EVALUACIÓN DE CALIDAD DE SERVICIO EN REDES DE ACCESO WIFI ...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

EVALUACIÓN DE CALIDAD DE SERVICIO EN REDES DE

ACCESO WIFI Y WIMAX PARA APLICACIONES DE eHEALTH

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE

TELECOMUNICACIONES

PRESENTA: Ing. Alfonso Leyva Alvarado

DIRECTOR DE TESIS: M. en C. Miguel Sánchez Meraz

México D.F. 2014

EVALUACIÓN DE CALIDAD DE SERVICIO EN REDES DE ACCESO WIFI Y WIMAX PARA APLICACIONES DE eHEALTH

i

Resumen

Las tecnologías de la información y la comunicación han permitido que cada vez un número

mayor de personas pueda contar con más y mejores servicios de diferentes áreas, incluyendo

servicios que permiten mejorar y cuidar su salud.

La tecnología WiMAX se ha utilizado para brindar servicios de banda ancha, entre los que se

incluyen servicios de salud a diferentes entornos, ya sean zonas urbanas, lugares donde es

difícil el acceso de medios de comunicación cableados o a zonas rurales. La tecnología Wi-Fi,

por su parte, cuenta con una gran penetración a nivel mundial, y se ha utilizado para brindar

servicios de conectividad local que, por lo regular, no son de naturaleza crítica.

El presente trabajo se enfoca en realizar una evaluación de parámetros de calidad de servicio

para las redes de banda ancha inalámbrica WiMAX y Wi-Fi, considerando las características

que requieren las aplicaciones de eHealth. Esta área de la salud cuenta con una diversa gama

de servicios de voz, video y datos, que requieren del cumplimiento de requisitos estrictos en

su entrega a los pacientes y usuarios de los servicios, ya que de contar con problemas en su

transmisión, pueden poner en riesgo la salud de los pacientes e incluso su vida. Este trabajo

presenta una revisión de las características de calidad de servicio de la tecnología WiMAX y

Wi-Fi.

El sector salud no cuenta con valores universales en cuanto a los requisitos para los enlaces de

comunicaciones que son usados para dar soporte a sus servicios, de tal manera que los

enlaces sean considerados como satisfactorios. En este trabajo se realiza también una revisión

de las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones relacionadas con

aspectos de calidad de servicio para diferentes aplicaciones de voz, video y datos, y entonces

son asociadas a los servicios de eHealth. Se ofrece una revisión de los diferentes servicios

dentro del área de la salud identificados como eHealth, y se indican las características de

calidad de servicio que requieren las diferentes aplicaciones del área.

Se presenta el trabajo realizado en un escenario real para la medición de parámetros de

calidad de servicio para la tecnología WiMAX y Wi-Fi. Esto se realizó mediante una campaña

de medición realizada sobre maquetas de prueba instaladas en el Departamento de

Telecomunicaciones de la ESIME Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional. Los parámetros

de calidad de servicio que son evaluados son el retardo, la variación del retardo y la tasa de

pérdida de paquetes, que deben satisfacer valores objetivo indicados en las recomendaciones

de la ITU. Los resultados de estas pruebas son analizados. Por último, se presentan las

conclusiones respecto al trabajo y se sugieren trabajos futuros en esta área.


ii

Abstract

Information and communication technologies allows to more people to have more and better

services in different areas, including services that improve their health.

WiMAX technology has been used to provide wireless broadband services, including health

services in different environments, being urban areas or places where it is difficult to provide

wired communications or rural areas. Wi-Fi technology has a high penetration worldwide, and

has been used to provide local connectivity services that usually are not of a critical nature.

This work focuses on an evaluation of quality of service parameters for WiMAX and Wi-Fi

wireless broadband access networks, taking into account the characteristics required by

eHealth applications. This area has a diverse variety of voice, video and data applications, and

they need stringent requirements in its delivery to patients and service users. Errors in the

transmission of the services may generate a risky situation for the patient health and even put

in risk their life. In this work a review of the characteristics of quality of service of WiMAX and

Wi-Fi technologies is presented.

The health sector does not have universal values regarding the requirements of the services in

order to be considered as satisfactory. A review of the recommendations of the International

Telecommunication Union related to aspects of quality of service for different voice, video

and data applications is made, and they are associated with the eHealth services. A review of

eHealth is provided and the quality of service features required by different eHealth

applications is indicated.

This work was performed in a real scenario for the measurement of the quality of service

parameters for WiMAX and Wi-Fi technologies. This was performed by using trial equipment

installed within the premises of the Telecommunication Department of the National

Polytechnic Institute. The evaluated parameters are delay, delay variation and packet loss

rate, which must satisfy target values, indicated by the ITU recommendations. The results of

these tests are analyzed. Finally, conclusions are presented and future work lines are

suggested.


iii

Contenido

Índice de Figuras .......................................................................................................................................................... vi

Índice de Tablas ......................................................................................................................................................... viii

Estado del arte ............................................................................................................................................................... x

Justificación .................................................................................................................................................................. xii

Objetivo ......................................................................................................................................................................... xiii

Capítulo 1 - Redes Inalámbricas de Acceso de Banda Ancha ...................................................................... 1

1.1 Introducción .............................................................................................................................. 2

1.2 Acceso inalámbrico de banda ancha ......................................................................................... 3

1.3 Aspectos generales de la tecnología WiMAX ............................................................................ 4

1.3.1 Capa física de WiMAX......................................................................................................... 5

1.3.1.1 Bases de OFDM ........................................................................................................... 5

1.3.1.2 Parámetros de OFDM en WiMAX ................................................................................ 6

1.3.1.3 Sub canalización OFDMA en WiMAX móvil ................................................................. 7

1.3.1.4 Estructura de Trama y de Ranura ................................................................................ 8

1.3.1.5 Modulación adaptativa y codificación ........................................................................ 9

1.3.2 Capa MAC ........................................................................................................................... 9

1.3.3 WiMAX Forum .................................................................................................................. 11

1.4 Aspectos generales de la tecnología Wi-Fi .............................................................................. 12

1.4.1 Capa física de WiFi............................................................................................................ 12

1.4.1.1 Salto de frecuencia por espectro disperso ................................................................ 13

1.4.1.2 Secuencia directa por espectro disperso .................................................................. 13

1.4.1.3 OFDM ........................................................................................................................ 14

1.4.1.4 MIMO-OFDM ............................................................................................................. 14

1.4.2 Capa de control de acceso al medio................................................................................. 14

1.4.2.1 Mecanismos de acceso al medio ............................................................................... 15

1.4.2.2 Acceso de canal distribuido mejorado ...................................................................... 16

1.4.3 Alianza Wi-Fi ..................................................................................................................... 17

Capítulo 2 - Calidad de Servicio ........................................................................................................................... 18


iv

2.1 Introducción ............................................................................................................................ 19

2.1.1 WiMAX dentro de las IMT-2000 ....................................................................................... 20

2.2 Recomendaciones de la ITU relacionadas con QoS ................................................................ 20

2.2.1 Recomendación ITU-T G.1000 - Calidad de servicio en las comunicaciones: Marco y

definiciones. .............................................................................................................................. 21

2.2.2 Recomendación ITU-T G.1010 - Categorías de calidad de servicio para los usuarios de

extremo de servicios multimedios. ........................................................................................... 23

2.2.3 Recomendación ITU-T Y.1540 - Servicio de comunicación de datos con protocolo

Internet – Parámetros de calidad de funcionamiento relativos a la disponibilidad y la

transferencia de paquetes del protocolo Internet .................................................................... 24

2.2.4 Recomendación Y.1541 - Objetivos de calidad de funcionamiento de redes para

servicios basados en el protocolo Internet ............................................................................... 25

2.2.4.1 La trayectoria de referencia Y.1541 .......................................................................... 26

2.2.4.2 Objetivos de desempeño y clases de QoS ................................................................. 26

2.2.5 Recomendación ITU-R M.1079-2 - Requisitos de desempeño y calidad de servicio para

las comunicaciones móviles internacionales-2000 ................................................................... 27

2.3 Calidad de Servicio en WiMAX ................................................................................................ 30

2.4 Calidad de Servicio en WiFi ..................................................................................................... 32

2.5 Comparativa entre aspectos de calidad de servicio de WiMAX y Wi-Fi ................................. 34

Capítulo 3 - eHealth................................................................................................................................................... 35

3.1 Breve historia y definición de eHealth .................................................................................... 36

3.1.1 Impacto de eHealth .......................................................................................................... 38

3.2 Servicios sanitarios basados en eHealth ................................................................................. 39

3.3 Requerimientos típicos para las aplicaciones eHealth ............................................................ 43

3.3.1 Conferencia multimedia ................................................................................................... 44

3.3.2 Imágenes fijas y transmisión de imágenes médicas. ....................................................... 45

3.3.3 Sistemas telerobóticos. .................................................................................................... 45

3.3.4 Transmisión de señales vitales del paciente. ................................................................... 46

3.3.5 Servicios de emergencia de eHealth. ............................................................................... 46

3.3.6 Acceso al expediente médico electrónico ........................................................................ 46

3.3.7 Investigación y educación ................................................................................................ 46

3.4 Wi-Fi y WiMAX en eHealth ...................................................................................................... 48


v

Capítulo 4 - Pruebas de calidad de servicio .................................................................................................... 50

4.1 Objetivos de las pruebas ......................................................................................................... 51

4.2 Pruebas en WiMAX.................................................................................................................. 52

4.2.1 Escenario de pruebas ....................................................................................................... 52

4.2.2 Configuración del equipo ................................................................................................. 54

4.2.4 Pruebas realizadas ............................................................................................................ 55

4.2.5 Resultados de las pruebas de QoS de WiMAX ................................................................. 56

4.2.5.1 Resultados de retardo ............................................................................................... 56

4.2.5.2 Resultados de Jitter ................................................................................................... 57

4.2.5.3 Resultados de PLR ..................................................................................................... 58

4.3 Pruebas en Wi-Fi ..................................................................................................................... 59

4.3.1 Escenarios de pruebas ...................................................................................................... 59

4.3.1.1 Escenario de prueba de calidad de servicio con Iperf ............................................... 59

4.3.1.2 Escenario de prueba de calidad de servicio con Voz sobre IP .................................. 63

4.3.2 Resultados de las pruebas de calidad de servicio con Iperf ............................................. 66

4.3.2.1 Resultados de retardo ............................................................................................... 66

4.2.3.2 Resultados de Jitter ................................................................................................... 67

4.2.3.3 Resultados de PLR ..................................................................................................... 69

4.3.3 Resultados de las pruebas de calidad de servicio de Voz sobre IP .................................. 71

4.4 Análisis de resultados .............................................................................................................. 77

Capítulo 5 - Conclusiones y trabajos futuros .................................................................................................. 80

Trabajos Futuros ........................................................................................................................................................ 82

Bibliografía y Referencias....................................................................................................................................... 83


vi

Índice de Figuras

Figura 1. 1. Crecimiento global de líneas de suscriptores de telefonía fija, móvil, de banda ancha e

Internet del periodo 2003-2013 . ........................................................................................................ 3

Figura 1. 2. Representación del símbolo OFDM . ................................................................................ 6

Figura 1. 3. Sub canales OFDMA y sub portadoras OFDM . ................................................................ 7

Figura 1. 4. Estructura de la trama OFDM. .......................................................................................... 8

Figura 1. 5. Capa MAC de WiMAX. .................................................................................................... 10

Figura 2. 1. Enfoque y alcance de las recomendaciones consideradas para este trabajo. ............... 21

Figura 2. 2. Cuatro puntos de vista sobre QoS. ................................................................................. 22

Figura 2. 3. Modelo de categorías de QoS centradas en el usuario. ................................................. 23

Figura 2. 4. Trayectoria de referencia UNI-to-UNI para los objetivos de QoS de una red. ............... 26

Figura 2. 5. Planificador de la clase de servicio UGS de WiMAX ...................................................... 30

Figura 2. 6. Planificador de la clase de servicio rtPS de WiMAX. ...................................................... 31

Figura 2. 7. Planificador de la clase de servicio ertPS de WiMAX. .................................................... 31

Figura 3. 1. Soluciones eHealth ......................................................................................................... 38

Figura 3. 2. Red típica para aplicaciones eHealth/mHealth. ............................................................. 41

Figura 3. 3. Entorno de servicios eHealth ......................................................................................... 42

Figura 4. 1. Lugar del escenario de pruebas de calidad de servicio de la tecnología WiMAX en la

ESIME Zacatenco y la colonia Lindavista en la Ciudad de México. .............................................. 54

Figura 4. 2. Escenario de prueba entre equipo suscriptor y radio base WIMAX. ........................ 55

Figura 4. 3. Resultados de retardo para las cinco clases de QoS de WiMAX. ................................... 56

Figura 4. 4. Resultados de Jitter para las cinco clases de QoS de WiMAX. ...................................... 57

Figura 4. 5. Resultados de PLR para las cinco clases de QoS de WiMAX. ......................................... 58

Figura 4. 6. APO2 y equipo utilizado para las pruebas de calidad de servicio. ................................. 60

Figura 4. 7. Ubicación de los dos AP utilizados para pruebas de QoS en Wi.Fi. ............................... 60

Figura 4. 8. Tarjeta de red con soporte 802.11n y soporte WMM. .................................................. 61

Figura 4. 9. Tarjeta de red con soporte 802.11n sin soporte WMM. ............................................... 61

Figura 4. 10. Paquetes sin marca de DSCP. ....................................................................................... 63

Figura 4. 11. Paquetes con marca de DSCP. ...................................................................................... 63

Figura 4. 12 Maqueta de pruebas utilizada para la prueba de calidad en uuna conversación de Voz

sobre IP .............................................................................................................................................. 65

Figura 4. 13. Resultados de Retardo para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi utilizando paquetes de

160 bytes. .......................................................................................................................................... 66

Figura 4. 14. Resultados de Retardo para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi utilizando paquetes de

1280 bytes. ........................................................................................................................................ 67

Figura 4. 15. Resultados de jitter para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para paquetes de 160

bytes. ................................................................................................................................................. 68


vii

Figura 4. 16. Resultados de jitter para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para paquetes de 1280

bytes. ................................................................................................................................................. 69

Figura 4. 17. Resultado de Tasa de Paquetes Perdidos para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para

paquetes de 160 bytes. ..................................................................................................................... 70

Figura 4. 18. Resultados de PLR para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para paquetes de 1280

bytes. ................................................................................................................................................. 70

Figura 4. 19. Resultado de throughput en el periodo de tiempo de 20 segundos a 80 segundos. La

curva roja muestra el comportamiento de la conversación sin categoría de calidad. La curva azul

muestra el comportamiento de la conversación con categoría de calidad. ..................................... 71

Figura 4. 20. Calidad de conversación obtenida para la conversación con calidad y sin calidad

cuando no existe tráfico adicional en la red. .................................................................................... 72

Figura 4. 21. Resultado de throughput en el periodo de tiempo de 80 segundos a 260 segundos. La

curva roja muestra el comportamiento de la conversación sin categoría de calidad. La curva azul


Figura 4. 22. Calidad de conversación obtenida para la conversación sin calidad cuando se inyecta

tráfico de 10 Mbps adicionales en la red. ......................................................................................... 73

Figura 4. 23. Calidad de conversación obtenida para la conversación con calidad cuando se inyecta

tráfico de 10 Mbps adicionales en la red. ......................................................................................... 73

Figura 4. 24. Resultado de throughput en el periodo de tiempo de 260 segundos a 480 segundos.

La curva roja muestra el comportamiento de la conversación sin categoría de calidad. La curva azul



tráfico de 5 Mbps adicionales en la red. ........................................................................................... 74



Figura 4. 27. Resultado de throughput en el periodo de tiempo de 480 segundos a 620 segundos.

La curva roja muestra el comportamiento de la conversación sin categoría de calidad. La curva azul







viii

Índice de Tablas

Tabla 1. 1. Datos básicos de los estándares IEEE 802.16 ................................................................... 4

Tabla 1. 2. Parametros OFMD utilizados en WiMAX . ......................................................................... 6

Tabla 1. 3. Tipos de modulación y codificación soportados por WiMAX ........................................... 9

Tabla 1. 4. Detalles de los métodos de modulación y tasas de transmisión en 802.11 . .................. 13

Tabla 1. 5. Detalles de los esquemas de modulación para la capa PHY de 802.11a . ....................... 14

Tabla 1. 6. Categorías de acceso de 802.11e, adaptado de . ............................................................ 16

Tabla 2. 1. Objetivos de calidad de funcionamiento para algunas aplicaciones de audio, video y

datos. ................................................................................................................................................. 23

Tabla 2. 2. Definiciones de clases de QoS de redes IP y objetivos de sus parámetros de desempeño.

........................................................................................................................................................... 26

Tabla 2. 3. Guía de aplicaciones para las clases de QoS de redes IP ................................................ 27

Tabla 2. 4. Clases de QoS desde una perspectiva de usuario de las IMT-2000 ................................. 29

Tabla 2. 5. Expectativas de desempeño del usuario final para servicios en tiempo real-

conversacionales. .............................................................................................................................. 29

Tabla 2. 6. Caracteristicas de QoS de WiMAX. ................................................................................. 32

Tabla 2. 7. Categorías de acceso WMM para diferentes tipos de tráfico. ........................................ 33

Tabla 3. 1. Requerimientos de QoS de algunas aplicaciones eHealth incluyendo el contexto. ........ 43

Tabla 3. 2. Requisitos de QoS para la transmisión de algunos datos médicos. ................................ 44

Tabla 3. 3. Tasas de datos para dispositivos típicos de eHealth. ...................................................... 45

Tabla 3. 4. Clasificación de los servicios de eHealth ........................................................................ 47

Tabla 4. 1. Equipo utilizado en la maqueta WiMAX y sus características ......................................... 53

Tabla 4. 2. Configuración de parámetros de QoS en WiMAX ........................................................... 55

Tabla 4. 3. Valores estadísticos del retardo para las cinco clases de servicio de WiMAX ................ 56

Tabla 4. 4.Valores estadísticos de la variación del retardo para las cinco clases de servicio de

WiMAX .............................................................................................................................................. 57

Tabla 4. 5. Valores estadísticos de la pérdida de paquetes para las cinco clases de servicio de

WiMAX. ............................................................................................................................................. 58

Tabla 4. 6. Equipo utilizado en la maqueta Wi-Fi y sus características. ............................................ 59

Tabla 4. 7. Mapeo de valores DSCP/TOS a categorias WMM. .......................................................... 62

Tabla 4. 8. Equipos utilizados en la prueba de Voz sobre IP ............................................................. 64

Tabla 4. 9. Valores estadísticos del retardo para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un

tamaño de paquetes de 160 bytes. ................................................................................................... 66

Tabla 4. 10. Valores estadísticos del retardo para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un

tamaño de paquetes de 1280 bytes. ................................................................................................. 67

Tabla 4. 11. Valores estadísticos del jitter para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un

tamaño de paquetes de 160 bytes. ................................................................................................... 68


ix

Tabla 4. 12. Valores estadísticos del jitter para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un

tamaño de paquetes de 1280 bytes. ................................................................................................. 69

Tabla 4. 13. Valores estadísticos del PLR para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño

de paquetes de 160 bytes. ................................................................................................................ 70

Tabla 4. 14. Valores estadísticos del PLR para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño

de paquetes de 1280 bytes. .............................................................................................................. 71

Tabla 4. 15. Resumen de resultados obtenidos. ............................................................................... 77

Tabla 4. 16. Mapeo propuesto entre clases de servicio de WiMAX, Wi-Fi y la recomendación ITU-T

Y.1541. ............................................................................................................................................... 78


x

Estado del arte

La capacidad de conducir tráfico en las redes de comunicación es limitada y los servicios que son transportados por las redes compiten para hacer uso de este recurso que es usado de forma compartida. Debido al incremento del tráfico transportado por las redes de comunicación, diversos mecanismos para la clasificación de tráfico han sido diseñados para poder asignar diferentes niveles de prioridad a las solicitudes de los recursos de red [1]. Tanto en las redes móviles como en las redes IP estos mecanismos han seguido su propia evolución. Sin embargo, la convergencia hacia las redes IP demanda una coexistencia transparente y una integración entre las redes cableadas y las redes inalámbricas. Bajo condiciones de operación normal, las redes de acceso son las que suelen tener un mayor nivel de congestión debido a que los proveedores de servicio diseñan estas redes bajo la consideración de que no todos los usuarios harán solicitudes de recursos de red de forma simultánea.

Con la introducción de los sistemas de tercera generación de comunicaciones móviles, el tráfico de voz es desplazado por el tráfico de datos, con una tendencia a continuar en crecimiento en un futuro. La comunicación de voz aún resulta ser un servicio importante, pero con el uso y crecimiento de las aplicaciones de datos y multimedia, se ha vuelto necesario para algunas aplicaciones dar un trato distinto para cada servicio.

Algunas tecnologías de comunicación, ante este problema, tienen la capacidad de proveer servicios diferenciados, de manera que pueden asignar diferentes prioridades a diferentes flujos de datos o aplicaciones. Bajo esta idea, los recursos de red pueden controlarse hasta un cierto nivel para poder ofrecer servicios con un nivel de calidad esperado [1].

En el caso de las redes IP, varios de los servicios proporcionados son entregados bajo una clasificación denominada “de mejor esfuerzo”, de manera que los servicios compiten por los recursos de la red. Con el surgimiento de nuevas y variadas aplicaciones, se requieren de nuevas políticas y mecanismos para definir niveles de calidad para servicios que requieren de características específicas.

En el área de la salud, el uso de aplicaciones de eHealth crece de forma muy rápida debido a la creciente demanda de servicios por parte de usuarios móviles, que continúan en crecimiento. Estos servicios pueden resultar críticos para los pacientes, de manera que retardos excesivos en la transmisión de los datos médicos, o errores de transmisión pueden poner en riesgo la salud y la vida del paciente.

Los sistemas de segunda generación (2G y 2.5G) han sido empleados para la transmisión de datos médicos con tasas de transmisión cercanas a los 10 Kbps. Sin embargo, estas tasas de transmisión no son efectivas para la transmisión de aplicaciones de voz y video. Para conseguir tasas de transmisión mayores se han utilizado sistemas de la tecnología Wi-Fi, teniendo como limitante una cobertura reducida [2].


xi

Con la aparición de las tecnologías de comunicación de banda ancha de tercera generación, como WiMAX y LTE, la transmisión de información a distancia por medio del protocolo Internet demanda el poder asegurar que la transmisión de los paquetes cumplan con características específicas de transmisión como el retardo, jitter y pérdida de paquetes, que pueden causar que la calidad de la transmisión disminuya [3]. Las diferentes aplicaciones en tiempo y real y en tiempo diferido requieren de diferentes niveles de calidad de servicio de manera que la asistencia que brindan las aplicaciones sea confiable ante diferentes emergencias. Para ello se requiere de la priorización de servicios, de manera que el tiempo de espera medio de los servicios de mayor prioridad sea menor y puedan cumplir con un nivel mínimo de desempeño [4,5]. La convergencia de la información y las telecomunicaciones permiten la aparición de aplicaciones eficientes y que ayudan a reducir costos de operación en el área de telemedicina y el cuidado móvil, y la investigación continuara con las tecnologías de cuarta generación (4G) en donde el reto principal será el uso efectivo en conjunto de las diferentes tecnologías para brindar servicios de eHealth [6].

Los servicios de eHealth son entregados por un sistema de comunicaciones que generalmente consta de diferentes segmentos de red que conforman una trayectoria de extremo a extremo. La calidad de servicio indica los requisitos que requieren los diferentes tipos de contenido (audio, video y datos) en los diferentes segmentos de la red. Sin embargo, otro aspecto que también se debe cubrir es la percepción del servicio por parte del usuario, llamado calidad de experiencia, y depende de la calidad de servicio entregada por el sistema de comunicaciones [6]. Un mal desempeño en la calidad de servicio puede por ejemplo llevar a falsos diagnósticos o a fallas en la precisión de una tarea quirúrgica. Si además se cuenta con una mala calidad de experiencia, el usuario tendrá incertidumbre de los resultados médicos y disminuirá su aceptación de uso de los servicios.

Actualmente los trabajos realizados sobre calidad de servicio de los servicios eHealth no cuentan con un procedimiento estandarizado de definición debido a las múltiples tecnologías de comunicación que les dan soporte. Tampoco se disponen de valores universales en cuanto a parámetros de calidad de servicio que requieren las aplicaciones de eHealth [7]. Los estándares y recomendaciones relacionadas a calidad de servicio se encuentran en desarrollo por diversos grupos e instituciones y en estos trabajos enfrentan el reto de manejar la convergencia entre las diferentes redes de comunicaciones. Los mecanismos de calidad de servicio de las tecnologías actuales y futuras serán esenciales para brindar soporte para las aplicaciones de eHealth.


xii

Justificación

El avance de las tecnologías de la información y comunicación presentan diferentes opciones para dar soporte a los servicios que ofrecen diversas instancias como pueden ser el sector salud, el sector educación y el sector gobierno.

Dentro del área de salud, resulta útil difundir información sobre pruebas y aplicaciones de eHealth, que ayuden a los países a tener una mejor perspectiva de esta nueva forma de cuidado de la salud, tanto en sus capacidades como en los requerimientos para implementarla, ayudando a desarrollar y mejorar la planeación de esta área. Bajo este nuevo escenario de los servicios de cuidado de la salud resultan fundamentales las redes de telecomunicaciones y el desempeño de las mismas para entregar adecuadamente los servicios médicos.

El trabajo que se presenta tiene el propósito de realizar una evaluación de los parámetros de calidad de servicio en las redes de acceso de banda ancha inalámbrica, WiMAX y Wi-Fi, para su posible uso en aplicaciones de eHealth, empleando como base de evaluación algunas recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, así como parámetros de desempeño establecidos de forma general por algunas entidades de la comunidad médica.


xiii

Objetivo

OBJETIVO GENERAL: Realizar una evaluación de parámetros de calidad de servicio, en redes de acceso que operan bajo el estándar IEEE 802.11n (Wi-Fi) y el estándar IEEE 802.16e (WiMAX móvil), para su posible uso en aplicaciones de eHealth.

OBJETIVOS PARTICULARES:

Realizar una revisión documental de las principales demandas de calidad de servicio de las aplicaciones empleadas en eHealth.

Realizar una revisión documental de recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones con aplicación a la evaluación de calidad de servicio en redes de acceso IEEE 802.16e (WiMAX móvil) e IEEE 802.11n (Wi-Fi).

Realizar una revisión documental de las capacidades de manejo de calidad de servicio en el estándar Wi-Fi y WiMAX móvil.

Realizar pruebas para evaluar el desempeño de parámetros de calidad de servicio en maquetas de redes de acceso Wi-Fi y WiMAX, para calificar su capacidad de dar soporte a aplicaciones de eHealth.

Capítulo 1 - Redes Inalámbricas de Acceso de Banda Ancha


2

En este capítulo se hace una introducción a las tecnologías inalámbricas de banda ancha que son consideradas en este trabajo. Se abordan las características y detalles técnicos de la capa física y la capa de acceso al medio de los estándares IEEE 802.11 (Wi-Fi) e IEEE 802.16 (WiMAX). Estas tecnologías presentan una solución ante diferentes necesidades de la sociedad, entre las que se incluye el soporte a los servicios de salud de forma inalámbrica, tema principal de este trabajo de tesis. Las características de calidad de servicio de estas tecnologías se presentan en el capítulo 2.

1.1 Introducción

Desde la década de 1990 se inició una transición de comunicaciones predominantemente fija hacia comunicaciones móviles y/o inalámbricas, que fue reforzada gracias al desarrollo de la Internet. Internet evolucionó como un mecanismo de intercambio de datos, y de forma abrupta, demandó requisitos de comunicación y cómputo bajo el esquema de uso “en cualquier momento y lugar”. Adicionalmente la banda ancha cambia la manera en que se comunican los usuarios, pasando de una experiencia de comunicación en ubicaciones fijas a una nueva experiencia de envío y recepción de datos ya sea en el hogar, en el lugar de trabajo o en lugares de recreo. Las tecnologías inalámbricas de banda ancha proporcionan un acceso ubicuo a los usuarios, habilitando servicios que previamente eran disponibles solo a usuarios de conexiones cableadas.

Esta revolución inalámbrica ocurre principalmente en la última milla, que es el punto final en el que la conectividad es entregada por un proveedor de servicio a los usuarios. Esto incluye el acceso de usuario final, tal como el acceso inalámbrico de banda ancha (BWA, Broadband Wireless Access). El BWA presenta varias ventajas sobre las soluciones de conectividad fija: permiten el crecimiento y expansión de usuarios, ofrecen conectividad a zonas de difícil acceso o donde la conexión fija pueda resultar costosa, proveen conexión de datos de forma inalámbrica de alta velocidad y pueden ser una alternativa inalámbrica como solución para redes de retorno (backhaul) de sistemas celulares existentes.

Wi-Fi, WiMAX y los sistemas de tercera generación (3G) forman parte de una infraestructura de comunicación inalámbrica que permite una comunicación de alta velocidad y acceso a Internet. Cada una de estas tecnologías tiene un enfoque distinto en cuanto a su uso. WiMAX en su versión fija, está orientado a brindar conexión a plataformas de cómputo, mientras que su versión móvil permite la convergencia entre redes fijas y móviles a través de las redes de área amplia (Wide Area Networks, WAN). Wi-Fi, por su parte, cubre la necesidad de comunicación de usuarios que se encuentren en zonas de cobertura local o dentro de edificios [8].

En este capítulo se examinan las características de dos tecnologías inalámbricas de banda ancha: Wi-Fi y WiMAX, y se detallan los aspectos de la capa física y capa de control de acceso al medio de dichas tecnologías.


3

1.2 Acceso inalámbrico de banda ancha

Los servicios de comunicación inalámbricos se han incrementado a lo largo de los últimos 25 años. Este impulso fue necesario para que el número de usuarios móviles creciera a más de un billón de usuarios. Este crecimiento demuestra no solo la necesidad de la población de conectarse con los demás y contar con acceso a la información mientras se encuentran en movimiento, sino que también demuestra el impacto que tiene la tecnología para satisfacer estas y otras necesidades. La figura 1.1 muestra el incremento en los últimos 10 años del número de suscriptores de líneas fijas y móviles, así como las suscripciones de banda ancha fija y móvil.

Aunque la telefonía de voz sigue siendo la aplicación primaria de los sistemas de comunicación móvil, es claro que las aplicaciones de datos tendrán un crecimiento predominante.

Figura 1. 1. Crecimiento global de líneas de suscriptores de telefonía fija, móvil, de banda ancha e Internet del periodo 2003-2013 [9].

Los usuarios con acceso de banda ancha a Internet experimentan el cambio en la forma en que se comparte la información, cómo se manejan los negocios y las nuevas formas de entretenimiento. La banda ancha no solo permite la descarga de información de una forma rápida, sino que también permite el soporte de diferentes aplicaciones multimedia, como la transmisión de video y audio en tiempo real y la realización de videoconferencias mientras se encuentran en movimiento o en puntos fijos. Las tecnologías de banda ancha inalámbricas son una opción atractiva para proveer servicios de comunicación en áreas remotas donde es geográficamente complicado brindar conexiones alámbricas.


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Actualmente la demanda de aplicaciones y servicios inalámbricos de banda ancha se encuentra en crecimiento. Los usuarios esperan que los servicios puedan ser accedidos en cualquier lugar y momento por medio de diferentes dispositivos usando una sola identidad o dispositivo.

Las aplicaciones multimedia crecen mucho más rápido que las aplicaciones de voz, y su tráfico en la red crece rápidamente. Esto se debe al cambio gradual de las redes de conmutación de circuitos a conmutación de paquetes y a la convergencia de redes sobre el esquema “todo-IP”. Este cambio permite al usuario la posibilidad de utilizar diferentes y mejores servicios como correo electrónico, transferencia de archivos, televisión IP, juegos interactivos y mensajería, entre otros. Estos servicios, que pueden ser en tiempo real o en tiempo diferido (no-real), requieren de diferentes tasas de transmisión, diferentes características de retardo y de tasa de pérdida de paquetes para que los usuarios queden satisfechos con los servicios.

Se prevé que un gran sector de la población mundial tendrá acceso a dispositivos móviles de comunicación. Incluso, hay más dispositivos móviles que equipos fijos que cuentan con acceso a Internet. Los dispositivos móviles serán los dispositivos de mayor uso para el intercambio de información.

1.3 Aspectos generales de la tecnología WiMAX

WiMAX (Wireless Interoperability for Microwave Access, Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas) es una tecnología de acceso inalámbrico de banda ancha utilizada para brindar servicio tanto a usuarios fijos como móviles. La interfaz aérea de la tecnología WiMAX se basa en la familia de estándares IEEE 802.16, y en particular, WiMAX móvil se basa en la rectificación IEEE 802.16e aprobada por la IEEE en 2005, que especifica como interfaz aérea el acceso al medio por división ortogonal de frecuencia (OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access), que provee el soporte de movilidad. La tabla 1.1 presenta algunas características del estándar IEEE 802.16, así como de WiMAX fijo 802.16d (2004) y WiMAX móvil 802.16e (2005).

Tabla 1. 1. Datos básicos de los estándares IEEE 802.16 [10].

802.16 802.16-2004 802.16e-2005

Estado Completado en Diciembre de 2001

Completado en Junio de 2004

Completado en Diciembre de 2005

Banda de frecuencia 10 GHz – 66 GHz 2 GHz – 11 GHz 2 – 11 GHz para operación fija, 2

GHz – 6 GHz para operación móvil

Aplicación Línea de vista fija Sin línea de vista fija Sin línea de vista fija y móvil

Arquitectura de MAC Punto a multipunto Punto a multipunto Punto a multipunto

Esquema de transmisión

Una sola portadora Una sola portadora, 256-OFDM o 2048-OFDM

Una sola portadora, 256-OFDM o OFDM escalable

con 128, 512, 1024 o 2048 sub portadoras

Modulación QPSK, 16 QAM, 64 QAM QPSK, 16QAM, 64 QAM QPSK, 16QAM, 64 QAM


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Tasa de datos 32 – 134.4 Mbps 1 – 75 Mbps 1 – 75 Mbps

Tipo de multiplexado TDM/TDMA TDM/TDMA/OFDMA TDM/TDMA/OFDMA

Tipo de duplexado TDD y FDD TDD y FDD TDD y FDD

Ancho de banda del canal

20, 25, 28 MHz 1.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10, 15, 8.75 MHz

1.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10, 15, 8.75 MHz

WiMAX brinda cobertura inalámbrica de banda ancha a una distancia de hasta 30 km en línea de vista, llevando conectividad no solo a usuarios fijos, sino también a dispositivos celulares y equipos computacionales móviles [11].

El lanzamiento de la revisión 1.5 y 2.0 de WiMAX corresponden a los estándares IEEE 802.16 REV 2 de 2006 y a IEEE 802.16m de 2008 respectivamente. El objetivo del lanzamiento 2.0 de WiMAX es cumplir con los requisitos para sistemas móviles de siguiente generación de telecomunicaciones internacionales móviles avanzadas (IMT-Advanced, International Mobile Telecommunications - Advanced) que ofrecen tasas de transmisión mayores para usuarios en movilidad [11].

1.3.1 Capa física de WiMAX

El propósito de la capa física (PHY) es la de indicar la forma en que se transportan los datos por el medio físico [11]. La capa PHY puede verse como un canal responsable de la transmisión de la información por medio de un solo enlace entre el transmisor y el receptor. La capa PHY de WiMAX está basada en el multiplexado ortogonal por división de frecuencia (OFDM, Orthogonal Frecuency Division Multiplexing). OFDM permite la transmisión a alta velocidad de datos, video y servicios multimedia [10].

1.3.1.1 Bases de OFDM

OFDM pertenece a una familia de esquemas de transmisión llamada modulación multi portadora, basada en la idea de dividir un flujo de datos de alta tasa de bits en distintos flujos paralelos de menor velocidad de bits y modulando cada flujo en portadoras independientes, llamadas sub portadoras. Este tipo de modulaciones multi portadora eliminan o reducen la interferencia entre símbolos (ISI) al hacer que el tiempo de símbolo sea lo suficientemente grande tal que los retardos inducidos por el canal sean una fracción insignificante de la duración del símbolo (típicamente menor a 10% de la duración). En OFDM las sub portadoras se seleccionan de tal forma que sean ortogonales una con otra en la duración del símbolo, evitando la necesidad de tener canales de sub portadoras que no se traslapen para eliminar la ISI.

La figura 1.2 muestra los tres tipos de sub portadoras existentes en WiMAX:

1- Sub portadoras de datos: Usadas para transportar símbolos de datos. 2- Sub portadoras piloto: Usadas para transportar símbolos piloto. Estos símbolos se

conocen de forma anticipada y se usan para estimación de canal y seguimiento de canal.

3- Sub portadoras nulas: no tienen asignada potencia incluyendo la sub portadora de DC y las sub portadoras de guarda.


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Figura 1. 2. Representación del símbolo OFDM [8].

1.3.1.2 Parámetros de OFDM en WiMAX

Las versiones fija y móvil de WiMAX tienen diferencias en la implementación de la capa física OFDM. WiMAX en su versión fija usa una transformada rápida de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform) de 256 puntos. WiMAX en su versión móvil usa una capa física basada en OFDMA escalable con una FFT de 128 a 2048 puntos. Como el valor de FFT es fijo, lo que varía es el espaciamiento entre sub portadoras al incrementar el ancho de banda del canal. Cuando se incrementa el ancho de banda, el espacio entre sub portadoras se incrementa y el tiempo de símbolo disminuye. Un tiempo de símbolo pequeño implica que una fracción mayor debe ser asignada como tiempo de guarda para disminuir el retardo de propagación. En la tabla 1.2 se muestran los diferentes parámetros de OFDM utilizados para la versión fija y móvil de WiMAX.

Tabla 1. 2. Parametros OFMD utilizados en WiMAX [12].

Parámetro PHY-OFDM de

WiMAX fijo Capa PHY-OFDMA de WiMAX móvil

Tamaño de FFT 256 128 512 1024 2048

Número de sub portadoras de datos

utilizadas 192 72 360 720 1440

Número de sub portadoras piloto

8 12 60 120 240

Número de sub portadoras de guarda

/ nulas 56 44 92 184 368

Prefijo cíclico o tiempo de guarda

1/32, 1/16, 1/8, 1/4

Ancho de banda del canal (MHz)

3.5 1.25 5 10 20

Espacio en frecuencia de sub portadoras

(kHz) 15.625 10.94

Tiempo de utilización de símbolo (µs)

64 91.4

Tiempo de guarda (µs)

8 11.4

Duración de símbolo OFDM (µs)

72 102.9


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Número de símbolos OFDM en una trama

de 5 ms 69 48

1.3.1.3 Sub canalización OFDMA en WiMAX móvil

WiMAX móvil se basa en OFDMA-PHY (Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal) y permite la sub canalización tanto en el enlace ascendente como en enlace descendente (uplink y downlink, UL y DL, respectivamente) y la unidad mínima de recurso de frecuencia es el sub canal. Esto permite que diferentes sub canales puedan ser asignados a diferentes usuarios.

Un sub canal está definido como una colección lógica de sub portadoras [12]. El número y distribución de las sub portadoras que forman un sub canal dependen del modo de permutación de sub portadoras. WiMAX móvil permite 16 sub canales para el enlace de UL donde la estación suscriptora (SS, Subscriber Station) puede ocupar 1, 2, 4, 8 o todos los sub canales. La sub canalización permite a las SS transmitir usando una fracción del ancho de banda asignado por la estación base (BS, Base Station).

Los sub canales pueden estar constituidos por sub portadoras contiguas o sub portadoras distribuidos pseudoaleatoriamente a lo largo del espectro de frecuencia. WiMAX define varios esquemas de sub canalización. El uso parcial de sub portadoras (PUSC, Partial Usage of Subcarriers) es obligatorio para todas las implementaciones de WiMAX móvil. Los perfiles iniciales de WiMAX definen 15 sub canales para DL y 17 sub canales para UL para una operación de PUSC con un ancho de banda de canal de 5 MHz. Para 10 MHz se tienen 30 y 35 sub canales, respectivamente. En la figura 1.3 se muestra la sub canalización de OFDMA y las sub portadoras de OFDM.

Figura 1. 3. Sub canales OFDMA y sub portadoras OFDM [8].


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1.3.1.4 Estructura de Trama y de Ranura

La capa PHY de WiMAX también es responsable de la asignación de ranuras sobre el aire. El recurso mínimo en tiempo y frecuencia que puede ser asignado en un enlace es llamado ranura (slot). Cada ranura consiste en un sub canal sobre uno, dos o tres símbolos OFDM, dependiendo del esquema de sub canalización utilizado. Un conjunto de ranuras contiguas es llamado región de datos de usuario.

La figura 1.4 muestra una trama OFDM operando en TDD. La trama es dividida en dos sub tramas, una trama de DL seguida de una trama de UL después de un pequeño intervalo de guarda. En el caso de FDD, la trama sería igual, excepto que se transmite de forma simultánea para UL y DL sobre diferentes frecuencias de portadoras.

Figura 1. 4. Estructura de la trama OFDM.

La sub trama comienza con un preámbulo de DL que es utilizado para procedimientos de capa PHY, como la sincronización en tiempo y frecuencia y la estimación inicial de canal. Seguido se encuentra una cabecera de control de trama (FCH, Frame Control Header), que indica la información de la configuración de la trama, como la longitud del mensaje de protocolo de acceso al medio (MAP, Media Access Protocol), el esquema de modulación y codificación y las sub portadoras utilizables. Dentro de la trama son asignadas diferentes regiones de datos para los múltiples usuarios, que se especifican por medio de mensajes UL-MAP y DL-MAP posteriores al FCH de la sub trama de DL. Estos mensajes MAP incluyen el perfil de ráfaga de cada usuario, que indica el tipo de modulación y codificación para ese enlace.

La sub trama de UL se encuentra conformada por ráfagas de UL de varios usuarios. Una porción de la sub trama es utilizada para acceso basado en contienda, con la que los suscriptores pueden hacer peticiones de asignación de tasa de transmisión. También se


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incluye un canal indicador de calidad del enlace (CQICH, Channel Quality Information Channel) para las SS y un canal de confirmación (ACK, Acknowledgment) para que el suscriptor envíe información de ACKs de DL.

1.3.1.5 Modulación adaptativa y codificación

WiMAX soporta una variedad de esquemas de modulación y codificación y permite el cambio de estos esquemas dependiendo de las condiciones del canal. Un dispositivo puede indicarle a la BS cual es la condición del canal utilizando el indicador de retroalimentación de calidad del canal en el caso del DL. Para el UL la BS estima la calidad del canal por medio de la calidad de señal recibida. El planificador de la BS puede tomar en cuenta la calidad del canal de UL y DL de cada usuario y entonces asignar un esquema de codificación que maximice la tasa de transmisión dadas las condiciones de relación señal a ruido del entorno. La modulación y codificación adaptativa aumentan la capacidad del sistema, ya que permite realizar en tiempo real un equilibrio entre la tasa de transmisión y la robustez en cada enlace.

La tabla 1.3 indica los diferentes esquemas de modulación y codificación soportados por WiMAX. Para el DL es obligatoria la implementación de QPSK, 16 QAM y 64 QAM tanto para la versión fija como móvil, mientras que 64 QAM es de implementación opcional para el UL. El uso de corrección de errores (FEC, Forward Error Correction) es obligatorio y se usan códigos convolucionales.

Tabla 1. 3. Tipos de modulación y codificación soportados por WiMAX [12]

DL UL

Modulación

BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM; BPSK opcional para

OFDMA-PHY

BPSK, QPSK, 16 QAM; opcional 64 QAM

Codificación

Obligatorio: códigos convolucionales a tasas 1/2,

2/3, 3/4, 5/6 Opcional: Turbo códigos

convolucionales a tasas 1/2, 2/3, 3/4, 5/6

Obligatorio: códigos convolucionales a tasas 1/2,

2/3, 3/4, 5/6 Opcional: Turbo códigos

convolucionales a tasas 1/2, 2/3, 3/4, 5/6

1.3.2 Capa MAC

La principal tarea de la capa de control de acceso al medio (MAC, Media Access Control) de WiMAX, que se encuentra por encima de la capa PHY, es proveer una interfaz entre las capas de transporte superior y la capa física. Usualmente, la capa PHY no es informada de los requisitos de calidad de servicio y no es “consciente” de los requisitos de calidad de las diferentes aplicaciones y protocolos, como HTTP, FTP, etc. En esta capa se lleva a cabo la asignación de calidad de servicio (sus características se verán en el capítulo 2).

La capa MAC toma paquetes de la capa superior llamados unidades de datos de servicio MAC (MSDUs, MAC Service Data Units,) y los organiza en unidades de datos de protocolo MAC (MPDUs, MAC Protocol Data Units) para ser transmitidos en el aire. Para la recepción, la capa


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MAC realiza el proceso contrario. Esta capa consta de 3 subcapas. Una de ellas es la subcapa de convergencia que permite el transporte de una variedad de protocolos de capas superiores, como ATM, Ethernet, IP y otros protocolos futuros. Al momento, el Foro WiMAX ha decidido solo dar soporte a los protocolos IP y Ethernet debido a su dominio actual en la industria.

La figura 1.5 muestra la división de la capa MAC en tres componentes: la subcapa de convergencia de servicios específicos (CS, Service-specific Convergence Sub-layer), la subcapa de parte común, y la subcapa de seguridad.

Figura 1. 5. Capa MAC de WiMAX.

La CS es la interfaz entre la capa MAC y la capa de red, y recibe los paquetes de datos de la capa superior. Esos paquetes son conocidos como MSDUs. La CS es responsable de llevar a cabo tareas como compresión de encabezados y traslado de direcciones. De esta manera, la CS puede ser vista como una capa que adapta y enmascara los protocolos de capas superiores y sus requisitos del resto de las capas MAC y PHY de la red WiMAX

La subcapa de parte común se encarga de la operación de los paquetes que son independientes de las capas superiores, como lo son la fragmentación y unión de las MSDUs en MAC PDUs, la transmisión de las MAC PDUs, control de calidad de servicio y manejo de peticiones automáticas de retransmisión (ARQ, Automatic Repeat Request).

La subcapa de seguridad es responsable de la encriptación, autorización e intercambio de llaves de encriptación entre la BS y las SS.

Otras características que proporciona la capa MAC son las siguientes:

Sondeo: En WiMAX la capa MAC en la BS tiene la responsabilidad total de reservar el ancho de banda (bandwidth) a todos los usuarios, tanto en UL como en DL. El único control que tiene un SS sobre la asignación del ancho de banda es cuando cuenta con


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múltiples conexiones con la BS. En tal caso, la BS asigna una tasa de transmisión determinada, que la SS distribuye entre las diferentes conexiones. La BS asigna recursos dedicados o compartidos periódicamente a cada SS que pueden ser usados para solicitudes de ancho de banda. A este proceso se le conoce como sondeo (polling).

Calidad de servicio (QoS): El soporte para Calidad de servicio es una parte fundamental

del diseño de la capa MAC de WiMAX. Se obtiene un fuerte control de QoS mediante

el uso de una arquitectura orientada a conexión en la capa MAC, donde las conexiones

de DL y UL son controladas por la BS. Antes de que la transmisión de información

ocurra, la BS y la MS establecen un enlace lógico, llamado conexión, en capa MAC de

los equipos. Cada conexión está identificada por un identificador de conexión (CID),

que sirve como una dirección temporal para la transmisión de datos sobre ese enlace

particular. En la sección 2 se indican las características de QoS de WiMAX.

Soporte de movilidad: Además del acceso fijo de banda ancha, se tienen otros cuatro escenarios de movilidad

o Nomádico: Un usuario se conecta como suscriptor fijo. Posteriormente puede reconectarse desde un punto de conexión diferente pero debe volver a autenticarse.

o Portable: Permite el uso nomádico de un dispositivo portátil, pasando entre diferentes puntos de conexión en base a un servicio de tipo “mejor esfuerzo” (BE).

o Movilidad simple: El suscriptor se mueve a menos de 60 km/h. o Movilidad total: El suscriptor se mueve a velocidades de hasta 120 km/h.

Soporte de Seguridad: WiMAX fue diseñado desde un inicio para brindar características de seguridad. La información se encripta por medio del estándar de encriptación avanzado (AES, Advanced Encryptation Standard). También permite la autenticación de los usuarios por medio de credenciales como combinaciones de nombre y contraseña o por medio de certificados digitales.

1.3.3 WiMAX Forum

El estándar IEEE 802.16 solo define la capa PHY y la capa MAC. Para otras tecnologías, como Ethernet, hay organismos como la Fuerza de Tareas de Ingeniería de Internet (IETF, Internet Engineering Task Force) que realizan estándares para protocolos de capa superior, como TCP/IP y SIP. Para las comunicaciones inalámbricas, organismos de estandarización como 3GPP especifican estándares que comprenden las interfaces de radio, interfaces de red y protocolos de señalización, ya que no solo se requiere interoperabilidad en el enlace aéreo, sino que también se requiere interoperabilidad entre vendedores y entre redes. Los fabricantes de equipo y operadores de redes, reconociendo este problema, forman foros adicionales para desarrollar modelos de referencia para interfaces de comunicación entre redes. El foro WiMAX es una organización no lucrativa dirigida por miembros de la industria formada para desarrollar perfiles de sistema, certificados y promover la interoperabilidad y


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compatibilidad de productos basados en el estándar IEEE 802.16-2004 y sus seguimientos y correcciones.

Por razones de interoperabilidad, el foro WiMAX ha definido un conjunto de certificados de perfil y perfiles de sistema. Un perfil de sistema es un conjunto de caracteristicas obligatorias que deben cumplir los equipos y caracteristicas adicionales de libre implementacion. Se han definido dos perfiles de sistema, uno basado en la OFDM-PHY de IEEE 802.16-2004, llamado perfil de sistema fijo, y el otro se basa en en la OFDMA-PHY escalable de IEEE 802.16e-2005 para sistemas móviles. Los equipos WiMAX se certifican para interoperabilidad contra un perfil de certificacion especifico. Estos perfiles de certificación tienen parámetros comunes (como frecuencia, ancho de banda del canal y modo de duplexado) que aseguran una funcionalidad mínima entre BS Y SS.

1.4 Aspectos generales de la tecnología Wi-Fi

Además de los sistemas 3G (en el que WiMAX se encuentra incluido), los sistemas basados en Wi-Fi también pueden ser utilizados para proporcionar conectividad de banda ancha inalámbrica y actualmente es una de las tecnologías de acceso más popular a nivel global. Wi-Fi (Wireless Fidelity) es el nombre comercial de los sistemas basados en la familia de estándares IEEE 802.11 y se trata principalmente de una tecnología diseñada para proveer conectividad de banda ancha dentro de edificios. Estos sistemas típicamente ofrecen una tasa de datos de 54 Mbps (que equivale a unos 20-25 Mbps reales) con una cobertura en interiores menor a 30 metros [9]. Wi-Fi se ha utilizado para ofrecer conectividad inalámbrica de banda ancha en hogares, oficinas y ubicaciones de conexión pública. Wi-Fi ofrece una mayor tasa de datos pico que otros sistemas 3G debido a que cuenta con un ancho de banda de canal de 20 MHz. Sin embargo, los protocolos de capa PHY que usa pueden hacer que su operación en entornos de exterior se vea disminuida. Además, los sistemas Wi-Fi no están diseñados para soportar movilidad de alta velocidad.

El estándar IEEE 802.11 se enfoca en dos subcapas del modelo OSI (Open System Interconnection, Interconexión de sistemas abiertos) que son la capa PHY y la capa MAC.

1.4.1 Capa física de WiFi

La capa PHY es la encargada de la transmisión de las tramas MAC a través del medio inalámbrico y de las diversas técnicas de modulación y de codificación. La capa física se divide en dos sub capas, la sub capa de procedimiento de convergencia de capa física (PLPC, Physical Layer Convergence Procedure) y la sub capa de medio físico dependiente (PMD, Physical Medium Dependant). La subcapa de convergencia tiene como propósito adaptar a las subcapas inferiores que son dependientes del medio. También tiene la función de seleccionar el mejor punto de acceso para enlazarse con él. Las tramas enviadas por la subcapa de convergencia son llamadas unidades de datos de protocolo PLPC (PLPC Protocol Data Unit, PPDU).


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La sub capa PLPC es responsable del encapsulamiento de MPDUs de la capa MAC en tramas que pueden ser transmitidas por un PMD. Esta capa inserta encabezados requeridos para la sincronización o identificación de la modulación utilizada en el medio. La subcapa PMD es la responsable de implementar el esquema de codificación de transmisión. Los MPDUs son asignados a unidades de datos de servicio de protocolo PLPC (PSDUs, PLPC Service Data Units) que son encapsulados en PPDUs.

El estándar IEEE 802.11 especifica tres tipos de PHY: salto de frecuencia por espectro disperso (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum), secuencia directa por espectro disperso (DSSS , Direct Sequence Spread Spectrum) e infra rojo (IR). Las PHY más populares son FHSS Y DSSS, soportando tasas de transmisión de 1 y 2 Mbps [13]. Para la corrección 802.11b se introdujo una DSSS de alta tasa (HR/DSSS, High Rate DSSS), que permite una tasa de transmisión de hasta 11 Mbps. Para 802.11g se utiliza OFDM en lugar de las técnicas de espectro disperso para permitir tasas de transmisión de hasta 54 Mbps. 802.11n combina el método de OFDM con la tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO, Multiple Input-Multiple Output), permitiendo alcanzar una tasa máxima de transmisión de hasta 300 Mbps. La tabla 1.4 muestra un resumen de las tasas de transmisión en la capa PHY de la tecnología WiFi.

Tabla 1. 4. Detalles de los métodos de modulación y tasas de transmisión en 802.11 [13].

Versión del estándar Fecha de liberación Tasa de transmisión (Mbps)

Tipo de modulación

802.11 1997 1, 2 FHSS, DSSS

802.11b 1999 1, 2, 5.5, 11 DSSS, HR/DSSS

802.11a 1999 Hasta 54 OFDM

802.11g 2003 Hasta 54 ERP-OFDM

802.11n 2007-2008 Hasta 300 MIMO-OFDM

1.4.1.1 Salto de frecuencia por espectro disperso

FHSS usa cambios en frecuencia (FSK, Frequency Shift Keying) para la modulación por espectro disperso. Los dispositivos transmiten y reciben en una frecuencia común durante cortos periodos de tiempo (conocidos como tiempo de vida), antes de “saltar” a otro canal. Los transmisores y receptores saltan de canal en canal en una secuencia pseudoaleatoria. Los diferentes pares receptor/transmisor usan secuencias pseudoaleatorias diferentes para disminuir las colisiones dentro de la misma banda del canal

1.4.1.2 Secuencia directa por espectro disperso

DSSS usa cambios en fase (PSK, Phase Shift Keying) para el código de dispersión y la modulación del mensaje. El código de dispersión es una secuencia pseudoaleatoria llamada secuencia de chip. A esta secuencia de chip se le aplica una operación XOR con cada bit de dato de forma anticipada a su transmisión. Los símbolos de chip ocurren a una frecuencia mayor que los bits de datos, de forma que la energía de la señal original se dispersa sobre la banda de frecuencia más amplia.


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1.4.1.3 OFDM

En 802.11a, hay un total de 52 sub portadoras, de las cuales 48 son sub portadoras de datos y las 4 restantes son sub portadoras piloto. Los bits del PPDU son codificados con un código convolucional. Estos bits son reordenados y se transfieren a un número complejo a distribuir en las sub portadoras. Una transformada rápida de Fourier inversa (IFFT, Inverse Fast Fourier transform) es aplicada a la sub portadora y entonces es transmitida. Las sub portadoras se modulan por cuatro tipos de métodos (BPSK, QPSK, 16QAM o 64QAM) y se protegen de errores con los códigos convolucionales. 802.11a puede transmitir a diferentes tasas dependiendo del esquema de codificación y del código de convolución, como se muestra en la tabla 1.5.

Tabla 1. 5. Detalles de los esquemas de modulación para la capa PHY de 802.11a [13].

Modo Tasa de enlace (Mbps)

Modulación Tasa de

codificación

Bits codificados Bits de datos/

símbolo OFDM

Bits/ portadora

Bits/ símbolo OFDM

1 6 BPSK 1/2 1 48 24

2 9 BPSK 3/4 1 48 36

3 12 QPSK 1/2 2 96 48

4 18 QPSK 3/4 2 96 72

5 24 16QAM 1/2 4 192 96

6 36 16QAM 3/4 4 192 144

7 48 64QAM 2/3 6 288 192

8 54 64QAM 3/4 6 288 216

1.4.1.4 MIMO-OFDM

802.11n utiliza MIMO-OFDM PHY que soporta tasas de transmisión de hasta 300 Mbps. Esta capa PHY se basa en la tecnología MIMO para lograr altas tasas de transmisión. Los sistemas MIMO consisten en cadenas de RF y de múltiples antenas tanto en el transmisor como el receptor.

Los sistemas MIMO consiguen un incremento en la capacidad del sistema a través de diversidad espacial y mutiplexado espacial. La diversidad espacial existe tanto para la recepción como para la transmisión. En recepción, dos o más antenas se encuentran separadas, de forma que reciban señales no correlacionadas.

1.4.2 Capa de control de acceso al medio

El estándar 802.11 define una subcapa de enlace de datos de control de acceso al medio que provee servicios a la subcapa de control de enlace lógico (LLC, Logical Link Control). Debajo de la subcapa MAC se encuentra la capa PHY.

Las tramas LLC se pasan a la capa MAC y son encapsuladas en MSDUs al anteponer un encabezado y adjuntar un secuencia de comprobación de trama (FCS, Frame Check Sequence)


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a la carga útil (payload). Un MSDU es mapeado a uno o más MPDUs. Entonces, el MPDU es pasado a la capa PHY para su transmisión.

El control de acceso de la capa MAC de 802.11 al canal de RF se realiza por medio de funciones lógicas llamadas funciones de coordinación. Las funciones de coordinación determinan cuando un dispositivo puede transmitir tramas sobre el medio inalámbrico. La función de coordinación distribuida (DCF, Distributed Coordination Function) y la función de coordinación puntual (PCF, Point Coordination Function) fueron definidas en el estándar original.

DCF es un componente obligatorio para 802.11 y permite un servicio basado en conexión. La entrega de tramas utilizando DCF se basa en un servicio de tipo “mejor esfuerzo” (BE). PCF en un componente opcional que soporta la entrega de tramas con límite de tiempo. DCF se utiliza para periodos de contienda, de forma que el medio inalámbrico es dividido en periodos sin contienda (CFP, Contention-free Periods) y periodos de contienda (CP, Contention Periods). El acceso al canal de RF durante los periodos sin contienda se realiza por medio de un nodo maestro (típicamente un punto de acceso, AP) usando un mecanismo de sondeo.

Además de DCF y PCF, la corrección 802.11e introduce el soporte de calidad de servicio con una función de coordinación hibrida (Hybrid Coordination Function, HCF) que es retro compatible con las MACs de los estándares anteriores [13].

1.4.2.1 Mecanismos de acceso al medio

DCF es el acceso por detección de portadora múltiple con prevención de colisiones (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), donde una estación que desea transmitir sensa el medio. Si el medio se encuentra en uso, la transmisión se difiere por un tiempo de retroceso “B” (Backoff), que es aleatorio y se escoge de entre un intervalo que comprende entre (donde CW es la ventana de contienda, Contention Window) que indica el límite de intentos de transmisión. Si el medio se encuentra libre en un tiempo específico llamado espacio entre trama DCF (DIFS, DCF Interframe Space), la estación está autorizada para transmitir. La estación receptora revisa el código de redundancia cíclica (CRC, Cyclic Redundancy Check) del paquete recibido y devuelve un ACK. La recepción del ACK indica al transmisor que no hubo colisiones. Si el transmisor no recibe el ACK, retransmite la trama después de un tiempo determinado hasta que lo obtenga, o hasta haber pasado un número determinado de retransmisiones [14].

Una desventaja de DCF es la equidad. Los dispositivos adaptan su tasa de transmisión de acuerdo a las condiciones del canal. Cuando las condiciones del canal se deterioran, la tasa de tramas en error incrementa. Al disminuir la tasa de transmisión se puede disminuir la tasa de tramas en error, pero al hacer esto, los dispositivos que trasmiten a una baja tasa ocupan el canal inalámbrico por periodos más grandes de tiempo que aquellos dispositivos que transmiten a una mayor tasa de transmisión. Esto es llamado anomalía de desempeño en 802.11.


16

PCF fue introducido para proveer soporte a la entrega de tramas con límite de tiempo. Para ello, un coordinador de punto (PC, Point Coordinator) se ejecuta en una AP y envía tramas de guía de forma periódica. Esto divide el canal en una secuencia de súper tramas que consisten de un CFP seguido de un CP. El PC cuenta con una lista de dispositivos que pueden transmitir durante el CFP y otorga acceso sondeando los dispositivos en su lista. El PC espera un SIFS (Short Interframe Space, espacio intertrama corto) después de la trama guía y envía una trama de sondeo-CF al primer dispositivo. El dispositivo responde con un ACK si no tiene tramas que enviar. En caso contrario, el dispositivo envía un CF-ACK y datos, que es respondido a su vez por el PC con un CF-ACK y una trama de sondeo-CF, y de forma simultánea, sondea al siguiente dispositivo de la lista mientras confirma la recepción de datos del dispositivo anterior.

1.4.2.2 Acceso de canal distribuido mejorado

El acceso de canal distribuido mejorado (EDCA, Enhanced Distributed Channel Access) es una mejora de DCF, al proveer una entrega de datos con priorización sobre el medio inalámbrico. La priorización se logra a través de diversos parámetros de función de coordinación. Esos parámetros controlan el periodo de senso del dispositivo, el tamaño de las ventanas de contienda y la cantidad de tiempo que el dispositivo puede transmitir después de adquirir el canal.

La entrega de datos de EDCA se basa en diferenciación por prioridad de usuario (UPs, User Priorities). Las UPs se encuentran asignadas con valores enteros del 0 al 7. 802.11e mapea las UPs a cuatro categorías de acceso (AC, Access Categories). Estas categorías de acceso se muestran en la tabla 1.6.

Tabla 1. 6. Categorías de acceso de 802.11e, adaptado de [13].

Prioridad UP AC CW

mínimo CW

máximo Categoría de

tráfico

Menor 1 AC_BK 31 1023

Segundo plano

2 AC_BK 31 1023

Segundo plano

0 AC_BE 31 1023

BE

3 AC_BE 31 1023

BE

4 AC_VI 15 31

Video

5 AC_VI 15 31

Video

6 AC_VO 7 15

Voz

Mayor 7 AC_VO 7 15 Voz


17

1.4.3 Alianza Wi-Fi

Los dispositivos del estándar 802.11 sufrían problemas de interoperabilidad entre diferentes fabricantes cuando aparecieron inicialmente en el mercado. La alianza Wi-Fi (Wi-Fi Alliance) fue creada para evitar problemas con la interoperabilidad de los dispositivos. Distintas compañías formaron la alianza Wi-Fi para realizar pruebas con los equipos y de esta forma estuvieran conformes al estándar 802.11. Los equipos que cumplen las pruebas de conformidad llevan un logo de certificación Wi-Fi, que es una marca registrada de la alianza Wi-Fi. Como la mayoría de dispositivos 802.11 cuentan con el logo Wi-Fi, se considera como sinónimo estos dos términos [13].

Capítulo 2 - Calidad de Servicio


19

La calidad de servicio es un elemento importante para las tecnologías de comunicación, que permite mejorar el grado de satisfacción de los usuarios con los servicios que reciben y es un factor determinante para la adopción de las tecnologías y los servicios que prestan. En este capítulo se presenta una revisión a diversas recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones relacionadas con la calidad de servicio que pueden ser aplicadas a la tecnología WiMAX y Wi-Fi. Posteriormente se señala cual es la relación entre las recomendaciones así como su rango de aplicación dentro de una red de telecomunicaciones. Finalmente se indican las cualidades que presentan estas tecnologías en relación a la calidad de servicio que pueden ofrecer para diferentes tipos de aplicaciones.

2.1 Introducción

El uso de la redes de conmutación de paquetes genera una gran interés por el escenario de convergencia que plantea, ofreciendo crecimiento económico y empresarial al consolidar tecnologías y permitir la oferta de nuevos servicios. Sin embargo, la convergencia es un proceso lento con un bloque que impide su rápido despliegue: la calidad de servicio (QoS, Quality of Service). Las redes IP tradicionales se basan en un esquema de entrega de servicios en base al mejor esfuerzo (BE, Best Effort) de manera que los costos para los usuarios del servicio son menores, pero no aseguran que se cumpla algún nivel de desempeño en particular. El uso de BE para la entrega de servicios resulta útil para aplicaciones de datos en tiempo diferido, como lo es la consulta de correo electrónico y la transferencia de archivos. Sin embargo, no provee de forma confiable la calidad que los usuarios esperan en aplicaciones interactivas como voz sobre IP (VoIP) y otras aplicaciones en tiempo real con altas demandas de ancho de banda que incrementan el retardo o la pérdida de paquetes. Para lograr la convergencia, las redes basadas en IP deben implementar mecanismos capaces de proveer confiablemente una QoS a las diferentes aplicaciones que utilicen los usuarios.

Existen diferentes organismos de estandarización de telecomunicaciones, como el Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo (ETSI, European Telecommunications Standard Institute), el Proyecto de Alianza de Tercera generación (3GPP y 3GPP2, 3rd Generation Partnership Project) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, International Telecommunications Union). Para el desarrollo de este trabajo se consideran las recomendaciones de la ITU al ser el organismo internacional de estandarización por parte de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) que concierne a las tecnologías de la información y comunicación (TIC). La ITU en su grupo de estandarización de Telecomunicaciones se ha encargado de elaborar diversas recomendaciones que permiten establecer e indicar las características de desempeño de las redes y cuáles son las características de QoS que se deben cumplir. Estas recomendaciones no son obligatorias en su implementación, sin embargo, su función es mantener un marco de referencia común en las telecomunicaciones que permita la interconexión de los sistemas de comunicaciones para quienes las implementen [15].


20

2.1.1 WiMAX dentro de las IMT-2000

A mediados de 1980 surge en la ITU la iniciativa de las Comunicaciones Móviles Internacionales-2000 (International Mobile Telecommunications-2000, IMT-2000) como la tercera generación (3G) de sistemas de comunicación móviles. En el año 2000 se aprobaron las especificaciones técnicas de los sistemas de tercera generación que forman parte de las IMT-2000, resultado de la colaboración de diferentes entidades dentro de la ITU, así como entidades externas (3GPP), lo que permite lograr interoperabilidad entre diferentes sistemas de comunicación móviles.

IMT-2000 es un estándar que permite el cambio de zonas de cobertura de forma global, la entrega de servicios sobre medios fijos, satelitales y móviles, y que provee un tasa de transmisión mínima de 2 Mbps para usuarios estacionarios y de 384 kbps para vehículos en movimiento. Inicialmente fueron aprobadas cinco interfaces de radio como miembros de las IMT-2000: Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), EDGE, CDMA2000, Time-Division CDMA, Time Division-Synchronous CDMA y Digital Enhanced Cordless Telecommunications. Fue hasta 2007 cuando fue incorporada la tecnología TDD WMAN como parte de las interfaces de radio de las IMT-2000. WiMAX es una tecnología inalámbrica basada en IP que forma parte de las IMT-2000 [8].

2.2 Recomendaciones de la ITU relacionadas con QoS

El sector de la ITU que se encuentra relacionada con los aspectos de QoS se encuentra dentro de la ITU-T, que se encarga de la normalización del sector de Telecomunicaciones, y dentro de la ITU-R, que se encarga de la normalización del sector de Radio. Existen muchas recomendaciones relacionadas con la QoS pero cada una cuenta con diferentes tipos de enfoques. Para el desarrollo de este trabajo se han considerado principalmente las recomendaciones G.1010, Y.1541 y M.1079-2 que indican diferentes características de los parámetros de calidad con los que deben contar los diferentes servicios multimedia a través de los sistemas de comunicaciones. En la figura 2.1 se muestra cual es el alcance de estas recomendaciones. Asegurar la QoS implica asegurar los requisitos de calidad desde un equipo terminal de usuario hasta otro equipo terminal de usuario que se puede encontrar en un dominio de red distinto.

La forma en la que se encuentran organizadas las recomendaciones de la ITU revisadas es la siguiente:

Recomendaciones ITU-T de la serie G: Sistemas y medios de transmisión, sistemas y redes digitales.

o ITU-T G.1000: Calidad de servicio de las comunicaciones: Marco y definiciones (2001).

o ITU-T G.1010: Guía de referencia para métodos de evaluación de la calidad percibida (2001).

Recomendaciones ITU-T de la serie Y: Infraestructura mundial de la información, aspectos del protocolo Internet y Redes de la próxima generación.


21

o ITU-T Y.1540: Servicio de comunicación de datos con protocolo Internet – Parámetros de calidad de funcionamiento relativos a la disponibilidad y la transferencia de paquetes del protocolo Internet (2011).

o ITU-T Y.1541: Objetivos de calidad de funcionamiento de redes para servicios basados en el protocolo Internet (2012).

Recomendaciones ITU-R de la serie M: Móviles, radio determinación, amateur y servicios relacionados a satélites.

o ITU-R M.1079-2: Requisitos de desempeño y calidad de servicio para las comunicaciones móviles internacionales 2000 (2003).

Figura 2. 1. Enfoque y alcance de las recomendaciones consideradas para este trabajo.

El enfoque de la recomendación G.1010 es de extremo a extremo y define los requerimientos técnicos de QoS para proveer servicios multimedia. Esta recomendación no está asociada con una tecnología o arquitectura especifica de red. La recomendación Y.1541 también cuenta con un enfoque de extremo a extremo y está relacionada con características de calidad requeridas por los servicios proporcionados en redes IP, indicando clases de QoS con valores de calidad que deben conseguirse en dichas redes. La recomendación M.1079-2 define características de calidad para la sección de radio inalámbrico de la red para tecnologías pertenecientes a las IMT-2000 (como WiMAX), la cual permite la comunicación entre los equipos terminales y la red dorsal. Así, en la recomendación G.1010 y M.1079-2 se indica las características técnicas que presentan los servicios multimedia, mientras que la recomendación Y.1541 presenta cuales son los parámetros de desempeño que se esperan en la totalidad de la red. Como se aprecia, no hay alguna recomendación que indique la totalidad de características de QoS en las redes de acceso. Por esa razón es que se hace uso de las diferentes recomendaciones mencionadas con anterioridad.

2.2.1 Recomendación ITU-T G.1000 - Calidad de servicio en las comunicaciones:

Marco y definiciones.

Esta recomendación indica un marco y definiciones para la QoS en el área de comunicaciones, a fin de tener un marco uniforme dentro de la ITU-T. Se define la calidad como “todas las características de una entidad que inciden en su capacidad de satisfacer las necesidades indicadas e implícitas” y la QoS queda definida como el “efecto global de la calidad de


22

funcionamiento de un servicio, que determina el grado de satisfacción de los usuarios” *16]. La QoS debe contener las siguientes perspectivas, que se muestran en la figura 2.2:

Las necesidades de QoS del cliente: definen el nivel de calidad que exige un determinado servicio, y se puede expresar en lenguaje no técnico. Al usuario final no le interesa saber cómo se presta el servicio ni los aspectos internos del diseño de la red, pero le importa la calidad del servicio que recibe en su extremo. La QoS se expresa en parámetros que se centran en los efectos percibidos por el usuario, no depende del diseño interno de la red y puede garantizarse dentro de un contrato. La Recomendación UIT-T G.1010 presenta de forma explícita el punto de vista de las “necesidades del cliente”.

Las ofertas de QoS del proveedor del servicio: es una declaración del nivel de calidad que el proveedor espera ofertar al cliente y tiene parámetros definidos. Estos parámetros se documentan para establecer las bases de los acuerdos de nivel de servicio.

La QoS conseguida u ofrecida: Indica la calidad real entregada al cliente y se especifica con valores asignados a los parámetros, que deberán ser idénticos a los especificados para la QoS ofrecida, de forma que se pueda comparar para evaluar la calidad lograda. Estos valores se reportan para periodos específicos, por ejemplo, de forma semanal, mensual o anual.

La calificación de la QoS en las encuestas del cliente: Es una declaración que indica el nivel de calidad que el usuario “cree” haber experimentado y que generalmente se expresa en función del grado de satisfacción y no en términos técnicos. Esta QoS se mide mediante encuestas a los clientes y sus comentarios sobre el servicio que recibieron. Esta información puede ser utilizada por el proveedor de servicio para determinar la satisfacción del cliente.

Figura 2. 2. Cuatro puntos de vista sobre QoS. Fuente: [17]

Esta recomendación también indica cuales son algunos retos que enfrenta la entrega de QoS en redes IP, entre los cuales se encuentran la atribución dinámica de recursos (como pérdida y retardo de los paquetes) entre segmentos de red, asegurar que se alcancen los objetivos de calidad de extremo a extremo y el cómo supervisar la calidad en las redes basadas en IP.


23

2.2.2 Recomendación ITU-T G.1010 - Categorías de calidad de servicio para los

usuarios de extremo de servicios multimedios.

Esta recomendación hace indicaciones para la QoS desde el punto de vista de usuario de extremo y define una clasificación de categorías de QoS para diversas aplicaciones de voz, video, imagen y texto. Se indican cuáles son los parámetros clave que afectan al usuario:

1- Tiempo de transmisión o retardo, 2- Variación de retardo o jitter, 3- Pérdida de información

Las aplicaciones pueden ser agrupadas en ocho grupos, según toleren o no la pérdida de información. La figura 2.3 muestra la relación entra la tolerancia a errores y el retardo.

Figura 2. 3. Modelo de categorías de QoS centradas en el usuario. Fuente: [18]

La tabla 2.1 muestra algunos objetivos de calidad de funcionamiento para aplicaciones de audio, video y datos. Los requisitos para los servicios de audio y video son más estrictos en cuanto al retardo y la variación del retardo. Esto se debe a que el oído y la vista son capaces de percibir diferencias ante tales requisitos que pueden llegar a causar efectos no aceptables para el usuario de los servicios. Los requisitos para los servicios de datos, en cuanto al retardo, son menores, aunque resulta de gran importancia que los datos lleguen de forma íntegra, sin errores. En [18] se puede encontrar una relación de la totalidad de servicios y objetivos de calidad correspondientes.

Tabla 2. 1. Objetivos de calidad de funcionamiento para algunas aplicaciones de audio, video y datos. Fuente: [18]

Medio Aplicación Grado de simetría

Velocidades de datos

típicas

Cantidad de datos típicos

Parámetros clave y valores de objetivo para calidad de

funcionamiento

Tiempo de transmisión

en un sentido

Variación de

retardo

Pérdida de

información

Audio Voz en

conversación Dos sentidos

4 – 64 kbps

Preferido <

150 ms < 1 ms

Relación de


24

Limite < 400 ms

pérdida de

paquete (PLR) <

3%

Audio Mensajería

vocal Principalmente en un sentido

4 – 32 kbps

< 1 s para

reproducción < 2 s para grabación

< 1 ms (PLR) <

3%

Audio Audio en

tiempo real de gran calidad

Principalmente en un sentido

16 – 128 kbps

< 10 s << 1 ms (PLR) <

1%

Video Videoteléfono Dos sentidos 16 – 384

kbps

Preferido < 150 ms

Limite < 400 ms

(PLR) <

1%

Video Un sentido Un sentido 16 – 384

kbps < 10 s

(PLR) < 1%

Datos Navegación en

Web: HTML Principalmente en un sentido

~ 10 KB

Preferido < 2 s/pagina

Aceptable < 4 s/pagina

No Aplica Nula

Datos

Transferencia de grandes

volúmenes de datos


10 KB - 10

MB

Preferido < 15 s

Aceptable < 60 s

No Aplica Nula

Datos Transferencia de imágenes

fijas Un sentido < 100 KB

Preferido < 15 s

Aceptable < 60 s

No Aplica Nula

Datos

Correo electrónico

(transferencia entre

servidores)


< 10 KB Pueden ser

varios minutos

No Aplica Nula

2.2.3 Recomendación ITU-T Y.1540 - Servicio de comunicación de datos con

protocolo Internet – Parámetros de calidad de funcionamiento relativos a la

disponibilidad y la transferencia de paquetes del protocolo Internet

Esta recomendación define los parámetros de desempeño para ser usados al especificar y evaluar la rapidez, precisión y disponibilidad de la transferencia de paquetes IP en comunicaciones de datos internacionales. Estos parámetros son utilizados en la caracterización extremo a extremo de los flujos IP y las porciones individuales de la red que soportan estos flujos. La intención de esta recomendación es que sirva como guía para los proveedores de servicios, fabricantes de equipo y usuarios en relación a las características de desempeño de la red.

La recomendación define cinco parámetros de desempeño en la transferencia de paquetes IP:


25

1- Retardo en la trasferencia de paquetes IP (IPTD, IP Packet Transfer Delay): Es el tiempo ( ) entre dos eventos de transferencia de paquetes IP. IPTD está definida para todas las transferencias de paquetes, sean exitosas o en error. El valor medio del retardo de la transferencia de paquetes IP, que se encuentra especificado en la recomendación Y.1541, es el promedio aritmético de los retardos de transferencia de paquetes IP de la población de interés.

2- Variación del retardo de paquetes IP (IPDV, IP Packet Delay Variation): Es definido en base a la observación de los correspondientes tiempos de ingreso y egreso de los paquetes IP en los puntos de medición (MP, Meassurement Points)

3- Tasa de pérdida de paquetes IP (IPLR, IP Packet Loss Ratio): Es la relación entre el total de paquetes IP perdidos y el total de paquetes IP transmitidos en una población de interés.

4- Tasa de error de paquetes IP (IPER, IP Packet Error Ratio): Es la relación entre el total de paquetes IP en error y el total de paquetes IP exitosos junto a los paquetes en error de la población de interés.

Estos parámetros en su conjunto son indicativos del nivel de interés de los usuarios de la red. IPTD describe el tiempo promedio que le toma a la red para trasferir paquetes entre los MP de ingreso y egreso. Es necesario el establecer límites del IPTD para el uso de aplicaciones de VoIP, videoconferencia y aplicaciones en tiempo real, ya que este parámetro tendrá una fuerte influencia en la aceptación del usuario del servicio. El IPDV caracteriza al jitter en la precisión de la transferencia de paquetes. Este parámetro se limita para evitar la saturación de los buffers en los enrutadores. El IPLR expresa la probabilidad de que un paquete que sea transmitido por la red no sea entregado en el punto de egreso correspondiente. Este valor debe limitarse para asegurar la inteligibilidad y calidad aceptable en aplicaciones de voz y video en tiempo real. IPER expresa la probabilidad de que un paquete que sea entregado difiera al del punto de egreso como resultado de datos en error, duplicados o por una mala ruta de la red.

También se define como parámetro único de disponibilidad la IPLR. La disponibilidad aplica a un flujo de paquetes unidireccional entre un par de MPs. Para un flujo específico, una porción de la red se define como disponible en un periodo de observación si el IPLR observado es menor a un umbral , de otra manera, se considera esa porción de red como no disponible. El valor de umbral se recomienda de 0.75 y se indica que el desempeño de IPLR debe excluir todos los periodos de tiempo de no disponibilidad. El periodo mínimo de observación para determinar disponibilidad debe ser de 5 minutos [19].

2.2.4 Recomendación Y.1541 - Objetivos de calidad de funcionamiento de redes

para servicios basados en el protocolo Internet

Esta recomendación especifica los valores numéricos que deben ser alcanzados en trayectorias internacionales de redes IP entre usuarios terminales, para los parámetros definidos en la recomendación Y.1540. Estos valores se encuentran agrupados en diferentes


26

categorías de QoS para establecer una base entre los usuarios y los proveedores de redes sobre la calidad que debe ser soportada en las trayectorias extremo a extremo.

2.2.4.1 La trayectoria de referencia Y.1541

Los objetivos de desempeño IP de extremo a extremo se obtienen en la interfaz de red de usuario a interfaz de red de usuario (UNI-to-UNI, User Network Interface), como se muestra en la figura 2.4. Esta trayectoria de extremo a extremo incluye los segmentos y enlaces que transportan los paquetes IP de la fuente al destino. Los protocolos inferiores y los que incluyen la capa IP de la fuente y destino también pueden ser considerados parte de la red IP. También puede incluir arquitecturas de red de acceso IP. La instalación del cliente incluye todo el equipo terminal, como enrutadores (routers) y otro equipo en redes LAN.

Figura 2. 4. Trayectoria de referencia UNI-to-UNI para los objetivos de QoS de una red. Fuente [20]

2.2.4.2 Objetivos de desempeño y clases de QoS

Los objetivos de desempeño y clases de QoS se indican en la tabla 2.2. Cada clase de QoS consta de una combinación específica de límites de los valores de desempeño. Las clases y sus parámetros de desempeño asociados se aplican a los flujos de paquete IP entre los MP que delimitan la red IP de extremo a extremo. Un flujo de paquetes IP es el tráfico asociado a una conexión que tiene una fuente, un destino, una clase de servicio y un identificador de sesión.

Tabla 2. 2. Definiciones de clases de QoS de redes IP y objetivos de sus parámetros de desempeño. Fuente: [20]

Parámetro de

desempeño de la red

Naturaleza del objetivo

de desempeño

de la red

Clases de QoS

Clase 0 Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 4 Clase 5

Sin especificación

IPTD Límite

superior de la media de

100 ms 400 ms 100 ms 400 ms 1 s No especificado

(NE)


27

IPTD

IPDV Límite

superior 50 ms 50 ms NE NE NE NE

IPLR

Límite superior de la probabilidad

de pérdida de paquetes

1x10-3

1x10-3

1x10-3

1x10-3

1x10-3

NE

IPER Límite

superior 1x10

-4 NE

La clase 0 y 1 establecen límites superiores para el retardo y la pérdida de paquetes. También limita la variación del retardo. La clase 2 y 3 establecen límites superiores en el retardo y pérdida de paquetes, pero no limitan la variación del retardo. La clase 0 y 2 difieren de la clase 1 y 3 en sus objetivos de retardo. La clase 4 limita la pérdida de paquetes y provee un límite superior menos estricto para el retardo. La clase 5 define una clase no especificada que no provee parámetros de desempeño específicos. Esta recomendación reconoce que los objetivos de IPTD no siempre podrán conseguirse para trayectorias largas. La tabla 2.3 indica las aplicaciones que pueden ser asociadas con cada clase de QoS.

Tabla 2. 3. Guía de aplicaciones para las clases de QoS de redes IP. Fuente: [20]

Clase de QoS Ejemplos de aplicaciones

0 Aplicaciones en tiempo real, sensibles al jitter, de alta interactividad (como VoIP y

videoteleconferencia)

1 Aplicaciones en tiempo real, sensibles al jitter, de baja interactividad (como VoIP y

videoteleconferencia)

2 Datos de transacción, de muy alta interactividad (como datos de señalización)

3 Datos de transacción, de baja interactividad

4 Solo aplicaciones de baja pérdida (como transacciones cortas, transmisión de datos de

gran tamaño, y transmisión de video en un sentido)

5 Aplicaciones tradicionales de las redes IP (como envió de imágenes pequeñas y correo

electrónico)

En adición a los objetivos de desempeño y las clases de QoS, la recomendación establece periodos mínimos de observación. Por ejemplo: un intervalo de 10 a 20 segundos es recomendado para hacer evaluación de VoIP con una tasa de transmisión de 50 a 100 paquetes por segundo. El intervalo de evaluación recomendado para IPLR, IPTD e IPDV es de 1 minuto.

2.2.5 Recomendación ITU-R M.1079-2 - Requisitos de desempeño y calidad de

servicio para las comunicaciones móviles internacionales-2000

Esta recomendación define los requisitos de calidad y de desempeño que deben ser logrados para las redes de acceso de los sistemas pertenecientes a las IMT-2000. Aquí está definida la QoS como “el esfuerzo colectivo de desempeño que determina el grado de satisfacción de un usuario del servicio”. Esto toma en consideración los siguientes elementos:


28

Calidad de voz: Usada para expresar el grado de satisfacción del usuario de extremo con la transmisión de voz conversacional. Incluye la trayectoria completa de comunicación y es dependiente del equipo utilizado y del medio de transmisión.

Desempeño de la conexión: Consiste en el retardo de la señalización de la llamada y liberación de la llamada, la probabilidad de bloqueo extremo a extremo, etc.

Desempeño de conservación de servicio: Es la probabilidad de que un servicio, una vez establecido, continuará activo para la comunicación bajo ciertas condiciones dadas.

Sin embargo, los portadores (bearers) externos están fuera de esta recomendación, por lo que solo se indican los portadores IMT-2000 para proveer QoS dentro de las redes de acceso IMT-2000. Un portador IMT-2000 consiste de dos partes:

Servicio portador de radio acceso: Provee confiabilidad en el transporte de la señalización y los datos del usuario entre la terminal móvil y la interfaz de la red de acceso a la red dorsal, con las negociaciones apropiadas para IMT-2000 o con una señalización predefinida de QoS.

Servicio portador de red dorsal: Conecta el nodo de red dorsal de la red acceso de radio (CN-RAN, Core Network Radio Access Network Node) con la pasarela (GW, Gateway) de la red dorsal (CN-GW, Core Network Gateway) de la red externa. Este portador controla y utiliza la red de transporte principal (backbone) para proveer los servicios portadores IMT-2000 contratados

Las clases de QoS definidas en esta recomendación se enfocan en los efectos que los usuarios perciben, en lugar de sus causas internas dentro de la red. Para las IMT-2000 se definen cuatro clases de QoS:

1- Clase conversacional: Que abarca aplicaciones como VoIP y videoconferencia. Se realiza entre un grupo de usuarios. Debido a la naturaleza de la percepción humana, esta clase tiene los requisitos de QoS más estrictos de retardo y variación de retardo. Si no se cumplen con los requisitos de retardo en la transferencia de los datos se tendrá una calidad inaceptable del servicio.

2- Clase interactiva: Es cuando un usuario, ya sea humano o máquina, solicitan datos del equipo remoto (como puede ser un servidor). Las aplicaciones pueden ser navegación por la red, acceso a base de datos, acceso a servidores, solicitudes automáticas de expedientes y solicitudes automáticas en bases de datos. En la ubicación de destino hay una entidad esperando una respuesta en un tiempo determinado. Los parámetros clave en esta aplicación son el retardo y una baja pérdida de paquetes.

3- Clase de transmisión en un sentido (streaming): Es cuando el usuario se encuentra observando un video o escuchando audio en tiempo real. Se trata de transporte en un solo sentido cuyo destino es un usuario humano. Para este servicio influye más el tener una baja variación del retardo que el tener un bajo retardo extremo a extremo.

4- Clase de fondo: Cuando los usuarios, generalmente computadoras, envían o reciben datos en segundo plano, como la entrega de correo electrónico, SMS, la descarga de archivos y la recepción de reportes. Estos servicios deben ser entregados con una baja pérdida de paquetes y cuentan con un tiempo de entrega amplio.


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La clase conversacional se utiliza para dar servicio a aplicaciones muy sensibles al retardo, mientras que la clase de fondo se utiliza para aplicaciones tolerantes al retardo. Aunque no se indique un servicio portador de extremo a extremo, la recomendación indica cuales son los límites de QoS que deben ser cumplidas para el usuario de extremo. Esto incluye el retardo de extremo a extremo y el máximo retardo preferido para el servicio. En la tabla 2.4 se muestra el resumen de las características de las clases de servicio. Estos valores están alineados con aquellos de la recomendación ITU-T G.1010. Los parámetros de QoS se encuentran definidos para la clase conversacional, interactiva y de streaming ya que los servicios de fondo no se entregan con alguna garantía de retardo, variación de retardo o pérdida de paquetes. La tabla 2.5 muestra los requisitos para la clase de servicio conversacional dentro de las IMT-2000.

Tabla 2. 4. Clases de QoS desde una perspectiva de usuario de las IMT-2000. Fuente: [21]

Clase de servicio QoS

Clase de servicio conversacional

Conversación en

tiempo real

Clase de servicio interactiva

Mejor esfuerzo interactivo

Clase de servicio de transmisión en un sentido

Transmisión en

tiempo real

Clase de servicio de servicios en segundo plano

Mejor esfuerzo

en segundo plano

Características fundamentales

desde el punto de vista del usuario

-Preserva la variación de

tiempo -Patrón de

conversación: estricto y con bajo

retardo

-Requiere solicitudes de

respuesta -Preserva el

contenido útil (datos sin errores)

-Preserva la variación de

tiempo

-El destinatario no espera los datos

de forma inmediata

-Preserva el contenido útil

Ejemplo de aplicaciones

Voz sobre IP Navegación en la

red Transmisión de

video

Descarga de correo electrónico en segundo plano

Tabla 2. 5. Expectativas de desempeño del usuario final para servicios en tiempo real-conversacionales. Fuente: [21]

Categoría Aplicación Grado de simetría

Tasa de datos

(kbps)

Parámetros de desempeño clave y valores objetivo

Retardo en un solo

sentido (ms)

Variación de retardo (ms)

Pérdida de información

Audio Conversación Ambos

sentidos 4 – 13 10 - 64

< 150 preferido

< 400 limite < 1 < 3 %

Video Videoteléfono Ambos

sentidos 32 - 384

< 150 preferido

< 400 limite < 1 < 1 %

Datos Control en

ambos sentidos

Ambos sentidos

< 28.8 < 250 0 %

Datos Juegos

interactivos Ambos

sentidos < 1 < 250 No aplica 0 %

Datos Telnet Ambos

sentidos < 1 < 250 No aplica 0 %


30

2.3 Calidad de Servicio en WiMAX

Desde sus orígenes, WiMAX fue diseñado con la idea de contar con QoS. Para establecer los parámetros de QoS, WiMAX utiliza flujos de servicio (service flow). Un flujo de servicio se define como el envió de paquetes en un sentido de transmisión con un conjunto particular de características de QoS, y cuenta con un indicador de flujo de servicio (SFID, service flow identifier). La BS es la responsable de emitir y asignar SFIDs únicos. Hay que destacar que los flujos de servicio también pueden ser transferidos a puntos de código de servicios diferenciados (DSCP, DiffServ code points) para lograr una QoS basada en IP de extremo a extremo.

WiMAX define cinco clases de servicios que deben ser soportados por el planificador

(scheduler) MAC de la BS para transportar los datos durante la conexión:

1- Servicio garantizado no solicitado (UGS, Unsolicited grant service): Está diseñado para dar soporte a aplicaciones que generan paquetes de tamaño fijo a una tasa de bits constante (CBR, Constant Bit Rate), por ejemplo, para aplicaciones de VoIP sin supresión de silencio. El algoritmo de UGS minimiza el encabezado MAC y el retardo en el acceso de UL causado por el proceso de petición de transmisión del MS. Sin embargo, la BS asigna una tasa de transferencia fija, que de no usarse provoca un mal uso de recursos. La figura 2.5 muestra la asignación de recursos para UGS.

Figura 2. 5. Planificador de la clase de servicio UGS de WiMAX Fuente: [22]

2- Servicio de sondeo en tiempo real (rtPS, Real-time polling service): Este servicio está diseñado para dar soporte a servicios en tiempo real que generan paquetes de datos de tamaño variable en base periódica, como video MPEG. La BS asigna recursos exactos para el UL por medio de peticiones del usuario. Estas peticiones involucran encabezado MAC adicional que puede causar retardos adicionales. La figura 2.6 muestra la asignación de recursos para rtPS.


31

Figura 2. 6. Planificador de la clase de servicio rtPS de WiMAX. Fuente: [22]

3- Servicio de sondeo en tiempo real ampliado (ertPS, Extended real-time polling service): Este servicio está diseñado para soportar aplicaciones en tiempo real que tienen tasas de transmisión variables pero requieren de una tasa de datos y un retardo garantizado. La BS mantiene el ancho de banda solicitado hasta el momento en que el usuario solicita un nuevo ancho de banda. De esta forma los recursos no utilizados pueden ser compartidos. Este servicio solo está definido para la versión móvil de WiMAX. La figura 2.7 muestra la asignación de recursos para ertPS.

Figura 2. 7. Planificador de la clase de servicio ertPS de WiMAX. Fuente: [22]

4- Servicio de sondeo en tiempo diferido (nrtPS, non-real-time polling service): Este servicio está diseñado para dar soporte a flujos de datos tolerantes al retardo, como transferencia de archivos FTP, que requieren tasas de datos variables con una tasa de transmisión mínima garantizada. La BS ofrece solicitudes de petición de ancho de banda a intervalos regulares aun cuando hay una alta carga de tráfico en la red de forma que el usuario tiene posibilidad de transmisión de datos.


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5- Servicio de mejor esfuerzo (BE, Best-effort service): Este servicio está diseñado para soportar flujos de datos que no requieren un nivel mínimo de garantía en su entrega, como lo es la navegación Web. Solo se transmiten los datos mientras existan recursos disponibles para transmisión que puedan ser asignados al usuario.

Cabe mencionar que otros parámetros de QoS que se pueden especificar en WIMAX incluyen priorización de tráfico, máxima tasa sostenida, máxima tasa de ráfaga, tipo de planificador, tipo de ARQ, máximo retardo, jitter tolerado, tipo de mecanismo para hacer solicitud de ancho de banda, tasas de transmisión máximas y mínimas, entre otros. En la tabla 2.6 se muestra la relación de características de QoS asociadas con las diferentes clases de servicio de WiMAX. La correcta asignación de los tipos de servicio de WiMAX es crítica en el desempeño global de un sistema WiMAX.

Tabla 2. 6. Caracteristicas de QoS de WiMAX. Fuente: [12]

Tipo de flujo de servicio Parámetros característicos de

QoS Ejemplo de aplicaciones

UGS

Máxima tasa sostenida Tolerancia a un jitter máximo Recursos siempre asignados

VoIP sin supresión de silencio

rtPS Tasa mínima reservada Máxima tasa sostenida

Tolerancia a un jitter máximo Transmisión de audio y video

ertPS

Mínima tasa reservada Máxima tasa sostenida

Tolerancia a un jitter máximo Los recursos no usados pueden

compartirse

VoIP con supresión de silencio

nrtPS Mínima tasa reservada Máxima tasa sostenida

FTP

BE Máxima tasa sostenida Navegación en la red,

transferencia de correo electrónico

2.4 Calidad de Servicio en WiFi

Los mecanismos de acceso convencionales para Wi-Fi no cuentan con alguna funcionalidad de QoS. Esto se debe a que la tecnología Wi-Fi parte del punto de brindar acceso inalámbrico para servicios de datos básicos en entornos empresariales. Con el paso del tiempo, los servicios de datos de tipo BE lograron pasar de uso empresarial a un entorno de uso residencial, donde los usuarios comenzaron a solicitar que los servicios de voz, video y datos fueran entregados por medio de conexiones inalámbricas [23]. Sin embargo, los estándares IEEE 802.11 a/b/g no fueron diseñados para proveer la QoS que dichos servicios requieren.

La función de coordinación DFC al estar basado en contienda, otorga acceso al medio a los primeros paquetes que solicitan transmisión. Esto ocasiona problemas de imparcialidad e incluso puede causar que varias estaciones no puedan transmitir datos por largos periodos de tiempo. Además, provee solo el tipo de servicio de BE que trata a todo el tráfico de la misma


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forma, con cada estación y tipo de tráfico teniendo la misma prioridad. Esto provoca problemas de pérdida de paquetes que afectan la transmisión de audio y video.

Por otra parte la función de coordinación PCF elimina las colisiones, pero no distingue entre diferentes tipos de tráfico. Tampoco cuenta con algún mecanismo que indique la prioridad en el acceso al medio inalámbrico ni con algún método para que las estaciones de usuario puedan comunicar sus requisitos de QoS al punto de acceso.

En resumen, las limitaciones de QoS de 802.11 a/b/g son [23]:

No hay soporte para diferentes clases de servicio.

No hay soporte para las estaciones de los usuarios para comunicar las necesidades de QoS al punto de acceso.

No hay soporte para el control de admisión.

Para mejorar la QoS a nivel de capa MAC, la Wi-Fi Alliance propuso el uso de multimedia inalámbrica (Wireless multimedia, WMM) como un subconjunto del estándar 802.11e para mejorar las capacidades de transmisión multimedia del estándar original.

En la tabla 2.7 se muestran las cuatro categorías de acceso (AC, Access Categories) WMM para los diferentes tipos de tráfico (voz, video, BE y servicios de segundo plano). Cada AC utiliza diferentes números de espacio de trama arbitrarios (AIFSN, Arbitrary Inter Frame Space Number) y valores de CW máximos y mínimos en lugar de tratar todo el tráfico con una sola DIFS. La mayor prioridad corresponde a la AC con los valores de CW y AIFSN más pequeños. Sin embargo, WMM no garantiza que el flujo de máxima prioridad sea transmitido primero. Esto se debe a que la ventana de contienda de las diferentes AC se traslapa y todas comienzan desde 0. Por lo tanto, WMM solo incrementa la probabilidad de que los flujos de mayor prioridad sean transmitidos primero, pero no asegura que siempre sea así [17]. Las categorías son:

Voz: Ofrece la característica de menor retardo en la transmisión de los paquetes, ideal para aplicaciones como VoIP.

Video: Para aplicaciones de transmisión de video.

Mejor esfuerzo: Para aplicaciones que no requieren de características de QoS específicas.

Segundo Plano: Para el uso en aplicaciones de transferencia de archivos y tráfico que no puede tolerar cierta latencia.

Tabla 2. 7. Categorías de acceso WMM para diferentes tipos de tráfico [25].

Numero de AC Nombre Descripción

0 AC_BE Mejor esfuerzo (BE)

1 AC_BK Segundo plano

2 AC_VI Video

3 AC_VO Voz

2.5 Comparativa entre aspectos de calidad de servicio de WiMAX y Wi-Fi

En el caso de la tecnología Wi-Fi, los mecanismos de calidad de servicio surgen a partir de la necesidad de ofrecer servicios en residencias y hogares debido a la penetración con la que cuenta la tecnología. No es hasta que se realiza la corrección 802.11e en donde se consideran diferentes categorías de acceso que cuentan con diferentes ventanas de contienda (CW), donde las categorías de mayor prioridad cuentan con tiempos menores de ventana de contienda, permitiendo que las aplicaciones con categorías de acceso mayores puedan ser transmitidas antes que las aplicaciones con categorías de acceso menores. Este es un aspecto importante al considerar el uso de la tecnología Wi-Fi, ya que las categorías de acceso no garantizan que las aplicaciones de mayor prioridad siempre sean transmitidas antes que las demás aplicaciones multimedia de menor prioridad. El uso de las categorías de acceso incrementa la probabilidad de transmisión, pero no garantiza que siempre sea de esta manera.

WiMAX, por otra parte, fue diseñado desde sus orígenes para proporcionar aspectos de calidad de servicio para diferentes aplicaciones multimedia [12]. Para ello, WiMAX define 5 clases de servicio, cada una pensada para su uso para diferentes aplicaciones dependiendo de las características de tasa de transmisión y retardos que requieran las aplicaciones. La clase de servicio UGS, que es utilizada para servicios de alta prioridad que requieren de un bajo retardo y una tasa de transmisión garantizada, como lo es la voz sobre IP, requiere de una reserva de recursos desde la BS, lo que significa que los recursos que se asignan bajo esta clase de servicio no podrán ser compartidos para asignar recursos para otras aplicaciones. El resto de las clases de servicio ofrecen diferentes características de retardo y asignación de tasas de transmisión, de forma que se pueden emplear diferentes clases de servicio para diferentes usuarios considerando las necesidades de las aplicaciones que se van a emplear.

De esta forma, las categorías de acceso de la tecnología Wi-Fi ayudan a que las aplicaciones de alta prioridad puedan transmitirse antes que las aplicaciones de menor prioridad, aunque no siempre sea el caso, por lo que se debe realizar una asignación adecuada de prioridad para los diferentes servicios que se ocupen en la red. Las clases de calidad de servicio de WiMAX ofrecen una mayor flexibilidad para la asignación de recursos para las diferentes aplicaciones que pueden utilizarse, de manera que pueden asignarse recursos de forma exclusiva para aplicaciones que requieren de tasas de transmisión estrictas, o pueden configurarse una variación entre clases de manera que determinadas aplicaciones tengan reserva de recursos mientras otras aplicaciones podrán compartirlos.


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Capítulo 3 - eHealth


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En este capítulo se presenta una breve introducción a eHealth (acrónimo de electronic Health, o salud electrónica), un área del sector salud que permite brindar servicios sanitarios a distancia. También se indican cuáles son los servicios ofrecidos en eHealth y cuáles son las características de QoS requeridas por dichos servicios. Finalmente se describe cual es la relación entre los servicios de eHealth con las tecnologías de acceso inalámbrico Wi-Fi y WiMAX.

3.1 Breve historia y definición de eHealth

El término eHealth (en español eSalud o Salud Electrónica) fue adoptado a finales del siglo XX. En esta época surgieron las primeras aplicaciones médicas que se vieron beneficiadas con los avances de la telefonía analógica. La tecnología permitió no solo a los pacientes comunicarse con los doctores a distancia, sino que también permitió a los hospitales el poder transmitir electrocardiogramas a través de las líneas telefónicas. Esos fueron los días de la “telemedicina”, o cuidado de la salud a larga distancia [24]. Sin embargo, las limitaciones en el ancho de banda, y en las consecuentes bajas tasas de transmisión sobre las líneas de cobre, además de la interferencia y el ruido, pusieron un freno a la expansión de esas técnicas analógicas.

Desde entonces, el auge en la digitalización de los datos, la computación y las redes de conmutación de paquetes permitieron el avance de la telemedicina y llevaron una multiplicidad de aplicaciones.

La telemedicina de forma digital ha experimentado un crecimiento enorme con el tiempo, y es un componente mayor de eHealth. Permite, entre otras cosas, el intercambio de datos de la salud del paciente así como datos administrativos, la transferencia de imágenes médicas y resultados de laboratorio. Las mejoras de estos procesos van de la mano con el progreso de la tecnología, permitiendo la transferencia de archivos grandes gracias a las altas tasas de transmisión de los sistemas de comunicación, a las altas capacidades de almacenamiento y de procesamiento de los equipos computacionales, a la miniaturización de los componentes y al nivel de seguridad de los sistemas [26]. Esto permite que los servicios de salud que se brinden resulten en costos menores, tanto para el paciente como para los centros de salud, y que sean amigables con el paciente. En un futuro se espera que los pacientes cuenten, desde cualquier ubicación y en cualquier momento, con la capacidad de acceder a la información médica necesaria para mantener el cuidado de su salud, o para buscar fácilmente un tratamiento para alguna enfermedad.

Existen diferentes definiciones para designar a las aplicaciones de las TICs en los servicios de la salud. Cerca de 1970, el término “informática médica”, considerado en su momento como el estado del arte de la tecnología, fue usado para referirse al procesamiento de la información médica por medio de equipos computacionales. Sin embargo, la importancia del “procesamiento de la información” fue rápidamente reemplazada por la “comunicación de la información”, gracias al rápido desarrollo de Internet.


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Las aplicaciones de salud fueron entonces conocidas como “telemática de la salud” o “telemedicina”, y ahora son conocidas como “eHealth”. El incremento en las tasas de transferencia sobre las redes de computadoras interconectadas han removido las barreras para el intercambio de información médica, señales fisiológicas e imágenes médicas. La estandarización de los protocolos de intercambio de información entre computadoras, como el protocolo de Internet, además de mejorar la estructura de a información médica y las reglas de seguridad, hace posible para los profesionales de la salud en diferentes ubicaciones el poder entenderse y trabajar en conjunto, haciendo menores las diferencias del idioma. Se vuelve claro que el valor de estas aplicaciones no solo cae en la tecnología por sí sola, o en el intercambio de a información, sino que permite la formación y desarrollo de expertos en el área de la salud rompiendo con las barreras de la distancia.

El factor común de las tecnologías de comunicación actuales es la digitalización de los datos, que permite el procesamiento y el intercambio de la información. Es por eso que en lugar de proponer una serie de definiciones restrictivas para el uso de las TICs para el cuidado de la salud, se propuso un enfoque en que las aplicaciones se unieran bajo el término de “eHealth”.

El prefijo “e”, que representa “electrónico”, también se utiliza en otras aplicaciones tales como “eLearning” (aprendizaje electrónico) o “eGovernance” (gobierno electrónico), y denota el uso de datos de forma digital (opuesto a los datos convencionales analógicos como los reporte médicos en papel, impresiones de electrocardiograma y la película de rayos X). Sin la digitalización no habría procesamiento automático y no habría intercambio de datos de forma instantánea por medio de los sistemas de comunicación electrónicos.

El término “Health” (salud) es usado de forma amplia, y no solo se refiere a los hospitales, a la medicina, a las enfermedades o al cuidado de la salud. El enfoque de eHealth es la salud en general, con sus dos facetas, que son la salud pública, responsabilidad del estado y se orienta hacia la prevención y respuesta de las enfermedades en la población, y el cuidado de la salud (healthcare), que está orientado al tratamiento de pacientes y enfermedades de forma individual.

La idea de eHealth cubre todos los aspectos del área de la salud. El término está cambiando de forma gradual para referirse a la estructura base de las funciones de los sistemas de salud. No solo se trata de mejorar la forma en que se intercambia la información, sino también de brindar de cambios necesarios en los sistemas de salud para obtener una mejora de la salud a escala global. Algunos ejemplos pueden ser cuidados de la salud adaptados de forma individual para entornos como el hogar, la escuela o el lugar de trabajo, hasta el cuidado personalizado de pacientes con diferentes síntomas.

El término eHealth llega a cubrir [26]:

Productos, tales como instrumentos para asegurar el monitoreo de presión sanguínea en pacientes dentro de una ambulancia

Sistemas, como sistemas para operación asistidas por computadora, y

Servicios, como


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o Operaciones quirúrgicas y unidades de cuidados intensivos, con instrumentos interconectados y servicios de vigilancia para asegurar el monitoreo continuo de los pacientes.

o Servicios de prescripción asistida por computadora, donde el programa informático hace una revisión de medicamentos no compatibles, contraindicaciones y administración de dosis.

o Servicios de información para pacientes y clientes, incluyendo expedientes médicos electrónicos.

Los productos, sistemas y servicios eHealth son independientes de la ubicación, en sentido de que se pueden usar localmente en hospitales o consultorios clínicos, o se pueden usar de forma remota, como en teledermatología, telecirugía, telediagnósticos, entre otros. La figura 3.1 muestra algunas de las soluciones que ofrecen los sistemas eHealth.

Figura 3. 1. Soluciones eHealth, Fuente: [24]

Cabe destacar que no hay metodologías universales o reconocidas para evaluar las soluciones eHealth, por lo que diferentes pruebas y formas de evaluación se realizan para informar a los pacientes y expertos de la salud sobre las capacidades, beneficios y limitantes de los sistemas empleados para eHealth.

3.1.1 Impacto de eHealth

eHealth tiene un impacto en los usuarios de forma individual o de forma grupal permitiendo realizar una toma de decisiones de forma colaborativa y compartiendo experiencias con otros usuarios. Por ejemplo, un usuario se encuentra en un país extranjero, pero se encuentra equipado con un asistente personal de datos (PDA, Personal Data Assistant) que actúa tanto como teléfono celular y como dispositivo para la conexión a Internet con la capacidad de


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acceder a correos electrónicos y sitios Web, de manera que puede consultar al especialista de salud mediante el uso de alguna de las diferentes aplicaciones, o puede buscar información relativa a algún problema de salud que presente.

Algunos de los beneficios de los servicios de eHealth son [27]:

Disponibilidad y acceso a consejos médicos, especialmente para usuarios con difícil acceso a los servicios de salud.

Disponibilidad y acceso a servicios de salud de una forma más equitativa para zonas rurales y urbanas.

Disponibilidad de servicios clínicos en diferentes horarios, con diferentes especialidades y ubicaciones geográficas.

Ahorros para los paciente, al reducir tiempos de espera y gastos de transporte

Disponibilidad de servicios médicos que no resultan invasivos.

Servicios educativos para residentes, profesionales de la salud e inexpertos.

Mejora el uso de los servicios de salud en situaciones no críticas.

Disminuye el tiempo de espera de los servicios de salud no críticos.

Crea una mayor conciencia de los servicios de salud en entornos rurales en los usuarios y el personal médico remoto.

Disponibilidad y acceso oportuno de información crítica en caso de emergencias.

Los métodos y estrategias utilizadas en eHealth fomentan el desarrollo de innovaciones e intervenciones médicas no intrusivas, con enfoques a las medidas de prevención y un mayor énfasis en el cuidado personal y la el cuidado de la salud en entornos rurales. Además, eHealth puede ayudar a realizar cambios en la infraestructura, financiamiento, administración, gestión y sistemas de cuidado de tal manera que se identifiquen procedimientos inapropiados o innecesarios que puedan dificultar los servicios de salud.

3.2 Servicios sanitarios basados en eHealth

Con los recientes avances en la tecnología, los sistemas de comunicaciones de banda ancha y la variedad de servicios multimedia, se ha incrementado el potencial de entrega de servicios de salud de forma electrónica a los usuarios finales bajo el esquema “en cualquier momento y lugar”. Existe una amplia variedad de servicios de eHealth, incluyendo redes de información de salud, expedientes clínicos electrónicos, servicios de telemedicina, sistemas portátiles de monitoreo, páginas Web especializadas en salud, entre otras herramientas basadas en las TICs para asistir en la prevención de enfermedades, diagnóstico, tratamiento, monitoreo de salud y manejo del estilo de vida.

Un elemento perteneciente a eHealth es mHealth, que se refiere al uso de servicios de eHealth en entornos de movilidad, caracterizados por una disponibilidad de recursos limitada y condiciones de red cambiantes [34].

El desarrollo de la tecnología móvil abre nuevas oportunidades para mejorar el acceso al cuidado de la salud. mHealth es un componente de eHealth que promueve e involucra la


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utilidad de los dispositivos de comunicación móvil, como la comunicación por voz y los servicios de mensajes cortos (SMS, Short Message Service), así como de otras funciones y aplicaciones para la captura, almacenamiento y envío de señales biomédicas del usuario [34].

Combinado con sistemas de sensores de monitoreo, los dispositivos móviles de monitoreo de salud juegan un papel importante en la vida del paciente, particularmente en los sectores de la población que cuentan con discapacidades, personas de edad avanzada y pacientes con enfermedades crónicas. Esos dispositivos de monitoreo móvil potencialmente ofrecen una gran ayuda para los pacientes que pueden contar con un buen plan de salud, sin tener que realizar visitas regulares al doctor en el hospital o clínica. Tanto el paciente como el médico obtienen beneficios con el uso de la tecnología. El doctor se puede enfocar en diferentes tareas, y los pacientes pueden permanecer en su entorno sin tener que realizar viajes costosos para visitar al médico, especialmente si residen en ubicaciones muy alejadas del hospital.

La figura 3.2 muestra un caso típico de uso de mHealth [28]:

1- Un usuario puede obtener sus señales biológicas (como electrocardiograma, temperatura, glucosa en la sangre, presión sanguínea) a través de dispositivos sensores colocados en su cuerpo o dispositivos sensores a su alrededor. Otro tipo de datos, como la información de actividad del paciente (si se encuentra en una posición fija, caminando, corriendo o si se ha caído) y la información contextual (como la posición y el tiempo de monitoreo) también pueden ser recolectados por los dispositivos. De esta forma el paciente puede determinar en qué momento y lugar puede ser monitoreado.

2- La información recolectada es enviada a una plataforma mHealth, por medio de una conexión cableada o inalámbrica a las GW entre el entorno de usuario y el centro de salud.

3- La plataforma mHealth es responsable de procesar la información o de proveer la gestión efectiva de las funciones del dispositivo (como autenticación y control de tráfico)

4- Otras personas relacionadas con el paciente (como la familia o un asistente de cuidado de la salud) pueden tener acceso a la información personal del paciente monitoreado por medio de un dispositivo móvil o de un equipo de cómputo conectado a Internet, y pueden realizar comentarios y consultas sobre la situación de salud del paciente.

5- El paciente también puede tener acceso a su información personal y hacer revisiones y consultas adicionales por medio de un dispositivo móvil o un equipo de cómputo.


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Figura 3. 2. Red típica para aplicaciones eHealth/mHealth.

En general, una amplia variedad de servicios pueden realizarse con el uso de las herramientas y aplicaciones que proveen las comunicaciones necesarias y el soporte asistido por computadora (como análisis de imágenes y herramientas de visualización o entornos de colaboración), como se muestra en la figura 3.3.

De entre las numerosas clasificaciones que pueden ser encontradas en la literatura, los servicios de eHealth suelen ser clasificados de acuerdo a objetivos específicos: tele diagnóstico, teleconsulta, telemonitoreo, telegestión y teleeducación.

Los servicios de telediagnóstico se describen como comunicaciones punto a punto de forma diferida (un especialista en un sitio remoto revisando la información transmitida de un paciente y retornando un reporte de diagnóstico), mientras que teleconsulta se describe como la visualización y manipulación de forma simultánea de la información médica multimedia.

El telemonitoreo se refiere a la transmisión de las señales biomédicas del paciente y otra información relevante, como en el caso de servicios de telemedicina para el cuidado de la salud en el hogar. Estos servicios se enfocan principalmente al tratamiento de pacientes con enfermedades crónicas o para cuidado en el hogar posterior a una hospitalización, y pueden involucrar el monitoreo de múltiples parámetros incluyendo las señales vitales del paciente (Electrocardiogramas-ECGs, presión sanguínea, nivel de glucosa), sensores físicos (monitoreo de la actividad del paciente) y sensores del entorno (temperatura, humedad y presión del aire).


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Figura 3. 3. Entorno de servicios eHealth [29].

La tele educación se refiere a la educación llevada a cabo de forma remota en una situación no crítica, y el término de tele gestión hace referencia a una combinación de servicios de telemonitoreo y teleconsulta, como lo es una intervención quirúrgica involucrando operaciones asistidas por computadora (telecirugía).

Las aplicaciones también pueden ser clasificadas en aplicaciones en tiempo real y aplicaciones en tiempo diferido (tiempo no real) [30,31]:

Aplicaciones en tiempo real (RT, Real Time): Se basan en la adquisición y transmisión en tiempo real de señales biomédicas, parámetros vitales, información multimedia (audio, video, imágenes en alta resolución), etc. La información que se va registrando


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al mismo tiempo se está transmitiendo. Esta transmisión resulta crítica en pacientes de riego y asistencia domiciliaria. Se requiere de la garantía en el retardo y el ancho de banda, aunque se pueden sufrir ciertas pérdidas de paquetes.

Aplicaciones de guardado y reenvió (SF, Store and Forward): Se tratan de prácticas clínicas o médicas que no necesitan llevarse a cabo en tiempo real. Para ello, primero se registra la totalidad de la señal que se desea transmitir. Esta información se almacena en algún servidor para transmitirse posteriormente mediante una conexión apropiada (o se almacena) para poder ser visualizada por algún experto con el fin de terminar un informe, acceder a una base de datos, etc. El tráfico que generan las aplicaciones de SF no suelen requerir de anchos de banda o retardos específicos, pero requieren de una tasa de pérdida de paquetes muy estricta.

Es importante notar que pueden existir diferentes casos en que una aplicación en un instante dado pueda tener diferentes requerimientos de QoS, y esto depende del contexto actual en el que es usado el servicio. Por ejemplo, la transmisión de información de un paciente durante una tele operación requiere de requisitos más estrictos que los que convencionalmente requiere [29]. La tabla 3.1 muestra los requisitos básicos de calidad de servicio de diferentes aplicaciones de eHealth.

Tabla 3. 1. Requerimientos de QoS de algunas aplicaciones eHealth incluyendo el contexto [29].

Tipo de aplicación

Tasa de transmisión

requerida Bajo retardo Bajo Jitter

Sensible al contexto

Telediagnóstico Alta Si No Si

Teleconsulta Alta Si Si Si

Telemonitoreo Baja No No Si

Teleeducación Alta No No No

Acceso al historial médico

electrónico Alta-baja No No Si

3.3 Requerimientos típicos para las aplicaciones eHealth

Las aplicaciones tipicas de eHealth pueden involucrar la transmisión de diferentes servicios al mismo tiempo, por ejemplo, pueden involucrar conferencia multimedia, transmisión de los parametros fisiológicos del paciente, transferencia en alta resolución de imagenes médicas, transmisión de información administrativa y el acceso al historial clinico electrónico. Tales aplicaciones generan tráfico con varios requistos diferentes en la red, como son tasas de transmisión diferentes, interactividad ya sea en tiempo real o en tiempo diferido y tolerancia a la pérdida de paquetes.

El rango y complejidad de los requisitos de calidad varía de acuerdo a la aplicación de salud o a las especificaciones médicas. Exceptuando las imágenes médicas y la transmisión de video de alta interactividad, la mayoría de señales requieren tasas de transmisión relativamente bajas.


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Respecto a la transmisión de imágenes médicas, esencialmente no cuentan con un requisito de tasa de transmisión teórica, aunque transmitir las imágenes a una baja tasa implica un tiempo de transmisión mayor. Incluso, imágenes médicas como una sola radiografía de pecho pueden ser de 40 a 50 MB de tamaño. En la práctica, es deseable transmitir imágenes médicas durante la sesión con el paciente, de manera que se eviten sesiones posteriores no necesarias.

Respecto al video, el comité de Imágenes Digitales y Comunicaciones en Medicina (DICOM, Digital Imaging and Communications in Medicine) no ha adoptado algún estándar para la compresión y transmisión de video. Es importante hacer una distinción entre los requisitos para transmisión de video en tiempo real, transmisión de video en tiempo diferido, aplicaciones de audio y video para diagnóstico, y audio y video fuera de diagnóstico. La transmisión de video en tiempo real resulta el servicio con características más demandantes. La transmisión de video en tiempo diferido se limita por el tipo de interacción entre el médico y el paciente. Las aplicaciones en tiempo real de audio para diagnóstico incluyen la transmisión de audio de estetoscopio, o la transmisión de un flujo de audio que acompaña al diagnóstico de video. Las aplicaciones pueden hacer uso de diferentes tipos de servicio, por ejemplo, se puede requerir video y audio en tiempo real de diagnóstico además de un flujo de videoconferencia. La tabla 3.2 muestra los requisitos básicos de QoS para la transmisión de distintos datos médicos.

Tabla 3. 2. Requisitos de QoS para la transmisión de algunos datos médicos.

Servicios Tasa de datos Máximo retardo Pérdida de paquetes

Audio 4 – 25 kbps 150 – 400 ms 3%

Video 32 – 384 kbps 150 – 400 ms 1%

Electrocardiograma (ECG)

1 - 20 kbps Aprox. 1 s No

Transferencia de archivos (FTP)

No disponible No disponible No

3.3.1 Conferencia multimedia

Las aplicaciones de conferencia multimedia son una parte importante de los servicios eHealth y se pueden usar para establecer varios escenarios de comunicación, ya sea entre paciente-doctor o entre doctor-doctor (como puede ser un especialista en una clínica y practicantes generales). En general, las aplicaciones de transmisión de audio y video toleran cierta pérdida de paquetes para consegir interactividad en tiempo real de bajo retardo. Respecto a la pérdida de paquetes, las tasas de error aceptables se encuentran especificadas como menores a 3% para voz y menores a 1% para video [29].

Los requisitos particulares para una conferencia multimedia dependen del contexto del servicio. Por ejemplo, un servicio involucrando conferencia de audio o video entre un paciente y un médico para una revisión de rutina puede ser considerada “menos crítica” con respecto a las garantías de QoS (el retardo podría ser cercano a los límites de aceptación del servicio), mientras que un servicio de conferencia de audio o video en una situación de accidente crítico


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donde la comunicación visual con el especialista médico remoto es imperativa requiere garantías de QoS más estrictas.

3.3.2 Imágenes fijas y transmisión de imágenes médicas.

La transmisión de imágenes en alta definición suelen ser parte de los servicios de teleconsulta. Las imágenes pueden ser imágenes dermatológicas, rayos-X, imágenes de resonancia magnética, imágenes de ultrasonido o tomografía computarizada. Respecto a la tasa de transmisión requerida, no se cuenta con requisitos específicos, pero hay que considerar que una menor tasa de transmisión conlleva a tiempos de transmisión más grandes. Un resumen de tamaños de imagen y tasas de datos típicas se muestra en la tabla 3. En general, el reto más importante en la transferencia de información médica es la entrega confiable de la información. La pérdida de paquetes tiene el potencial de ocasionar consecuencias desastrosas en términos de diagnósticos incorrectos que pueden poner en riesgo a salud y la vida del paciente. La tabla 3.3 muestra características de tasa de datos de algunos instrumentos médicos y de transmisión de imágenes

Tabla 3. 3. Tasas de datos para dispositivos típicos de eHealth[29].

Dispositivo Número de muestras /s

Tamaño del

archivo (bits)

Bits por muestra

Tasa de datos

requerida

Tamaño de

imagen

Monitor digital de presión sanguínea

1 16 < 10 kbps

Estetoscopio de audio digital

10000 12 Aprox. 120

kbps

Electrocardiograma (ECG)

1250 12 Aprox. 15

kbps

Ultrasonido, cardiología y

radiología 512 x 512 8 256 kB

Rayos-X escaneados

1024 x 1250

12 1.8 MB

Mamografía 4096 x 4096

12 24 MB

Video con o sin compresión

- - - 384 kbps – 1.544 Mbps

3.3.3 Sistemas telerobóticos.

Son utilizados para telecirugías y teleultrasonografía. Pueden involucrar la transmisión tanto de imágenes fijas como en movimiento. Los requisitos de QoS generalmente son muy estrictos en términos de retardo y no son tolerantes a la pérdida de paquetes. Los servicios robóticos invasivos (telecirugía) críticos para el paciente tienen requisitos más estrictos que los servicios robóticos no invasivos (teleultrasonografía). En el caso de telecirugía, un requisito clave es el tiempo mínimo de retardo desde que el movimiento de la mano del operador inicia, el


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manipulador remoto se mueve, y las imágenes se muestren en el monitor del operador. Se ha mostrado en [30] que el tiempo de retardo aceptable para una operación segura es de 330 ms. Los requisitos de QoS para un sistema de ultrasonografía requieren de una tasa de pérdida de paquete menor al 0.5%, y el valor de retardo de viaje completo para la trasmisión de imágenes de ultrasonido tiene un límite de 300 ms como aceptable manteniendo una interacción de alta calidad del sistema.

3.3.4 Transmisión de señales vitales del paciente.

La cantidad y frecuencia de la información relacionada al monitoreo de señales vitales del paciente depende de las necesidades del paciente. Mientras que para algunos pacientes solo es necesaria la transmisión de las señales vitales durante algunos segundos, otros pacientes pueden requerir la transmisión durante varios minutos. Las señales biomédicas tienen diferentes tasas de transmisión: baja (menor a 12 kbps), media (12 a 24 kbps) y alta (mayor a 24 kbps).

3.3.5 Servicios de emergencia de eHealth.

Algunas de las aplicaciones más importantes que recaen en los servicios de banda ancha han sido reconocidas como la teleconsulta y telediagnóstico en situaciones de accidentes y urgencias, donde los paramédicos que atienden los accidentes no tienen la experiencia suficiente para manejar la situación. Esto resulta en la necesidad de la transmisión en tiempo real de los parámetros fisiológicos del paciente accidentado, ya sea desde el lugar del accidente o una ambulancia, hacia un hospital o centro médico.

3.3.6 Acceso al expediente médico electrónico

Los hospitales existentes y en desarrollo y los sistemas de información del cuidado de la salud hacen uso de expedientes médicos electrónicos (EHR). Un EHR está diseñado para contener toda la información relevante en cuanto a salud de una persona. Se busca que los EHR sean la base para el intercambio transparente de la información de los pacientes. El acceso y el manejo de los EHR pueden ser tanto en tiempo real como en tiempo no real, siendo como requisito clave la transmisión confiable de la información con pérdida de paquetes nula.

3.3.7 Investigación y educación

Una amplia variedad de aplicaciones ofrecen soporte en relación a la educación en salud, tales como la enseñanza a distancia para profesionales de salud ubicados en zonas rurales o de difícil acceso. Algunas aplicaciones son teleconferencia, transmisión de audio y/o video, salones de clase virtual y simulaciones quirúrgicas interactivas. Estas aplicaciones no suelen considerarse como críticas y pueden tolerar retardos, pérdida de datos e indisponibilidad. Para el caso de simulaciones quirúrgicas de alta interacción, estas se verían afectadas por altos retardos. Aún más, la investigación biomédica puede involucrar la transmisión de imágenes de alta resolución desde bases de datos remotas. En el caso de manipulación de instrumentos con propósitos de investigación se requieren bajos retardos debido a la posición de las muestras o a los ajustes del instrumento.


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La tabla 3.4 muestra una clasificación de diferentes servicios de RT y SF de eHealth, y se indican sus tamaños típicos y tasas de transmisión típicas.

Tabla 3. 4. Clasificación de los servicios de eHealth [30]. Tipo de

Servicio

Servicio de

telemedicina

Características Técnicas Tipo de

Información

Tamaño

(bytes)

Ancho de

Banda

(kbps)

RT Video-conferencia

Telepsiquiatría Puede usar vídeo digital y analógico. Para vídeo digital,

se asume tamaño de 320·280·24b y tasas entre

5−30fps.

El vídeo analógico usa 1 canal TV.

Video analógico Video dig-H.263

Video dig-30fps

- 534

Teledermatología - 15

Teleneurología - 1250

Urgencias,

Ambulancias

- 87

Sesiones de

telediagnóstico

Atención domiciliaria,

Asistencia rural,

Audio-video-conferencia,

Anotaciones en

pizarra interactiva, Transmisión datos

Videoconferencia Video - 64

Canales digitales Audio - 15

Transmisión de ficheros Web - 10

Audio-

conferencia

Seguimiento de

Pacientes

Conexión Telefónica Audio analógico - 64

Líneas Fijas de

Emergencia

Canales digitales de voz Audio digital - 64

Teleconsulta remota, telediagnóstico

1 canal digital de voz Audio digital comprimido

- 32 ó 16

Urgencias, ambulancia 1 canal digital comprimido Audio Digital

comprimido

- 32 ó 16

Transmisión de

imágenes

Teleradiología Imagen Digital (Radiología) B/N 1 MB 46

Telepatología Imagen Escaneada (fotografía

Corporal)

Color 9 MB 285

Acceso a bases de datos

médicas

Administración ó actualización del HCE

Acceso Web para consulta remota de información (audio,

datos, video)

Web (HTTP)

Información médica

on-line

FTP

Monitorización

de pacientes

Presión sanguínea Adquisición y envío de

señales biomédicas con dispositivos digitales ó

analógicos (con posterior

digitalización).

BP/PsO2 400B 3

Electrocardiografía

(ECG)

ECG 12ch-250B 24

Test Holter (ambulatorio)

Holter 3ch-8B 8

Electroencefalografía

(EEG)

EEG 32ch-2B 80

Electroecografía

(ECO)

ECO 2c-8B 384

SF Imágenes Fijas

Pre adquiridas

Radiografía 2048·2048pixeles/12-

16b/20:1

RADIO 96 MB 512

Mamografía 1280·1024pixeles/24b/15:1

MAMO 267 MB

Tomografía Axial

Computarizada

256·256-512·512 pixeles /8-

16b/2:1

TAC 14 MB

Resonancia Magnética Nuclear

512·512 pixeles /16b/4:1 RNM 28 MB

Gammagrafía y

Cartografía

512·512 pixeles /8b/2:1 GAMMA 28MB

Angiografía digital por sustracción

1024·1024 pixeles /8b/2:1 DIVAS 3. MB

Imagen digitalizada Según tamaño PDF ó WORD Digital -

Señales

Biomédicas Pre-

Electrocardiografía

(ECG)

Adquisición de señales

vitales, sin la necesidad de

ECG 40 MB 256


48

3.4 Wi-Fi y WiMAX en eHealth

Actualmente existe en el mundo un impulso general al despliegue de redes de banda ancha que permitan conectar al mayor número posible de personas. A través de estas redes, que se basan en diversas tecnologías se busca atender necesidades de la población e impulsar su desarrollo económico y social.

En México se encuentra en desarrollo el proyecto del gobierno federal denominado “Redes Estatales de Educación, Salud y Gobierno” (REESG) cuyo objetivo es brindar servicios de comunicaciones de banda ancha a diferentes instituciones de los sectores de educación, salud y gobierno. Los suscriptores de estas redes incluyen escuelas de educación primaria y secundaria, diferentes centros comunitarios, diferentes instancias de gobierno, y en particular se busca brindar estos servicios a comunidades rurales o que se encuentren en zonas de difícil acceso. Para esto, el gobierno federal, junto con los gobiernos estatales están desplegando redes de banda ancha que operan en la banda de frecuencia de 3.3 a 3.35GHz asignada por la Secretaría de Comunicaciones y Trasportes para su uso en este proyecto. Estas redes se basan principalmente en sistemas de la tecnología WiMAX debido a la interoperabilidad que ofrece y a la disponibilidad de equipamiento que opera en la banda de frecuencia asignada.

En el caso de Wi-Fi, aunque se trate de una de las tecnologías inalámbricas de mayor penetración a nivel mundial, no se utilizaba en el ámbito de salud para ofrecer servicios de tipo sensorial debido a cuestiones de potencia. Sin embargo Wi-Fi es ampliamente utilizado en aplicaciones de salud en medios portátiles que requieren de la comunicación con los puntos de acceso Wi-Fi. Actualmente, se encuentran en desarrollo diferentes dispositivos y sistemas basados en la tecnología Wi-Fi que permiten la comunicación entre sensores de salud para operaciones de baja potencia manteniendo un periodo de vida de los sensores de hasta 5 años [32]. Adicionalmente, las tecnologías de 3G pueden hacer uso de los AP Wi-Fi para distribuir el ancho de banda a múltiples usuarios que se encuentre bajo un área de corto alcance.

Para el caso de México las tecnologías WiMAX y WiFi son muy importantes para el despliegue de servicios de eHealth. En el caso de la tecnología WiMAX se está usando ampliamente en el despliegue de redes que permitan conectar clínicas rurales o en entornos suburbanos con hospitales de mayor nivel, ubicados en entornos urbanos, donde existan médicos de

adquiridas Test Holter (ECG

continuo)

envío instantáneo.

Holter 692 MB

Electroencefalograma (EEG)

EEG 2 MB

Estudio del sueño EEG 664 MB

Electroecografía

(ECO)

ECO 384 MB

Información

Relativa al Paciente

Historial Clínico

Electrónico (HCE)

Digitalización electrónica del

historial en papel del paciente con datos administrativos,

clínicos, etc.

Word, PDF - 64

Sonidos Corporales

(latido del corazón)

Adquisición de 20s

(44.1kHz,16b)

Audio-Datos - 128


49

diferentes especialidades. Para el caso de WiFi como ya se mencionó existe una gran cantidad de puntos de acceso en espacios públicos, en edificios y en los hogares que están generando el desarrollo de muchas aplicaciones que hacen uso de estos servicios de conectividad incluidas muchas aplicaciones de eHealth. Debido a lo anterior será muy importante evaluar la calidad de servicio de estas tecnologías, de acuerdo a las recomendaciones de la ITU, para generar recomendaciones de su uso en aplicaciones eHealth.

Capítulo 4 - Pruebas de calidad de servicio


51

En este capítulo se presentan las pruebas de calidad de servicio realizadas sobre una maqueta de la tecnología WiMAX y una maqueta de la tecnología Wi-Fi. Las pruebas se realizaron con el fin de determinar si estas tecnologías son capaces de cumplir con los requisitos de calidad de servicio para las aplicaciones de eHealth de voz, video y datos teniendo como base las recomendaciones de la ITU.

Se describe cual es el objetivo de las pruebas realizadas para tecnología WiMAX y Wi-Fi. Posteriormente se indica cual es el escenario de pruebas para WiMAX, así como las características de los equipos utilizados y el tipo de pruebas que se realizaron. Finalmente se muestra el análisis de resultados.

4.1 Objetivos de las pruebas

Actualmente dentro del área de salud no existe algún estándar que indique cuales son los parámetros de desempeño de QoS que son requeridos por las diferentes aplicaciones y servicios de eHealth. El realizar pruebas que permitan evaluar la QoS para las aplicaciones de eHealth permite poner dentro de un contexto cuales son los parámetros de calidad necesarios para garantizar la satisfacción de los usuarios e indicar cuál es el desempeño de las tecnologías utilizadas para brindar los servicios. Los parámetros de referencia utilizados en este trabajo son las recomendaciones ITU, que definen valores objetivo para el retardo, variación de retardo (jitter) y pérdida de paquetes para distintos tipos de aplicaciones.

Las aplicaciones de eHealth se dividen en aplicaciones en tiempo real y aplicaciones en tiempo diferido. Las aplicaciones de eHealth en tiempo real como VoIP y video suelen ser entregadas mediante el protocolo UDP (User datagram protocol). UDP es un protocolo no orientado a conexión, lo que implica que los equipos no realizan una negociación previa para indicar la transmisión de los datos, y los equipos no realizan un reconocimiento (Acknowledgment, ACK) de que la información se ha recibido de forma correcta. Este protocolo es utilizado debido a que la retransmisión de paquetes de video y voz causaría una baja experiencia al escuchar del audio o en la visualización de video.

Las aplicaciones de eHealth en tiempo diferido, como la transferencia de imágenes y expedientes médicos electrónicos, suelen ser entregados mediante el protocolo TCP (Transmission Control Protocol). TCP es un protocolo orientado a conexión, de tal forma que los equipos realizan un establecimiento de conexión para enviar los datos, y estos son entregados en su destino sin errores y en el mismo orden en que se transmitieron. De no ser así, se realiza la retransmisión de los paquetes que hayan sido perdidos o se encuentren en error. Este protocolo es utilizado para este tipo de aplicaciones debido a que la información debe ser entregada libre de errores aunque la retransmisión de la información implique que exista un retardo más grande al transmitir la información.

Como se observa de la tabla 3.2, los requisitos de retardo para las aplicaciones en tiempo diferido no se encuentran definidos, en sentido de que la recepción de los datos puede contar con tiempos de espera grandes, pero se debe asegurar que la información sea entregada sin errores.


52

Para el caso de las aplicaciones en tiempo real, se establecen límites de pérdida de paquetes, de retardo en la transmisión y de variación de retardo. Esto se debe a que los servicios de voz y video pueden tolerar una determinada pérdida de paquetes (especificados por la ITU) y aun así poder satisfacer su propósito. Lo que más afecta a estos servicios es el retardo y la variación del retardo

Para la realización de las pruebas se han utilizado tres herramientas de uso libre. Una de ellas es Iperf. Iperf es un programa basado en línea de comandos que funciona tanto para el sistema operativo Windows como para Linux. Esta herramienta permite obtener los parámetros de variación de retardo y pérdida de paquetes para el protocolo UDP de un enlace al enviar un flujo de datos de tamaño seleccionable, y permite registrar los resultados en una computadora que funciona como servidor de pruebas. La otra herramienta utilizada es el comando Ping. Esta herramienta envía paquetes de protocolo ICMP (internet Control Management Protocol) de tamaño seleccionable. Con esta herramienta se envían paquetes de un tamaño determinado a la computadora que funciona como servidor para poder obtener el valor de retardo de tiempo redondo (round time trip). Otra herramienta utilizada es Wireshark, que es un analizador de flujos de datos sobre enlaces de red. Esta herramienta es utilizada para observar el comportamiento de la tasa de transmisión de flujos de audio y datos.

El objetivo principal de estas pruebas es evaluar los parámetros de calidad de servicio de las tecnologías WiMAX y WiFi: retardo, variación del retardo y tasa de pérdida de paquetes. Con los resultados obtenidos se realizará un análisis en referencia a las demandas de los servicios de eHealth para generar recomendaciones de la aplicación de estas tecnologías en esta área de los servicios de salud.

Dado que no se dispone de equipo médico para realizar pruebas directamente sobre un servicio eHealth “real”, la evaluación de las tecnologías se realizará con base a las pruebas de enlaces de datos generados a partir de herramientas de generación y monitoreo de tráfico. Como ya se ha mencionado las tecnologías usadas en esta evaluación, WiMAX y WiFi, son tecnologías “todo IP”, así que se asume que los resultados de estas pruebas sobre enlaces de datos pueden tomarse como referencia para el despliegue de servicios reales de eHealth, ya que no importa si se trata de un servicio de voz, datos o video, estos servicios finalmente son tratados como un flujo de datos.

4.2 Pruebas en WiMAX

4.2.1 Escenario de pruebas

Para las pruebas de la tecnología WiMAX se ha realizado una campaña de medición en campo usando una maqueta que se instaló en el Departamento de Telecomunicaciones de la ESIME Zacatenco. La maqueta consiste en una radio base del estándar IEEE802.16e (WiMAX móvil) con tres antenas sectoriales de 120° y diferentes estaciones suscriptoras (SS). Las características de la BS, así como del equipo suscriptor que son usados en las pruebas se presentan en la tabla 4.1.


53

Tabla 4. 1. Equipo utilizado en la maqueta WiMAX y sus características

Parámetros

Descripción Valor

Configuración de la red

Número de BS 1

Número total de sectores 3

Banda de frecuencia de operación

3.3 - 3.35 GHz

Esquema de duplexado TDD

Estación base

Potencia del amplificador 26 dBm

Ganancia de antena 16 dBi

Apertura de antena 120°

Tasa de transmisión máxima por sector

25 Mbps

Equipo suscriptor

Potencia del amplificador 25 dBm

Altura de los suscriptores móviles

1.5 m

Tipo y ganancia de antena

Omnidireccional, 0 dBi

Un sector de la radiobase fue orientado hacia la zona de la colonia Lindavista. Esta zona cuenta con edificaciones de altura media y alta, y cuenta con la presencia de árboles de aproximadamente 10m de altura. El escenario de pruebas se muestra en la figura 4.1. Con una línea azul se indica el recorrido realizado para cada una de las pruebas que se realizaron para cada clase de servicio de la tecnología WiMAX.


54

Figura 4. 1. Lugar del escenario de pruebas de calidad de servicio de la tecnología WiMAX en la ESIME Zacatenco y la colonia Lindavista en la Ciudad de México.

4.2.2 Configuración del equipo

La configuración de la radiobase WiMAX consiste en ajustar los parámetros de calidad para cada flujo y clase de servicio. Se requiere realizar las siguientes tres configuraciones:

Configuración de la radiobase (BS) y del suscriptor (SS). Se realizaron ajustes comunes entre la BS y los SS. La banda de operación de la BS WIMAX es de 3.3 a 3.35 GHz, con 4 canales de 10 MHz y 10 MHz de banda de guarda. El equipo suscriptor se configuró a una frecuencia central de operación de 3315 MHz.

Creación y asignación de perfil de cliente en la red: Se configuran los perfiles de usuario, donde se indican los flujos de servicio a utilizar para cada SS. Aquí se indica la relación del flujo del cliente con las clases de QoS del estándar WiMAX. El perfil de cliente es un conjunto de flujos de servicio que corresponden a un nivel específico de servicio brindado a un SS en particular. Se define la dirección del flujo, un perfil de QoS y la prioridad del flujo. Los perfiles de cliente pueden tener hasta 16 flujos de servicio.

Creación y asignación de perfiles de QoS. Aquí se especifican las características de QoS para cada una de las clases de servicio. Se elaboraron cinco perfiles de QoS, uno para cada clase de QoS del estándar WiMAX. y se configuró el máximo retardo soportado, la máxima tasa de datos sostenida, la mínima tasa de datos reservada y el jitter tolerado.


55

La tabla 4.2 muestra las características de los parámetros asignados para los flujos de QoS de WiMAX que se configuraron en la radio base.

Tabla 4. 2. Configuración de parámetros de QoS en WiMAX

ID de perfil QoS

Nombre asignado

Máxima tasa de datos

sostenida (bps)

Retardo máximo

(ms)

Tipo de servicio

QoS

Prioridad de tráfico

Mínima tasa de datos

reservada (bps)

Jitter tolerado

(ms)

Tasa garantizada

no solicitada

(bps)

1 UGS_4M 4000000 150 UGS 1 4000000 10 4000000

2 ertPS_4M 4000000 150 ertPS 2 125000 10 -

3 rtPS_4M 4000000 150 rtPS 3 125000 10 -

4 nrtPS_4M 4000000 150 nrtPS 4 125000 10 -

5 BE_4M 4000000 - BE 5 0 - -

4.2.4 Pruebas realizadas

Se realizó una campaña de adquisición de datos de calidad de servicio en enlaces WiMAX establecidos entre la BS instalada en ESIME Zacatenco y una SS móvil. Para ello se realizaron recorridos a pie con una unidad suscriptora conectada a una laptop. Como parte de la prueba también se conectó una computadora a la radiobase y en ella se configuró el software Iperf para operar como servidor. Este servidor es el encargado de registrar los parámetros de jitter y pérdida de paquetes de los enlaces WiMAX establecidos con la unidad suscriptora. En la laptop conectada a la SS se configuró el software Iperf como cliente para enviar flujos de datos utilizando el protocolo UDP hacia el servidor Iperf conectado a la BS. La figura 4.2 ilustra el escenario de pruebas.

Figura 4. 2. Escenario de prueba entre equipo suscriptor y radio base WIMAX.

Se realizó un recorrido individual sobre el área indicada para probar cada una de las clases de servicio definidas en WiMAX y se almacenaron los resultados obtenidos en el servidor. La


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duración de cada recorrido fue de aproximadamente 1 hora. El tamaño de los paquetes de prueba utilizados para esta prueba es de 1470 bytes, que es un tamaño estándar de paquetes utilizado para servicios de video. Los paquetes de datos se transmitieron mediante el protocolo UDP. Estos paquetes son enviados sin el establecimiento previo de una conexión entre el equipo transmisor y receptor, de manera que si ocurren errores en la transmisión de paquetes, no se hace un reenvío de estos. El protocolo UDP se utiliza cuando se debe garantizar una tasa de transmisión y los paquetes de datos pueden sufrir de ciertas pérdidas, o cuando no es posible realizar retransmisiones por los requisitos de retardo.

Para obtener el desempeño de retardo, se utilizó el comando Ping desde el equipo suscriptor a la radiobase durante un periodo de 1 hora para cada una de las clases de QoS.

4.2.5 Resultados de las pruebas de QoS de WiMAX

4.2.5.1 Resultados de retardo

El retardo es el tiempo que le toma a un paquete de datos llegar de la fuente al destino, y se mide en milisegundos. El resultado de la prueba de retardo se muestra en la figura 4.3

Figura 4. 3. Resultados de retardo para las cinco clases de QoS de WiMAX.

La tabla 4.3 muestra estadísticas que describen el comportamiento del retardo para cada una de las cinco clases de QoS de WiMAX

Tabla 4. 3. Valores estadísticos del retardo para las cinco clases de servicio de WiMAX

Clase de servicio Valor Mínimo

(ms) Valor Máximo

(ms) Promedio (ms)

Desviación estándar (ms)

UGS 31.32 86.26 45.48 6.79

ertPS 31.56 98.02 52.84 8.14


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rtPS 36.02 201.16 85.17 19.69

nrtPS 10 99 73.31 12.44

BE 41.40 162.14 81.56 41.40

De acuerdo a la recomendación ITU-T G.1010, el retardo preferido para las aplicaciones de audio y video debe ser menor a 150 ms con un límite de 400 ms. Bajo el escenario de pruebas propuesto, todas las clases de QoS de WiMAX presentan un retardo promedio menor a 150 ms. Se observa que para el servicio UGS se tiene un retardo más estable, mientras que las clases de menor prioridad tienen un retardo más variado.

4.2.5.2 Resultados de Jitter

El jitter es la variación en el arribo de los paquetes al destino. La figura 4.4 muestra el resultado de la prueba de Jitter.

Figura 4. 4. Resultados de Jitter para las cinco clases de QoS de WiMAX.

La tabla 4.4 muestra estadísticas que describen el comportamiento de la variación del retardo para cada una de las cinco clases de QoS de WiMAX

Tabla 4. 4.Valores estadísticos de la variación del retardo para las cinco clases de servicio de WiMAX

Clase de servicio Valor Mínimo (ms)

Valor Máximo (ms) Promedio (ms)


UGS 1.68 6.48 3.86 0.57

ertPS 1.57 6.01 3.51 0.64

rtPS 1.43 7.01 3.54 0.70

nrtPS 3.77 22 5.09 1.08

BE 1.71 26.91 4.15 1.84

Este parámetro está definido en la recomendación ITU-T Y.1541 con un valor máximo de 50 ms para las aplicaciones en tiempo real para que sean consideradas como satisfactorias para el usuario. Los resultados muestran que los valores promedio de Jitter para las cinco clases de


58

QoS se encuentran dentro de 3.5 a 5 ms, teniendo el servicio UGS valores más estables que aquellos servicios de menor prioridad, como BE, que cuenta con una mayor variación de jitter.

4.2.5.3 Resultados de PLR

La tasa de pérdida de paquetes (PLR, Packet Loss Rate) es la relación entre el número de paquetes perdidos y el número total de paquetes enviados en el flujo de datos. La figura 4.5 muestra el resultado de la prueba de PLR.

Figura 4. 5. Resultados de PLR para las cinco clases de QoS de WiMAX.

La tabla 4.5 muestra estadísticas que describen el comportamiento de la relación de pérdida de paquetes para cada una de las cinco clases de QoS de WiMAX. Cabe recordar que el protocolo de transporte utilizado fue UDP, en el cual al haber pérdida de paquetes no se realiza una retransmisión de los paquetes. Generalmente los servicios en tiempo real como transmisión de voz y video utilizan este protocolo de transporte pudiendo tolerar ciertos niveles de error. Otro protocolo de transporte que se usa es TCP, que retransmite los paquetes cuando detecta que se han perdido o se encuentran en error.

Tabla 4. 5. Valores estadísticos de la pérdida de paquetes para las cinco clases de servicio de WiMAX.

Clase de servicio Valor Mínimo

(%) Valor Máximo

(%) Promedio (%)

Desviación estándar (%)

UGS 0 20 5.00 5

ertPS 0 20 4.88 4.88

rtPS 0 20 6.17 6.17

nrtPS 0 75 11.69 11.69

BE 0 75 10.14 10.14

En la recomendación ITU-T G.1010 se indica que las aplicaciones en tiempo real deben contar con una PLR de 1% para los servicios de video, y de 3% como máximo para las aplicaciones de voz. Se


59

observa que para todas las clases de servicio se tienen con valores de PLR mayores a los marcados

por la recomendación. Como los parámetros de calidad se obtuvieron en un entorno de movilidad, los valores de PLR obtenidos en esta prueba se puede deber a condiciones de cobertura de la radiobase. Cabe recordar los servicios en tiempo diferido utilizan retransmisión de paquetes para asegurar la integridad de los datos, mientras que las aplicaciones en tiempo real no realizan retransmisiones ante la pérdida de datos.

Debido a cuestiones de disponibilidad de la maqueta WiMAX no se realizaron pruebas adicionales con paquetes de menor tamaño.

4.3 Pruebas en Wi-Fi

4.3.1 Escenarios de pruebas

Para el caso de las pruebas de Wi-Fi se realizaron dos pruebas de calidad de servicio. Una de ellas está enfocada en obtener parámetros de calidad de servicio utilizando el protocolo UDP en un enlace Wi-Fi de tipo Outdoor (en exteriores) mediante el uso de la herramienta Iperf. La segunda prueba consiste en la realización de una llamada de voz sobre IP sobre un enlace Wi-Fi utilizando la categoría de acceso de tipo voz y compararla con una llamada de voz sobre IP sin priorización por medio de categorías de acceso.

4.3.1.1 Escenario de prueba de calidad de servicio con Iperf

El equipo Wi-Fi utilizado en estas pruebas fue de tipo “outdoor” (para exteriores) bajo el estándar 802.11n. El equipo seleccionado para la prueba cuenta con capacidad de manejo de QoS. La maqueta instalada consta de dos puntos de acceso (AP) Wi-Fi denominados como APO1 y APO2. El equipo APO1 se instaló de forma externa, en el tercer piso de la Sección de Telecomunicaciones del Instituto Politécnico Nacional, y el equipo APO2 se instaló en una ubicación cercana a una altura promedio de 1.8 metros sobre el nivel del suelo, teniendo la función de repetidor del APO1. Las características de los equipos utilizados se indican en la tabla 4.6. La figura 4.6 muestra el AP y el equipo utilizado en las pruebas.

Tabla 4. 6. Equipo utilizado en la maqueta Wi-Fi y sus características.

Parámetros

3 Descripción Valor

Configuración de la red

Número de APs utilizados 2

Banda de frecuencia de operación 2.4 GHz

Puntos de Acceso

Potencia del AP 23 dBm

Ganancia de antena 6 dBi

Soporte de WMM Si

Equipo suscriptor

Altura del suscriptor móvil 1.5 m

Tipo de antena Omnidireccional, integrada al

equipo

Soporte de WMM Si


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Figura 4. 6. APO2 y equipo utilizado para las pruebas de calidad de servicio.

La distancia aproximada entre el APO1 y el APO2 es de 40 metros, y la distancia aproximada del equipo portátil al APO2 es de 40 metros. La figura 4.7 muestra la ubicación de los AP. La circunferencia de color azul indica la zona donde se realizaron las pruebas de calidad. La circunferencia azul delimita la zona de cobertura del APO2, y tiene un radio aproximado de 30 metros.

Figura 4. 7. Ubicación de los dos AP utilizados para pruebas de QoS en Wi.Fi.


61

El equipo portátil utilizado para la prueba cuenta con una tarjeta Wi-Fi del estándar 802.11n. Sin embargo, el que un equipo cuente con esta tarjeta no significa que puede utilizar las funciones de WMM que permiten la QoS para el enlace inalámbrico. Se debe habilitar tanto la opción para emplear el estándar 802.11n, así como la opción correspondiente de WMM para hacer uso de la capacidad de QoS de Wi-Fi. La figura 4.8 muestra la pantalla de configuración de una tarjeta de red que cuenta con soporte 802.11n y soporte de WMM. La figura 4.9 muestra la pantalla de configuración de una tarjeta de red que cuenta con soporte 802.11n pero no con soporte WMM.

Figura 4. 8. Tarjeta de red con soporte 802.11n y soporte WMM.

Figura 4. 9. Tarjeta de red con soporte 802.11n sin soporte WMM.

Dependiendo del modelo del AP que se utilice, también será necesario realizar la configuración pertinente para indicar las características de WMM. Los APs utilizados en estas


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pruebas realizan de forma automática el mapeo de los valores de DSCP (Diffentiated Services Code Point) de los paquetes IP que se transmiten a los valores correspondientes de WMM. La tabla 4.7 muestra el mapeo de valores DSCP a las categorías WMM.

Tabla 4. 7. Mapeo de valores DSCP/TOS a categorias WMM. Fuente:[33]

Clase de servicio de 802.1p

Rango de Tipo de servicio (TOS)

Rango de DSCP Categoria WMM

0 – BE 0x00-0x1f 0-7 BE

1 – BK 0x20-0x3f 8-15 BK

2 – Libre (spare) 0x40-0x5f 16-23 BK

3- Esfuerzo Excelente 0x60-0x7f 24-25, 28-31 BE

4 – Carga controlada 0x80-0x9f 32-39 Video

5 - Video (latencia < 100 ms)

0xa0-0xbf 40-45 Video

6 - Video (latencia < 10 ms)

0x68, 0xb8, 0xc0-0xdf 26-27, 46-47, 48-55 Voz

7 – Controld de red 0xe0-0xff 56-63 Voz

Los valores de DSCP para las diferentes aplicaciones normalmente son modificados o insertados en los routers o son generados por las aplicaciones de origen, como una central telefónica. Para este trabajo, la modificación de los valores de DSCP se realizó mediante la herramienta “iptables” del sistema operativo Ubuntu. Esta herramienta tiene la función de firewall y permite hacer el cambio de valor de DSCP de los paquetes por medio de puertos de origen o destino. Los comandos utilizados para hacer el cambio de valor de DSCP son:

1) iptables -t mangle -N marca-de-dscp-X

2) iptables -t mangle -A POSTROUTING -j marca-de-dscp-X

3) iptables -t mangle –A marca-de-dscp-X -j DSCP --set-dscp X

La instrucción 1 crea una nueva cadena en el firewall de nombre “marca-de-dscp-X”. La instrucción 2 añade la regla de “POSTROUTING”, que hace que los paquetes entren a la cadena “marca-de-dscp-X” antes de ser transmitidos por el equipo. La tercera instrucción es la que indica el cambio de valor de DSCP de los paquetes por el valor X. X es un número decimal del rango 0 al 63. Como no se especificó un puerto en particular, son asignadas estas reglas a todo le tráfico que sea transmitido por el equipo.

Para verificar que se esta realziando el cambio de los valores de DSCP de los paquetes se utilizó una herramienta de analisis de paquetes. La herramienta utilizada es “Microsoft Network Monitor 3.4”, la cual se ejecuta en el equipo servidor, mientras que la computadora con iptables envia paquetes con la aplicación Iperf a la direccion IP del servidor. La figura 4.10 muestra paquetes con el valor por defecto de DSCP al utilizar Iperf sin la configuración de iptables. Este tipo de tráfico, sin marca de prioridad, es el que se utiliza de forma convencional en Internet. La figura 4.11 muestra el cambio de valor de DSCP de los paquetes tansmitidos por Iperf en el equipo donde se utiliza iptables.


63

Figura 4. 10. Paquetes sin marca de DSCP.

Figura 4. 11. Paquetes con marca de DSCP.

Se realizaron cuatro pruebas de calidad de servicio en Wi-FI, una prueba para cada categoría de acceso. Para hacer cada prueba se configuró iptables con el valor correspondiente a la categoría de acceso que se evaluó, tomando los valores correspondientes de la tabla 4.7. Las pruebas se realizaron en movimiento dentro del área de cobertura del APO2, y se realizaron 2 repeticiones de 2 minutos para cada una de las pruebas. Para cada una de las categorias de acceso se realizaron las pruebas con dos tipos de tamaño de paquetes. Una prueba fue realizada con paquetes de tamaño de 160 bytes, que es un tamaño de paquete utilizado para aplicaciones de voz; y la otra prueba fue realizada para tamaños de paquete de 1280 bytes, que es un tamaño de paquete utilizado para aplicaciones de video.

4.3.1.2 Escenario de prueba de calidad de servicio con Voz sobre IP

Para las pruebas de calidad de servicio con Voz sobre IP se utilizó un AP de tipo “Indoor” (para interior), cuyas características se muestran en la tabla 4.6, que se ubicó en el tercer piso de la Sección de Telecomunicaciones del Instituto Politécnico Nacional. Para esta prueba se utilizó la aplicación de inspección de paquetes “Wireshark”, la cual permite mostrar el comportamiento de la tasa de transmisión de una conversación de voz sobre IP. Esta prueba consta de tres usuarios que se encuentran ubicados dentro de la zona de cobertura del equipo


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AP a una distancia de 10 metros de separación del AP. Un usuario, denominado como Lap3, genera una conversación de VoIP con asignación de categoría de acceso de tipo “Voz”. Otro usuario, denominado como Lap2, genera una conversación de VoIP sin contar con alguna clasificación de categoría de acceso, es decir, su comportamiento es del tipo “mejor esfuerzo”. Un tercer usuario, denominado como Lap1 realiza la escucha de las conversaciones de forma simultánea de la llamada con categoría de acceso y de la llamada sin categoría de acceso. Además, otro equipo basado en Linux, denominado Rasp1, es empleado en diferentes instantes de tiempo para introducir tráfico adicional a la red. El equipo Rasp1 genera tráfico de datos mediante el uso de Iperf. El software empleado para la conversación VoIP es el cliente softphone de código abierto “Linphone” que además de funcionar para diferentes sistemas operativos, permite múltiples conversaciones de VoIP de forma simultánea. Las características de los equipos empleados se muestran en la tabla 4.8:

Tabla 4. 8. Equipos utilizados en la prueba de Voz sobre IP

Equipo Características Uso

-SO: Linux Mint

-Tarjeta de red WiFi

802.11b/g/n

-Software: Linphone, Iptables, Wireshark

-Receptor de transmisión VoIP -Analizador de protocolos (receptor de llamada con y sin calidad)

-SO Windows 7 - Tarjeta de red WiFi 802.11b/g/n -Software: Linphone,

Wireshark

-Transmisor de voz sin etiquetado de calidad

-SO Linux Ubuntu

- Tarjeta de red WiFi

802.11b/g/n

-Software: Linphone, Wireshark, iptables

-Transmisor de voz con etiquetado de calidad

-SO Windows 7 -Tarjeta de red WiFi 802.11b/g/n -Software: MiniSIPserver

-Servidor PBX instalado sobre Windows

-SO: Raspbian

- Tarjeta de red WiFi

802.11b/g/n

-Software: iptables, iperf

-Generador de tráfico UDP

- WiFi 802.11b/g/n

- Access Point indoor con

soporte de WMM


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La configuración de la maqueta se muestra en la figura 4.12:

Figura 4. 12 Maqueta de pruebas utilizada para la prueba de calidad en una conversación de Voz sobre IP

El equipo Lap4 es un servidor PBX donde se registran los equipos para realizar las llamadas VoIP. El equipo Rasp1 es utilizado para enviar flujos de datos de tipo UDP mediante la herramienta Iperf con el fin de mostrar el comportamiento de una conversación con categoría de acceso y una conversación sin categoría de acceso cuando se presenta tráfico adicional en la red. Las tasas de transmisión empleadas con Iperf son 10 Mbps, 5 Mbps y 1 Mbps. Todos los equipos se encuentran conectados de forma inalámbrica con tarjetas de red compatibles con 802.11n al Access Point Indoor Unifi.

Se utilizó codificación PCM ley A en cada uno de los softphones empleados para las pruebas. Esto significa que cada muestra de voz se codifica a 8 bits, teniendo una tasa de transmisión (throughput) promedio de 64 kbps. En conjunto con las cabeceras de la capa de enlace de datos y de red, la tasa de transmisión promedio es de 80 kbps. El tamaño promedio de los paquetes utilizados en las pruebas es de 214 bytes.

Cabe mencionar que el softphone utilizado cuenta con una escala de calidad similar al “MOS” (Mean Opinion Score, Valor de opinión media) basado en la recomendación ITU-T P.800 y es un indicativo de la aceptación por el usuario de la calidad de la conversación. El softphone utiliza una escala que va del valor 0, indicando que se va a tener una calidad de escucha muy mala, hasta el valor 5, que indica que se tiene una calidad de escucha excelente.

El periodo de prueba se divide en 4 partes y permite observar el comportamiento en la tasa de transmisión de la conversación VoIP. Para esta prueba, la evaluación se realiza con base en la escala de MOS que presenta el softphone con el fin de mostrar la diferencia en la calidad de un servicio cuando hay fuentes adicionales de tráfico en la red.


66

4.3.2 Resultados de las pruebas de calidad de servicio con Iperf

4.3.2.1 Resultados de retardo

La figura 4.13 muestra los resultados del comportamiento del retardo para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes.

Figura 4. 13. Resultados de Retardo para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi utilizando paquetes de 160 bytes.

La tabla 4.9 muestra estadísticas que describen el comportamiento del retardo para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes.

Tabla 4. 9. Valores estadísticos del retardo para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño de paquetes de 160 bytes.

Tipo de categoría de

acceso

Valor mínimo (ms)

Valor Máximo (ms)

Promedio (ms)


BE 5.93 142 35.01 32.16

BK 5.51 107 18.40 15.61

VI 7.71 74.6 22.79 13.39

VO 6.21 142 22.86 20.03

La figura 4.14 muestra los resultados del comportamiento del retardo para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 1280 bytes.


67

Figura 4. 14. Resultados de Retardo para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi utilizando paquetes de 1280 bytes.

La tabla 4.10 muestra valores estadísticos que describen el comportamiento del retardo para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 1280 bytes.

Tabla 4. 10. Valores estadísticos del retardo para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño de paquetes de 1280 bytes.


acceso

Valor mínimo (ms)

Valor Máximo (ms)

Promedio (ms)

Desviación estándar

(ms)

BE 8.46 904 106.45 164.60

BK 10 241 55.66 54.76

VI 10.5 117 33.26 24.07 VO 11.8 213 56.72 45.27

De acuerdo a la recomendación ITU-T G.1010, el retardo promedio preferido para las aplicaciones de audio y video debe ser menor a 150 ms, siendo 400 ms el valor máximo para asegurar la calidad. Bajo el escenario de pruebas propuesto, todas las clases de QoS de Wi-Fi presentan un retardo promedio menor a 150 ms. Se puede observar una diferencia entre el desempeño de la clase sin prioridad o BE, teniendo mayor variación de los valores de retardo, mientras que las clases de mayor prioridad tienen una variación menor de valor. También se puede observar que los paquetes de mayor tamaño presentan un mayor retardo que los paquetes de menor tamaño.

4.2.3.2 Resultados de Jitter

La figura 4.15 muestra los resultados del comportamiento del jitter para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes.


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Figura 4. 15. Resultados de jitter para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para paquetes de 160 bytes.

La tabla 4.11 muestra estadísticas que describen el comportamiento del jitter para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes.

Tabla 4. 11. Valores estadísticos del jitter para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño de paquetes de 160 bytes.


acceso

Valor mínimo (ms)

Valor Máximo (ms)

Promedio (ms)


BE 0.44 69.31 8.99 11.02

BK 1.97 22.66 4.71 3.20

VI 1.48 17.2 4.73 3.25

VO 1.15 13.07 3.51 1.87

La figura 4.16 muestra los resultados del comportamiento del jitter para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes.


69

Figura 4. 16. Resultados de jitter para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para paquetes de 1280 bytes.

La tabla 4.12 muestra estadísticas que describen el comportamiento del jitter para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 1280 bytes

Tabla 4. 12. Valores estadísticos del jitter para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño de paquetes de 1280 bytes.


acceso

Valor mínimo (ms)

Valor máximo (ms)

Promedio (ms) Desviación

estándar (ms)

BE 4.09 71.26 16.85 9.12

BK 5.78 33.81 11.27 3.85

VI 4.35 70.62 19.65 13.63

VO 2.7 26.15 8.9 4.53

El parámetro de jitter está definido en la recomendación ITU-T Y.1541 con un valor máximo de 50 ms para las aplicaciones en tiempo real para que sean consideradas como satisfactorias para el usuario. Los resultados muestran que los valores promedio de Jitter para las cuatro clases de QoS se encuentran en un rango de 3 a 16 ms. Los valores promedio para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes presentan valores más estables de jitter. Para la prueba de paquetes de tamaño de 1280 bytes se tienen valores más dispersos de jitter. Estos valores cumplen con la recomendación, sin embargo, hay que considerar que estos valores se obtuvieron para la red de acceso, y pueden ser diferentes para pruebas en redes de extremo a extremo.

4.2.3.3 Resultados de PLR

La pérdida de paquetes es la relación entre el número de paquetes perdidos y el número total de paquetes enviados. La figura 4.17 muestra el resultado de la prueba de PLR para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes.


70

Figura 4. 17. Resultado de Tasa de Paquetes Perdidos para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para paquetes de 160 bytes.

La tabla 4.13 muestra valores estadísticos que describen el comportamiento de la relación de perdida de paquetes para cada una de las cuatro categorías de acceso de Wi-Fi.

Tabla 4. 13. Valores estadísticos del PLR para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño de paquetes de 160 bytes.


acceso

Valor Mínimo

(%)

Valor Máximo

(%)

Promedio (%)

Desviación estándar

(%)

BE 0 19.95 6.87 3.86

BK 0 40.38 2.6 5.78

VI 0 35.16 9.32 9.05

VO 0 28.14 1.45 4.04

La figura 4.18 muestra el resultado de la prueba de PLR para para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 160 bytes.

Figura 4. 18. Resultados de PLR para las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para paquetes de 1280 bytes.


71

La tabla 4.14 muestra valores estadísticos que describen el comportamiento de la relación de pérdida de paquetes para cada una de las cuatro clases de QoS de Wi-Fi para la prueba de paquetes de tamaño de 1280 bytes.

Tabla 4. 14. Valores estadísticos del PLR para las cuatro clases de servicio de Wi-Fi para un tamaño de paquetes de 1280 bytes.


acceso

Valor máximo (%)

Valor mínimo (%)

Promedio (%) Desviación

estándar (%)

BE 0 14.28 4.02 3.23

BK 0 16.98 0.26 1.7

VI 0 14.28 0.72 2.02

VO 0 3.84 0.36 0.81

En la recomendación ITU-T G.1010 se indica que las aplicaciones en tiempo real deben contar con una PLR de 1% para los servicios de video, y de 3% como máximo para las aplicaciones de voz. En esta prueba se obtuvieron tasas de error para los servicios con mayor prioridad en cumplimiento con la recomendación. Solo la categoría de BE presento un promedio de PLR mayor que el recomendado.

4.3.3 Resultados de las pruebas de calidad de servicio de Voz sobre IP

La primera parte de la prueba consiste en registrar únicamente la conversación de VoIP que cuenta con prioridad de tipo “voz” al mismo tiempo que se registra la conversación de VoIP que no cuenta con prioridad. En este tiempo, que consta del segundo 20 al segundo 80, no se inyecta tráfico adicional en la red. La figura 4.19 muestra el comportamiento de las dos conversaciones registradas durante el periodo de tiempo indicado. La tasa de transmisión promedio cuando no se inyecta tráfico adicional en la red de 86 kbps en promedio.

Figura 4. 19. Resultado de tasa de transmisión en el periodo de tiempo de 20 segundos a 80 segundos.


72

En esta parte de la prueba, los softphones utilizados muestran una indicación de la calidad de la conversación. En esta prueba ambas conversaciones muestran un indicador de calidad con un valor de 4.4 o “bueno”, como se muestra en la figura 4.20.

Figura 4. 20. Calidad de conversación obtenida para la conversación con calidad de tipo “voz” y la conversación sin calidad cuando no existe tráfico adicional en la red.

La segunda parte consiste en el registro de las conversaciones con y sin calidad de forma simultánea, además de incorporar tráfico UDP a una tasa de 10 Mbps mediante el dispositivo Rasp1 con la herramienta Iperf durante el periodo de tiempo comprendido del segundo 80 al segundo 260. La figura 4.21 muestra el comportamiento de las conversaciones VoIP registradas durante el periodo de prueba indicado. Para ambas conversaciones existen fluctuaciones en la tasa de transmisión, teniendo una tasa de transmisión promedio de 70 kbps.

Figura 4. 21. Resultado de tasa de transmisión en el periodo de tiempo del segundo 80 al segundo 260. En la red se transmite de forma simultánea un flujo UDP de 10 Mbps.


73

Para este periodo de tiempo la conversación con y sin calidad cuentan con un incremento en el retardo de la conversación. Para el caso de la conversación sin calidad, se experimenta un retardo mayor (cercano a 2 segundos) y la calidad de la voz es muy mala, como se muestra en la figura 4.22 representado por el softphone con un valor de 0. En este caso era imposible reconocer la voz de la conversación.

Figura 4. 22. Calidad de conversación obtenida para la conversación sin calidad cuando se inyecta tráfico de 10 Mbps adicionales en la red.

Para el caso de la conversación con calidad, también se tiene un retardo (cercano a 1 segundo), pero la conversación puede identificarse sin problemas aun cuando el softphone indique que se tiene una conversación “pobre” como se muestra en la figura 4.23.

Figura 4. 23. Calidad de conversación obtenida para la conversación con calidad cuando se inyecta tráfico de 10 Mbps adicionales en la red.

La tercera parte de la prueba consiste en el registro de la conversación con y sin calidad de forma simultánea, además de incorporar trafico UDP a una tasa de 5 Mbps mediante el


74

dispositivo Rasp1 con la herramienta Iperf durante el periodo de tiempo comprendido del segundo 260 al segundo 480. La figura 4.24 muestra el comportamiento de las conversaciones VoIP registradas durante el periodo de prueba indicado. En este caso, se tiene una tasa de transmisión promedio de 70 kbps para ambas conversaciones.


Para este periodo de tiempo la conversación con y sin calidad cuentan con un incremento en el retardo de la conversación. Para el caso de la conversación sin calidad, se experimenta un retardo mayor (cercano a 2 segundos) y la calidad de la voz es muy mala, como se muestra en la figura 4.25 representado por el softphone con un valor de 0.5. En este caso es imposible reconocer la voz de la conversación.



75

Para el caso de la conversación con calidad, también se tiene un retardo (cercano a 1 segundo), pero la conversación puede identificarse sin problemas aun cuando el softphone indique que se tiene una conversación “promedio” como se muestra en la figura 4.26.


La cuarta y última parte de la prueba consiste en el registro de la conversación con y sin calidad, además de incorporar trafico UDP a una tasa de 1 Mbps mediante el dispositivo Rasp1 con la herramienta Iperf durante el periodo de tiempo comprendido del segundo 480 al segundo 620. La figura 4.27 muestra el comportamiento de las conversaciones VoIP registradas durante el periodo de prueba indicado. La conversación de VoIP que cuenta con categoría de calidad cuenta con una tasa de transmisión promedio de 86 kbps, mientras que la conversación de VoIP que no cuenta con categoría de calidad tiene una tasa de transmisión promedio de 70 kbps.



76

Para este periodo de tiempo la conversación con y sin calidad cuentan con un incremento en el retardo de la conversación. Para el caso de la conversación sin calidad, se experimenta un retardo mayor (cercano a 1 segundo) y la calidad de la voz es “pobre” al tener ciertos tiempos donde la voz se escucha un poco cortada, pero no presenta dificultad en su escucha, como se muestra en la figura 4.28 representado por el softphone con un valor de 2.6. En este caso es posible entender la conversación, aun cuando se tienen breves cortes de la misma.


Para el caso de la conversación con calidad, también se tiene un retardo (menor a 1 segundo), pero la conversación puede identificarse sin problemas, con un valor indicado por el softphone de tipo “promedio” como se muestra en la figura 4.29.



77

La prueba realizada muestra que cuando existen fuentes adicionales de tráfico en la red, el servicio de VoIP que cuenta con característica de calidad de servicio puede ser capaz de mantener la calidad en la conversación. En el caso del servicio sin calidad, la experiencia con la llamada en general es desagradable cuando se presentan tasas de tráfico adicionales, resultando en una conversación que no puede entenderse.

El uso de calidad de servicio en lo servicios Wi-FI puede ayudar a que los servicios deseados puedan tener un mejor desempeño ante congestión en la red. Sin embargo hay que recordar que los mecanismos propios de Wi-Fi no siempre van a poder asegurar que esto se cumpla.

4.4 Análisis de resultados

De los resultados obtenidos de las pruebas realizadas para las diferentes maquetas, podemos obtener la tabla 4.15, que muestra el resumen de los resultados obtenidos de la prueba de calidad de servicio de WiMAX y de la prueba de calidad de servicio con Iperf en Wi-Fi. Se han colocado algunos servicios de eHealth de aplicación en tiempo real y se han marcado los resultados para las diferentes pruebas realizadas. Los resultados en color verde indican que se cumplen satisfactoriamente los requerimientos establecidos por la recomendación de la ITU. Los resultados marcados en amarillo indican que los resultados cumplen con el límite inferior de los valores recomendados por la ITU. Los resultados marcados en rojo indican que no se han cumplido con los valores recomendados por la ITU.

Tabla 4. 15. Resumen de resultados obtenidos.

Tipos de servicio Latencia (ms) Jitter (ms) PLR (%)

Valores típicos

de calidad para

algunos

servicios de

eHealth

Línea de emergencia

Preferido < 150 < 50 < 3

Teleconsulta remota

Preferido < 150 < 50 < 3

Telediagnóstico Preferido < 150 < 50 < 3

Urgencias Preferido < 150 < 50 < 3

Mensajes de audio < 1 s < 50 < 3

Telecirugía < 400 < 50 < 1

Sesión remota al hogar

Preferido < 150 < 50 < 1

Resultados de

pruebas de

WiMAX Móvil

UGS 45.48 3.869 5

ertPS 52.86 3.51 4.88

rtPS 85.17 3.54 6.17

nrtPs 73.31 5.09 11.69

BE 81.56 4.15 10.14

Resultados de

pruebas de Wi-Fi

VO 22.86 3.51 1.45

VI 22.79 4.73 9.32


78

(paquete de 160

bytes) BK 18.4 4.71 2.6

BE 35.01 8.99 6.87

Resultados de

pruebas de Wi-Fi

(paquete de

1280 bytes)

VO 56.72 8.9 0.36

VI 33.26 19.65 0.72

BK 55.72 11.27 0.26

BE 106.45 16.85 4.02

Para cada clase de servicio, en el parámetro de retardo y variación de retardo se tienen valores que cumplen con los valores establecidos por las recomendaciones de la ITU. Para la tasa de pérdida de paquetes se tienen valores que no cumplen con las recomendaciones de la ITU. Esto se puede deber a características de propagación y cobertura, que se encuentran más allá del alcance de este trabajo.

Para el caso de paquetes de diferente tamaño, se observa que en general, los paquetes de menor tamaño, usados para servicios de VoIP, tienen un menor valor de retardo en su transmisión, mientras que los paquetes de mayor tamaño, utilizados en aplicaciones de video, presentan un mayo retardo en su transmisión.

En base a los resultados obtenidos, en la tabla 4.16 se propone el siguiente mapeo entre clases de calidad de servicio de WiMAX, Wi-Fi y las clases de la recomendación ITU-T Y.1541 para algunos servicios de eHealth. Este mapeo es una sugerencia para el uso de diferentes aplicaciones de eHealth cuando son empleados en redes Wi-Fi y WiMAX.

Tabla 4. 16. Mapeo propuesto entre clases de servicio de WiMAX, Wi-Fi y la recomendación ITU-T Y.1541.

Servicio eHealth

QoS recomendada

en WiMAX

Categoría de acceso

recomendada en Wi-Fi*

Clase de QoS de ITU-T Y.1541 recomendada

Seguimiento de pacientes

UGS Voz (VO) Clase 0

Líneas de emergencia

Diagnóstico remoto

Alarma de emergencia

Monitoreo de pacientes

Presión sanguínea

Electrocardiograma

Videoconferencia ertPS

Video (VI) Clase 1 Tele dermatología

Diagnóstico remoto rtPS

Atención al Hogar


79

Acceso a bases de datos médicas

nrtPS Segundo plano (BK) Clase 2 , 3 y 4

Señales médicas pre adquiridas

Transferencia de imágenes

Teleradiología

Imágenes fijas per adquiridas

Información relativa al paciente BE BE Clase 5


80

Capítulo 5 - Conclusiones y trabajos futuros


81

El uso de las tecnologías de la información y comunicación han permitido la generación de diferentes soluciones hacia las comunidades y poblaciones que requieren de diversos servicios que permitan mejorar su calidad de vida.

En el trabajo presentado se realizó la evaluación de calidad de servicio en redes de acceso de la tecnología WiMAX y de tecnología Wi-Fi para identificar si tienen la capacidad de dar soporte a servicios de eHealth. La evaluación se realizó con maquetas para la red de acceso de cada tecnología. Como no existen valores normalizados de calidad para aplicaciones de eHealth, se hizo una asignación de valores para diferentes aplicaciones basados en recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones

Se ha mostrado que las clases de servicio de la tecnología WiMAX y las categorías de acceso de la tecnología Wi-Fi pueden satisfacer los valores objetivo de retardo y variación de retardo establecidos en las recomendaciones de la ITU cuando son empleadas en una red de acceso. Bajo las condiciones en las que se realizaron las pruebas, el parámetro de calidad que resulta más complicado de asegurar al ofrecer servicios con calidad de servicio en un entorno de movilidad es el parámetro de tasa de pérdida de paquetes.

También se requiere hacer un uso correcto de las diferentes clasificaciones de calidad de servicio que ofrecen las diferentes tecnologías. En el caso de WiMAX, la clase de servicio de mayor prioridad (UGS) presenta valores de desempeño promedio con menores variaciones, comparándolo con las clases de servicio de menor prioridad (BE). Esto muestra que se está llevando a cabo la priorización de servicios. También resulta importante utilizar las clasificaciones correctas de las categorías de acceso de Wi-Fi para indicar cuales son los servicios que requieren de una mayor priorización. El uso de estas categorías de acceso ayuda a que los servicios de voz y video puedan transmitirse antes que el resto del tráfico de la red manteniendo un nivel de calidad.

Las tecnologías de comunicaciones evaluadas presentan diferentes características de manejo de calidad de servicio, y bajo el escenario de pruebas realizado, ofrecen un buen desempeño para los servicios en tiempo real que pueden ocuparse para ofrecer servicios de eHealth. Estos valores pueden satisfacerse ya que han sido evaluados dentro del dominio de una red de acceso.

Las pruebas realizadas confirman que las tecnologías de acceso WiMAX y Wi-Fi pueden ser usadas en diversas aplicaciones eHealth. WiMAX presenta mejores capacidades para asegurar la calidad de servicio y puede ser muy importante en el despliegue de servicios eHealth para clínicas rurales o en entornos suburbanos. Wi-Fi presenta un mejor desempeño cuando se opera con calidad de servicio, aunque, derivado de los resultados, no se recomienda su uso para aplicaciones de tipo crítico y de tiempo real por que la calidad de servicio no puede ser asegurada. Sin embargo esta tecnología tiene mucho potencial para el monitoreo remoto de pacientes y algunos otros servicio que no demandan operación en tiempo real. Ambas tecnologías serán fundamentales para el despliegue de este nuevo tipo de servicios sanitarios soportados por las comunicaciones inalámbricas de banda ancha.


82

Trabajos Futuros

La realización de este trabajo fue dentro de una red de acceso, para identificar las cualidades de la calidad de servicio que ofrecen las tecnologías WiMAX y Wi-Fi. Sin embargo, los servicios deben transmitirse a través de la red de acceso a la red dorsal para poder ser recibidas por los especialistas de salud, y la información pude haber cursado diferentes redes de diferentes tecnologías. Una evaluación de calidad de servicio de extremo a extremo es requerida para indicar los retos y características a las que se enfrenta el uso de servicios de eHealth bajo tales condiciones.

La calidad de servicio es un elemento importante en las redes de acceso cuando se presentan condiciones de saturación en la red, que es cuando múltiples usuarios realizan múltiples demandas de servicio de forma simultánea. Se requiere hacer una evaluación de servicio bajo condiciones de saturación de la red para mostrar las cualidades y posibles desventajas de los mecanismos de calidad de servicio de las tecnologías empleadas.

Además de la calidad de servicio, han surgido otros parámetros que permiten realizar la evaluación de los sistemas de comunicaciones. Entre ellos se encuentra la calidad de experiencia, que indica cual es el grado de satisfacción del usuario en base a la percepción que tiene del servicio brindado. Este puede ser un parámetro interesante, ya que una alta calidad de servicio no implica que se tenga una alta calidad de experiencia de parte del usuario del servicio.


83

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Alfonso Leyva, Sergio González Ambriz, Miguel Sánchez Capacity Evaluation of WiMAX

Technology for Telemedicine Services with QoS Support. XIV CONGRESO NACIONAL DE

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Alfonso Leyva, Sergio González Ambriz, Miguel Sánchez Quality of Service in a WiMAX

Network for Telemedicine Services. XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA

ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS, 2013. México, D.F.

ARTÍCULO NO. ARTÍCULO

XIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (XIII CNIES)

MÉXICO, D.F., MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 1

Resumen — WiMAX es una de las tecnologías inalámbricas

más modernas y sólidas en el mundo. Sus características de manejo de calidad de servicio (QoS) la convierten en una de las tecnologías candidatas para afrontar los retos de la brecha digital en los países en desarrollo. En el presente documento se han realizado mediciones de los parámetros de QoS para evaluar la calidad real de los servicios, enfocándolos a un área en particular: la telemedicina. Esta área de la salud ha ido creciendo y su uso se ha convertido en parte fundamental en los sistemas de salud de los países. Se realiza una evaluación técnica de los parámetros de QoS para aplicaciones de telemedicina en una red WiMAX en un entorno real. Se presentan los resultados obtenidos y un análisis de los mismos. Palabras Clave— Telemedicina, QoS ,WiMAX.

I. INTRODUCCIÓN

iMAX es un sistema de comunicaciones inalámbrico de banda ancha desarrollado por la IEEE y definido

en el estándar IEEE 802.16. La tecnología inalámbrica continúa en crecimiento y WiMAX ha emergido como uno de los competidores más fuertes como tecnología para acceso de banda ancha inalámbrica. Actualmente los servicios de internet no se limitan únicamente a conectividad y navegación de la red, también se trata del uso de aplicaciones multimedia. Las aplicaciones multimedia como Voz sobre IP (VoIP) y videoconferencia se vuelven más y más populares. Estas aplicaciones demandan un tráfico de tasa de bits variable y gran ancho de banda. WiMAX tiene el potencial de entregar esas aplicaciones en tiempo real con una alta calidad de servicio (QoS).

Este trabajo fue realizado con apoyo del Instituto Politécnico Nacional

bajo el proyecto SIP 20120555: Investigación de técnicas para mejorar el desempeño de sistemas de comunicación con canal directo y con canal de retorno.

Alfonso Leyva Alvarado y Sergio González ambríz son alumnos de la

Maestría en ciencias en Ingeniería de Teleomunicaciones de la SEPI ESIME (email: [email protected], [email protected] )

Miguel Sánchez Meraz es profesor titular del Departamento de Telecomunicaciones de la SEPI ESIME IPN. (e-mail: [email protected] ).

A. Definición de QoS

Un factor importante para las tecnologías inalámbricas es la capacidad de cumplir con una QoS. Se refiere a los mecanismos de control de reservación de recursos. La QoS está definida como la garantía del desempeño que un sistema puede lograr en cuanto a un número de características técnicas asociadas a ella, y que son principalmente el retardo, jitter, pérdida de paquetes y throughput. El estándar IEEE 802.16 ha definido cuatro mecanismos de

programación de servicios para el estándar IEEE 802.16-2004 para cumplir con los requerimientos de QoS para aplicaciones multimedia: UGS (Unsolicited Grant Interval), real-time polling service (rtPS), non-real time polling service (nrtPS) y best effort(BE).

TABLA I TIPOS DE FLUJOS DE SERVICIO EN WIMAX

Clase de Servicio

Aplicaciones Especificaciones QoS

UGS (Unsolicited Grant

Service) VoIP

Tolerancia de Jitter Máxima Tolerancia de

Latencia Máxima Tasa Sostenida

ertPS (Extended Real

Time Polling Service)

VoIP (con detección de actividad)

Prioridad de Tráfico Tolerancia de Jitter

Máxima Tolerancia de Latencia Máxima Tasa Reservada Máxima Tasa Sostenida

rtPS (Real Time Polling

Service)

Streaming/ Audio Video

Prioridad de Tráfico Máxima Tolerancia de

Latencia Máxima Tasa Reservada Máxima Tasa Sostenida

nrtPS (Non-Real Time Polling Service)

FTP

Prioridad de Tráfico Tolerancia de Jitter Máxima Tasa Reservada Máxima Tasa Sostenida

BE (Best Effort)

Transferencia de datos,

navegación en la red

Prioridad de Tráfico Tolerancia de Jitter Máxima Tasa Sostenida

Evaluación de desempeño de QoS para aplicaciones de Telemedicina en redes WiMAX

Leyva Alvarado A., González Ambriz S., Sánchez Meraz M.

W




El estándar IEEE 802.16e define un servicio adicional conocido como extended real-time polling service (ertPS). En la tabla I se muestran los cinco tipos de flujos de servicio [1]. UGS: Esta clase de servicio está diseñada para uso en

servicios con tasa de bit constante (Constant Bit Rate - CBR) como VoIP, en los que alcanzar una latencia baja y un jitter bajo es importante. Al mismo tiempo, es posible presentar una baja pérdida de paquetes. UGS envía paquetes de tamaño fijo a intervalos periódicos. El flujo UGS se almacena en buffers de forma separada de los demás flujos de servicio; y tiene una mayor prioridad que los servicios nrtPS y BE, lo que implica que el sistema envía los paquetes nrtPS y BE solo después de que ha terminado de transmitir los paquetes UGS. rtPS: Esta clase de servicio está diseñada para soportar

aplicaciones en tiempo real que generan una tasa de paquetes variable de forma periódica, como el video MPEG. El servicio permite que la estación base (BS) ofrezca oportunidades de petición a las estaciones suscriptoras (SS) para especificar el ancho de banda requerido. Los requisitos de ancho de banda pueden variar por lo que la BS monitorea regularmente a los SS para determinar el ancho de banda que se va a reservar. nrtPS: Esta clase de servicio está diseñada para soportar

aplicaciones tolerantes a retardos que requieren una tasa de datos variable, y una tasa de datos mínima, como el Protocolo de Transferencia de Archivos (File Transfer Protocol - FTP). Esto se logra realizando sondeos en una base regular para asignar anchos de banda, que asegura que los SS puedan solicitar ancho de banda incluso durante congestión de la red. BE: El servicio BE está diseñado para soportar flujos de

datos que no requieren una tasa de transmisión mínima garantizada, y que puedan ser entregadas en una base de mejor disponibilidad. Este servicio no garantiza retardo ni trhoughput. Solo se asigna el ancho de banda a la BS si y solo si sobra ancho de banda de las demás clases. ertPS: El servicio ertPS genera paquetes de tamaño

variable en una base periódica y ofrece peticiones de ancho de banda no solicitadas. ertPS hace peticiones de ancho de banda cuando ocurren cambios en el ancho de banda solicitado. La reservación de ancho de banda en UGS es fija en tamaño, pero en el caso de ertPS la reservación es dinámica.

II. WIMAX Y LA TELEMEDICINA

La Organización Mundial de la Salud (OMS) define la telemedicina como el suministro de servicios de atención sanitaria a distancia por medio de tecnologías de la información y la comunicación, con el fin de intercambiar datos para hacer diagnósticos, prevenir enfermedades y accidentes, y formar permanentemente a profesionales de atención de salud, que mejoren la salud de las personas y de

las comunidades en que viven. Por medio de la telemedicina, pacientes en zonas apartadas donde no existen médicos especialistas pueden tener acceso a distintos servicios médicos tales como telecardiología, teledermatología, teleginecología, telerradiología, entre otros. Es bien sabido que WiMAX es un sistema inalámbrico de

banda ancha que proporciona características mejoradas de QoS. Incluye estándares WiMAX fijo y móvil basado en el estándar IEEE 802.16-2004 y IEEE 802.16e-2005, respectivamente. En particular, el estándar IEEE 802.16e (WiMAX móvil) tiene como objetivo proporcionar conectividad de banda ancha a usuarios móviles en la red inalámbrica. WiMAX se considera una opción adecuada para brindar servicios de banda ancha de telemedicina tanto en entornos fijos como móviles con una aceptable calidad de diagnóstico clínico remoto. Varios escenarios de telemedicina que han utilizado WiMAX se han definido en obras recientes [2].

TABLA II CLASIFICACION DE SERVICIOS DE TELEMEDICINA

Aplicación Servicio QoS asignado

Tasa de Transmisión

Seguimiento de pacientes. Líneas fijas de emergencia. Teleconsulta remota, Telediagnóstico, urgencias, alarmas.

Audio UGS 256 Kbps

Video-conferencia. Telepsiquiatria, teledermatología, emergencias, UVI móvil.

Video ertPS 1.5 Mbps

Sesiones remota de telediagnóstico. (Atención domiciliaria, asistencia rural, audio-video-conferencia)

Video ertPS 256 Kbps

Transmisión de imágenes médicas. Teleradiología, telepatología.

Datos ertPS 512 Kbps

Monitorización de pacientes. Presión sanguínea, electrocardiografía, test Holter, electroencefalografía.

Datos rtPS 1 Mbps

Sonidos corporales Ultrasonido.

Datos nrtPS 512 Kbps

Señales biomédicas pre-adquiridas.

Datos nrtPS 256 Kbps

Acceso a bases de datos médicas.

Datos BE 2 Mbps

Imágenes fijas pre-adquiridas

Datos BE 512 Kbps

Información relativa al paciente.

Datos BE 64 Kbps




Las ventajas de utilizar la tecnología WiMAX, especialmente para los servicios de telemedicina son las siguientes: ancho de banda, soporte QoS y seguridad [3]. En particular, esta tecnología puede beneficiar a los servicios de salud en las regiones con deficiencia de cobertura de servicios de salud en los países en desarrollo. Diferentes aplicaciones como llamadas de emergencia,

monitorización móvil de pacientes, datos médicos, teleconsultas, servicios médicos y de gestión de la información, requieren velocidades de datos específicos e indicadores de calidad de servicio. Estos se resume en la Tabla II y los detalles de estas aplicaciones se describen en [4].

III. METODOLOGÍA

La investigación se realizó usando una maqueta basada en equipamiento del estándar WiMAX móvil, instalada en el Instituto Politécnico Nacional. La Fig. 1 muestra el lugar donde se instaló la maqueta y se realizaron las pruebas. El entorno de la zona de pruebas presenta una zona con edificios de alturas bajas y medias y otra zona con vegetación y árboles altos.

Fig.1. Zona de ubicación del equipo WiMAX y recorrido realizado para

cada prueba.

El equipamiento consta de una radiobase de tres sectores,

cada uno cubriendo 120º y equipos CPE con antena directiva, los cuales se configuraron con diferentes QoS definidos para cada tipo de aplicación. Una evaluación similar de QoS WiMAX se ha realizado en [5]. Las pruebas que se llevaron a cabo fueron utilizando el software iPerf. Este programa se utilizó para medir los parámetros de QoS en el enlace de bajada y estos son: Ancho de banda, jitter, latencia y pérdida de paquetes. La duración de cada prueba fue en promedio de 1 hora.

IV. RESULTADOS Y ANÁLISIS

A. Latencia

La latencia es la medida del tiempo de retardo y también se le denomina como tiempo de viaje redondo (round trip time, RTT) que es el tiempo que le toma al paquete en llegar de la fuente al destino y de vuelta a la fuente, medido en milisegundos. La prueba realizada tiene el propósito de documentar el retardo experimentado para cada flujo de servicio. Para ello se usó el comando ping para el envío de paquetes ICMP desde una computadora conectada al CPE, ubicado en diferentes puntos de la calle, hacia un servidor conectado a la radiobase. La Fig. 2 muestra los resultados obtenidos de la prueba de

latencia. El flujo de servicio UGS presentó una latencia promedio de 45 ms, ertPS presentó una latencia promedio de 71 ms, rtPS presentó una latencia promedio de 85 ms y BE presentó una latencia promedio de 81 ms, siendo BE y rtPS los que presentan variaciones más amplias del retardo (entre 50 y 200 ms) y UGS por otra parte, mantiene en todo momento una latencia baja (en promedio de 50 ms).

Fig. 2. Resultado de Latencia obtenida por medio de ping.

B. Throughput

Esta es una medida de la cantidad real de bits de entrega al destinatario en un tiempo dado. El throughput en ocasiones se ha usado indistintamente con el ancho de banda que es la medida del número de bits que pueden ser transferidas a un destinatario en un tiempo dado. Técnicamente, la velocidad de un enlace es un resultado de la estabilidad del enlace, la latencia y el throughput (ancho de banda). En la evaluación, se definió en la BS enlaces de 4 Mbps (valor esperado) y el resultado del desempeño de cada flujo de servicio se muestra en la figura 3. La medición fue realizada con el uso de la aplicación iperf.

Se observa que BE, ertPS y UGS se apegan en promedio a lo esperado. El peor caso en througput es rtPS con un promedio de 3.5 Mbps, que es un promedio aceptable aunque muy variante.




Fig. 3. Throughput registrado para cada flujo de servicio.

C. Jitter

El jitter es la variación en el arribo de paquetes. Para esta prueba se usó iperf enviando flujos de datos desde la radiobase hacia el CPE. En la figura 4 se muestran los resultados de la prueba de Jitter. El flujo de servicio UGS presento un jitter en promedio de 3.85 ms, ertPS presentó un jitter promedio de 3.49 ms, rtPS presentó un jitter promedio de 3.54 ms, nrtPS presentó un jitter promedio de 5.1 ms y BE presentó un jitter promedio de 3.96 ms.

Fig. 4. Jitter obtenido para cada flujo de servicio usando iperf

D. Pérdida de Paquetes

Para hacer la evaluación de la tasa de error en la red

WiMAX, se midió el porcentaje de la pérdida de paquetes, de acuerdo a los resultados entregados por el comando ping al enviar paquetes ICMP. La evaluación consistió en evaluar la pérdida de paquetes desde la BS hacia los CPE’s a lo largo del recorrido mostrado en la figura 1. Para su evaluación, se enviaron paquetes y se estimó su porcentaje de pérdida. Los promedios de pérdida de paquetes se muestran en la

figura 5. Notándose que los flujos de BE, ertPS y UGS se hallan por debajo del 5% de pérdidas; nrtPS en promedio se halla en el 10% de pérdidas y el flujo con mayor pérdida es el rtPS con un promedio de 20-25%.

Fig. 5. Registro del porcentaje de pérdida de paquetes para cada flujo de

servicio.

V. CONCLUSIONES

La calidad de servicio es considerado el criterio más importante para llevar a cabo aplicaciones sensibles al retardo, tal como el servicio de VoIP. Este documento ha presentado una evaluación de la calidad de servicio de una red WiMAX móvil analizando cada uno de sus parámetros técnicos (latencia, throughput, jitter y pérdida de paquetes). Los resultados obtenidos indican que los flujos de servicio de WiMAX móvil pueden dar soporte a los requerimientos de los servicios de telemedicina expuestos en la tabla II. El efecto que tienen los diferentes flujos de servicios sobre los parámetros QoS fue analizado. En general, se ha observado que el flujo de servicio UGS tiene la mayor estabilidad para cada parámetro QoS. Sin embargo este flujo de servicio reserva completamente su ancho de banda especificado, por lo que su uso debe aplicarse con ciertos compromisos para no saturar rápidamente los enlaces WiMAX. Los demás flujos de servicio permiten una mayor compartición de recursos de ancho de banda.

VI. REFERENCIAS

[1] K. Adhikari, "WiMAX Performance for Multimedia

Applications", Ed. Lambert, 2010, pp. 37-56. [2] R. S. H. Istepanian y N. Philip, "Mapping of Multiple Parameter

M-health Scenarios to Mobile WiMAX QoS Variables," presentado en la 33 Conferencia Annual Internacional de la IEEE EMBS Boston, Massachusetts USA, Agosto 30 - Septiembre 3, 2011.

[3] Chakchai So-In, Raj Jain, y Abdel-Karim Tamimi, "Capacity Evaluation for IEEE 802.16e Mobile WiMAX," Hindawi Publishing Corporation. Jornada de sistemas de Cómputo, Redes, y Comunicaciones Volumen 2010, Articulo ID 279807, 12 pags.

[4] I. Martinez, "Contribuciones a modelos de tráfico y control de QoS en los nuevos servicios sanitarios basados en telemedicina", Tesis doctoral, Depto. De Ingeniería Electrónica y Comunicaciones, Universidad Zaragoza, Julio 2006, pp. 19-27.

[5] Ziad Hunaiti y Eliamani Sedoyeka, "Evaluation of WiMAX QoS in a Developing Country’s Environment," El Instituto de Administración de Finanzas (IFM) Dar es Salaam, Tanzania.




VII. BIOGRAFIAS

Alfonso Leyva Alvarado (1989- ). Nació en Tlalnepantla, Estado de

México, el 17 de Enero de 1989. Graduado como Ingeniero en Telecomunicaciones y electrónica del Instituto Politécnico Nacional. Desde el 2010 ha participado en proyectos de planeación de redes de la tecnología WiMAX y configuración de equipos WiMAX. Actualmente se encuentra estudiando la maestría en Telecomunicaciones en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación del IPN.

Sergio Jesús González Ambriz (1988-) nació en Ecatepec de Morelos,

Estado de México el 1 de Enero de 1988. Se graduó de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional como Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica en 2010.

Ha tenido participación en proyectos de planeación y evaluación de redes WiMAX tales como la Red Estatal de Educación, Salud y obierno (REESyG) de México de 2009-2011; tiene conocimientos de software de planeación de redes WiMAX como es el caso de Mentum Planet. Actualmente, se encuentra estudiando la Maestría de Ciencias en Ingeniería de Telecomunicaciones.

Miguel Sánchez Meraz. Es Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica

(1996) y tiene una Maestría en Ingeniería de Sistemas (1998), ambos grados otorgados por el Instituto Politécnico Nacional. Actualmente es Profesor Titular del Departamento de Telecomunicaciones de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME IPN. Sus intereses incluyen comunicaciones móviles e inalámbricas, sistemas de radionavegación y procesamiento de señales.

ARTÍCULO No. 302-TEL

ARTÍCULO ACEPTADO POR REFEREO

XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA

ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (XIV CNIES)

México D.F., 11 al 15 de Noviembre 2013 1

Resumen— Las capacidades de QoS de WiMAX han hecho a

esta tecnología de comunicaciones de banda ancha inalámbrica

una alternativa para dar soporte a aplicaciones demandantes,

incluyendo servicios de telemedicina. Este paper presenta una

revisión de las capacidades de QoS de la tecnología WiMAX, Una

clasificación de las principales aplicaciones de telemedicina y sus

demandas de calidad de servicio para asegurar su correcta

operación también son presentadas. Con esta información, se

diseñó un escenario de simulación para determinar la capacidad

de tráfico de una red WiMAX para dar soporte a aplicaciones de

telemedicina con calidad de servicio. Los resultados de estas

simulaciones son presentados y se sugieren algunas

recomendaciones para el despliegue de este tipo de redes.

Palabras Clave— WiMAX QoS telemedicina, evaluación de

capacidad.

Abstract—The WiMAX QoS capabilities have driven this

broadband wireless communication technology as a main

alternative to support different demanding applications, including

telemedicine services. This paper presents a review of the

WiMAX technology QoS capabilities. A classification of the main

applications of telemedicine and its quality of service demands to

ensure a proper operation is also presented. With this information

it was designed a simulation scenario to determine the traffic

capacity of a WiMAX network to support telemedicine

applications with quality of service. Results of these simulations

are presented and some recommendations for the deployment of

these networks are suggested.

Keywords—WiMAX; QoS; telemedicine; capacity evaluation

I. INTRODUCTION

he fast growth of the broadband networks in the last years

makes it possible to offer solutions to a wide range of

needs in different areas, including telemedicine. Currently

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

is considered as a communication solution for services in this

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Departamento de Telecomunicaciones

Leyva Alvarado A. [email protected]

González Ambriz S. J. [email protected]

Sánchez Meraz M. [email protected]

specific area. WiMAX is a WMAN (Wireless Metropolitan

Area Network) technology and is one of the most modern and

solid wireless broadband technology and accepted as part of

the ITU IMT-2000 initiative [1]. Its characteristics, such as

broadband links and QoS capabilities, turn it as one of the

preferred wireless technologies to support different demanding

health services. Additionally because of their deployment

characteristics this technology is used, mainly in developing

countries, to offer broadband connectivity to extensive

unserved suburban and rural areas. In Mexico currently there

are several WiMAX networks operated by state governments

to offer education and health services [2-3].

Telemedicine is defined by the World Health Organization as

the “provision of health care services at distance through

information and communication technologies, in order to

exchange data to make diagnostic, prevent diseases and

accidents, and form permanently health care professionals, to

improve the health of the people and the communities in which

they live” [4].

In order to ensure the efficient operation of networks with

support for telemedicine services it is necessary to identify the

requirements for different applications. Real-time applications

such as biomedical signal transmission and store and forward

applications such as access to EMR (Electronic Medical

History) have different requirements [5].

In this paper we present a study to evaluate the traffic capacity

that a WiMAX network can deliver in the case when this

network provides support for telemedicine services with

quality of service. The paper is organized as follows. Section 2

briefly summarizes the WiMAX QoS characteristics. Section 3

presents the bandwidth and QoS requirements for the current

main telemedicine services. Section 4 describes the simulation

scenario used to evaluate the WiMAX traffic capacity in a

network designed to support telemedicine services. Finally,

Section 5 presents the simulation results and suggests some

considerations and recommendations for the deployment of

telemedicine networks.

II. WIMAX QOS CHARACTERISTICS

WiMAX is a broadband wireless access technology (BWA)

defined in the IEEE 802.16 standard in its fixed (802.16d) and

mobile (802.16e) versions. The standard defines the physical

(PHY) and the Medium Access Control (MAC) layers [6].

This work considers the mobile version of this standard.

Capacity Evaluation of WiMAX Technology for

Telemedicine Services with QoS Support

Leyva Alvarado A., González Ambriz S. J., Sánchez Meraz M.

T

mailto:[email protected]







Some of the characteristics of this technology are: adjustable

bandwidth, which is important to deliver a wide range of

multimedia applications; adaptive modulation and codification

schemes (MCS), which allows the opportunity to make a better

use of the network resources; and quality of service (QoS)

which supports the transmission of different services with

guaranteed performance parameters as delay, jitter, packet loss

rate, etc. [7]. These WiMAX characteristics let it to efficiently

support different applications such as voice, video and data

services. Each of these applications has different bandwidth

and QoS requirements.

The use of QoS mechanisms provides the ability to offer

differentiated service levels for real-time services such as

VoIP and video streaming, and non-real-time services such as

web browsing or file transfer [6]. Mobile WiMAX standard

considers five QoS classes or levels:

Unsolicited Grant Service (UGS). This service is designed

to support fixed-size data packets at a constant bit rate

(CBR) such as VoIP without silence suppression.

Extended real-time polling service (ertPS). This service is

designed to support real time applications with variable data

rates such as VoIP with silence suppression.

Real-time polling service (rtPS). This service is designed to

support real time applications that generate variable-size

data packets on a periodic basis.

Non-real-time polling service (nrtPS). This service is

designed to support delay tolerant data streams that require

variable-size data grants at a minimum guaranteed rate.

Best-effort service (BE). This service is designed to support

data streams that do not require a minimum service-level

guarantee.

WiMAX allows the use of several QoS profiles in a link

according to the needs of a specific subscriber type. The

subscribers can use simultaneously several flows with different

QoS level, e.g. a subscriber may use a non-real-time service

flow for web navigation and also a real-time service flow for a

VoIP service.

III. TELEMEDICINE SERVICES REQUIREMENTS

Telemedicine services are now becoming a widespread need in

our society. Rural populations provided with wireless

broadband coverage (for example using WiMAX) could get

immediate benefits from this new perspective to offer health

care. Currently most of the specialized medical diagnoses are

realized at mid or high level hospitals. These types of hospitals

are located in urban and suburban areas, which imply a travel

necessity for the patients. With the telemedicine concept this

paradigm is changed and now the health expert and its

specialized medical equipment can be accessed directly from

the patient´s home [8].

The chronic disease care adds a new complexity due the active

role that in this case the patients play. Many chronic diseases

require monitoring of physical variables and/or patient data. A

patient on an ambulance can be remotely monitored and

information about its condition can be sent in advance and in

real time to a specialist at the hospital where the ambulance

will arrive [5]. Telemedicine services can be classified

according to the type of information exchanged:

Audio. Services as teleconsultation, teleassistance and

telemonitoring require an audio response from the user.

This can be achieved using a phone or radio communication

between hospitals, ambulances and health centers.

Data. Includes access to the patients EMR, remote medical

data base management, updates on the patient status, vital

signal data delivery for teleassistance or telemonitoring.

These services can be accessed anywhere in real time or

non-real-time.

Static and mobile images. There are fixed or static images

(such as radiographies) and mobile images (such as

ultrasounds). Compression techniques are used to reduce

the image size without clinical information loses.

Biomedical signals. The use of e-mail, modem, satellites,

digital lines, mobile telephony, etc. allows the delivery of

vital signals (blood pressure, cardiac frequency,

temperature) from an ambulance to a hospital or from a

primary attention center to a specialty center, accelerating

the treatment in emergency situations.

In telemedicine, several QoS parameters have been

recommended accordingly to the specific needs of each type of

service. For example the service of data transmission doesn’t

require specific values for the delay and jitter; therefore these

values are not defined for this service. On the other hand the

main requirement for data services is a low BER (Bit Error

Rate) to ensure the integrity of the transmitted information. In

the case of audio and video services there are well defined

latency and jitter requirements, while their BER can be

somewhat high [9]. In [10] is presented a review of the current

bandwidth and QoS requirements including jitter, delay and

BER for the main health care services. These requirements

were associated with those QoS related recommendations in IP

networks from the International Telecommunications Union

(ITU) Table 1 presents a summary of the bandwidth and QoS

requirements for the main health care services and their

associated International Telecommunications Union (ITU)

recommendations.

IV. SIMULATION SCENARIO

This section describes a study that was conducted in order

to evaluate the traffic capacity of a mobile WiMAX network

with support for telemedicine services with QoS. This network

consists of 20 base stations located in Puebla Mexico, each

one with 1 to 4 sectors of 90 or 120 degrees. The operating

frequency was set to 3.3 GHz. This is the frequency spectrum

allocated by the Ministry of Communications and Transport to

operate WiMAX networks as support to health care

applications in Mexico.






Table 1. QoS assignation of telemedicine services

Application Service Transmission Rate

(Kbps) Delay Jitter PLR(%) Rec. ITU

Tracking patients, Emergency lines. Audio 256 Kbps <150 ms <50ms <3% G.1010

G.114

Video-conferencing, teledermatology,

emergency, mobile unit. Video 1.5Mbps <150 ms <50 ms <1%

G.1010

G.114

Remote diagnosticos, Remote sessions (Home

attention, rural assistance) Video 256 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Transmission of medical images, Teleradiology,

Telepathology. Data 512 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Patient monitoring, Blood pressure, ECG, Holter

test, EEG. Data 1 Mbps N.A. N.A. NULL G.1010

Sounds body, Ultrasound, Pre-acquired fixed

images. Data 512 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Pre-acquired biomedical signals Data 256 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Acces to medical databases. Data 2 Mbps N.A. N.A. NULL G.1010

Patient Information Data 64 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

In the case of the users of the network there were defined only

two types of telemedicine subscribers. The first type refers to a

fixed subscriber installed in a Rural Health Center and the

second type is a mobile subscriber installed in an Ambulance.

In the performed simulation there were generated different

traffic loads in order to stress the network and identify the

number of users that can be serviced efficiently by the

WiMAX network.

This study was performed using the wireless networks

planning software Mentum Planet. This software is used by the

main global telecom operators for planning and optimization

of wireless and mobile networks of several technologies

including mobile WiMAX. The simulation was performed

using high resolution databases of the terrain and clutter where

the network was located. Table 2 enumerates the main

configuration parameters used in the simulation of the

WiMAX network for telemedicine services.

Figure 1 shows a portion of the WiMAX network coverage

area generated in the simulation. The different colors on the

map indicate the received signal strength (RSSI) in the

coverage area. In general it is considered that signal levels

above -80 dBm are adequate to set a WiMAX link between a

base station and a subscriber.

In order to evaluate the capacity of the WiMAX network two

steps were performed:

Generation of a coverage and traffic map. After the

simulation scenario setup in the selected geographic area,

an adequate frequency allocation was realized to avoid

interference problems in the WiMAX network. A coverage

map was generated which shows the area where downlink

and uplink coverage exists. A traffic map was also derived,

this second map shows the traffic load of the network

throughout the coverage zone. A weighted traffic

distribution was assigned for this study using as reference

the average number of rural health facilities and

ambulances in the geographic area where the network was

located. Figure 2 shows the traffic map generated.

Generation of a Monte Carlo simulation. A Monte Carlo

simulation provides an accurate statistical prediction and

generates information about the subscribers in the network.

This is achieved by creating several runs. A run consists on

the distribution of a random pattern of number of

subscribers throughout the simulation area with a

respective analysis for downlink and uplink of each

subscriber. On the last run, operating points and discrete

information are generated. This information is used to

derive the network capacity.

According to Table 3, five types of WiMAX service flows

were created for Rural Health Centers and two service flows

for mobile subscribers in Ambulances. This assignment was

made according to the main health services offered in rural

clinics. UGS is assigned for VoIP emergency services, remote

diagnoses, emergency, alarms and has the highest priority;

ertPS is assigned for video transmission such as telediagnosis

sessions or rural assistance; rtPS is assigned for patient

monitoring and send/receive images; finally, nrtPS and BE are

used to transmit information such as medical archives and

Web navigation respectively. The down link (DL) and up link

(UL) bandwidth assigned to each service flow are shown in

Table 3. This data was used in Monte Carlo simulations to






Table 2. WiMAX Network configuration parameters.

Parameters

Description Value

Network

Configuration

Number of BS 20

Total Sector Number 42

Frecuency Band 3.3 – 3.35 GHz

Duplex Scheme TDD

Base Station

Amplifier Power 26 dBm

Antenna Gain 16 dBi

Number antennas Tx/Rx 2x2 MIMO A

Antenna Type 90º, 120º

Bandwidth per sector 25 Mbps

User

suscriptor

equipment


Fixed Suscriptor Heigth 12m

Mobile Sucriptor Heigth 3m

Antenna Gain and type 14.5 dBi, omni

Fig. 1. Coverage map for the simulation scenario

Fig 2. Traffic map. Different colors indicate the traffic load distribution in

kilobits per second by square kilometer throughout the coverage area

evaluate the network traffic capacity; results are presented in

the next section.

Table 3. Service Assignation According to Health Applications for

each Subscriber Type.

Subscriber

type

Service

Type

Assigned

QoS

DL

Rate

(Kbps)

UL

Rate

(Kbps)

Fixed

Suscriber

(Rural Health

Center)

Audio UGS 64 64

Video,

Audio,

Data

ertPS 1500 512

Data rtPS 1000 512

Data nrtPS 512 64

Data BE 512 32

Mobile

Suscriber

(Ambulance)

Video,

Audio,

Data

ertPS 1500 512

Data rtPS 1000 512

V. RESULTS AND DISCUSSION

The purpose of this test was to find out how many users

and/or flow services could be efficiently served by the

WiMAX network with the assigned QoS parameters according

to the telemedicine services. Because there are not statistics

about traffic in real telemedicine networks in this work we

assume traffic loads from 0.1 up to 1.0 Erlang (E) for each

flow service. The obtained results from the Monte Carlo

simulation are shown in Figure 3. In the simulation it was

considered that each subscriber could be using simultaneously

all their configured service flows

For flow services with traffic load of 0.1 E approximately 5

Rural Health Centers and 1 Ambulance were served by each

sector in the network. In the case of flow services with traffic

load of 1 E there were served 13 “Rural Health Center” users

and 5 “Ambulance” users by each sector. Figure 4 and 5 show

the performance for the downlink and uplink respectively for

“Rural Health Centers” for the different traffic load

considered in the simulation. In this case the downlink rate

remains stable for all the different traffic loads. The number of

active services in the network is also indicated for each traffic

load. In the other hand figure 5 shows a fast decrement in the

uplink rate for all flow services except UGS when the traffic

load is incremented. This result shows that UGS service keep

its assigned bandwidth even when there is an increment of the

number of users.

For the maximum traffic load of 1 Erlang for each flow service

in a subscriber, each sector of the WiMAX network could be

serving up to 13 fixed subscribers (Rural Health Centers), and

up to 5 mobile subscribers (Ambulances).






Fig. 3. Average users per sector versus traffic load per service

Fig. 4. DL throughput for fixed subscribers (Rural Health Centers).

Fig. 5. UL throughput for fixed subscribers (Rural Health Center).

Figure 6 and 7 show the performance for the downlink and

uplink throughput respectively for the “Ambulance” users for

the different traffic loads considered in the simulation.

Figure 6 shows a decrease in the average throughput as service

traffic increases. For a traffic load of 0.1 E the downlink

throughputs are 1.5Mbps and 1Mbps for rtPS and ertPS

respectively, but the throughput falls to about half for a traffic

load of 1.0 E. Figure 7 shows that when there is an increment

in the traffic load per service the throughput drops rapidly to

its guaranteed minimum reserved data rate.

These obtained results have shown that under the proposed

configuration of the network and subscribers each sector of the

WiMAX network could serve up to 13 “Rural Health Centers”

Fig. 6. DL throughput for mobile subscribers (Ambulance)

Fig. 7. UL throughput for mobile subscribers (Ambulance).

and up to 5 “Ambulances” for a maximum traffic load of 1

Erlang in each flow service.

Finally some deployment recommendations to take in

consideration for the deployment of networks for health

services support are the following:

It is important to consider the relationship between

subscriber service traffic load and the number of

subscribers that can be satisfied with the QoS minimum

requirements.

The location of fixed users with respect to the base

station becomes an important factor in meeting the

service requirements in terms of QoS.

The traffic load generated by the medical services

changes from one service to another; here are shown the

variations from traffic levels between 0.1 and 1 E.

An appropriate assignment of suitable QoS levels for

medical services must be well-defined, due there are

several criteria for resources assignment. Otherwise the

network will not operate in optimal conditions.

VI. CONCLUSIONS

A study to determine the capacity of a WiMAX network for

operating telemedicine services with QoS support was

presented. The obtained results have shown that WiMAX

deployments can satisfy QoS demands for data, audio and

video applications facing different traffic loads. The QoS and

bandwidth requirements were defined for the main

representative telemedicine services. A Monte Carlo






simulation was generated using the software Mentum Planet

and there was considered a scenario with fixed (Rural Health

Centers) and mobile users (Ambulances) with services

operating with defined QoS parameters.

The obtained results showed that in the case of an increment of

the number of users, there is a certain decrement in the

throughput of the services; however WiMAX maintain the

estimated transmission rates for each QoS level. Despite this

decrement, the UGS service level is not affected. This is

important, due emergency services must be transmitted with

the best available quality. The results show that WiMAX is a

technology with solid support of QoS capabilities, and is a

viable option to satisfy the needs of broadband connectivity

for remote or rural telemedicine applications.

VII. ACKNOWLEDGMENTS

This work was realized with the support of Secretaría de

Ciencia, Tecnología e Innovacion under the

ICYTDF/325/2011project, and the National Polytechnic

Institute of Mexico under the SIP Project No. 20131870.

VIII. REFERENCES

[1] “ITU defines the future of mobile communications” http://www.itu.int/newsroom/press_releases/2007/30.html

[2] Secretaria de Salud de México, Programa de Acción de Salud 2007-2012.

[3] os grandes proyectos gubernamentales de conectividad . ol tica igital. Innovaci n Gubernamental, Nexos, 2011.

[4] World Health Organization http://www.who.int/en/

[5] Ignacio Mart nez Ru z, “Contribuciones a Modelos de Tráfico y Control de QoS en los nuevos Servicios Sanitarios basados en Telemedicina.” Universidad de Zaragoza, 2006.

[6] J. G. Andrews, A. Ghosh, and R. Muhamaed, Fundamentals of WiMAX. Prentice Hall, 2007.

[7] S. Y. Tang, P. Muller, H. R. Sharif, WiMAX Security and Quality of Service. Wiley, 2010.

[8] E-health ITU standards and interoperability, ITU, 2012.

[9] Mark Terry, WiMAX: Will Fourth-Generation Broadband Give Telemedicine a Boost? http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/tmj.2009.9990., 2009.

[10] Gonzalez Ambriz S. "Evaluación de Capacidad en Redes WiMAX". Ms.C. Thesis. Instituto Politecnico Nacional.Mexico 2013.

http://www.who.int/en/






Resumen— Las capacidades de QoS de WiMAX han hecho a

esta tecnología de comunicaciones de banda ancha inalámbrica

una alternativa para dar soporte a aplicaciones demandantes,

incluyendo servicios de telemedicina. Este paper presenta una

revisión de las capacidades de QoS de la tecnología WiMAX, Una

clasificación de las principales aplicaciones de telemedicina y sus

demandas de calidad de servicio para asegurar su correcta

operación también son presentadas. Esta clasificación incluye

referencias a las recomendaciones correspondientes de QoS de la

UIT. Con esta información se realizron pruebas para validar las

capacidades de WiMAX para dar soporte a servicios de

telemedicina con un QoS apropiado. Los parametros de QoS

probados son retardo, jitter y tasa de paquetes perdidos. Los

resultados son presentados.

Palabras Clave— WiMAX, QoS, servicios de telemedicina,

banda ancha inalámbrica.

Abstract— The WiMAX QoS capabilities have driven this

broadband wireless communication technology as a main

alternative to support different demanding applications, including

telemedicine services. This paper presents a review of the

WiMAX technology QoS capabilities. A classification of the main

applications of telemedicine and its quality of service demands to

ensure a proper operation is also presented. This classification

includes references to the incumbent QoS ITU-T

recommendations. With this information there were conducted

some tests to validate the WiMAX capabilities to support

telemedicine services with appropriate QoS support. The tested

QoS parameters were delay, jitter and packet loss rate. Results

are presented.

Keywords— WiMAX, QoS, telemedicine services, wireless

broadband.

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Departamento de Telecomunicaciones

Leyva Alvarado A. [email protected]

González Ambriz S. J [email protected].

Sánchez Meraz M. [email protected]

I. INTRODUCTION

he fast growth of the broadband networks in the last years

makes it possible to offer solutions to a wide range of

needs in different areas, including telemedicine. Currently

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

is considered as a communication solution for services in this

specific area. WiMAX is a WMAN (Wireless Metropolitan

Area Network) technology and is one of the most modern and

solid wireless broadband technology and accepted as part of

the ITU IMT-2000 initiative [1]. Its characteristics, such as

broadband links and QoS capabilities, turn it as one of the

preferred wireless technologies to support different demanding

health services. Additionally because of their deployment

characteristics this technology is used, mainly in developing

countries, to offer broadband connectivity to extensive

unserved suburban and rural areas. In Mexico currently there

are several WiMAX networks operated by state governments

to offer education and health services [2-3].

Telemedicine is defined by the World Health Organization as

the “provision of health care services at distance through

information and communication technologies, in order to

exchange data to make diagnostic, prevent diseases and

accidents, and form permanently health care professionals, to

improve the health of the people and the communities in which

they live” [4].

In order to ensure the efficient operation of networks with

support for telemedicine services it is necessary to identify the

requirements for different applications. Real-time applications

such as biomedical signal transmission and store and forward

applications such as access to EMR (Electronic Medical

History) have different requirements [5]. In the first case it is

necessary to assign a high priority to the transmission, but also

to meet strict parameters of Quality of Service (QoS) such as

delay and jitter with a certain tolerance for packet loss rate. In

the second case the QoS requirements for the transmission for

delay and jitter are less strict.

In this paper we present a study to evaluate the traffic capacity

that a WiMAX network can deliver when this network

provides support for telemedicine services with quality of

service. The paper is organized as follows. Section 2 briefly

summarizes the WiMAX QoS characteristics. Section 3

Quality of Service in a WiMAX Network for

Telemedicine Services

Leyva Alvarado A., González Ambriz S. J., Sánchez Meraz M.

T








presents the bandwidth and QoS requirements for the current

main telemedicine services. Section 4 describes test scenario

used to evaluate the WiMAX traffic capacity in a network

designed to support telemedicine services. Finally, Section 5

presents the test results and suggests some considerations for

the deployment of telemedicine networks.

II. WIMAX QOS CHARACTERTISTICS

WiMAX is a broadband wireless access technology (BWA)

defined in the IEEE 802.16 standard in its fixed (802.16d) and

mobile (802.16e) versions. The standard defines the physical

(PHY) and the Medium Access Control (MAC) layers [6].

This work considers the mobile version of this standard.

Some of the characteristics of this technology are: adjustable

bandwidth, which is important to deliver a wide range of

multimedia applications; adaptive modulation and codification

schemes (MCS), which allows the opportunity to make a better

use of the network resources; and quality of service (QoS)

which supports the transmission of different services with

guaranteed performance parameters as delay, jitter, packet loss

rate, etc. [7]. These WiMAX characteristics let it to efficiently

support different applications such as voice, video and data

services. Each of these applications has different bandwidth

and QoS requirements.

The use of QoS mechanisms provides the ability to offer

differentiated service levels for real-time services such as

VoIP and video streaming, and non-real-time services such as

web browsing or file transfer [6]. Mobile WiMAX standard

considers five QoS classes or levels:

Unsolicited Grant Service (UGS). This service is designed

to support fixed-size data packets at a constant bit rate

(CBR) such as VoIP without silence suppression.

Extended real-time polling service (ertPS). This service is

designed to support real time applications with variable data

rates such as VoIP with silence suppression.

Real-time polling service (rtPS). This service is designed to

support real time applications that generate variable-size

data packets on a periodic basis.

Non-real-time polling service (nrtPS). This service is

designed to support delay tolerant data streams that require

variable-size data grants at a minimum guaranteed rate.

Best-effort service (BE). This service is designed to support

data streams that do not require a minimum service-level

guarantee.

WiMAX allows the use of several QoS profiles in a link

according to the needs of a specific subscriber type. The

subscribers can use simultaneously several flows with different

QoS level, e.g. a subscriber may use a non-real-time service

flow for web navigation and also a real-time service flow for a

VoIP service.

III. TELEMEDICINE SERVICES REQUIREMENTS

Telemedicine services are now becoming a widespread need in

our society. Rural populations provided with wireless

broadband coverage (for example using WiMAX) could get

immediate benefits from this new perspective to offer health

care. Currently most of the specialized medical diagnoses are

realized at mid or high level hospitals. These types of hospitals

are located in urban and suburban areas, which imply a travel

necessity for the patients. With the telemedicine concept this

paradigm is changed and now the health expert and its

specialized medical equipment can be accessed directly from

the patient´s home [8].

The chronic disease care adds a new complexity due the active

role that in this case the patients play. Many chronic diseases

require monitoring of physical variables and/or patient data. A

patient on an ambulance can be remotely monitored and

information about its condition can be sent in advance and in

real time to a specialist at the hospital where the ambulance

will arrive [5]. Telemedicine services can be classified

according to the type of information exchanged:

Audio. Services as teleconsultation, teleassistance and

telemonitoring require an audio response from the user.

This can be achieved using a phone or radio communication

between hospitals, ambulances and health centers.

Data. Includes access to the patients EMR, remote medical

data base management, updates on the patient status, vital

signal data delivery for teleassistance or telemonitoring.

These services can be accessed anywhere in real time or

non-real-time.

Static and mobile images. There are fixed or static images

(such as radiographies) and mobile images (such as

ultrasounds). Compression techniques are used to reduce

the image size without clinical information loses.

Biomedical signals. The use of e-mail, modem, satellites,

digital lines, mobile telephony, etc. allows the delivery of

vital signals (blood pressure, cardiac frequency,

temperature) from an ambulance to a hospital or from a

primary attention center to a specialty center, accelerating

the treatment in emergency situations.

In telemedicine, several QoS parameters have been

recommended accordingly to the specific needs of each type of

service. For example the service of data transmission doesn’t

require specific values for the delay and jitter; therefore these

values are not defined for this service. On the other hand the

main requirement for data services is a low BER (Bit Error

Rate) to ensure the integrity of the transmitted information. In

the case of audio and video services there are well defined

latency and jitter requirements, while their BER can be

somewhat high [9]. Table I presents a summary of the

bandwidth and QoS requirements for the main health care

services and their associated International

Telecommunications Union (ITU) recommendations.






Table 1. QoS assignation of telemedicine services

Application Service Transmission Rate

(Kbps) Delay Jitter PLR (%) Rec. ITU

Tracking patients,

Emergency lines,

remote diagnoses,

emergency, alarms.

Audio 256 Kbps <150ms <50ms <3% G.1010

G. 114

Video-

conferencing,

telepsychiatry,

teledermatology,

emergency, mobile

unity.

Video 1.5 Mbps <150ms

<50ms

<1%

G.1010,G.114

Y .1541

Remote

diagnostics. Remote

Sessions.

(Home atention, rural

assistance, audio-

video conferencing)

Video 256 Kbps <150ms <50ms <1% G.1010,G.114

Y .1541

Transmission of

medical images.

Teleradiology,

telepathology.

Data 512 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Patient

monitoring.

Blood pressure, ECG,

Holter test, EEG.

Data 1 Mbps N.A. N.A. NULL G.1010

Sounds body,

Ultrasound. Data 512 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Pre-acquired

biomedical signals. Data 256 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Access to medical

databases. Data 2 Mbps N.A. N.A. NULL G.1010

Pre-acquired fixed

images Data 512 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

Patient

Information. Data 64 Kbps N.A. N.A. NULL G.1010

IV. TEST SCENARIO

This section describes the test were conducted in order to

evaluate the WiMAX QoS classes performance. Figure 1

shows the typical scenario for a network with telemedicine

application that could serve nomadic users or fixed users, for

example in rural clinics. This user could be for example be

remotely monitored from a specialized automatic system

located in a hospital or by caregiver personal working in the

field. In this figure it is possible to identify two main segments

of the network: the access network serving the user or patient

and based in WiMAX technology, and the dorsal IP network

for establishing a link with a hospital or with the caregiver

personnel. WiMAX is one of the leading wireless broadband

technologies that will be used as the access network for the

deployment of telemedicine applications.

In this paper we report the results of QoS performance tests

conducted on a WiMAX access network. These tests were

conducted on the link between the user or patient equipment

and the gateway that connects the WiMAX access network to

the IP backbone network.

In normal operating conditions the access networks are those

that have the highest level of congestion because when such

networks are deployed the service providers assume that users

shall no request network resources simultaneously. Under this

assumption access networks operate with an over subscription

factor which typically takes values 10 to 20 times the actual

network capacity. These conducted tests are intended to ensure

that WiMAX technology can be used in telemedicine

applications based on their presented performance. It should

be noted that the performance recommendations for

telemedicine services consider end to end links, but in the

reported tests the IP backbone segment was not incorporated.

But backbone networks are not designed with over

subscription and normally have better conditions to drive their

traffic without congestion. For this reason the performance of

the access network will be critical to ensure that the required

performance in the end-to-end link can be achieved.

For the realization of these tests a WiMAX base station

operating on the IEEE 802.16e (mobile WiMAX) was

installed and a data acquisition campaign in the coverage area

was conducted. The WiMAX subscriber unit was connected to

a laptop and it was used the Iperf software and the ICMP

protocol through the Ping command for testing delay, jitter and

PLR in the link from the subscriber unit up to the WiMAX

gateway. The base station was installed on campus Zacatenco

the IPN and the Subscriber laptop tests were performed on

streets of the Lindavista suburb, all in Mexico City.

Table 2 enumerates the main configuration parameters used in

the WiMAX network used in the conducted tests.






Fig. 1. WiMAX network configuration used for the QoS performance tests.

Table 2. WiMAX network configuration parameters

Parameter Value

Network

Configuration

Number of BS 20

Total Sector Number 42

Frecuency Band 3.3 – 3.35 GHz

Duplex Scheme TDD

Base Station


Antenna Gain 16 dBi

Number antennas Tx/Rx 2x2 MIMO A

Antenna Type 90º, 120º

Bandwidth per sector 25 Mbps

User suscriptor

equipment


Fixed Suscriptor Heigth 12m

Mobile Sucriptor Heigth 3m

Antenna Gain 14.5 dBi

Antenna Type Omni

V. RESULTS AND DISCUSSION

Figures 2 to 4 show the results of the delay, jitter and packet

loss rate tests respectively. As it can be observed in the case of

the delay and jitter tests the obtained results comply with both

the ITU recommendations and the telemedicine applications

requirements defined in Table 1.

However in the case of PLR the obtained results only meet the

first type of services in the table 1 associated with remote

patient monitoring. It is important to note that these tests were

performed using the UDP protocol, i.e. the packet delivery was

not guaranteed, as with TCP protocol packets. Additionally it

would be desirable to test with different packet lengths as these

Fig. 2. Delay results for the test conducted for the 5 WiMAX QoS

classes.






Fig. 3. Jitter results for the test conducted for the 5 WiMAX QoS

classes.

Fig. 4. PLR results for the test conducted for the 5 WiMAX QoS

classes.

tests used long packets of 1470 bytes. It is expected that with

shorter the PLR could be reduced.

With the base of the obtained results, table 3 presents a

proposed recommendation to map the telemedicine services to

WiMAX QoS classes and ITU-T Y.1541 classes. However, it

is necessary to consider that not all the telemedicine services

can be mapped directly into Y.1541 QoS classes as there are

classes that cannot satisfy all the requirements of the services.

(e.g. access to medical database requires no packet loss , and

have unspecified delay and jitter values. No ITU-T Y.1541

class has these characteristics.). The mapping of these services

is made according to the best class that can satisfy the QoS

requirements, such as ultrasound in Class 1, used for real time

services, and teleradiology and telepathology in class 4, used

for non-real time services with low packet loss. These services

are mapped to WiMAX QoS classes preserving their

requirements, so services like medical image transmission

requiring low packet loss would be mapped to nrtPS service to

ensure a minimum transmission rate during network

congestion; and high priority services such as emergency calls

and blood pressure monitoring would be mapped to the UGS

class ensuring reserved resources for their use.

Table 3. Recommended mapping of the WiMAX QoS classes to telemedicine services.

ITU-T Y.1541 QoS Classes

Average performance

values achieved in a

real test

Class 0 Delay 100 ms Jitter 50 ms PLR 1*10-3

Class 1 Delay 400 ms Jitter 50 ms PLR 1*10-3

Class 2 Delay 100 ms

Jitter U PLR 1*10-3

Class 3 Delay 400 ms

Jitter U PLR 1*10-3

Class 4 Delay 1 s Jitter U

PLR 1*10-3

Class 5 Delay U Jitter U PLR U

UGS Delay 49ms Jitter 4 ms PLR 3.6%

Tracking patients, emergency lines, remote

diagnoses, emergency alarms, patient

monitoring, blood pressure, ECG, Holter test,

EEG.

ertPS Delay 55 ms Jitter 3.8 ms

PLR 1.5%

Video-conferencing, psychiatry,

teledermatology, emergency mobile unit

rtPS Delay 88 ms Jitter 3.6 ms

PLR 1.5%

Remote diagnostics. Remote Sessions. (Home atention,

rural assistance, audio-video conferencing. Ultrasound,

sound body)

nrtPS Delay 79 ms Jitter 4.6 ms

PLR 4.6%

Access to medical database, pre

acquired biomedical signals

Transference of medical images, teleradiology, telepathology, pre-

acquired fixed images.

BE Delay 85 ms Jitter 4.2 ms

PLR 2.6%

Patient

information






VI. CONCLUSIONS

A WiMAX QoS evaluation for telemedicine services was

presented. The obtained results show that the telemedicine

services can be mapped directly into ITU-T Y.1541 and

WiMAX classes due the requirements of some services. This

mapping was conducted by choosing the Y.1541 class that

could satisfy most of the service´s requisites. The mapping to

WiMAX QoS classes retains all of the values required for each

telemedicine service. Iperf and Ping command, two free

performance network tools, were used to obtain the delay,

jitter and PLR values for each QoS class in a link between a

nomadic subscriber and the WiMAX access network gateway.

The obtained results for delay and jitter show that the WiMAX

wireless access network can be used to provide telemedicine

services according to the performance values required by both

the ITU-T Rec. Y.1541 classes and the telemedicine services

recommendations. In the case of the Packet Loss Rate it is

necessary to conduct some additional tests because the

obtained results only comply with the telemonitoring service

requirements. This results show that WiMAX is a technology

with solid support of QoS capabilities and is a viable option to

satisfy the needs of broadband connectivity for telemedicine

applications.

VII. ACKNOWLEDGMENTS

This work was realized with the support of Secretaria de

Ciencia, Tecnología e Innovacion under the

ICYTDF/325/2011project, and the National Polytechnic

Institute under the SIP Project No. 20131870.

VIII. REFERENCES

[1] ITU defines the future of mobile communications”

http://www.itu.int/newsroom/press_releases/2007/30.html

[2] Secretaria de Salud de México, “Programa de Acción de

Salud 2007 – 2012”.

[3] “Los grandes proyectos gubernamentales de conectividad".

Pol tica igital. nnovación u ernamental, Ne os 2011 .

[4] World Health Organization http://www.who.int/en/

[5] Ignacio Mart nez Ru z, “Contri uciones a Modelos de

Tráfico y Control de QoS en los nuevos Servicios

Sanitarios asados en Telemedicina.” Universidad de

Zaragoza, (2006)

[6] J.G. Andrews, A. Ghosh, and R. Muhamaed,

“Fundamentals of WiMAX” Prentiice Hall 2007

[7] S. Y. Tang, P. Muller, H. R. Sharif, WiMAX Security and

Quality of Service. Wiley (2010)

[8] “E-health ITU standards and interopera ility.” TU (2012)

[9] Mark Terry, “WiMAX: Will Fourth-Generation Broadband

Give Telemedicine a Boost?,

http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/tmj.2009.999

0. (2009)

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