información realmente compren-dida y asimilada, ya sea por cada in-dividuo o por la organización comoconjunto de ellos. Entendido de estemodo, el conocimiento sería “la esen-cia de la información” recogida y sin-tetizada dentro de una empresa y, endefinitiva, “la representación del mun-do real” con su particular perspecti-

CONCEPTO DECONOCIMIENTOEs el escalón superior del intelectohumano pues representa el final deun proceso evolutivo en el que, par-tiendo de los datos disponibles, éstosse transforman en información, y éstaa su vez en conocimiento:

DATOS + INFORMACIÓN = CONOCIMIENTO

Los datos son la materia prima, ya quesin ellos no se puede pensar en infor-


va. Podríamos definir que “el conoci-miento es la información combinadacon la experiencia, el contexto, la in-terpretación y la reflexión, y que esuna clase de información de alto valorque está preparada para aplicarse ala toma de decisiones y a la realiza-ción de acciones.”

RECURSOS DELCONOCIMIENTOEn una organización, los recursos delconocimiento son las personas (capi-tal humano), los documentos internosy externos (información), las bases dedatos (información estructurada, in-cluyendo datos contables, comercia-les y de personal, entre otros), nor-mas, prácticas, procesos operativos yesquema organizativo (experiencia dela empresa como conjunto).

TIPOS DE CONOCIMIENTOSegún su enfoque, los tipos de cono-cimiento pueden ser:

a. Por su facilidad de comunicacióny explotación:

• Conocimiento explícito: son lashabilidades, experiencias yhechos que están escritos, opueden escribirse, que se pue-den transmitir a otros con fa-cilidad. Se recogen en infor-mes, manuales para el usua-rio, normas de la organización,etc. (documentación interna) oen patentes, artículos de pren-sa y revistas especializadas,normas de organismos y aso-ciaciones profesionales, etc.(documentación externa).

• Conocimiento tácito: son lashabilidades, experiencias e in-tuiciones de las personas, quese almacenan en su mente y

no pueden transmitirse confacilidad, o ello sólo puede ha-cerse parcialmente.

b. Por su situación con respecto a laorganización:

• Conocimiento externo: se re-fiere al mercado, clientes ycompetencia, que se muevenen el entorno y sector operati-vo de la empresa.

• Conocimiento interno: trata delos procedimientos, normas,procesos de operación y esque-ma de la organización (siem-pre orientado o con proyecciónexterna hacia el mercado o ser-vicio a atender).

Mediante la gestión del conocimien-to se pretende identificar, organizary explotar racionalmente el conoci-miento explícito (el registrado por laorganización) y transformar la mayorcantidad posible de conocimiento tá-cito (el que poseen los individuos dela empresa) en explícito. Esto impli-ca un fuerte cambio del esquema deorganización tradicional y su transi-ción debe efectuarse de manera gra-dual. Al tratarse de una metodologíadistinta, genera resistencia al cam-bio, conflictos de orden tecnológico ytoda serie de inconvenientes que de-ben ser administrados de manera co-rrecta para que la implantación de lagestión del conocimiento en la orga-nización no sea caótica.

Como se ha venido explicando, suimplantación debe realizarse poco apoco, mentalizando al personal de queinicialmente será de una forma par-cial, y después en fases de poca in-tensidad y controladas, eligiendo ex-periencias piloto en determinadasáreas de la organización.


Según Tom Davenport, la gestión delconocimiento implica un uso efectivodel conocimiento, en un modo continuoy sin fin, es decir, con una evoluciónconstante, y tiene cuatro objetivos:

1. Crear depósitos de conocimiento.En un soporte informático ade-cuar todo el conocimiento que sevaya generando o que la organi-zación ya posea, ya sea conoci-miento externo (por ejemplo lainteligencia de mercados), cono-cimiento interno (informes) o co-nocimiento informal interno o tá-cito (captar trucos, experiencias,intuiciones, etc.).

2. Optimizar el acceso al conocimien-to. Encontrar la persona con el co-nocimiento que se necesita y trans-mitírselo a otra con éxito es un pro-ceso difícil (gestión de software yredes). A veces, es más convenien-te facilitar el intercambio de cono-cimiento tácito en vez de hacer undepósito, utilizando herramientasde comunicación como videoconfe-rencias, chats, foros de discusión.

3. Mejorar el ambiente de conoci-miento. Hacer más efectiva sucreación, transferenciay modo de compartir;cambiar la conductasobre el mismo y crearuna receptividad cul-tural a esta forma defuncionamiento.

4. Gestionar el conoci-miento como un activo.Algunas organizacio-nes están enfocadashacia la gestión de ac-tivos específicos de co-nocimiento intensivopara aumentar sus be-

neficios o ingresos (por ejemplo:gestión de patentes propias, licen-ciar patentes para obtener bene-ficios).

El caso de éxito más común de ges-tión del conocimiento en una organi-zación incluye mejoras operacionaleslimitadas a un proceso o función par-ticular. Los proyectos habituales sehan dirigido a mejorar nuevos pro-ductos, dar soporte a los clientes, rea-lizar misiones de educación y entre-namiento, estudiar desarrollos desoftware, y gestionar con más efica-cia las patentes (Davenport, Thomas,Working Knowledge. 2000).

PROCESO DE CREACIÓN DELCONOCIMIENTO

El proceso de creación del conocimien-to, (Nonaka, Takeuchi, 1995) es a tra-vés de un modelo de generación deconocimiento mediante dos espirales,es un proceso de interacción entreconocimiento tácito y explícito, quetiene una naturaleza dinámica y con-tinua. Se constituye en una espiralpermanente de transformación inter-na de conocimiento, desarrollada si-guiendo cuatro fases que podemos verde forma gráfica en la Figura 1.

Figura 1. Proceso de conversión del conocimien-to, según Nonaka y Takeuchi.


Las fases que vemos en la gráfica son:

• La socialización, es el proceso deadquirir conocimiento tácito através de compartir experienciaspor medio de exposiciones orales,documentos, manuales y tradicio-nes, o experiencias de la vida dia-ria y que añade el conocimientonuevo a la base colectiva que po-see la organización.

• La exteriorización, es el procesode convertir conocimiento tácitoen conceptos explícitos que sepuedan transmitir a otras perso-nas, de modo que se pueda inte-grar en la cultura de la organiza-ción; es la actividad esencial enla creación del conocimiento y unode los pasos más difíciles de dar.

• La combinación, es el proceso decrear nuevo conocimiento explíci-to al reunir conocimiento explíci-to proveniente de cierto númerode fuentes, mediante el intercam-bio de información entre colegas,reuniones, charlas, etc. Este nue-vo conocimiento se puede catego-rizar, confrontar y clasificar enbases de datos para ser usado porla organización.

• La interiorización, es un procesode transformación de conocimien-to explícito en conocimiento táci-to, que analiza las experienciasadquiridas en la puesta en prác-tica de los nuevos conocimientosexplícitos y que se incorpora enlas bases de conocimiento tácitode los miembros de la organiza-ción en la forma de modelos men-tales compartidos o nuevas prác-ticas para el estudio o trabajo.

Un ejemplo que ayudará a compren-der de mejor manera cómo se genera

conocimiento a partir de este modelo,es tomado de Matsushita Electric In-dustrial Company. Esta compañía, consede en Osaka, Japón, estaba desarro-llando una máquina automática parahacer pan casero. Durante el desarro-llo se analizaron muestras de pastaamasada por la máquina pero éstahacía que el pan terminara crudo pordentro, se concluyó que el error esta-ba en el proceso de amasado.

Para solucionar este problema y po-der desarrollar la máquina, la direc-tora de desarrollo de software, y va-rios ingenieros, se ofrecieron para seraprendices del mejor panadero deOsaka, el panadero del Osaka Inter-nacional Hotel. Un día, la directora sedio cuenta de que el panadero no sóloestiraba la masa sino que también latorcía, lo que resultó ser el secreto parahacer buen pan. Cuando le añadieronesta funcionalidad a la máquina, so-lucionaron el problema y el productopudo ser comercializado.

Analizando este ejemplo, podemosver cómo se cumplen la etapas de ge-neración de conocimiento, inicialmen-te se socializa el conocimiento (cuan-do la directora se convierte en asis-tente del panadero) ya que la expe-riencia del panadero (conocimientotácito) es aprendida por los aprendi-ces a través de la imitación y la prác-tica (conocimiento explícito), de estamanera se exterioriza. Cuando seestá en el laboratorio los ingenierosmodelan este conocimiento aprendi-do para aplicarlo a las máquinas, esallí cuando se combina el conocimien-to, para que estos puedan implemen-tarla en la máquina que están desa-rrollando, interiorizando el conoci-miento aprendido y generando nue-vos desarrollos para Matsushita (nue-vo conocimiento tácito).


Para un individuo, socializar el cono-cimiento es la parte más difícil delmodelo ya que, muchas veces, no sedispone de comunicación oral parahacerlo (la forma más usada), es poreso que hay que crear el entorno enlas organizaciones para que este pro-ceso se dé adecuadamente.

E-LEARNINGEl concepto de E-learning abarca mu-cho más que cursos en línea. Cuandohablamos de e-learning, citamos todoun conjunto de metodologías de apren-dizaje en las cuales se emplean lastecnologías de la información y las co-municaciones para la gestión de cono-cimiento entre los individuos y las or-ganizaciones (Figura 2).

E-LEARNING COLABORATIVOLa evolución de las tecnologías de lainformación y las comunicaciones hanpermitido que las herramientas de E-learning interactúen entre los distin-tos usuarios que las utilizan, permi-tiendo que estos generen nuevo cono-cimiento útil y que éste se pueda dis-tribuir de manera eficiente por todala organización.

Tipos de E-learning

Según sutipo

Según sudistribución

Deautoformación

Colaborativos En redesinternas

Stand-alone

En redespúblicas

Figura 2. Tipos de E-learning.

De manera general, una herramien-ta de E-learning colaborativo se divi-de en cuatro tareas principales, es-tas son:

1. ComunicaciónLa comunicación se puede realizarcon foros de discusión, chats, vi-deoconferencias, etc. De modo quedistintos expertos en las áreas de in-terés expresen sus ideas de maneraordenada y puedan, gracias a la can-tidad de opiniones, generar nuevasteorías o nuevo conocimiento.

2. Compartir conocimientosUn sistema de E-learning colabora-tivo debe poder tener la informaciónrequerida en orden, de modo que unindividuo que necesite actualizarsepueda hacerlo, la información inclui-da en este punto pueden ser mejo-res prácticas, FAQs, links a docu-mentos del negocio y conocimientoactualizado de productos, servicios,procedimientos. Igualmente debe sercontrolada por algún mecanismo deautenticación para que usuarios noautorizados no tengan acceso a la in-formación.


3. Distribuir conocimientosSe debe crear una manera organiza-da de distribución del conocimientopara que cada individuo previamen-te autorizado y con interés en apor-tar o conocer sobre un tema en parti-cular, pueda hacerlo, esto se hace conimplementación de motores de bús-queda en links, documentos, archivosdescargables, foros y demás centrosde intercambio de conocimiento.

4. Crear conocimientosUno de los aspectos más interesan-tes del E-learning colaborativo es queapunta hacia el aprendizaje, por esoen estos sistemas se deben implemen-tar módulos como grupos de trabajovirtual, groupware (software paradesarrollar ideas en grupo) y en ge-neral espacios de investigación don-de los individuos tomen todo ese co-nocimiento aprendido y lo transfor-men en nuevo conocimiento.

SISTEMAS PARAADMINISTRACIÓN DECONTENIDOCuando se manejan grandes volúme-nes de información, una página Webestática no es la mejor solución, ya

que los tiempos de actualización ypublicación de la información tiendena ser muy grandes. Para solucionareste problema se emplean los siste-mas de administración de contenido(CMS, Content Management Sys-tem), que son conjuntos de scripts(archivos de programación hechos enun lenguaje orientado a Web comoPerl, PHP o ASP) que sirven paraadministrar un sitio Web y gestionarcontenidos de manera rápida y fácil.

Los CMS comparten unas caracterís-ticas muy peculiares:

• La capacidad de gestionar los con-tenidos a través del Navegador,con una interfaz deadministrador(conocida como Back-end)

• Posibilidad de modificar el dise-ño mediante el uso de plantillas(Templates).

• Tener control de acceso a conte-nidos, determinando permisos alos distintos usuarios que traba-jan con la herramienta.

• Modularidad, posibilidad de crearu obtener funciones adicionales através de Add-ons o actualizacio-nes.

Servidor Web

CMS

InterfazFront-End

Módulos

chats, etc.(Foros,

InterfazBack-End

BaseDatos

Usuario

Administrador

Figura 3. Esquema defuncionamiento de unCMS.


FUNCIONAMIENTO DE UN CMSEn la Figura 3 se ilustra el funciona-miento de un CMS. El front-end es lainterfaz de interacción con el usua-rio y se encarga de mostrarle a éstelas diferentes funciones, el acceso alos módulos e información variadacomo noticias, efemérides, o comen-tarios de otros usuarios. Adicional-mente, permite interactuar con losdiferentes módulos instalados en elsistema y adicionar comentarios,mensajes en el foro, votar en encues-tas, así como muchas funciones más.

El Back-end (interfaz de administra-dor) permite a un usuario (o a varios),denominado administrador, hacer lagestión del sistema CMS. A través deuna interfaz Web el administrador pue-de gestionar los foros, crear o borrarnuevas salas de chat, modificar encues-tas, gestionar grupos de investigación,añadir o borrar usuarios, modificar laapariencia del sistema, agrupar usua-rios y asignar privilegios a cada uno deestos o a sus grupos. Adicionalmente,cada módulo tiene unos parámetros deconfiguración propios que se puedenmodificar desde el Back-end.

Los módulos son componentes de có-digo que residen en el servidor Web,estos constan de dos partes: la Front-end, que interactúa con el usuario, yla Back-end que interactúa con eladministrador y normalmente son losparámetros de configuración y apa-riencia del módulo. Los módulos sir-ven para agregar funcionalidad extraal sistema CMS, que no trae consigoen sus versiones disponibles, estosson desarrollados por terceros y pro-gramados con base en estándares pro-puestos por la compañía creadora delCMS. Cuando un módulo desarrolla-do por terceros es muy usado por la

comunidad, normalmente es incluidopor defecto en una de las versionesposteriores del CMS.

La base de datos es el componentecomún de todas las interfaces nom-bradas anteriormente. Dependiendodel CMS, este puede funcionar en di-ferentes motores de base de datos(Oracle, Informix, Microsoft SQL Ser-ver, etc.), esto se debe tener en cuen-ta al configurar el sistema para nocaer en errores de incompatibilidad.La base de datos guarda toda la in-formación generada por el CMS y ladespliega cuando un usuario la soli-cita a través del front-end o cuandoun administrador desea modificarlaa través del back-end.

Adicionalmente, los sistemas CMS,dependiendo del fabricante, tienen unaserie de funciones adicionales, comoplantillas de estilo por usuario y capa-cidad de múltiples idiomas, entre otras.

¿PARA QUÉ SIRVE LA GESTIÓNDEL CONOCIMIENTO?La gestión del conocimiento generavalor para la organización, y la ideade esta gestión es convertir el conoci-miento tácito (el adquirido por la ex-periencia personal de los estudiantes,su entorno familiar, su vida diaria)en conocimiento explícito (experien-cias documentadas, reportes, inves-tigaciones que puedan servir a la co-munidad). Adicionalmente, un estu-diante que participa en investigacióndesde temprana edad adquiere unacapacidad de analizar, sintetizar ycriticar más elevada que aquel queno lo ha hecho, por lo tanto, el acer-camiento a la investigación a travésde una estrategia de gestión del co-nocimiento puede lograr estudiantesmejor preparados para la educaciónsuperior y la vida laboral.


Cuadro 1. Resultados de las pruebas SABER, año 2001, para estudiantes denoveno grado en las áreas de lenguaje y matemática. El color negro (derecha)indica suficiencia en las pruebas, mientras que el gris (izquierda) revela queno se alcanzó el nivel mínimo de aprobación.

Cuadro 2. Cobertura de la educación media en Colombia por departamen-tos, año 2001

Tomado de:http://www.mineducacion.gov.co/documentos/SEMC_Anexo_estadistico.pdf)


Los cuadros anteriores indican losniveles de cobertura y calidad pordepartamentos. Los niveles de cali-dad se muestran significativamentebajos en el área de matemáticas y enalgunas regiones la cobertura neta esmuy baja (en Vichada tan sólo es del5%).

Una de las premisas de “la revolu-ción educativa” es aumentar la co-bertura y el uso de las tecnologíasde la información y las comunicacio-nes. Algunos gobiernos departamen-tales han empeñado sus esfuerzos enhacer esto una realidad, aumentan-do así los niveles de educación en susregiones. Si se adiciona una estrate-gia de gestión del conocimiento a loscolegios de cada región del país, secolabora con esta premisa, haciendoque los estudiantes usen las TICpara su mejoramiento académico ypara elevar las interacciones alum-no-alumno, investigando junto conotros estudiantes del país, mejoran-do los niveles educativos y la cober-tura en todo el territorio colombia-no. Esto se obtiene porque al elevarel uso de los componentes tecnológi-cos en los estudiantes, es posible lo-grar transmitir conocimiento a unalumno con tan sólo un computadory una conexión a la red.

Cómo implementar una estrategiade gestión del conocimiento através de una herramientatecnológicaLa implementación de la plataformadebe ser planeada y organizada demodo que sea exitosa y rápida, parano generar traumatismos en los ca-lendarios de los colegios y poder ge-nerar retroalimentación. Anterior-mente nombramos las etapas de laimplementación:

1. Etapa de concientización.

2. Etapa de capacitación.

3. Control de capacitación a losalumnos.

4. Adición de actividades inicialespor parte de los administradoresde la herramienta.

5. Acompañamiento

6. Control periódico al uso.

A continuación explicaremos cadauna de ellas.

Etapa de concientizaciónCorresponde a la etapa posterior a laadquisición de la herramienta y con-siste en una serie de métodos y técni-cas para concientizar a profesores yalumnos de un cambio en la metodo-logía de aprendizaje y un apoyo a lametodología presencial que actual-mente llevan los colegios. Esta etapaes muy importante porque depen-diendo del nivel de conciencia que lo-gren los usuarios de la herramienta,así mismo se verá reflejado el uso yla retroalimentación en la platafor-ma (Ver Figura 3).

Observando la Figura 3 detectamostres actores presentes en esta etapainicial: Los administradores globales,que son los implementadores de laherramienta; los administradores lo-cales, que son directivas, profesores yde ser posible, alumnos, que por suinterés ante la adquisición de la he-rramienta y por el rol activo en suimplementación son designados paraser receptores iniciales y posterioresvoceros de los usuarios, últimos acto-res de este esquema y a quienes segenera conciencia al final de la etapa.

Las actividades presentes en la etapade concientización consisten en romper


con el esquema presencial-magistral yañadir el concepto de trabajo colabora-tivo, en donde dos o más individuoscoordinan esfuerzos para llevar a caboun trabajo, tarea o investigación. Eneste punto es muy importante el profe-sor, ya que como veremos más adelan-te, este actuará como facilitador o tu-tor de los distintos eventos que se ma-nejen a través de la herramienta; poresta razón es fundamental que el gru-po de administradores locales esté con-formado en una gran mayoría por pro-fesores e investigadores de tiempo com-pleto del plantel.

Otra de las actividades consiste enmostrar cómo el uso de una herra-mienta de E-learning colaborativopuede ayudar a mejorar los nivelesacadémicos de los estudiantes. Estu-dios científicos indican que el uso decomputadores y redes de comunica-ciones en pares o pequeños grupos deestudiantes, ayuda a la comprensióny aprendizaje de estos, el uso de es-

Figura 3. Esquema implementado en la etapa de concientización.

tas herramientas genera experienciaspositivas de aprendizaje como com-partir descubrimientos, ayudar aotros estudiantes a resolver proble-mas y trabajar en proyectos, las cua-les son habilidades muy importantesen el mundo competido de hoy.1

Aunque en la Figura 3 se muestrandos fases secuenciales, se puede con-siderar la existencia de una tercerafase, que corresponde a la transmi-sión del conocimiento aprendido delos usuarios a otros usuarios o a per-sonas externas al sistema (familiares,amigos estudiantes de otros colegios,etc.); esta fase se ilustra en la Figura4. Esta fase genera, en el caso de lacomunicación usuario-usuario, unamayor conciencia sobre el uso de laherramienta, y en el caso de usuario-externo, un interés de conocer la he-rramienta y una probabilidad deunirse al proyecto como colaboradoro usuario. El término colaborador setratará más adelante.

1 http://www.america-tomorrow.com/ati/mi6.htm


dor y la del usuario varían de mane-ra sustancial. En la de administra-dor se debe explicar al grupo desig-nado cómo administrar la platafor-ma tecnológica, de modo que siem-pre se encuentre actualizada, cómoagregar usuarios a la herramienta,cómo gestionar los grupos de inves-tigación para que estos generen in-teracción entre alumnos y cómo gru-pos pueden ser accedidos por estu-diantes de otros planteles. Los ad-ministradores, igualmente, debenaprender a usar la herramienta yaque serán los encargados de enseñaren sus respectivas instituciones lasdiferentes funciones que tiene ésta,también deberán solucionar cual-quier duda que tengan los estudian-tes con respecto al uso de la herra-mienta posterior a la capacitacióngeneral.

Cabe anotar que la capacitación deadministrador tiene tres etapas: lacapacitación de administrador comotal, la capacitación de profesor (sobrecómo enseñarles a los usuarios a tra-bajar con la herramienta) y la capa-citación de usuario, ya que los admi-nistradores locales también deberáninteractuar en la plataforma.

Figura 4. Fase de transmisión deconocimiento por parte de los usua-rios.

Etapa de capacitaciónUna vez se ha entrado a la concienti-zación de las personas involucradas enel uso de la plataforma, se procede aseleccionar un subgrupo que realizarála gestión local de contenidos y capaci-tará al plantel educativo para usar laherramienta. En la Figura 5 se explicaeste esquema de manera detallada.

En la Figura anterior observamosque la capacitación del administra-

Figura 5. Esquema implementado en la etapa de capacitación.


En la capacitación de usuario se ex-plica el uso detallado de la herramien-ta y se programan actividades paraque el alumno interactúe de formasencilla y lúdica con los grupos deinvestigación, los foros, los comenta-rios en las noticias y demás funcio-nes que ofrece la plataforma.

Control de capacitacióna los alumnosPara determinar el nivel de éxito delas etapas de concientización y ca-pacitación se debe hacer un controldel uso de la herramienta, a fin decorregir posibles problemas de lasanteriores etapas y garantizar eléxito en las posteriores, logrando elobjetivo de interacción de la plata-forma tecnológica.

El control se establece definiendo in-dicadores de gestión sobre la interac-ción de la herramienta, la cual sepuede medir por el número de acce-sos a la herramienta, el tiempo deacceso a cada una de ellas la dura-ción de las interacciones, el númerode actividades que tiene el estudian-te en la herramienta frente al núme-ro de actividades presenciales, etc.

Estos indicadores de gestión, los cua-les se tratarán más adelante, sonimportantes para determinar quéetapa se está realizando de maneraincorrecta o cuáles arrojan resultadosaceptables.

Cuando alguna de las etapas falla, seentra a determinar el factor que pudoser el causante de este problema. Al-gunas de las razone más comunesson:

• Los administradores locales notransmitieron con suficiente fuer-za la iniciativa de la plataforma,

por lo tanto ésta no se propagó dela manera esperada.

• Los usuarios finales recibieron lainformación correcta, pero no sesienten a gusto o no están intere-sados en usar la herramienta.

• No se usaron los medios adecua-dos para capacitar a los adminis-tradores locales o estos no enten-dieron los procesos de administra-ción a realizar.

• La capacitación realizada por losadministradores locales no contócon los medios suficientes, tuvotiempo insuficiente o simplemen-te no se transmitió el conocimien-to adecuado para el uso de la he-rramienta.

Cuando alguno de estos casos sucede,se identifica y se procede a evaluar laactividad para determinar hasta quépunto hay que recomenzarla. Las ac-tividades de retroalimentación simbo-lizadas en las Figuras 3 y 5 son fun-damentales para determinar el puntode retorno de cualquiera de las eta-pas; obviamente esto representa au-mento de costos en la implementaciónpero asegura un mayor éxito de la he-rramienta en las etapas finales.

Adición de actividades iniciales porparte de los administradores de laherramienta.Una vez se alcanza un nivel conve-niente de aceptación de la herramien-ta por parte de los planteles educati-vos, se procede a proponer activida-des para que los usuarios interactúenpor medio de estas; esto se realizamientras los administradores localesse acostumbran a la gestión adecua-da de la herramienta y proponen ac-tividades propias.


AcompañamientoCuando la herramienta está siendousada de manera adecuada, el rol delos administradores globales se con-vierte en soporte y acompañamientode la herramienta, de modo que sepresta la ayuda cuando los adminis-tradores tienen dificultades en mon-tar sus investigaciones, cuando losusuarios no pueden acceder a ciertasfunciones, etc.

Control periódico al usoUna vez la fase de acompañamientollega a su fin, se procede a controlarlos indicadores de gestión de maneraperiódica, teniendo en cuenta una rá-pida reacción en caso de que alguno seencuentre cerca al umbral de calidad.

FINALIDAD DE LA ESTRATEGIADE GESTIÓN DECONOCIMIENTOComo se observa en la Figura 6, la ideade este esquema, aplicado a colegios,es que los estudiantes de distintosplanteles interactúen entre sí aportan-do sus experiencias personales, susvivencias y sus opiniones (conocimien-to tácito) a una investigación para queestos generen nuevo conocimiento (co-nocimiento explícito). Los estudiantespertenecientes a la investigación pue-den ser de cualquier región del país,tan sólo deben tener en sus colegios ocasas una conexión a internet. De estaforma se podrán preparar mucho me-jor para la educación superior y la vidalaboral.

Figura 6. Esquema general de la herramientaaplicado a colegios.


Arquitectura de Destudio.com.coEn la figura anterior se muestra laarquitectura de Destudio.com.co. Losportales de cada colegio se encuen-tran conectados a las herramientasde destudio.com.co, proporcionándo-les acceso a sus estudiantes a todaslas herramientas que comprende lasolución. Este esquema permite quelos estudiantes de diversos plantelesse integren a la comunidad estudian-til (su colegio) de manera más senci-lla que si accedieran directamente alportal destudio.com.co. No hay quedesconocer que los estudiantes per-tenecen a una comunidad y la formamás efectiva para pertenecer a una

comunidad mayor es con el soportede la comunidad inicial.

Herramientas de Destudio.com.coLas herramientas que maneja la so-lución para permitir la generación deconocimiento son las siguientes:

Grupos de emprendimiento: es una delas herramientas más importantes yaque es la que permite que los estu-diantes interactúen en una investi-gación propuesta por los administra-dores, según sus intereses, los resul-tados pueden ser consultados por lacomunidad de modo que se convierteen nuevo conocimiento para ésta.

Figura 7. Arquitectura general de Destudio.com.co


Biblioteca Virtual: es un repositoriode información en el cual se encuen-tran documentos en diversas áreasdel conocimiento, además de las in-vestigaciones desarrolladas en la he-rramienta de grupos. La comunidadpuede así acceder a fuentes de cono-cimiento de manera organizada.

Otras de las herramientas con las quecuenta Destudio.com.co son: noticias,registro usuario, foros, mis materias,chats, enlaces (3.000 páginas clasifi-cadas), calendario, periódico y correomasivo.

Resultados y trabajos futurosHasta octubre de 2005, Destudio hapropiciado la capacitación de 1.115profesores en uso básico de internet,adicionalmente se han capacitado1.700 profesores en el uso y en lasventajas de un portal educativo.

Destudio lo conforma una comunidadde 19.569 usuarios, de los cuales el93% son estudiantes de bachillerato,Dicha comunidad está conformadapor estudiantes de Armenia, Maniza-les, Cali, Jamundí, Yumbo, Medellín,Bucaramanga, Barranquilla y Bogo-tá (el 73% es de Cali).

Algunos de los usuarios han aceptadoel producto de manera óptima, Porejemplo, en el primer mes de funciona-miento el portal del Liceo Benalcázar(http://www.liceobenalcazar.edu.co/)tuvo un total de 1.567 visitas, lo cualhace que los planes de expansión delproyecto educativo vayan por buencamino. Entre los planes de Destu-dio para el futuro figuran crecer sured de colegios para fortalecer la co-munidad en todo el país en las gran-des ciudades, en donde no se tienepresencia y más adelante, en los pue-blos aledaños y zonas apartadas.

CONCLUSIONESA través de una herramienta tecno-lógica para la gestión de conocimien-to es posible generar nuevas formasde educar a la población estudiantilcolombiana, llegar a territorios don-de la infraestructura de educación nolo hace, y generar conocimiento ex-plícito a partir de la interacción dealumnos de todos los rincones delpaís, aportando cada uno sus expe-riencias y vivencias personales, enpro de la investigación.

Sin embargo, la implementación pos-terior de la herramienta enfrentauna serie de retos que es necesariosolucionar para un correcto avanceen la estrategia de gestión del cono-cimiento.

• Una gran mayoría de quienes severían beneficiados con el uso deestas herramientas serían losusuarios de regiones remotas delpaís. Sin embargo, en Colombiaexisten problemas de conectivi-dad ya que algunas de estas zo-nas no cuentan con servicio deacceso a internet, por lo tanto elgobierno debe hacer grandes es-fuerzos en tiempo y dinero paraofrecerles servicios de datos paraque se puedan beneficiar del usode internet y de las plataformasde gestión del conocimiento.

• Debido a que los alumnos de lasinstituciones colombianas estánacostumbrados a un aprendizajepasivo, se deben hacer grandesesfuerzos en promover el uso delas herramientas para que la es-trategia de gestión del conoci-miento permanezca vigente a lolargo del tiempo y evolucione auna metodología de aprendizajeactivo. Esta estrategia solo es po-


sible mediante la cooperación dealumnos, estudiantes y adminis-tradores en torno al buen uso dela herramienta y a la actualiza-ción de contenidos.

• La estrategia de gestión de cono-cimiento debe ir acompañada decontenidos de mucha calidad, detal manera que generen interésentre la población estudiantil. Laherramienta por sí sola no produ-ce interacción, por lo tanto, unabuena variedad de contenidoshará que los usuarios tenganmayor interés en usarla. Paraello, la comunidad docente y losimplementadores deben valersede herramientas multimedia quepermitan realizar estos conteni-dos e implementar video, audio yanimación para hacerlos másatractivos.

Para finalizar, como ya ha sucedidoen otros países, se deben aprovecharlas bondades de la tecnología paraaumentar los niveles de educación enColombia y generar estudiantes másactivos y con mayor capacidad de aná-lisis. De esta manera, en futuras ge-neraciones tendremos una poblaciónadulta más productiva, con un ma-yor uso de las tecnologías de la infor-mación y por lo tanto, más eficiente.

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CURRÍCULOSÁlvaro Hernán Bueno Castillo.

Estudiante de décimo semestrede Ingeniería de Sistemas e In-geniería Telemática de la uni-

versidad Icesi, fue socio fundadorde Laprog Software, compañíaque se encuentra implementan-do la plataforma Destudio.com.coen los colegios del país. Su expe-riencia en lenguajes de programa-ción Web le ha permitido traba-jar en portales comowww.ladosis.com ywww.rumbaplanet.com desarro-llando comunidades virtuales entorno a la información y el entre-tenimiento. Entre sus áreas deinterés se encuentran el diseño deaplicaciones de valor agregadopara dispositivos móviles, gestiónde la Innovación y la música elec-trónica.

Alexandra Gómez Salazar. Inge-niera de Sistemas de la Universi-dad Icesi y está esperando el gra-do de la Especialización en Geren-cia Informática Organizacional.

Trabaja en la Icesi desde junio de 2001,en el área de e-learning. Actual-mente es la Administradora de lainfraestructura de e-learning dedicha Universidad y forma partedel grupo de Investigación de lasTIC aplicadas a la educación enla misma Universidad.




Estudio cualitativo de arquitecturasorientadas a computación móvil

Mónica Aydé Vallejo Velásquez

José Edinson Aedo CoboGrupo de Microelectrónica y Control, Universidad de Antioquia

ABSTRACTThe increase of the wireless networ-ks has created a significant growthin demand for portable devices withdifferent types of services such as textprocessing, connectivity to differentnetworks, remote data base accessand multimedia processing. In orderto respond to these requirements, anumber of different hardware archi-tectures have been proposed recent-ly, designed principally to integrateuseful characteristics such as highperformance for multimedia functio-ns, energy efficient handling, smallsize and a low complexity. This workpresents a general analysis of seve-ral architectures designed principa-lly for real time multimedia proces-

sing in mobile applications. This ar-ticle describes the advantages of the-se architectures and raises compari-son strategy among them.

KEY WORDSMobile Computing, real time multi-media processing, power manage-ment, multimedia applications.

RESUMENEl incremento de las redes inalám-bricas ha creado un significativo in-cremento en la demanda de disposi-tivos portátiles que integran diferen-tes tipos de servicios tales como pro-cesamiento de texto, acceso a basesde datos remotas y procesamiento


multimedia. Para responder a estosrequerimientos tecnológicos, han sidopropuestas diferentes arquitecturasen los últimos años, diseñadas prin-cipalmente para integrar caracterís-ticas útiles tales como alto desempe-ño para funciones multimedia, mane-jo eficiente de la energía, tamaño pe-queño y baja complejidad. En estetrabajo se presenta un análisis gene-ral de algunas arquitecturas especial-mente diseñadas para el procesa-miento multimedia en tiempo real,

para aplicaciones móviles. El artícu-lo describe sus bondades y planteauna estrategia de comparación entreellas.

PALABRAS CLAVEComputación móvil, procesamientomultimedia en tiempo real, adminis-tración del consumo de potencia, apli-caciones multimedia.



I. INTRODUCCIÓNEn el panorama actual, las crecien-tes exigencias de la sociedad de lainformación para acceder desde unambiente móvil a diferentes servicioscomputacionales han motivado el de-sarrollo de sistemas convergentes quepermitan soportar de forma integra-da diversas aplicaciones como funcio-nes multimedia y conectividad a re-des inalámbricas. Para responder aestos requerimientos tecnológicos,distintas arquitecturas para sistemasembebidos han sido propuestas en laliteratura en los últimos años, todasellas orientadas a ofrecer un alto des-empeño en el procesamiento de da-tos multimedia en tiempo real, ma-nejo eficiente de la energía, tamañopequeño y baja complejidad en el di-seño.1

En la actualidad se observa que eldiseño de arquitecturas orientadas aaplicaciones móviles se caracterizapor integrar en un solo chip diferen-tes módulos de hardware (System-on-Chip SoC). Esta tendencia implicanuevos retos para los diseñadores, yaque resulta crítico no sólo el acopla-miento de módulos de procesamientomultimedia sino también el diseño deplataformas de comunicación on-chipóptimas, que permitan el manejo efi-ciente de un gran flujo de datos.

El rango de arquitecturas propuestaspara aplicaciones móviles va desdeprocesadores de aplicación específica,procesadores de propósito general(GPP) con extensiones multimedia(conocidos también como GPP de ins-trucciones con múltiples datos(SIMD)),2,3 procesadores multimediade propósito especial,4 procesadoressuperescalares, procesadores tipoVLIW (Very Long Instruction Word)5

y plataformas completamente recon-figurables. Sin embargo, el rango dearquitecturas que han demostradoser óptimas para responder acertada-mente a las restricciones impuestaspor las aplicaciones móviles es másreducido que la clasificación presen-tada anteriormente. En el caso de lasarquitecturas superescalares y VLIWtradicionales, generalmente trabajana altas frecuencias de reloj y usancomplejas estructuras para la imple-mentación de paralelismo, lo cual setraduce en un alto consumo de ener-gía y un incremento de los costos dela arquitectura.5

Para el caso de las arquitecturas tra-dicionales SIMD, el alto costo quepuede involucrar el proceso de reor-ganización de datos necesario en al-gunos casos puede introducir grandesrestricciones haciéndolos poco via-bles.2

Los procesadores multimedia depropósito especial tales como elSTN8800 de STMicroelectronics,6 elS3C24A0 de Samsung,7 el Dra-gonball MC9328MX21 de Freesca-le,8 el PXA27x de Intel,9 usualmen-te tienen módulos de hardware enforma de periféricos para realizardiferentes funciones de procesa-miento, lo que permite obtener unmejor desempeño.

Este artículo ha sido organizado dela siguiente forma: en la sección II serealiza una descripción general de lascaracterísticas principales de las apli-caciones multimedia. En la sección IIIse describen algunas de las arquitec-turas más utilizadas actualmentepara aplicaciones móviles y sus ca-racterísticas más sobresalientes. Enla sección IV se analizan las arqui-tecturas descritas anteriormente. Por


último, en la sección VI se presentanlas conclusiones y opciones futuras enesta área de trabajo.

II. CARACTERÍSTICAS DEAPLICACIONES MULTIMEDIAEn general las principales caracterís-ticas de las aplicaciones multimediason:

• Respuesta en tiempo real: estasaplicaciones exigen un alto des-empeño en la realización de ta-reas de tiempo real tales como vi-deoconferencia y comercio electró-nico, por tal motivo es necesariogarantizar el desempeño suficien-te para ofrecer una buena calidaddel servicio (QoS).2,10

• Tipos de datos “continuous-me-dia”: las funciones media proce-san tipos de datos “continuousstream” generalmente de tamañode 8 a 16 bits con localidad tem-poral limitada.1

• Paralelismo de grano fino y gra-no grueso: requieren gran capa-cidad de procesamiento paralelode datos con localidad temporallimitada y alta tasa de accesos amemoria.2,11].

• Las aplicaciones multimedia soncomputacionalmente intensivas,ya que frecuentemente realizande 100 a 200 operaciones aritmé-ticas para cada dato leído desdememoria.12 La Tabla 1 tomadade13 describe la distribución deoperaciones necesarias en aplica-ciones multimedia.

• Alta localidad de referencia deinstrucciones: las funciones tipomedia usualmente ejecutan dife-rentes procesos que se repiten congran frecuencia en la aplicación,

esto demuestra una alta localidadtemporal y espacial de instruccio-nes.14

• Ancho de banda de memoria: lasfunciones tipo media requierenprocesar grandes conjuntos dedatos.

Tabla 1. Distribución de operacionesen aplicaciones multimedia13

Tipo de Frecuencia deoperación operación

ALU 40%

Load/Store 26 -27 %

Branch 20%

Shift 10%

Multiplicación 3 - 4 %entera

Punto flotante 2%

III. ARQUITECTURAS PARAAPLICACIONES MULTIMEDIARecientemente la literatura técnicay científica reporta un número cre-ciente de procesadores y arquitectu-ras multimedia de propósito especialque han sido diseñados con fines aca-démicos y comerciales. Las opcionesson muchas, pero en este artículohemos tomado una muestra de cua-tro arquitecturas para realizar unanálisis de las características másrelevantes en cuanto al manejo dedatos multimedia con el fin de obte-ner una aproximación apropiada enla búsqueda de una arquitecturamejorada para aplicaciones de com-putación móvil.


A. Arquitectura del acompañantedigital móvil, proyecto MobydickLa arquitectura está formada por unprocesador de propósito general ymódulos reconfigurables autónomos(módulos de red, display, audio y vi-deo), todos ellos interconectados porun suiche denominado Octopus.15 Losmódulos son propuestos para integrarmodos de conservación de energía yesquemas dinámicos de adaptación alambiente de conexión y a los reque-rimientos del usuario.

Específicamente esta arquitecturapresenta un diseño centrado en laconexión,15 ya que implementa como

esquema de comunicación un suiche,el cual permite reducir el tráfico dedatos mediante la eliminación de co-pias innecesarias al remover la CPUdel flujo de datos, mas no del flujo decontrol. De esta forma, la CPU es re-ducida a operar como un controladorque inicializa el sistema, maneja lacalidad del servicio (QoS) asociadocon cada conexión y maneja la ejecu-ción de algunos protocolos complejos.

Un prototipo parcial de baja comple-jidad de la arquitectura, consistió deun conjunto de pequeños sistemasque contienen FPGAs, microcontro-ladores y memorias. A continuación

Figura 1. Arquitectura del acompañante digital móvil Moby Dick.15


se describen algunas característicasy requerimientos de estos subsiste-mas

El módulo de red incluye un ModemWaveLAN en la capa física, que pro-porciona la funcionalidad básica paraenviar y recibir frames de datos enmodo half-duplex a rata de 2 Mb/s; unamemoria SRAM de 512 Kbytes queactúa como pila de conexión; unaFPGA Xilinx XC4010 [16] que contro-la el flujo de datos entre el Modem yel Host y proporciona funciones de co-rrección de errores; un microcontrola-dor PIC 16C66 el cual implementa elcontrol de tráfico, el control del enlacede datos, y el protocolo MAC eficienteen energía E2MaC, que permite la co-nexión del sistema a una estación basea través de una red inalámbrica ATMcon un QoS apropiado.15

El módulo de display es de tamañopequeño y baja resolución e incluyehardware de decodificación y pospro-cesamiento.

El suiche Octopus es un sistema re-configurable que conforma una redinterna de comunicación similar a unsuiche ATM simplificado de 8 x 8,que garantiza un ancho de banda su-ficiente para aplicaciones multime-dia. Octopus está formado por dossubsistemas: un switching fabric de8 x 8 que es implementado median-te la FPGA XC4010XL de Xilinx16 yel cual se encarga de enrutar el trá-fico entre los distintos módulos queforman el sistema; y ocho móduloscontroladores de interfaz (MIC) im-plementados con microcontroladoresmicrochip PIC 16C66, conectados alos puertos del suiche, que realizanoperaciones de establecimiento deconexión, arbitraje e interfaz con losdiferentes subsistemas. En la estruc-

tura del suiche las conexiones inter-nas son identificadas con una etique-ta que especifica el tipo de dato y ladirección del módulo destino, lo quepermite eliminar la transferencia deun gran número de bits de direccio-nes por acceso.

En general, el esquema de diseñoplanteado para el suiche Octopus lepermite soportar tres conexiones si-multáneas entre módulos disjuntoscon un rendimiento máximo de 96Mb/s.

Como aspecto importante de esta pro-puesta cabe anotar que la implemen-tación descrita anteriormente fue rea-lizada únicamente con el objetivo devalidar funcionalmente el prototipo.Por lo tanto, ésta es ineficiente desdeel punto de vista del consumo de po-tencia, ya que las FPGA usadas no sonadecuadas para sistemas móviles.

B. Procesador Nomadik STN8800de STMicroelectronicsLa familia de procesadores multime-dia Nomadik está formada por cua-tro procesadores: el STn8800, salió almercado en el 2003 y los nuevos pro-cesadores STn8810, STn8811 ySTn8812 están siendo lanzados ac-tualmente (2005).17

Los procesadores de STMicroelectro-nics disponen de una arquitecturaabierta de procesamiento distribuido,que usa aceleradores programablesinteligentes para la realización enforma paralela de funciones intensi-vas en datos y un procesador de pro-pósito general para el control. Comomódulo CPU, el STn8800, utiliza elcores ARM926E-JS de 32 bits de lafamilia ARM9 que incluye MMU, ca-che de instrucciones de 32KB, cachede datos de 16KB, multiplicador de


16 x 32 bits que realiza operacionesMAC en un ciclo y un aceleradorJava.18 Adicionalmente la plataformaARM integra una arquitectura decomunicación multicapa basada enbus conocida como AMBA (AdvancedMicrocontroller Bus Architecture) conun bus tipo Advanced High-perfor-mance Bus (AHB).19,20 Este subsiste-ma consiste en un esquema de busesmulticapa síncrono que permite rea-lizar transferencias de datos entremódulos del sistema sin la interven-ción de la CPU en el flujo de datos.

Un sistema AMBA-AHB típico con-tiene los siguientes componentes:AHB master, inicializa el sistemapara realizar las operaciones de lec-tura y escritura mediante la activa-ción de unas señales de dirección y

control; AHB slave, responde a lasoperaciones solicitadas por el AHBmaster; AHB arbiter, garantiza quesolamente un maestro tenga accesoal bus de comunicación en un mismotiempo mediante esquemas de asig-nación de prioridades y algoritmos dearbitraje; AHB decoder, decodifica ladirección de cada transferencia y se-lecciona el dispositivo esclavo involu-crado en la transferencia.

Específicamente, el STN8800, estábasado en un AMBA-AHB de nuevecapas, de las cuales dos son usadaspor la CPU proporcionando rutaspara acceder la memoria externa yotras dos le permiten acceder a peri-féricos de aplicación.

El procesador STN8800 posee dosmódulos aceleradores, uno para audio

Figura 2. Arquitectura del procesador Nomadik.21


y otro para video. Estos están basa-dos en el MMDSP+ core, el cual es unprocesador DSP comercial de 75MHztipo VLIW totalmente programable.22

Específicamente el acelerador de au-dio soporta entre su amplia librería desoftware los estándares MPEG3,MIDI, ACC y MPEG1. El aceleradorde video es un híbrido hardware/soft-ware que incluyen tanto al MMDSP+core como módulos de hardware dedi-cado que desempeñan funciones depre-procesamiento, post-procesamien-to, codificación y decodificación.

Los procesadores de STMicroelectro-nics incorporan diferentes técnicas dediseño orientadas a reducir el consu-mo de energía, entre ellas se desta-can: el uso de memoria on-chip comobuffer de cache; el uso de modos deoperación de bajo consumo de la CPU;la implementación de la técnica declock gating y la reducción del volta-je de alimentación.

C. Procesador PXA270 de IntelLa tecnología Intel ha respondido alos requerimientos de las aplicacio-nes multimedia mediante el diseño delas familias de procesadoresPXA25523,24, PXA26x25 y PXA27x26,los cuales poseen características es-peciales que les permiten soportar lasexigencias del procesamiento multi-media en ambientes móviles.

Como se muestra en la Figura 3, es-pecíficamente la familia PXA27x, in-tegra un core XScale de Intel comomódulo CPU, una memoria SRAMon-chip de 256KB la cual es usadacomo frame buffer para aplicacionesgráficas y de video, diversos módulosmultimedia (e.g. controlador de LCDe interfaz de cámara) y diferentesinterfaces de periféricos (e.g. UART,

USB, AC97). Toda la arquitectura hasido mejorada por un conjunto denuevas tecnologías entre las cualesse incluyen: 1) la tecnología WirelessMMXTM, que proporciona funcionali-dades adicionales para aplicacionescomo juegos 3D y video avanzadomientras optimiza el consumo deenergía;27 2) la tecnología WirelessSpeedStep, que implementa técnicasavanzadas de reducción de consumode potencia;28,29 3) la tecnología QuickCapture, que proporciona un incre-mento en las capacidades y la cali-dad de las cámaras que soporta elprocesador;30,31 4) la tecnología Wire-less Trusted, la cual proporciona ser-vicios de seguridad y privacidad enel manejo de la información.32

De acuerdo con la información sumi-nistrada por Intel, estos procesado-res estarán en capacidad de operaren un rango de frecuencias desde312MHz hasta 624MHz y con unacapacidad de memoria hasta de 64MB.26

El core XScale de Intel es una arqui-tectura tipo RISC de 32 bits basadaen el core ARM V5TE con un subsis-tema de memoria tipo harvard for-mado por caches de instrucciones yde datos de 32KB con MMUs inde-pendientes y una cache de datos de2KB que permite almacenar datosstreaming. Xscale también posee unaunidad de manejo de potencia, uni-dades JTAG, interfaces de debugg,interfaz de alta velocidad para la tec-nología Wireless MMXTM, y un copro-cesador MAC que permite procesareficientemente algoritmos de audiotipo multimedia. La microarquitectu-ra tiene la capacidad de procesar da-tos tipo entero de 8, 16 y 32 bits enforma tradicional y datos tipo enterode 16 bits en modo SIMD.33


Se debe destacar que las mejorassignificativas en las capacidades deprocesamiento de la familia PXA27xse deben principalmente a la inte-gración de la tecnología WirelessMMXTM y la tecnología Quick Cap-ture, las cuales fueron mencionadasen forma breve anteriormente, y acontinuación se detallará su des-cripción.

La unidad Wireless MMXTM es un co-procesador acoplado a la microarqui-tectura Xscale, el cual integra funcio-nes de tipo entero y multimedia eninstrucciones SIMD de 64 bits, lascuales permiten procesar ocho datosen un solo ciclo. Adicionalmente, estemódulo responde a modos de bajo con-sumo brindando la posibilidad de seractivado o desactivado de acuerdo conlos requerimientos de la aplicación.La naturaleza programable de la tec-nología Wireless MMXTM y las unida-des funcionales entre las que se en-cuentra un gran banco de registros,27

permiten la implementación del es-tándar de codificación y decodifica-ción de video MPEG-4 mediante unconjunto de instrucciones que propor-cionan aceleración a aquellas funcio-nes que resultan más intensivas des-de el punto de vista computacional(estimación de movimiento, compen-sación de movimiento).

En módulos multimedia los procesa-dores de la familia PXA27x poseen unrico conjunto de funcionalidades.Para el caso de la captura de imáge-nes y video, los procesadores PXA27xintroducen la interfaz configurableQuick Capture que proporciona unaconexión directa del procesador conuna amplia variedad de sensoresCMOS. La interfaz recibe los datos ylas señales de control del sensor y

proporciona el formato de represen-tación apropiado para la transferen-cia de los datos a la memoria a tra-vés de subsistema DMA. La interfazsoporta diferentes formatos de datoscomo RAW, YCbCr 4:2:2, RGB 8:8:8entre otros.30 El módulo controladorLCD proporciona una interfaz entrelos procesadores de la familiaPXA27x y el módulo display. Especí-ficamente el controlador soporta dis-play tipo DSTN (Liquid Cristal Dis-plays - Dual Scan Twisted Nematic(conocido como matriz pasiva)) y TFT(Liquid Cristal Displays - Thin FilmTransistor (conocido como matriz ac-tiva.)) de una resolución máxima de800 x 600 pixels. La configuración delcontrolador se hace a través de op-ciones programables para el tipo dedisplay, resolución, buffer frame ex-terno, formato del dato de salida en-tre otros parámetros de visualización.Internamente el controlador LCDestá formado por un subsistema DMAdedicado de siete canales, un módulode escalamiento, un módulo de con-versión de espacio de color, tres RAMde 256x25 bits, y módulos de repre-sentación de datos para los diferen-tes tipos de display.

Para cumplir una de las principalesrestricciones que impone el diseño deaplicaciones móviles, la familia deprocesadores PXA27x implementa latecnología Wireless SpeedStep, la cualofrece manejo dinámico de voltaje yfrecuencia e implementa cinco modosde operación de bajo consumo: Idle,Deep Idle, Standby, Sleep y DeepSleep29,34 que le permiten variar elconsumo de acuerdo con el nivel deactividades monitoreado por la uni-dad de monitoreo de desempeño(PMU) y a la disponibilidad de losrecursos.


D. Procesador DragonballMC9328MX21 de FreescaleEste procesador posee como CPU elcore ARM926EJ-S de 32bits de la fa-milia ARM9, integrado en un siste-ma on-chip (SoC) con módulos dehardware de aplicación específica queoperan en forma independiente. LaCPU ARM926EJ-S es un subsistemade alto desempeño, cuya velocidad deprocesamiento puede llegar hasta 266MHz con una frecuencia máxima de

reloj para el bus interno de 133 MHz.Posee una arquitectura cache tipoharvard y está formada por cuatromódulos principales: un core enteroARM9EJ-S, caches independientes dedatos e instrucciones de 16KB y Uni-dad de Manejo de Memoria (MMU).35

Adicionalmente la plataforma ARMintegra el estándar AMBA-AHB18,19,el cual permite realizar transferen-cias de datos entre módulos del sis-tema sin la intervención de la CPUen el flujo de datos.

Figura 3. Arquitectura del procesador PXA270 de Intel.27


En la Figura 4 se muestra el diagra-ma de bloques de los módulos quecomponen el procesador Dragonball.Entre los módulos específicos queposee este procesador cabe destacarla Interfaz de Sensor CMOS (CSI), elAcelerador Multimedia Mejorado(eMMA) y el Controlador de Displayde Cristal Líquido (LCDC).

La Interfaz de Sensor CMOS (CSI)permite que el procesador i.MX21 sepueda conectar directamente a unsensor de imágenes CMOS xterno.Este módulo soporta entradas de da-tos YCC, YUV, Bayer, o RGB de 8bits35,36 y un tamaño de imagen máxi-mo de 2560 x 1920. Internamentecontiene una memoria FIFO de 32 x

Figura 4. Espacio de memoria para el i.MX21.35


32 palabras para el almacenamientode píxeles de la imagen, una memo-ria FIFO de 16 x 32 palabras para lageneración de datos estadísticos yuna interfaz directa con el bloque depre-procesamiento (PrP) del eMMA.

El Acelerador Multimedia Mejorado(eMMA) está formado por cuatro sub-sistemas: el pre-procesador, el post-procesador, el Codificador y Decodi-ficador MPEG4 ISO/IEC 14496-2 deperfil simple con niveles de 0 a 3 deHantro.37 Estos subsistemas se conec-tan independientemente tanto al businterno del procesador como al busAMBA-AHB. El pre-procesador estáformado por un buffer de entrada, unmódulo de redimensionamiento y porun conversor de espacio del color; re-cibe frames desde 32 x 32 pixels has-ta 2044 x 2044 pixels desde el siste-ma de memoria o a través de la in-terfaz directa que tiene con el módu-lo CSI y dispone de dos canales inde-pendientes en los cuales realiza elprocesamiento y la distribución de losdatos de 32 x 32, ya sea a un displayo a la memoria. El post-procesadortoma como entrada frames decodifi-cados desde la memoria los almace-na en el buffer Y (116x32) y el buferUV (68x32) respectivamente y reali-za sobre ellos el proceso de divisiónen bloques, redimensionamiento yconversión de espacio del color parallevarlos finalmente desde un bufferde salida, a la memoria en el formatoapropiado para la visualización.35

El Controlador de Display de CristalLíquido (LCDC) permite al procesadormostrar datos en paneles LCD de co-lor pasivo (CSTN) y de color activo(TFT) en una interfaz de 12, 16, y 18bits y con una resolución máxima de800 x 600.35,38 El flujo de datos en el

módulo LCD para el manejo del dis-play tipo TFT, consiste en transferir losdatos (píxeles de la imagen) desde elsistema de memoria por intermedio deun controlador DMA interno hasta losbuffers de 32 x 32 de las interfaces bac-kground y foreground, respectivamen-te. Una vez los datos hayan sido proce-sados ingresan a un buffer intermedio,luego a la interfaz lógica y finalmenteson enviados al display.

Uno de los aspectos arquitecturalesmás relevantes del procesadorMC9328MX21 es el uso de AMBA-AHB en el esquema de comunicación,el cual es llamado específicamentepara esta tecnología como Multi-La-yer AHB Crossbar Switch (MAX)35

Este esquema permite realizar trans-ferencias de datos en forma simultá-nea y paralela entre diferentes módu-los del sistema. El estándar se carac-teriza por soportar múltiples maestrosy ofrecer un alto desempeño y granancho de banda. El suiche MAX so-porta seis maestros y cuatro esclavos,específicamente los módulos que sonmanejados como maestros son: Icachey Dcache que proporcionan rutas paraacceder la memoria externa, el módu-lo DMA y periféricos de aplicacióncomo el controlador LCD, la interfazUSB y el módulo eMMA.

Con el objetivo de reducir el consu-mo de potencia, el procesadorMC9328MX21 soporta tres modos deoperación (run, standby, stop) e incor-pora además la implementación de latécnica clock gating dentro de losmódulos para minimizar la energíaconsumida en el suicheo CMOS.Igualmente, para reducir el consumode energía en estado standby, el pro-cesador soporta la aplicación de téc-nicas de polarización y el manejo de


potencia dinámica (escalamiento devoltaje y frecuencia).

IV. ANÁLISIS DE LASARQUITECTURASEn esta sección se realiza un análisiscomparativo de las cuatro arquitec-turas discutidas.

Un primer acercamiento a la evalua-ción cuantitativa en desempeño yconsumo de potencia de algunos delos procesadores orientados a aplica-

ciones móviles y multimedia es apor-tado por Synchromesh Computing ensu reporte técnico,39 en el cual se com-paran los procesadores i.MX21 deFreescale, PXA255 de Intel y elOMAP 1611 de Texas Instruments.Para la realización de las pruebas sedispusieron ocho benchmarks (Hint,Stream, MPEG4 Encode, MPEG4Decode, Sisoft Sandra, BMQ, VOben-ch, ByteMark) con el fin de medir di-ferentes parámetros en cada proce-

Tabla 2. Medidas comparativas entre procesadores multimedia(Los precios fueron establecidos mediante solicitud a distribuidores de estosprocesadores)1

Nomadik DragonballSTN8800 PXA270 MC9328MX21

(sTMicroelectronics) (Intel) (Freescale)

Freq Procesador 200 MHz 312MHz/104MHz MHz 266 MHz/Freq Bus 624MHz/208 /133 MHz

Cache de 32KB 32KB 16KInstrucciones

Cache de Datos 16KB 32KB Y 2KB 16Kadicionales

Memoria Memoria SRAM SRAM de 256KB ___Interna RAM on-chip de 48KB en bancos de 64KB

para almacenar losframes de video

Potencia Modo Idle 100mW [22] 109 mW-260 mW 108mW(mW) (respectivamente

a las frecuencias)

Potencia --- 375 mW-925 mW 248mWModo Activo (respectivamente aSolo manejo las frecuencias) de UART (mW)

IC process CMOS 130 nm CMOS 130 nm CMOS 130 nm

Precio en $15 USD1 a 312 MHz $32 USD1 $16.80 USD1

volúmenes de 10,000


sador. Entre las conclsiones más im-portantes se pueden destacar:

• OMAP1611 presenta el menorconsumo de potencia (debido a labaja frecuencia del core 180MHz),pero también presenta el peordesempeño para las aplicacionesMPEG4 debido probablemente altamaño pequeño de la cache dedatos (8KB) y a la baja velocidaddel bus de memoria.

• PXA255 presenta el más alto con-sumo de potencia con un desem-peño relativo alto.

• i.MX21 a pesar de su baja veloci-dad de reloj respecto al PXA255obtiene un buen desempeño conun nivel de consumo medio. Deacuerdo con los autores, este pro-cesador presenta la mejor rela-ción desempeño/milivatios.

Adicionalmente, el subsistema dehardware CODEC MEPG4 fue eva-luado solamente para el i.MX21 evi-denciando en él, una gran mejora enel desempeño y una reducción en elconsumo de potencia total del siste-ma, sobre todo para el caso de la de-codificación.

En el caso de aplicaciones móviles lafigura de mérito de la potencia se hatornado tan importante como el des-empeño. Generalmente las innovacio-nes arquitecturales han sido desarro-lladas buscando un mejor desempe-ño sin considerar el impacto en el con-sumo de potencia.40 Lo ideal es dis-poner de una estrategia de compara-ción de las arquitecturas, con base enel consumo de potencia por ejemplobasándose en benchmarks.

Debido a que no se dispone de medi-das de potencia de las cuatro arqui-tecturas, se usan para este análisis

preliminar datos de publicaciones yreportes técnicos.

En la Tabla 2 se muestran los valo-res de los parámetros generales paracada uno de los procesadores. La ar-quitectura MOBYDICK no se especi-fica debido a que su implementaciónse reportó conectado varias FPGAs yprocesadores y no como un circuitointegrado único.

De la Tabla 2, se puede colegir, enrelación con el sistema de memoria,que todos los procesadores poseenuna arquitectura tipo harvard, contamaños de cache entre 16KB y 32KBcon diferentes grados de asociativi-dad. Esta estructura de almacena-miento responde a las recomendacio-nes presentadas en41 que establecepara aplicaciones multimedia, cachesde datos con tamaños entre 16KB y32KB debido a que ofrecen una bajatasa de error en los accesos a memo-ria (cache misses) comparada conotras aplicaciones de uso corriente.Igualmente para la cache de instruc-ciones se recomienda un tamaño de32KB o mayor para reducir la tasaerrores de acceso originadas por apli-caciones multimedia más complejas.Por otra parte los diferentes sistemasde memoria de estos procesadoresestán enriquecidos con técnicas orien-tadas a mejorar el desempeño y elancho de banda tanto de las memo-rias cache como de la memoria prin-cipal, entre ellas se pueden citar: eluso de técnicas como write buffer,write-through y write-back entreotras.

Respecto a la organización arquitec-tural de las plataformas, se puedeobservar que como resultado de lasmejoras en los procesos tecnológicos,cada vez se integran mayor número


de componentes en un solo chip (Sys-tem-on-Chip SoC) y la comunicaciónentre estos suele ser más crítica.Frente a esta situación la tendenciaen el diseño de arquitecturas de co-municación está cambiando del tra-dicional sistema de bus compartido aestructuras de comunicación máscomplejas, basadas en múltiples bu-ses que incrementan el ancho de ban-da.42 Los procesadores STN8800 eIMX21 implementan el estándarAMBA, mientras que el procesadorPXA270 posee una configuración tra-dicional en el sentido que tiene un buscentral de comunicación que conectamódulos de hardware de aplicaciónespecífica a la CPU. De acuerdo conlos resultados reportados por43 un buscompartido de 32 bits proporcionamenor desempeño que una configu-ración de buses múltiples (3 buses)de igual tamaño. Adicionalmente,cada vez más se evidencia que la ar-quitectura de comunicación elegidano solo afecta el desempeño sino tam-bién el consumo de potencia. Deacuerdo con44 para un esquemaAMBA de dos AHB-Master, dos AHB-slaves, un puente AHB-APB18,19 y tresperiféricos APB el mayor consumo depotencia es presentado por los com-ponente lógicos del sistema, tambiénse demuestra que e tipo de transfe-rencia, el uso de pipeline y la comple-jidad del sistema que aumenta con elnúmero de módulos al conectar influ-yen significativamente en el consu-mo de potencia. Actualmente el áreade diseño de arquitectura de comu-nicación on-chip se considera un cam-po abierto para experimentar. Mues-tra de ello son aquellas publicacionesque proponen otros esquemas comoen42 donde se habla del uso de redesdirectas, indirectas e híbridas, en45

que se propone el uso de microrredesreconfigurables. Es de anotar queotra tendencia es el uso de sistemasasíncronos46 que permiten usar lastécnicas de suicheo de voltaje y esca-lamiento de frecuencia para reducirel consumo de energía.

Respecto al consumo de potencia, y alos datos mostrados en la Tabla 2 paraesta variable, es importante anotarque existen grandes dificultades encuanto a los métodos de medida yaque según el Consorcio de Benchmar-ks para Microprocesadores Embebi-dos (EEMBC)47,39 en la actualidad nose han definido metodologías bienestablecidas para estimar el consu-mo de energía considerando aplica-ciones móviles de procesamiento mul-timedia. Cada fabricante ofrece unaespecificación de consumo de energíatípico que es difícil de comparar conotros, sobre todo con fuentes de in-formación tan limitadas como la delprocesador STN8800.

Finalmente vale la pena anotar quecon respecto a la tecnología de dise-ño, los procesadores Dragonball ySTN8800, presentan un sistemaabierto en el sentido que integratanto tecnología propietaria en al-gunos módulos de hardware comosubsistemas IP y estándares abier-tos (e.g estándar AMBA), mientrasque la tecnología del procesador In-tel es totalmente propietaria, lo quepodría ocasionar limitaciones paraque los diseñadores desarrollenaplicaciones.

CONCLUSIONESEn las arquitecturas embebidasorientadas a aplicaciones multimediamóviles, el sistema de memoria y laestructura de comunicación tienen un


impacto considerable en el desempe-ño, el costo y el consumo de potenciadel sistema. La optimización de es-tos tres parámetros simultáneamen-te en el proceso de diseño, es incom-patible, ya que típicamente la mejo-ra de uno de ellos implica el detrimen-to del otro. La clave para el diseño deestas arquitecturas consiste en en-contrar un punto óptimo para la re-lación costo/potencia considerando undesempeño suficiente para llevar acabo la aplicación deseada de formaconveniente.

La implementación de las diferentestécnicas de reducción de consumo depotencia (estática y dinámica) en to-dos los niveles del diseño de las ar-quitecturas mostradas, evidencia lagran importancia de maximizar losrecursos de la arquitectura con el finde incrementar el tiempo de opera-ción de las fuentes de suministro deenergía, ya que los nuevos dispositi-vos requieren operar en un ambientede movilidad con baterías de duraciónlimitada.

Como trabajo futuro se buscará esta-blecer metodologías que permitanmedir el consumo de energía en ar-quitecturas embebidas orientadas aaplicaciones multimedia móviles, rea-lizando pruebas reales con un conjun-to de aplicaciones con los procesado-res Dragonball MC9328MX21 deFreescale y PXA270 de Intel, con elfin de establecer medidas comparati-vas confiables que soporten criteriosde selección frente al consumo de po-tencia, el costo y el desempeño.

AGRADECIMIENTOSLos autores agradecemos a la Univer-sidad de Antioquia y a Colciencias porel apoyo brindado para la realizaciónde este trabajo.

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CURRÍCULOSMónica Aydé Vallejo Velásquez.

Recibió el título de ingeniera elec-trónica por la Universidad deAntioquia - Colombia, en el 2003y actualmente se encuentra desa-rrollando su programa de maes-tría en ingeniería electrónica enla Facultad de Ingeniería desdeel 2004. Sus áreas de interés sonla computación móvil, el diseño dehardware basado en FPGAs y lascomunicaciones inalámbricas.Trabaja con el Grupo de Investi-gación en Microelectrónica y Con-trol de la Universidad de Antio-quia.

José Edinson Aedo Cobo. Obtuvoel título de ingeniero electricistapor la Universidad del Valle en1987 y el grado de maestría y dedoctorado por la Escuela Politéc-nica de la Universidad de SaoPaulo-Brasil en 1992 y 2000, res-pectivamente. Actualmente esprofesor del Departamento de In-geniería Electrónica de la Univer-sidad de Antioquia - Colombia ydirige el grupo de investigación deMicroelectrónica y Control en di-cha Universidad. Sus áreas deinterés cubren el diseño de circui-tos integrados de dedicación es-pecífica, arquitecturas de hard-ware para computación móvil einteligencia computacional.


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