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EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE EXPERIENCIA (QoE) DE SERVICIOS DE
TELE-EDUCACIÓN EN TIEMPO REAL SOPORTADOS EN REDES MÓVILES
AD-HOC (MANETs).

BAYRON JESIT OSPINA CIFUENTES

Trabajo de Investigación, para obtención del título de Maestría en Ingeniería de
Telecomunicaciones

Director:
Carlos Hernán Tobar Arteaga

Tutor de enlace
Natalia Gaviria

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
MEDELLÍN
2016
DEDICATORIA

A Dios, por ser fuente suprema de toda sabiduría y ser la luz y guía de nuestros
propósitos, así como la fuerza que inspiró mi camino, por bendecirme para llegar
hasta donde he llegado, por hacer realidad este sueño anhelado.

A mi familia, mi esposa e hijos por ser el pilar fundamental para alcanzar tan
importante triunfo, que representa el final de una de las etapas más importantes
de la vida y el inicio de otras que serán aún más enriquecedoras.
AGRADECIMIENTOS

A la dirección de posgrados de la Universidad de Antioquia, y a todos los
profesores que hicieron parte de mi formación, por el apoyo y orientación brindada
para la culminación del presente proyecto.

A mi director de este trabajo de investigación, por sus conocimientos, su
experiencia y su motivación para la terminación de mis estudios con éxito
CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 12
CAPITULO 1. JUSTIFICACIÓN, PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y
PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN ..................................................................... 14
1.1 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 14
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................. 15
1.3 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN ................................................................ 17
CAPÍTULO 2. OBJETIVOS DEL PROYECTO ..................................................... 18
2.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................... 18
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 18
CAPITULO 3. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE .................................. 19
3.1 CONCEPTOS .................................................................................................. 19
3.1.1 Concepto de calidad ..................................................................................... 19
3.1.2 Calidad percibida .......................................................................................... 19
3.1.3 Relación entre la QoS Y QoE. ...................................................................... 21
3.1.4 Métodos de Evaluación de la Calidad Percibida ........................................... 22
3.1.5 Modelos Base y Generales de la Calidad Percibida ..................................... 23
3.1.6 Medida de la Calidad Percibida en Servicios de Telecomunicaciones ......... 23
3.1.7 Tipos de redes inalámbricas ......................................................................... 27
3.1.8 Tele-educación y Servicios en Tiempo Real ................................................. 31
3.2 ANTECEDENTES ............................................................................................ 36
CAPITULO 4. METODOLOGIA PROPUESTA .................................................... 38
4.1 PRIMERA FASE: OPERACIONAL ................................................................... 40
4.1.1 Implementar la red MANET ........................................................................... 40
4.1.2 Preparación del equipo administrador de la MANET .................................... 41
4.1.3 Configuración de los nodos a nivel MAC y capa de red (Capa 2 y 3 ............ 42
4.1.4 Activación del protocolo de enrutamiento en los nodos de la MANET ......... 43
4.1.5 Preparación de la red ad-hoc ........................................................................ 44
4.2 SEGUNDA FASE: EXPERIMENTAL ................................................................ 45
4.2.1 Selección del servicio de tele-educación a evaluar ....................................... 45
4.2.2 Selección de los factores, niveles y rangos e identificar fuentes de error. .... 47
4.2.2 Selección de la(s) métrica(s) a evaluar ......................................................... 49
4.2.3 Elegir el tipo de diseño de experimento ........................................................ 51
4.2.4 Realizar el cálculo del tamaño de la muestra. ............................................... 52
4.2.5 Experimento para evaluar técnicamente la QoE ........................................... 52
4.2.6 PRESENTAR LOS VALORES OBTENIDOS DEL EXPERIMENTO ................................... 58
4.3 TERCERA FASE: EVALUATIVA ...................................................................... 79
CAPITULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ................................ 81
5.1 CONCLUSIONES ............................................................................................ 81
5.2 TRABAJOS FUTUROS .................................................................................... 82
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 96
LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Relación entre la QoS vs QoE .............................................................. 22
Figura 2. Clasificación de redes Inalambricas. ...................................................... 27
Figura 3. Ejemplo escenarios MANET . ................................................................. 29
Figura 4. Ejemplo red de sensores . ...................................................................... 29
Figura 5. Ejemplo etiquetas RFID . ....................................................................... 30
Figura 6. Ejemplo red VANET . ............................................................................. 31
Figura 7. Escenario de Tele-educación . .............................................................. 33
Figura 8. Modelos de usos en Tele-educación . .................................................... 33
Figura 9. Metodología propuesta para la evaluación de la QoE de servicios de
Tele-educación en tiempo real soportados en una MANET .................................. 39
Figura 10. Topología banco de pruebas ............................................................... 40
Figura 11. Aplicación MANET MANAGER en ejecución ....................................... 41
Figura 12. Asociación de nodos a la MANET ....................................................... 42
Figura 13. Configuración manual de propiedades IP en los nodos. ....................... 43
Figura 14. Configuración de los parámetros del protocolo de enrutamiento de la
MANET: OLSR . ..................................................................................................... 44
Figura 15. Conformación topología MANET. ......................................................... 44
Figura 16. Programa MANET MANAGER información tablas MANET. ................. 45
Figura 17. Métodos para la evaluación de la calidad de la experiencia ................. 50
Figura 18. Calculo de la muestra para el experimento ......................................... 52
Figura 19. Elementos experimento . ...................................................................... 53
Figura 20. Plano físico escenario interno (Indoor) del experimento en el SENA–
CTMA .................................................................................................................... 54
Figura 21. Planos físico escenarios externo (Outdoor) del experimento en SENA –
CTMA . ................................................................................................................... 54
Figura 22. Diagramade bloques procesamiento del videostreaming en la MANET
............................................................................................................................... 58
Figura 23. Gráficos tipo histogramas para la variable respuesta objetiva
Throughput ............................................................................................................ 64
Figura 24. Gráficos tipo histogramas para la variable respuesta subjetiva MOS. . 65
Figura 25. Gráficos cuantiles teóricos variable respuesta objetiva Throughput. ... 66
Figura 26. Gráficos cuantiles teóricos variable respuesta subjetiva MOS. ........... 67
Figura 27. Gráficos de medias y tendencia central para el Throughput y MOS. .... 68
Figura 28. Grafica de medias de los efectos principales . ...................................... 70
Figura 29. Graficas de Interacciones variable objetiva Throughput. ...................... 71
Figura 30. Graficas de Interacciones variable subjetiva MOS .............................. 72
Figura 31. Cuantiles teóricos vs muestrales y residuales para el Thput y el MOS 75
Figura 32. Grafico prueba de homocedasticidad variable Throughput y MOS ....... 76
Figura 33. Gráficos de correlación y correlación parcial Throughput y MOS. ........ 77
Figura 34. Gráfico de orden vs residuales de las variable Throughput y MOS. ..... 78
LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Resumen de algunos modelos para el análisis de la Calidad Percibida . 23
Tabla 2. Modelo de puntuación sistema de evaluación MOS ............................... 24
Tabla 3. Direccionamiento IP de la MANET . ........................................................ 43
Tabla 4. Configuración del video transmitido . ....................................................... 47
Tabla 5. Factores y niveles codificados ................................................................ 47
Tabla 6. Esquema de puntuación utilizado para la métrica MOS (Mean Opinion
Score) ................................................................................................................... 51
Tabla 7. Matriz de diseño para el diseño factorial completo (k = 3) ....................... 51
Tabla 8. Característica del nodo servidor generador del servicio de videostreaming.
............................................................................................................................... 56
Tabla 9. Parámetros protocolo 802.11n, sub capa MAC y transporte. ................... 57
Tabla 10. Valores obtenidos para las variables respuesta el Throughput y el MOS
en el diseño experimental ..................................................................................... 58
Tabla 11. Esquema de replicación de cada uno de los tratamientos (4 repeticiones
por tratamiento) . .................................................................................................... 62
Tabla 12. Cálculo de la media, mediana, varianza y desviación estándar de la
variable objetiva Throughput y subjetiva MOS valores obtenidos con el paquete
estadístico R. ......................................................................................................... 63
Tabla 13. Resumen de los valores estadísticos: mínimo, máximo, media, mediana
y cuantiles. ............................................................................................................. 69
Tabla 14. Resultado de la ANOVA para la variable objetiva Throughput. .............. 73
Tabla 15. Resultado de la ANOVA para la variable subjetiva MOS. ...................... 73
Tabla 16. Valores de pruebas de normalidad pata el Throughput y el MOS. ......... 75
Tabla 17. Valores prueba estadística de hocedasticidad ....................................... 77
Tabla 18. Valores estadística de independencia para el Throughput y el MOS ..... 78
Tabla 19. El modelo de regresión del tratamiento # 1. ........................................... 80
Tabla 20. Información tabulada encuesta evaluación de la QoE .......................... 95
LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Estudio de tráfico agregado de todos los servicios empleados en Tele-
educación en el SENA-CTMA ................................................................................ 83
Anexo B. Encuesta .............................................................................................. 91
LISTA DE SIGLAS

MANET: Mobile Ad-Hoc Network.
QoE: Quality of Experience.
QoS: Quality of Service.
MOS: Mean Opinion Score.
DoE: Design of Experiments
ANOVA: Análisis de Varianza.
PEAQ: Perceptual Evaluation of Audio Quality.
VQM: Video Quality Model.
PESQ: Perceptual Evaluation of Speech Quality.
LLC: Logical Link Control.
MAC: Medium Access Control.
PDR: Packet Delivery Ratio.
RAE: Real Academia Española.
QoSP: Quality of Service Perceived.
QUASS: Quality Assessment Slider.
ITU: Unión Internacional de Telecomunicaciones.
RFID: Radio Frequency Identification.
VANET: Vehicular Ad-Hoc Network.
Indoor: Ambiente interno.
Outdoor: Ambiente externo.
OLSR: Optimized Link State Routing.
MPR: Multipoint Relaying.
SENA: Servicio Nacional de Aprendizaje.
CTMA: Centro de Tecnología de la Manufactura Avanzada.
DIFS: Espacio entre tramas.
SIFS: Espacio corto entre tramas.
IP: Internet Protocol.
ARP: Address Resolution Protocol.
10

RESUMEN

En la educación actual se requieren tecnologías y servicios telemáticos que
apoyen la formación (tele-educación) en especial los de tiempo real, que ofrezcan
una buena Calidad de Experiencia (QoE) a los usuarios y que sean soportados en
redes de alta disponibilidad y fáciles de implementar, ésta problemática se
solucionó proponiendo una metodología de evaluación de la QoE de servicios de
tele-educación en tiempo real soportados en una MANET, en particular se evaluó
el servicio de videostreaming, se analizó la QoE de éste servicio soportado en la
red y se ratificó que la MANET pueden ser utilizada como infraestructura de
comunicación para trasmitir servicios de tele-educación en tiempo real. Se
obtuvieron resultados como, una metodología sencilla de implementar, compuesta
de tres fases, soportada en un diseño de experimentos y validada por un modelo
estadístico, un estudio detallado de los servicios agregados de la tele-educación,
un banco de pruebas o testbed que permitió obtener resultados de la QoE; éstos
resultados sirvieron para obtener la QoE de métricas objetivas y subjetivas,
encontrar un grado de correlación entre ambas, una red de alta capacidad y
disponibilidad, también se obtuvieron valores de puntuación de opinión media
(MOS) y se analizaron parámetros de red como el throughput, los cuales se
utilizan para tomar decisiones tanto de QoE como de Calidad del Servicio (QoS).

Palabras clave: MANET, QoE, QoS, Servicios de Tele-educación, MOS,
Throughput.

ABSTRACT

Nowadays education requires technology and telematic services that support self-
formation (tele-education) specifically real-time ones, which could offer a good
Quality Experience (QoE) to users. At the same time, it requires services to be
supported by high avaliability networks with an easy implementation. The above
mention problematic was solved proposing an evaluation methodology for QoE
with real time tele-education services supported by MANET, in particular was
assessed through videostreaming services. The QoE service was analyzed
supported by the network and was ratified that MANET could be used as
communication infrastructures in order to transmit real time tele-education services.
Results were obtained making use of a simple methodology implementation, which
contained three phases. An experiment design was carried out and validated by a
statistic model, a detailed study of aggragated services in tele-education, a proof
bank or testbed, which allowed obtaining results on QoE. The mentioned results
helped obtaining QoE objective and subjective metrics, finding a degree of
correlationbetween them, a network with high avaliability and capacity. Median
Opinion Scores (MOS) were obtained and throughput network parameters were
analized, which are used to take decisions, not only for QoE as for Quality Services
(QoS).

Keyword: MANET, QoS, QoE, Services of Tele-Education, MOS, Throughput.

INTRODUCCIÓN

La MANET es un sistema autónomo donde los nodos están conectados a través
enlaces inalámbricos. Los nodos son libres de moverse en cualquier dirección esto
conlleva a obtener una topología netamente dinámica. Esta propiedad hace que la
MANET sea impredecible desde el punto de vista de la escalabilidad (Tamilarasan,
2011). Además, los nodos tienen una capacidad limitada de (CPU, Central
Processing Unit), almacenamiento, energía de la batería, ancho de banda limitado
y de alcance de transmisión limitado. Debido a que la topología es dinámica, los
protocolos de enrutamiento para este tipo de redes deben descubrir las rutas de
forma dinámica. Estos protocolos son diseñados para que puedan enrutar el
tráfico de la red sin presentar congestión, enlaces defectuosos y muchos otros
factores. La insuficiencia de enlaces a menudo conduce a la pérdida de paquetes
o el retraso en la transmisión. La duración de los mensajes es limitada y se
caracterizan por su entrega oportuna. Con el fin de mitigar estos inconvenientes se
han desarrollado trabajos enfocados en investigar las pilas de protocolos en las
diferentes capas de las MANET por ejemplo: control de enlace lógico (LLC, Logical
Link Control), control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) y
enrutamiento, los cuales necesitan ser optimizados y adicionalmente el efecto de
interacción de cada protocolo con los demás (Cammarano, Presti, Maselli,
Pescosolido, & Petrioli, 2015) (Umamaheswaran, Kumar, & Biswas, 2014).
Algunos de estos trabajos se han enfocado en evaluar el cruce de capas Cross-
Layer, los cuales se han centrado en optimizar los parámetros de rendimiento de
la MANET, por ejemplo: la tasa de pérdida, delay, jitter y la calidad de la voz.

El desempeño de la MANET transportando servicios de Tele-educación en tiempo
real se puede analizar a través de diversas métricas bajo diferentes indicadores,
estos indicadores pueden ser cuantitativos o cualitativos. Los indicadores
cualitativos son aquellos cuyos atributos deseables son eficientes para su uso en
el entorno inalámbrico de la red ad-hoc. Estos pueden comprender la libertad de
bucle, la seguridad, el apoyo de enlace unidireccional y operación basada en la
demanda de energía en caso en que el consumo sea un tema importante y
muchos más. Métricas cuantitativas que incluyen datos estadísticos que
proporcionan herramientas para evaluar el rendimiento de la MANET, por ejemplo,
la relación de entrega de paquetes de los protocolos de enrutamiento (PDR,
Packet Delivery Ratio), el rendimiento (Throughput), Delay, gastos generales de
enrutamiento (Routing Overhead), jitter, fracción de caída de paquetes (Packet
Drop Fraction), entre otros (Grover & Kaur, 2013).

Este trabajo tuvo como objetivo evaluar la QoE de servicios de Tele-educación en
tiempo real soportados en una MANET, en particular se analizó el servicio de
videostreaming, que a la vez permitiera evaluar una métrica subjetiva como por
ejemplo: el MOS y otra objetiva o cuantitativa como por ejemplo el throughput, con
3 factores influyentes y cuantificar sus efectos principales y su interacción,
utilizando la estrategia de diseño factorial 2k; que también permitiera verificar si
13

existe una relación entre ambas métricas. El resto del trabajo se organiza de la
siguiente manera. En el capítulo uno se define la justificación, el planteamiento del
problema y las respectivas preguntas de investigación. En el capítulo dos se
presentan los objetivos del proyecto. En el capítulo tres se define el marco teórico
y estado del arte. En el capítulo cuatro se detalla la metodología propuesta para el
desarrollo del experimento. En el capítulo cinco se dan las respectivas
conclusiones y trabajos futuros y se finaliza con las referencias bibliográficas y
anexos.
14

CAPITULO 1. JUSTIFICACIÓN, PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y
PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN

1.1 JUSTIFICACIÓN

Con la masificación del Internet y actualmente con el Internet de las Cosas (IdC)
como lo menciona el estudio realizado por CISCO (Evans, 2011), se han
cambiado muchas tareas cotidianas del ser humano incluida la forma de
enseñanza-aprendizaje, cada persona cuenta con sus propios equipos móviles
que proporcionan flexibilidad para la realización de cursos, cualquiera sea la
ubicación geográfica dentro del mismo campus o por fuera de éste; el participante
administra su disponibilidad horaria, que a la vez permita aportar al proceso de
mejora continua en la calidad de contenidos, diseño de acciones formativas y
desarrollo de la didáctica, desarrollando en forma implícita la autonomía e
iniciativa personal ya que el participante adquiere un intenso protagonismo en la
gestión de su propio aprendizaje, lo que incluye también procesos de
autoevaluación. Estos desarrollos podrán transferirse a diferentes aspectos de la
vida personal que trascienden el fenómeno educativo, a la apertura de múltiples
fuentes de información inherentes o al Internet y aportar para una gestión
informatizada del proceso de capacitación que facilite y agilice la labor docente, el
acceso a la información de los alumnos, el control y apoyo al proceso de
enseñanza-aprendizaje. Uno de los objetivos de este proyecto consiste en la
implementación de una MANET piloto que soporta servicios de Tele-educación en
tiempo real, como por ejemplo el servicio de videostreaming, esta implantación
suministra una red disponible en cualquier entorno o ambiente de aprendizaje para
la formación, con un número determinado de equipos móviles y aprendices,
aprovechando las características de este tipo de red (autónoma, auto-configurable,
movilidad, Indoor, Outdoor), la cual permite minimizar numerables dificultades de
la formación en los respectivos ambientes, así como en los diferentes espacios del
campus, como por ejemplo: problemas de conectividad, ruido y espacios, además
distracción por parte de los aprendices en los momentos de socialización,
simulación o demostraciones por parte del tutor en la clase. Con la MANET piloto
implementada, se tiene una red eficiente y de alta fidelidad para realizar pruebas
del análisis, comportamiento de los servicios de Tele-educación en tiempo real, en
el especial el de videostreaming, el cual es uno de los servicios de red más
utilizados en la formación de aprendices en el SENA-CTMA, que también permita
evaluar el comportamiento de los nodos de la red y obtener métricas de QoS y
subjetivas, como por ejemplo, el MOS.

Según estudios realizados (Tele-educación, 2016, Citel, 2001) la Tele-educación
requiere de diferentes herramientas o servicios para su ejecución, se ha
comprobado que dependiendo de las metodológicas utilizadas, y la orientación del
curso, puede ser fortalecida y apoyada por diferentes tecnologías teleinformáticas,
15

servicios telemáticos o diversas actividades. Éstas pueden situarse básicamente
en dos tipos de escenarios: sincrónico o de tiempo real y asincrónico o fuera de
línea. Para determinar estos escenarios, se utiliza como "variable" la coincidencia
temporal en las diversas actividades del proceso de aprendizaje, independiente de
la ubicación geográfica de los participantes. Las definiciones de estos escenarios
fueron referenciados anteriormente en el marco conceptual. Por tal motivo y según
el estudio realizado en el SENA – CTMA de los servicios de Tele-educación más
utilizados en la institución, los resultados arrojaron que la mayoría de servicios de
Tele-educación utilizados en la institución son de tiempo real, en especial el de
videostreaming como se presenta en el Anexo A.

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMARecientemente, el avance de las tecnologías de comunicación permite que los
servicios de Tele-educación en tiempo real se puedan ejecutar en los dispositivos
móviles, facilitando el aprendizaje de los estudiantes y la orientación por parte de
los tutores. Se han desarrollado diferentes aplicaciones y servicios para Tele-
educación, tales como la transmisión de vídeo en tiempo real, los cuales
necesitan de una red de alto rendimiento (es decir, transmisión rápida de
paquetes, baja tasa de pérdida de paquetes y minimizar el retardo de envío de
paquetes). Por tanto, la prestación de estos servicios de Tele-educación en tiempo
real en MANET puede resultar más difícil que proporcionar otro tipo de servicios
de red. Cuando el rendimiento de la red no es suficiente para los servicios de Tele-
educación en tiempo real, éstos no se pueden garantizar, debido a que pueden
presentar distorsiones durante la transmisión y pueden producir una degradación
de la calidad percibida.

La transmisión de servicios de Tele-educación en tiempo real por redes móviles
ad-hoc puede presentar diferentes problemas por las características inherentes de
este tipo de red (ausencia de infraestructura, movilidad de nodos, pocos recursos
de ancho de banda y de potencia eléctrica disponible, enrutamiento multi-salto y
retardos de extremo a extremo, entre otros). En años recientes, se han propuesto
varias metodologías para evaluar tanto la QoS como la QoE para diferentes
servicios en redes móviles basadas en infraestructura y ad-hoc. Sin embargo,
debido a las características y los requerimientos que impone la transmisión de
servicios de Tele-educación en tiempo real de una MANET, es necesario tener en
cuenta no sólo los parámetros de la red, sino también la calidad percibida por los
usuarios finales. Aun cuando se han realizado algunas investigaciones
relacionadas con los mecanismos de transmisión de servicios en tiempo real sobre
una MANET, tales como Urrea, Gaviria, (2012), Goudarzi, (2010) y Sandoval,
(2011), ninguna de las investigaciones existentes ofrece un resultado concluyente
respecto a una metodología pertinente para la evaluación de la QoE en la
transmisión de servicios de Tele-educación en tiempo real soportados en una
MANET.
16

Ante la problemática existente relacionada con la ausencia de una metodología de
evaluación de la QoE en redes MANET para transmisión de servicios de Tele-
educación en tiempo real, es necesario proponer una metodología de evaluación
de la QoE de una MANET. De esta manera, se podrá contar con elementos de
base que posteriormente permitan medir y analizar la QoE con una métrica
obtenida por la transmisión de servicios de Tele-educación en tiempo real, acorde
a los requerimientos de las aplicaciones de usuarios.

Este proyecto tiene como objetivo evaluar la QoE en la transmisión de servicios de
Tele-educación en tiempo real sobre redes MANET, en particular el servicio de
videostreaming. Dicho proyecto propone una metodología de evaluación de la
QoE soportado en un diseño de experimentos, el proyecto permitirá en un entorno
real, inferir cuál es la calidad percibida por los usuarios en la transmisión de
servicios de Tele-educación en tiempo real en una MANET, que con una métrica
subjetiva como el MOS u otra, obtenida del modelo de evaluación, permitirá
conocer cuáles son los niveles de la QoE, adicionalmente corroborar si la MANET
sirve o no como infraestructura para la transmisión de este tipo de servicios.

La necesidad de validar los resultados en un testbed se debe a que la mayoría de
los estudios de la QoE en redes MANET están muy restringidos al campo de la
simulación, ya que este proceso permite la evaluación y optimización de modelos
con base en la repetición sucesiva de experimentos de una manera ágil y
económica. Sin embargo, las suposiciones y simplificaciones necesarias para
implementar un modelo en un entorno computacional llevan a que los resultados y
conclusiones generados a partir de la simulación no siempre reflejen
acertadamente el comportamiento de la red en el mundo real. Para prevenir esta
dificultad, la implementación de experimentos reales en diferentes tipos de
escenarios son requeridos.

1.3 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN

De acuerdo al problema planteado, las preguntas de investigación que busca
resolver esta investigación, son las siguientes:

¿Cómo estructurar y definir una metodología de evaluación de la QoE de servicios
de Tele-educación en tiempo real soportados en una MANET?

¿Cómo es la QoE de los servicios de Tele-educación en tiempo real soportados en
una MANET?

¿Cómo pueden las redes MANET servir de infraestructura de comunicación para
la transmisión de servicios de Tele-educación en tiempo real?

CAPÍTULO 2. OBJETIVOS DEL PROYECTO

2.1 OBJETIVO GENERAL

Evaluar la calidad de experiencia (QoE) de servicios de Tele-educación en tiempo
real soportados en una MANET.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Proponer una metodología de evaluación de la QoE de servicios de Tele-
educación en tiempo real soportados en una MANET.

• Analizar la QoE de servicios de Tele-educación en tiempo real soportados en
una MANET.

• Comprobar si las MANET pueden ser utilizadas como infraestructura de
comunicación para servicios de Tele-educación en tiempo real.

CAPITULO 3. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE

3.1 CONCEPTOS

3.1.1 Concepto de calidad

Algunas definiciones del concepto de calidad son:

1. Según el Diccionario de la Real Academia Española (RAE, 2016) de la Lengua:
a) Propiedad o conjunto de propiedades inherentes a algo, que permiten juzgar su
valor.
b) Superioridad o excelencia.
c) Condición o requisito que se pone en un contrato. (RAE, 2016)

2. Según ISO 9000:2005: Grado con el que un conjunto de características
inherentes cumplen los requisitos (ISO, 2016).

3. Según ISO 5127:2001: La totalidad de rasgos y características de un producto o
servicio que le confieren su aptitud para satisfacer necesidades explícitas o
implícitas.

4. Según ISO 8402: La totalidad de las características de una entidad que
contribuyen a su capacidad para satisfacer necesidades explícitas e implícitas.

5. Según ITU-T E.800: El efecto global de la calidad de funcionamiento (ITU, 2016).

La calidad de los servicios de telecomunicaciones en general se deben considerar
desde dos puntos de vista distintos, aunque relacionados y complementarios:

1. La calidad percibida o experimentada por los usuarios (también llamada Calidad
de Experiencia (CdE), o en inglés, ‘Quality of Experience’ - QoE), guarda relación
con el grado de satisfacción obtenido por los consumidores de servicios, y en la
que intervienen elementos subjetivos.

2. La calidad técnica del servicio o de funcionamiento de la red subyacente
(también llamada Calidad de Servicio (CdS), o en inglés ‘Quality of Service’ - QoS),
cuyo valor puede determinarse a partir de medidas de parámetros de rendimiento
objetivos.

3.1.2 Calidad percibida
Se refiere a la Calidad de Servicio Percibida desde el punto de vista de los
usuarios, llamada QoE, es decir, lo que también se puede llamar “calidad subjetiva”
20

en contraste a la calidad técnica u “objetiva”, esta última es medible a partir de
parámetros de rendimiento del servicio o la red. La calidad “subjetiva” está
profundamente ligada a la satisfacción de los usuarios con respecto al servicio
recibido, aunque no es exactamente lo mismo (Ramos, 2012).

3.1.2.1 Definición de Calidad Percibida

1. ITU-T G.100/P.10 define la QoE como “la aceptabilidad general de una
aplicación o servicio, percibida subjetivamente por los usuarios finales”,
aclarando que en la Calidad de Experiencia se tienen en cuenta los efectos
completos del sistema de extremo a extremo (cliente, terminal, red,
infraestructura de servicios, etc.), y que las expectativas del usuario y el
contexto pueden afectar la aceptabilidadgeneral.

2. ITU-T G.1000 define la Calidad de Servicio Percibida (QoSP) como la
“declaración del nivel de calidad que el cliente cree haber experimentado”.

3. ITU-T G.1010 establece que “el rendimiento debe expresarse de forma que
tenga en cuenta todos los aspectos del servicio desde el punto de vista del
cliente, se focalice en efectos perceptibles por el usuario más que en sus
causas en la red, y sea independiente de la arquitectura o tecnología
específicas de la red”

4. ITU-T E.800 la define como la “declaración del nivel de calidad que los
clientes/usuarios consideran haber experimentado”. Asimismo señala que:

a) “Es de particular interés la QoS experimentada por el usuario (expresada
mediante las siglas QoSE o QoSP - QoS percibida). La QoSE se ve influida por
la QoS proporcionada y por los factores psicológicos que influyen en la
percepción del usuario. Es fundamental conocer la QoSE para optimizar los
ingresos y recursos del proveedor de servicios.”

b) La QoS percibida tiene dos principales componentes humanos: el cuantitativo y
el cualitativo. El componente cuantitativo puede estar influido por todos los
efectos del sistema de extremo a extremo (calidad de funcionamiento de la red)
y el componente cualitativo puede estar influido por las expectativas del
usuario, las condiciones ambientales, factores psicológicos, el contexto de
aplicación, etc. Como consecuencia de esta definición la mayor parte de los
estándares que definen marcos para el análisis de la QoS establecen que la
calidad de servicio percibida debe ser analizada teniendo en cuenta las dos
vertientes.

5. En ETSI EG 202 765-1 se señala que “hay dos grandes problemas a la hora
de evaluar de forma global la QoS. El primero es la diferencia (gap) existente
entre los aspectos técnicos y los aspectos perceptivos, y el segundo que tanto
21

la QoS como la satisfacción global son difíciles de modelar, ya que dependen
de forma importante de las expectativas y de otros aspectos contextuales”

Comparando las definiciones anteriores, puede verse que tienen varios
puntos en común:

1. La QoE depende de la percepción subjetiva de los usuarios.

2. Depende de todos los aspectos (características y propiedades) y/o
componentes del servicio y/o del sistema que lo soporta. Es, por tanto, una
propiedad del servicio o sistema considerado extremo a extremo.

3. Depende de los efectos perceptibles por el usuario más que de sus causas
técnicas en la red.

4. Es independiente de la arquitectura o tecnología utilizadas para implementar
el servicio.

5. Depende tanto de los requisitos (explícitos) de los usuarios, como de sus
necesidades y expectativas (implícitas).

6. Tiene dos componentes: uno objetivo, cuantitativo o tangible, que depende
de la calidad de funcionamiento del sistema extremo-a-extremo (calidad
técnica), y otro subjetivo, cualitativo o intangible, en el que influyen las
expectativas del usuario, las condiciones ambientales, factores psicológicos y
contextuales, etc. (calidad subjetiva).

En general la QoE no tiene en cuenta únicamente el componente esencial, del
desempeño de la tecnología en términos de calidad de servicio, sino también lo
que la persona puede hacer con dicha tecnología, cuáles son sus expectativas,
en qué grado se cumplen, y en qué contexto la utiliza (Ramos, 2012).

3.1.3 Relación entre la QoS Y QoE.

Múltiples niveles de servicio QoS o métricas que afecta en general el rendimiento
de la QoE:
• La calidad de la experiencia es subjetiva y es medida generalmente por el
MOS.

• La QoS utiliza varios parámetros objetivos de rendimiento del servicio (por
ejemplo, codificación de velocidad de bits, la pérdida de paquetes, retardo, la
disponibilidad, etc.).

Relación Identificada entre la QoE / QoS:

• Dada una medición de QoS, se podría predecir la QoE esperada por un
usuario.

• Dado un objetivo QoE para un usuario, se podría deducir el rendimiento neto
requerido de nivel de servicio o QoS.

Para asegurar que la calidad de servicio sea adecuada se debe cumplir con:

• Un objetivo de QoE debe establecerse para cada servicio.

• En los procesos de diseño de sistemas e ingeniería debe estar incluida la QoS,
para que se traduzcan en servicios objetivos o métricas de nivel de rendimiento.

Una forma más resumida y grafica para entender la relación que existe entre la
QoS y al QoE, es como se presenta en la Figura 1.

Figura 1. Relación entre la QoS vs QoE (Ramos, 2012)

3.1.4 Métodos de Evaluación de la Calidad Percibida. Existen distintos métodos
para evaluar el grado de satisfacción de los clientes respecto de un servicio y su
percepción de la calidad del mismo, que pueden agruparse en los siguientes tipos:

1. Modelos objetivos: Basados en indicadores como el número de quejas, etc. Su
validez es bastante limitada.
23

2. Modelos subjetivos: Basados en la percepción de su propia satisfacción por
parte de los usuarios. Sus principales desventajas son su elevado costo, el
consumo de tiempo y la dificultad de su realización.

3. Modelos fisiológicos: Basados en la medición de reacciones involuntarias del
cuerpo.

A continuación se presentan en la Tabla 1 algunos de los modelos subjetivos más
conocidos.

3.1.5 Modelos Base y Generales de la Calidad Percibida. (referencia propia).

Tabla 1. Resumen de algunos modelos para el análisis de la Calidad Percibida

3.1.6 Medida de la Calidad Percibida en Servicios de Telecomunicaciones. A
continuación se describen algunos de estos modelos y/o métodos destinados a
medir la calidad percibida por los usuarios de servicios de telecomunicaciones.

Varios sistemas de evaluación se han propuesto, para la evaluación de la calidad
de los servicios en las telecomunicaciones. Entre éstos se destacan: MOS,
Evaluación continua, Métodos de Estimación (PESQ (Perceptual Evaluation of
Speech Quality), Modelo-E, PEAQ (Perceptual Evaluation of Audio Quality), VQM
(Video Quality Model)). Todos estos sistemas difieren en nivel de complejidad de
operación, de software y hardware requerido para su implementación.
Año Autores Modelo y características Factores que afectan la QoE
1980 Oliver Paradigma de Disconfirmación (Adaptación psicológica) - Expectativas del Usuario
- Calidad Percibida
1983 Grönross - Calidad Técnica
- Calidad Funcional
- Impresión o Percepción
1985 Parasuraman, Zeithaml, Berry Modelo SERVQUAL - La ignorancia
(La QoS es una noción abstracta) - La falta de normas
- Discordancia entre normas
- Incumplimiento del proveedor
1992 Cronin,Taylor Modelo SERVPERF (No tiene en cuenta los requisitos o expectativas del usuario) - Fiabilidad
- Capacidad de respuesta
- Empatía
- Elementos tangibles
- Seguridad
1993 Anderson, Sullivan Modelo de satisfacción y fidelización (se basa en el modelo de Oliver) - Calidad del servicio
- Fidelidad del usuario
1994 - La interacción
- El entorno
- Los resultados
2001 Hardy Modelo de Tres Dimensiones - QoS Intrínseca
- QoS Percibida
- QoS de Valoración global
2001 Brady, Cronin Modelo Jerárquico Multidimensional (se base a una evaluación del desempeño en múltiples niveles) - Servicio evaluado
- Estudios cualitativos
- cultura concreta
McDougall, Levesque Modelo Tridimensional ( los otros modelos no son excluyentes)
Modelo de Calidad de Servicio (el factor más importante es la
calidad funcional, define 6 criterios de QoS
24

3.1.6.1 MOS. (Mean Opinion Score) es un método subjetivo basado en el análisis
de las opiniones de los clientes (usuarios) sobre un determinado servicio. Cada
cliente/usuario valora la calidad percibida mediante una única calificación que
engloba todos aquellos aspectos, tanto objetivos como subjetivos, que influyen en
la satisfacción del cliente con respectoal servicio. La escala de calificación va de 1
(calidad inaceptable) como peor puntuación hasta 5 (calidad excelente) como
mejor puntuación, este modelo se presenta en la Tabla 2. La MOS es la media
aritmética de las calificaciones individuales (Aggarwal, y otros, 2014).

Tabla 2. Modelo de puntuación sistema de evaluación MOS

Puntuación Escala de Calidad Escala de Deterioro
5 Excelente Imperceptible
4 Buena Casi imperceptible, pero no molesto
3 Satisfactorio Perceptible y ligeramente molesto
2 Pobre Molesto, pero no cuestionable
1 Mala Muy molesto

3.1.6.2 Evaluación Continua. El método MOS ofrece resultados muy fiables en
entornos controlados y estables, en los que es posible el análisis estadístico de la
calidad percibida por un grupo suficientemente numeroso de individuos, aceptando
que las condiciones de prueba son similares en todas las muestras y que las
diferencias en los resultados se deben únicamente a las diferencias individuales.

Sin embargo, en entornos como los servicios de telecomunicaciones y en
particular en Internet, donde la calidad es muy variable, la consulta a los usuarios
en momentos aislados es insuficiente. En estos casos son necesarios métodos
que permitan la evaluación de la calidad percibida de forma continuada. En Ramos
(2012) se propone una herramienta de este tipo, llamada QUASS (Quality
Assessment Slider), para la evaluación continua de la calidad percibida por los
usuarios en sesiones de audio interactivo en entornos de red controlados.

Existen recomendaciones que definen escalas y metodologías para la evaluación
subjetiva de servicios específicos. Por ejemplo ITU-T P.910 e ITU-T P.911
establecen indicaciones acerca de cómo desarrollar pruebas para la evaluación de
la QoS subjetiva en los servicios multimedia. En estas recomendaciones se
describen cómo seleccionar las escenas, condiciones y métodos para la medida
(ACR, ACR-HR, DCR, PC, SSCQE), comparativas entre los diferentes métodos de
medida, cómo diseñar los experimentos (condiciones de visionado, distancia al
terminal, iluminación), etc.

3.1.6.3 Métodos de Estimación. El objetivo de estos métodos es la estimación
de la calidad percibida a partir de medidas de rendimiento.

La metodología para el desarrollo de estos modelos sigue generalmente las
siguientes fases:

1. Estudios empíricos para obtener las valoraciones de los usuarios finales
respecto de uno o más servicios concretos. Los resultados, en general,
dependerán del tipo o perfil de los usuarios.

2. Definir los modelos de estimación de la calidad percibida por los usuarios finales
en función de los parámetros objetivos de calidad elegidos.

3. Definir los métodos de medida de los parámetros de interés

A continuación se describen algunos de estos métodos:

1. PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) ITU-T P.861, ITU-T P.862 es
un método para la evaluación de la calidad de voz en servicios de telefonía.
Permite estimar la calidad de percepción de la voz en un sistema de telefonía
mediante la comparación de las características de una señal de referencia
inyectada en origen con las de la señal recibida en destino. Los parámetros del
algoritmo dependen, entre otros factores, del idioma. El resultado es un valor
estimado de MOS.

El modelo tiene en cuenta los efectos de la compresión de la voz y de los
parámetros de rendimiento de la red IP (variación del retardo (jitter), pérdida de
paquetes, etc.), además de los tradicionales de redes de conmutación de circuitos
como ruido o eco. No incluye el efecto del retardo de transmisión, ya que es un
modelo para comunicación de voz unidireccional. Es un método que requiere la
introducción de una señal de referencia artificial en el sistema (Kayte, y otros,
2016).

2. Modelo-E (ITU-T G.107): Inicialmente concebido como modelo para la
planificación de redes de telefonía, se ha utilizado posteriormente para la
estimación de la calidad percibida en redes operativas. El modelo combina
diversos factores de degradación de la señal de voz de modo que a partir de
medidas de determinados parámetros de rendimiento se puede obtener, en primer
lugar, una estimación de la relación señal/ruido (Factor-R), y a partir de ella una
estimación de la calidad percibida MOS.

Su principal ventaja es que tiene en cuenta todo el conjunto de factores que
pueden influir en la percepción de la calidad, incluyendo las propiedades de los
terminales, las características de los medios de transmisión, y los algoritmos de
codificación de la señal de voz en el caso de líneas digitales.
26

Se han hecho diversos intentos para aplicar/adaptar el Modelo-E al servicio de
Voz sobre IP (VoIP). Ello requiere tanto adaptar los métodos de medida de los
parámetros a las características específicas de los medios de transmisión, como
tener en cuenta otros factores que pueden afectar a la calidad final, como el
tiempo de establecimiento de la conexión o el retardo adicional introducido por el
búfer de reproducción. (Ramos, 2012)

3. PEAQ (Perceptual Evaluation of Audio Quality) ITU-R BS.1387-1, ITU2001d: es
un método para la medición objetiva de la Calidad Percibida de Audio para
codificadores (codecs) de audio de baja tasa de codificación, utilizando un modelo
psicoacústico resultante de la combinación de los seis modelos indicados. PEAQ
es el resultado de analizar el rendimiento de dichos métodos, extraer las
herramientas más prometedoras, e integrarlas en un único método.

Ha sido cuidadosamente validado, y se ha demostrado que genera información
fiable y útil para diversas aplicaciones. El método es aplicable a la mayoría de
tipos de dispositivos de proceso de señal de audio, tanto digitales como
analógicos, con especial énfasis en los CODECS de audio. Sin embargo, no es un
sustituto de las pruebas subjetivas formales.

Hay dos versiones del método: la básica, basada en la Transformada Discreta de
Fourier (DFT), diseñada para permitir una implementación eficiente en tiempo real
y, adecuada, entre otras, para aplicaciones de monitorización continua (en
servicio) de la calidad de transmisiones de audio; y la avanzada, basada en un
banco de filtros, y diseñada para obtener la máxima precisión, al costo de una
mayor complejidad (hasta cuatro veces la de la versión básica, dependiendo de la
implementación), y que por tanto, no es adecuada para aplicaciones que requieran
una implementación en tiempo real, en particular para aplicaciones de
monitorización continua (en servicio) de la calidad de audio. (Cano, E, y otros,
2016)

4. VQM (Video Quality Model) ITU-T J.144: es un método de referencia completa
(basado en la comparación de la señal recibida con una señal de referencia) para
la estimación de la calidad percibida de vídeo para televisión, desarrollado por
ITS/NTIA. VQM fue evaluado por el Grupo de Expertos en Calidad de Vídeo
(VQEG) de ITU-T, obteniendo una excelente calificación, y está recomendada por
ITU-T en ITU-T J.144 y por ITU-R en ITU-R BT.1683.

Se presenta una nueva métrica, derivada de VQM (VQM de Bajo Ancho de Banda)
que necesita menos de 10Kbps de información de referencia, lo que la haría
especialmente útil para monitorización de calidad en tiempo real (en particular, en
entornos de Internet).

VQM proporciona una medida muy robusta y de propósito general que puede
aplicarse a un amplio abanico de sistemas de video, ya que ha sido diseñada y
27

probada para funcionar con diversos tipos de sistemas de codificación y
transmisión y con una amplia variedad de tipos de distorsiones. Es relativamente
fácil de calcular, y su costo computacional es inferior (tanto en capacidad de
procesamiento como en ocupación de memoria) al de otras medidas similares. El
software para su cálculo está disponible públicamente y puede obtenerse
libremente, incluyendo todos sus detalles técnicos, manuales de usuario y la
descripción completa de los algoritmos utilizados. (Pinson, y otros, 2014)3.1.7 Tipos de redes inalámbricas. Debido a la diferencia y diversidad de las
características determinantes de las redes inalámbricas, no resulta sencillo
proporcionar una única y concisa definición que alcance de todas sus posibles
variantes. Por tanto, es necesario hacer depender esta definición de diversos
conceptos, como la capacidad de proceso de los nodos, de su tipo de alimentación
energética, de su movilidad, del ancho de bando disponible para comunicaciones
o de su uso proyectado. Con el fin de avanzar en esta clasificación, una muestra
más específica de los grandes tipos de redes inalámbricas es como se presenta
en la Figura 2. La primera clasificación que se encuentra, es por el número de
saltos, seguida de la existencia o ausencia de infraestructura, en este rango están
las denominadas redes MANET, poseedoras de una capacidad de cómputo
media-alta y una movilidad media. Los nodos de una típica red MANET están
formados por computadores portátiles o teléfonos móviles de última generación.
(Cano, 2012)

Figura 2. Clasificación de redes Inalambricas (referencia propia).

3.1.7.1 Tipos de Redes Ad-Hoc

• Redes Móviles Ad-Hoc (MANETs)
En pocas palabras, y de una forma muy global, una red MANET es una red
autónoma, inalámbrica, formada por nodos con cierta capacidad de movimiento.
Por supuesto, puede incluir nodos cableados y estáticos (que no son más que un
caso particular de los primeros)

Principales características: La principal característica de una MANET, es su
gran flexibilidad, que permite establecer de forma espontánea una red en cualquier
localización, sin necesidad de contar con infraestructura de red pre-existente
(como ROUTERS o una instalación cableada). Por tanto, en determinados
escenarios como una situación de crisis, una red MANET puede suponer la única
opción viable de comunicaciones, debido a que:
• El lugar no cuenta con infraestructuras de comunicaciones ó estas han sido
seriamente dañadas.
• Es imposible prever todas las necesidades de comunicación y, por tanto, es
imprescindible la flexibilidad.
Como característica adicional, y a diferencia de las redes ad-hoc tradicionales, las
redes MANET presentan lo que se denomina comportamiento multi-salto, definido
de forma implícita e inseparable del diseño de la red. El aspecto multi-salto, en
contraposición al tradicional enrutamiento punto a punto, otorga a la red la
capacidad de utilizar a modo de repetidores los nodos intermedios entre origen y
destino. Esto confiere a este tipo de redes una enorme robustez ante, por ejemplo,
el fallo de uno o varios de sus nodos.

A modo de resumen, se podría citar los siguientes aspectos como las
características más importantes de las redes MANET y la respectiva
representación de algunos de los diferentes escenarios donde se puede trabajar
este tipo de redes, es como se presenta en la Figura 3:

• Permiten movilidad en sus nodos.
• Su operación es distribuida por naturaleza.
• Cada nodo puede operar como fuente y sumidero de información
simultáneamente.
• No necesitan de infraestructura de comunicaciones previa.
• No disponen de nodos dedicados para las funciones básicas de la red como su
administración, o el envío y enrutamiento de paquetes. Dichas funciones son
llevadas a cabo por los nodos disponibles. (Cano, 2012)

Figura 3. Ejemplo escenarios MANET (Cano, 2012).

• Redes de sensores

Las redes de sensores inalámbricas constituyen otro de los tipos particulares de
red ad hoc, si bien comparten todos los aspectos característicos, como la total
ausencia de infraestructura previa o la falta de un control central. Sin embargo las
diferencias son significativas en cuanto a los recursos disponibles por parte de los
nodos, como la escasa capacidad de cómputo ancho de banda, junto con
importantes restricciones de energía. Estas redes de sensores pueden estar
formadas potencialmente por, cientos o miles de pequeños nodos sensores,
comunicados entre sı a través de canales de radio de baja potencia, como se
presenta en la Figura 4. (Domínguez, y otros, 2015)

Figura 4. Ejemplo red de sensores (queda igual q la anterior).

• RFID
Continuando hacia abajo en la escala de capacidad de proceso, se encuentra la
tecnología RFID (Radio Frequency IDentification). La mayoría de los nodos de una
red de este tipo, denominados etiquetas RFID, son dispositivos de pequeño
tamaño, en ocasiones incluso en forma de una simple pegatina adhesiva, que
pueden ser adheridas o incorporadas a un producto, animal o persona. De hecho,
cualquier visitante de un supermercado está familiarizado con esta tecnología, que
ha sido utilizada durante años para evitar el hurto de productos.

Una etiqueta RFID es un dispositivo muy sencillo que consiste en un pequeño
circuito integrado que contiene un número identificador, único para dicha etiqueta
(a diferencia, por ejemplo, de los códigos de barras tradicionales, que identifican
grupos de productos), como se presenta en la Figura 5. Para completar el sistema,
es necesario un dispositivo lector, que consulta las etiquetas situadas en sus
proximidades y lee sus identificadores. Estos se consultan posteriormente en una
base de datos que contiene información adicional sobre los artículos asociados a
las etiquetas. (Rosenbaum, 2014)

Figura 5. Ejemplo etiquetas RFID (queda igual q la anterior).

• VANET (Vehicular Ad-Hoc Network)
Conforman otro de los grandes tipos de redes ad-hoc móviles, con la
particularidad de que los nodos son vehículos o el propio equipamiento de tráfico,
como por ejemplo señales verticales como se presenta en la Figura 6. El objetivo
principal de estos sistemas es proporcionar un mejor conocimiento de las
condiciones de la carretera a los conductores, con el fin de reducir el número de
accidentes y hacer que la conducción sea más cómoda y fluida. Así mismo, estas
redes permitirán el acceso a contenidos multimedia e Internet, como la
compartición de archivos entre diferentes vehículos. En lo relativo a la seguridad,
al ser una extensión de las redes ad hoc móviles tradicionales, las VANETS
implican los mismos desafíos, aunque si cabe aún más complicados.

El principal inconveniente radica en la velocidad a la que se mueven los vehículos,
que afecta a los protocolos de comunicación y las soluciones de seguridad viables
que pueden aportarse. A pesar del enorme potencial de desarrollo de las VANET,
es necesario resolver una serie de problemas importantes, antes de que su
despliegue sea efectivo:

• Definir de aplicaciones comerciales y de seguridad.
• Especificar de los modelos de tráfico y movilidad que utilizaran los
investigadores e ingenieros.
• Detallar de los mecanismos de seguridad y privacidad.
• Cuestiones de escalabilidad y disponibilidad
• Protocolos de encaminamiento a todos los niveles: físico, enlace y de red.
(Simic, 2013).

Figura 6. Ejemplo red VANET (queda igual q la anterior).

3.1.8 Tele-educación y Servicios en Tiempo Real

3.1.8.1 Tele-educación. “Actividades educativas, donde profesores y estudiantes
no necesitan encontrarse en el mismo lugar físico, ni en el mismo momento de
tiempo. Se hace uso de las tecnologías telemáticas” (Lopez, s.f).

Las redes cambiaron la forma en que aprendemos. El acceso a la enseñanza de
alta calidad ya no está restringido a los estudiantes que viven en las
inmediaciones de donde dicha enseñanza se imparte. La tele-educación eliminó
las barreras geográficas y mejoró las oportunidades de los estudiantes. Las redes
confiables y sólidas respaldan y enriquecen las experiencias de aprendizaje de los
32

estudiantes. Mediante las redes, se ofrece material educativo en una amplia
variedad de formatos, que incluye actividades, evaluaciones y comentarios.

El mundo ha cambiado. No es necesario estar en la escuela para tomar una clase.
No es necesario estaren una sala de clases para tener un profesor. No es
necesario tener menos de 30 para sentir que falta mucho por aprender. El mundo
exige que constantemente se siga aprendiendo. Aprender es algo que se debe
hacer toda la vida. Porque la escuela debe ser algo que vaya siempre con todos.
En cualquier momento y lugar. Podría decirse entonces, que ya no se trata de la
sala de clase o podría verse de otro modo y decir, la sala de clase solo se volvió
mucho más grande.

La era de la informática ha revolucionado la práctica y la formación. La utilización
de servicios telemáticos como videoconferencia, a través de la transmisión en
redes de comunicaciones, permite la conexión de profesores y estudiantes de
todo el mundo, sin que la distancia constituya un factor limitante. En la actualidad
ha quedado claramente demostrado que la tele-educación, tele-enseñanza, tele-
formación, tele-monitorización y tele-acreditación son hechos habituales.

Los sistemas de tele-educación prometen más acceso a la educación y apoyo al
aprendizaje permanente. Estos sistemas pueden ser síncronos o de tiempo real
(videoconferencia, chats) o asíncronos (correo electrónico, foros de discusión).
Los sistemas asíncronos son relativamente sencillos. Una organización puede
utilizar Internet para publicar contenido multimedia con hiperenlaces y llegar a una
gran audiencia. Sin embargo, la mayoría de los cursos actuales son simplemente
material de texto transferido a HTML; en lugar de leer el libro, los estudiantes leen
la pantalla. En la mayoría de casos, la formación en vivo atrae la atención de los
interesados más eficazmente que los materiales estáticos. Las aulas de tiempo
real virtuales interactivas juegan un papel indispensable en el aprendizaje. En
este tipo de formación, la tele-educación en compañía de la multimedia y de los
sistemas de comunicación permiten a los estudiantes en diferentes lugares
participar en la clase de forma síncrona.

A continuación se describen algunos de los servicios que componen un escenario
de tele-educación, como también se presenta en la Figura 7 y en la Figura 8 se
puede observar algunos modelos de uso de la tele-educación y formas de trabajar.

• Redes de comunicaciones
• Servicios telemáticos
• Aplicaciones (paradigma de aprendizaje)
• Contenidos
• Superar la transmisión de conocimientos
• Complementar con aprendizaje cooperative: Web como instrumento y espacios
compartidos, cooperación
33

• Servidores multimedia
• Mayor interactividad: Aplicaciones síncronas, audio, video y realidad virtual.

Figura 7. Escenario de Tele-educación (Lopez, s.f) .

Figura 8. Modelos de usos en Tele-educación (López, s.f).

3.1.8.2 Servicios Síncronos o en Tiempo Real de la Tele-educación. Las
clases se graban en vivo en algún soporte (video, CD-ROM, servidor web).

Se puede seguir un curso sin necesidad de presencia en el aula. El contenido del
curso está elaborado previamente.

Acceso a centros de recurso:
Se facilita la información general, se distribuye material o notas de clase,
calendarios de exámenes u otras fuentes de información adicionales.

Servicios adicionales:
• Portales web.
• Ciberlibrerías que permiten acceso a compra de libros, cursos en DVD, videos.
• Ciberbibliotecas.
• Acceso a clases grabadas.
• Laboratorios a distancia por simulación.

“La Tele-educación también puede llegar hasta los dispositivos móviles para hacer
la vida más fácil a los estudiantes de este tipo de educación.
Los dispositivos móviles, ofrecen una nueva forma de que la Tele-educación
llegue a más población ya que este tipo de tecnología, como pueden ser teléfonos
móviles, es accesible a todos los sectores de la población y por tanto más
conocida”. (Lopez, s.f)

“Algunas razones favorables al desarrollo sobre dispositivos móviles:
• Puede llegar a cualquier parte del mundo y en cualquier momento.
• Es una tecnología muy conocida por la población, está es auge y es muy
frecuente su uso, sobre todo de teléfonos móviles.
• Los dispositivos móviles son baratos, en comparación con otros equipos que
se utilizan en la Tele-educación, como puede ser un ordenador personal
conectado a Internet.
• La forma de utilización es fácil y rápida de aprender para cualquier tipo de
persona, sin importar su edad.

Otras ventajas que tiene la Tele-educación sobre dispositivos móviles:
• Las personas que viajan mucho puedan estar siempre conectadas y tener
información del curso que están realizando, incluso sin tener un ordenador
conectado a Internet.
• En cualquier momento se pueden consultar dudas o hablar acerca de cualquier
tema del curso, no depende de la red Internet, que es uno de los problemas
por los cuales la Tele-educación no se desarrolla del todo en Latinoamérica.
• Poder asistir a tutorías o debates concertados en un determinado momento,
aunque no se esté cerca de un computador, solo con un equipo móvil”. (López,
s.f)
35

Desde dispositivos limitados, se puede acceder a aplicaciones como un Chat o un
Foro, que ayudan tanto a profesores como a alumnos.
A continuación se detallan cada una de estas aplicaciones:

• Chat: Intercambio de mensajes electrónicos a través de internet que permite
establecer una conversación entre dos o varias personas. (RAE, 2014).

• Foro: Reunión de personas competentes en determinada materia, que debaten
ciertos asuntos ante un auditorio que a veces interviene en la discusión. (RAE,
2014)

Otros servicios utilizados en la Tele-educación:
• Correo electrónico: Sistema de transmisión de mensajes por computadora a
través de redes informáticas. (RAE, 2014).
• Videoconferencia: Comunicación a distancia entre dos o más personas, que
pueden verse y oírse a través de una red. (RAE, 2014).
• Streaming:
(También denominado transmisión, lectura en continuo, difusión en flujo,
lectura en tránsito, difusión en continuo, descarga continua o mediaflujo) es la
distribución digital de multimedia a través de una red de computadoras de
manera que el usuario consume el producto, generalmente archivo de video o
audio, en paralelo mientras se descarga. La palabra streaming se refiere a una
corriente continuada, que fluye sin interrupción.

Es por esto que la tele-educación y en especial el servicio de videostreaming
posee varios retos: movilidad de los usuario, diferentes tasas de conexión de los
usuarios dependiendo de los terminales, tráfico alto en el momento de uso del
servicio, necesidades de configuración automática, entre otros, y por ende
representa un caso de interés para plantear y evaluar la QoE de estos servicios
con base en la metodología propuesta.
36

3.2 ANTECEDENTES

Actualmente, son muy limitados los estudios que abordan el problema de la QoE
en las MANET, teniendo en cuenta como factor de evaluación los servicios de
Tele-educación en tiempo real. Solamente se encuentran algunos artículos y tesis
que ayudan a bordar dicha situación problemática pero la mayoría se centran
solamente en la transmisión de video y en otro tipo de redes e infraestructuras, por
ejemplo, en (Baraković, Baraković, & Bajrić, 2010) se realiza un análisis detallado
de las cinco categorías a evaluar de la QoE pero dicho análisis se enfoca más
resaltar la importancia de dicha media, igualmente se menciona muy
superficialmente algunos modelos relevantes para dichas redes. En Cecchet,
Sims,. and,Shenoy (2011) se presenta un software libre mBenchLab para medir la
QoE en tabletas y teléfonos inteligentes para acceder a servicios Web alojados en
las nubes, se descubre un bug de algunos equipos móviles.

Una mayor aproximación a la situación problemática planteada de este trabajo se
encontró en los siguientes artículos: en: Millman and Stephen (2013) se presenta
un estudio detallado de los protocolos de enrutamiento de las MANET y con el
cual se pretende mejorar la QoE y se concluye cual protocolo es más eficiente
para ayudara optimizar esta medida sin tener en cuenta los protocolos híbridos,
en Chun Fung and Kwong Kwok (2012) se realiza un trabajo muy interesante
también enfocado en las MANET y muy aproximado al estudio en cuestión, el cual
analiza las MANET enfocado en el servicio IPTV móvil cuyo objetivo es cuantificar
el rendimiento de streaming utilizando una QoE, enfoque que se basa en una
simulación, indicando que el rendimiento de la transmisión de vídeo es más
eficiente reduciendo el tamaño del fragmento de vídeo, igualmente en Goudarzi,
Hosseinpour and Ayatollahi (2011) se encuentra un trabajo muy similar pero
enfocado en modelos matemáticos que ayudan a descubrir que el codificador H.
264 ayuda a mejora la QoE en la red MANET.

Otro trabajo que evalúa la calidad de la experiencia del servicio de videostreaming
en una MANET, algo muy similar a este trabajo de investigación propone una
técnica de enrutamiento céntrico (MCQR) de múltiples restricciones para la
transmisión eficiente de video en tiempo real a través de redes MANET, que
permitan medir la de QoE. En el cual se afirma que, la estimación dinámica de la
métrica de calidad de enlace durante el proceso de descubrimiento de rutas
MCQR es la clave para mejorar la QoE en el usuario final. MCQR limita el retardo
de extremo a extremo y la fluctuación de fase de los paquetes de datos recibidos
seleccionando rutas de larga vida útil con retardo máximo permisible. Esto
minimiza la distorsión causada en las fluctuaciones del video percibido. Para
demostrar la efectividad de MCQR para videostreaming de en tiempo real, se
diseñó una MANET híbrida, que consiste en nodos simulados y máquinas físicas.
En la red híbrida, los nodos de origen y de destino son generadores de tráfico de
vídeo y receptores que se ejecuta en dispositivos físicos. (Lal, y otros, 2016)

Otro autor aborda la evaluación de la QoE en MANET utilizando la misma base de
la metodología de este trabajo de investigación, en cual se ocupan de comprender
la relación funcional entre factores objetivos influyentes y de calidad de video en
MANETs. Se utiliza la base de la metodología propuesta en este trabajo de
investigación, la cual es el diseño estadístico sistemático de experimentos (DoE)
que puede usarse para analizar los parámetros y el rendimiento de MANET.
Usando un diseño factorial, se logra cuantificar los efectos principales e
interactivos de siete factores en una métrica de respuesta, MOS, calculado por el
PSNR con el paquete Evalvid, con el cual se desarrolla un modelo de regresión
lineal de primer orden entre los factores influyentes y la métrica de rendimiento.
(Yoon, 2014))

Y por último otro autor propone la evaluación de QoE en una MANET con un
mecanismo de múltiples capas para abordar el ahorro de energía y mejorar los
principales protocolos actuales. La propuesta agrega métricas de decisión a un
sistema de computación de inteligencia técnica basada en un sistema Fuzzy con
QoE, con movilidad y garantías de batería, eligiendo el mejor camino, el más
eficiente y el más precisó. La propuesta fue evaluada en un entorno simulado de
red. (Carvalho, y otros, 2016)

Como se puede observar en ninguna de las referencias anteriores, los autores
abordan su evaluación mediante la implementación de una red experimental,
diseñando una metodología o marco de referencia para la evaluación y medición
de la de servicios de Tele-educación en tiempo real soportados en MANETs,
tampoco tienen en cuenta una de las áreas de mayor difusión para la MANET,
como son los sistemas de monitoreo, vigilancia, tele-medicina y Tele-educación
este último tema relevante en este trabajo de investigación. Adicionalmente es
importante resaltar que durante el proceso recolección de información o
elaboración del estado del arte, no se encontró ningún trabajo en el cual se realice
la evaluación de la QoE de servicios de Tele-educación en tiempo real soportados
en MANETs.
38

CAPITULO 4. METODOLOGIA PROPUESTA

La metodología propuesta para la evaluación de la QoE de servicios de Tele-
educación en tiempo real como el videostreaming soportados en una MANET, que
permita comprobar si esta red puede servir como infraestructura de comunicación,
se compone de tres fases. La primera es la operacional, donde se da el proceso
de implementación de la MANET. La segunda es la experimental, la cual se basa
en una adaptación de la metodología Diseño de Experimentos DoE proveniente de
su significado en inglés: (Design of Experiments), es una de las metodologías
estadísticas más utilizadas a nivel mundial para optimizar la experimentación. Se
define como un método para aplicar sistemáticamente la estadística al proceso de
experimentación (Lye, 2005). Más precisamente, puede ser definida como realizar
un conjunto de pruebas en las cuales se realizan cambios voluntarios a los
parámetros de control de un proceso o sistema, para observar e identificar las
razones de los cambios en la variable de salida o respuesta del proceso
(Montgomery, 2008). Para obtener conclusiones objetivas y subjetivas, una
evaluación experimental debe comprender dos componentes fundamentales e
interrelacionados: primero el diseño experimental, que se refiere al proceso de
planificación del experimento de modo que los datos pueden ser recogidos de una
manera viable para el análisis estadístico; y segundo un efectivo análisis
estadístico de los datos (Montgomery, 2008). La tercera fase es la evaluativa, que
se compone de la verificación o evaluación de la QoE; que después de tener
identificado un problema por resolver se debe realizar los siguientes pasos como
se presenta en el diagrama de flujo expuesto en la Figura 9 y se detallan
posteriormente.

Figura 9. Metodología propuesta para la evaluación de la QoE de servicios de
Tele-educación en tiempo real soportados en una MANET (referencia propia).

4.1 PRIMERA FASE: OPERACIONAL

4.1.1 Implementar la red MANET. Es un red real conocida como banco de prueba
o también llamada test-bed como se presenta en la Figura 10, sobre la cual se va
ejecutar el experimento, consta de diez nodos distribuidos equitativamente en dos
escenario como se presenta en las Figuras 20 y 21, los equipos tienen las mismas
características técnicas y corresponden a equipos portátiles marca HP proBook
6475b con procesador AMD A10-4600M QUAD-CORE de 2,3 Ghz, memoria RAM
de 6 GB, tarjeta de red inalámbrica integrada marca ATHEROS AR9485 802.11
b/g/n operando en modo “n”, 9 de ellos con sistema operativo WINDOWS 7 , 1
con Ubuntu 12.04. 64 bits y un teléfono inteligente marca SAMSUNG modelo GT-
I9300 con procesador Quad-Core a 1.4Ghz, memoria RAM de 1 GB, tarjeta de red
inalámbrica integrada 802.11 b/g/n, operando en modo “n” con sistema operativo
Android versión 4.1.2, trabajando como administrador de la MANET.

Figura 10. Topología banco de pruebas (referencia propia).

El banco de pruebas de la MANET proporciona una plataforma experimental para
la evaluación de diferentes servicios de tele-educación en tiempo real soportados
por la MANET usando parámetros reales. En el banco de pruebas, se pueden
implementar diferentes topologías y escenarios de red que permiten analizar y
evaluar los servicios de tele-educación en tiempo real soportados en la MANET
considerando diferentes métricas.

En este trabajo, se toman las siguientes consideraciones:
• Los experimentos se lleva a cabo en un ambiente interior y otro exterior dentro
del campus universitario, como se presenta en las figuras 20 y 21 los
respectivos planos.
• En la red se van a analizar diferentes escenarios experimentales, uno estático,
donde los nodos no tiene movimiento, y otro donde la fuente y nodos de
destino, respectivamente, son móviles.
41

• En el escenario en movimiento, los nodos móviles se desplazan a una
velocidad normal y cuando llegan a los puntos de inflexión,se detienen durante
unos segundos.
• Para el efecto de multi-salto de movilidad se utiliza el protocolo de
enrutamiento OLSR.

En el banco de pruebas, se debe realizar una serie de tareas que permitan al
momento de realizar los tratamientos, garantizar:

1. Que el equipo administrador de la MANET, esté en funcionamiento óptimo de
hardware y con los respectivos programas de gestión y evaluación de la
MANET.
2. Que los nodos que conforma la red tengan sus respectivas configuraciones en
el nivel de enlace y red (2 y 3).
3. Que el protocolo de enrutamiento este activo en todos los nodos de la red.
4. Que la topología de red sea la adecuada.
5. Que el nodo principal este generando el servicio de tele-educación.

4.1.2 Preparación del equipo administrador de la MANET. La implementación
y administración de la MANET se realizó desde el equipo móvil inteligente
utilizando la aplicación (MANET MANAGER) descargada desde el sitio web
(GitHub, ProjectSPAN/android-manet-manager, 2016), después se realizan los
respectivos pasos de instalación y configuración para su funcionamiento
recomendados por el fabricante del software, como se presenta en la Figura 11 su
interfaz gráfica en ejecución.

Figura 11. Aplicación MANET MANAGER en ejecución (referencia propia).

Después de instalada la aplicación MANAGER MANET en el equipo administrador
se deben configurar los siguientes parámetros a nivel de MAC e IP en el equipo
administrador:
- Nombre de la red ad-hoc (SSID): manet
42

- Propiedades IP: 192.168.1.1/24
- Verificar el funcionamiento del protocolo de enrutamiento: OLSR

4.1.3 Configuración de los nodos a nivel MAC y capa de red (Capa 2 y 3). Una
vez establecida la MANET por el equipo móvil administrador, se debe realizar la
respectiva configuración de los nodos a nivel de capa MAC y capa de red
manualmente realizando los pasos que se detallan a continuación, pero antes de
este proceso a cada nodo se le debe verificar que no contenga entradas de las
estaciones vecinas en su tabla ARP. El propósito de verificar que no existan
entradas en la tabla ARP, es para no enmascarar los procesos de descubrimiento
de ruta a nivel de capa de red, ya que el reconocimiento de las direcciones MAC
incorpora un retardo que debe ser tenido en cuenta al momento de analizar los
resultados. En la Figura 12 se presenta el procedimiento para asociar los nodos a
la MANET bajo del sistema operativo Windows 7.

4.1.3.1 Seleccionar la red ad-hoc MANET.

En el centro de redes y recursos compartidos de Windows, seleccionar la red
MANET y dar clic en conectar como se presenta en la figura 12.

Figura 12. Asociación de nodos a la MANET (referencia propia).

4.1.3.2 Configurar las propiedades IP estáticamente en los nodos. Este
procedimiento se debe realizar en cada nodo que conforma la MANET, debido a
que no se cuenta con un servicio red para la asignación dinámica de propiedades
IP (DHCP), como se presenta en la Figura 13, después de realizar este proceso
se obtiene la tabla de propiedades IP de la red, como se presenta en la tabla 3.

Figura 13. Configuración manual de propiedades IP en los nodos (referencia
propia).

Tabla 3. Direccionamiento IP de la MANET (referencia propia).

NOMBRE EQUIPO IP MASCARA
CELULAR:
ADMINISTRADOR
MANET
192.168.1.1 255.255.255.0
PC_A: GENERADOR
SERVICIO STREAMING 192.168.1.2 255.255.255.0
PC_B 192.168.1.3 255.255.255.0
PC_C 192.168.1.4 255.255.255.0
PC_D 192.168.1.5 255.255.255.0
PC_E 192.168.1.6 255.255.255.0
PC_F 192.168.1.7 255.255.255.0
PC_G 192.168.1.8 255.255.255.0
PC_H 192.168.1.9 255.255.255.0
PC_I 192.168.1.10 255.255.255.0
PC_J 192.168.1.11 255.255.255.0

4.1.4 Activación del protocolo de enrutamiento en los nodos de la MANET.
Se debe instalar en cada nodo la aplicación OLSR SWITCH (Tønnesen,
Olsr_Switch network simulation, 2016), la cual consiste en una aplicación
desarrollada como parte del proyecto de Maestría de Andreas Tønnesen en UNIK
(Universitetssenteret paKjeller - University Graduate Center) completamente
compatible con la recomendación RFC3626 de la IETF y altamente portable (a la
fecha se puede instalar en plataformas Windows, Linux, xBSD, Google phones,
Iphone), después habilitar el protocolo de enrutamiento seleccionado OLSR en
cada nodo, se ejecuta el programa del protocolo de enrutamiento de la red:
OLSR, como se presenta en la Figura 14 y se configuran los parámetros
44

establecidos en el experimento de la MANET, como se presenta en tabla de
factores: dos y tres tratamientos.

Figura 14. Configuración de los parámetros del protocolo de enrutamiento de la
MANET: OLSR (referencia propia).

4.1.5 Preparación de la red ad-hoc

Para ver la conformación de la MANET y controlar la distancia desplazamiento de
cada nodo, se utiliza el programa (MANET VISUALIZER), descargado de la
página (GitHub, ProjectSPAN/android-manet-visualizer, 2016) e instalado en el
equipo administrador de la red siguiendo los pasos recomendados por fabricante
del software, la conformación de la red se presenta en la Figura 15.

Figura 15. Conformación topología MANET (referencia propia).

Desde el equipo administrador de la MANET con el programa MANET MANAGER
previamente instalado, se puede ver la conformación de diferentes tablas de la
MANET, como por ejemplo: la tabla de enrutamiento, topológica, de vecinos, entre
otras y la ejecución de algunos de los parámetros de evaluación como se presenta
en la Figura 16.

Figura 16. Programa MANET MANAGER información tablas MANET (referencia
propia).

4.2 SEGUNDA FASE: EXPERIMENTAL

4.2.1 Selección del servicio de tele-educación a evaluar.

Después de realizar un estudio detallado del tráfico agregado de todos los
servicios de tele-educación utilizados en el centro de formación del SENA – CTMA
como se puede ver en el Anexo A durante los periodos que se especifican en el
mismo, se decide realizar la evaluación del servicio de video bajo demanda
(videostreaming), el cual es uno de los servicios más utilizados por los aprendices
y funcionarios de la entidad, en promedio este servicio se utiliza un 17.3% del total
de los servicios estudiados, adicionalmente la formación del centro se orienta en la
aula polivalente e inteligente, donde los profesores pueden usar múltiples servicios
tele-informáticos que apoyan la educación, que a la vez permiten interactuar con
los estudiantes remotos o localmente, para lograr el mismo efecto que un docente
en una aula con estudiantes netamente locales. La Figura 7 brinda una visión
general del aula polivalente e inteligente ofreciendo servicios de tele-educación en
tiempo real, donde el profesor puede grabar en video sus clases o tener sus
propios videos como material de formación y después se cargan en un servidor
de videostreaming y se publican por la red, adicionalmente el videostreaming es
uno de los servicios más utilizados en la formación del SENA, donde la
metodología utilizada se centrada en la construcción de la autonomía para
garantizar la calidad de la formación en el marco de la formación por
competencias, el aprendizaje por proyectos y el uso de técnicas didácticas activas
46

que estimulan el pensamiento para la resolución de problemas simulados y reales;
soportadas en la utilización de las tecnologías de la información y la comunicación,
integradas, en ambientes abiertos y pluritecnológicos, que en todo caso recrean el
contexto productivo y vinculan al aprendiz con la realidad cotidiana y el desarrollo
de las competencias basada en el desarrollo de proyectos y soportada por
competencias, donde el instructor se convierte en un orientador, en otras palabras
la formación utilizada en la entidad es orientada a la práctica y el instructor se
convierte en un asesor o tutor de la formación, por tal motivo se resuelve evaluar
el servicio