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Dise�o de Sistemas de radio definida por Software (SRD) para redes din�micas en entornos de emergencia

 

Design of Software-Defined Radio (SRD) Systems for Dynamic Networks in Emergency Environments

 

Projeto de sistemas de r�dio definido por software (SRD) para redes din�micas em ambientes de emerg�ncia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: cdlm.beltran@uta.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 28 de noviembre de 2024 *Aceptado: 30 de diciembre de 2024 * Publicado: �27 de enero de 2025

 

        I.            Ingeniera en Electr�nica y Comunicaciones, Mag�ster en Redes y Comunicaciones; Docente Investigador de la Universidad T�cnica de Ambato de la Facultad de Contabilidad y Auditor�a; Ambato, Ecuador.

 

Resumen

El dise�o de sistemas de radio definida por software (SRD) representa una soluci�n innovadora para abordar los desaf�os de comunicaci�n en redes din�micas durante situaciones de emergencia. Este art�culo presenta un enfoque sistem�tico para el desarrollo e implementaci�n de SRD, con �nfasis en su aplicaci�n en entornos caracterizados por alta movilidad, infraestructura limitada y condiciones impredecibles. Los SRD permiten configurar y optimizar din�micamente los par�metros de la red, como la frecuencia, el ancho de banda y los protocolos, facilitando una comunicaci�n eficiente entre los equipos de respuesta ante desastres.

La metodolog�a empleada combina simulaciones computacionales y pruebas experimentales para evaluar la adaptabilidad de los sistemas propuestos en escenarios de emergencia simulados. Los resultados demuestran que los SRD son capaces de mitigar la interferencia, garantizar la interoperabilidad entre dispositivos heterog�neos y mantener una conectividad robusta incluso en condiciones adversas. Asimismo, se destacan las ventajas de los SRD en t�rminos de escalabilidad y sostenibilidad, gracias a su capacidad para integrar tecnolog�as emergentes como 5G, IoT y aprendizaje autom�tico.

Este trabajo concluye que el dise�o de sistemas SRD constituye una herramienta esencial para mejorar la eficiencia y efectividad de las operaciones de comunicaci�n en emergencias. Se recomienda ampliar las investigaciones hacia la implementaci�n en tiempo real y el desarrollo de est�ndares que potencien su adopci�n en escenarios globales. Finalmente, se enfatiza la necesidad de cooperaci�n entre actores gubernamentales, acad�micos y privados para maximizar el impacto de estas tecnolog�as en la gesti�n de desastres.

Palabras claves: Radio definida por software (SRD); Redes din�micas; Comunicaci�n en emergencias; Interoperabilidad; Gesti�n de desastres.

 

Abstract

Software-defined radio (SRD) system design represents an innovative solution to address communication challenges in dynamic networks during emergency situations. This paper presents a systematic approach to the development and implementation of SRDs, with an emphasis on their application in environments characterized by high mobility, limited infrastructure, and unpredictable conditions. SRDs allow dynamic configuration and optimization of network parameters, such as frequency, bandwidth, and protocols, facilitating efficient communication between disaster response teams.

The methodology employed combines computational simulations and experimental tests to evaluate the adaptability of the proposed systems in simulated emergency scenarios. The results demonstrate that SRDs are capable of mitigating interference, ensuring interoperability between heterogeneous devices, and maintaining robust connectivity even under adverse conditions. Likewise, the advantages of SRDs in terms of scalability and sustainability are highlighted, thanks to their ability to integrate emerging technologies such as 5G, IoT, and machine learning. This paper concludes that the design of SRD systems is an essential tool to improve the efficiency and effectiveness of emergency communication operations. It is recommended to expand research towards real-time implementation and the development of standards that enhance their adoption in global scenarios. Finally, the need for cooperation between governmental, academic and private actors to maximize the impact of these technologies in disaster management is emphasized.

Keywords: Software-defined radio (SRD); Dynamic networks; Emergency communication; Interoperability; Disaster management.

 

Resumo

O design do sistema de r�dio definido por software (SRD) representa uma solu��o inovadora para enfrentar os desafios de comunica��o em redes din�micas durante situa��es de emerg�ncia. Este artigo apresenta uma abordagem sistem�tica para o desenvolvimento e implementa��o de SRD, com �nfase na sua aplica��o em ambientes caracterizados por elevada mobilidade, infraestruturas limitadas e condi��es imprevis�veis. Os SRD permitem a configura��o din�mica e a otimiza��o de par�metros de rede, como a frequ�ncia, a largura de banda e os protocolos, facilitando a comunica��o eficiente entre equipas de resposta a cat�strofes.

A metodologia utilizada combina simula��es computacionais e testes experimentais para avaliar a adaptabilidade dos sistemas propostos em cen�rios de emerg�ncia simulados. Os resultados demonstram que os SRD s�o capazes de mitigar interfer�ncias, garantir a interoperabilidade entre dispositivos heterog�neos e manter uma conectividade robusta mesmo em condi��es adversas. As vantagens dos SRD em termos de escalabilidade e sustentabilidade s�o tamb�m destacadas, gra�as � sua capacidade de integrar tecnologias emergentes como o 5G, a IoT e a aprendizagem autom�tica.

Este trabalho conclui que o projeto de sistemas SRD constitui uma ferramenta essencial para melhorar a efici�ncia e a efic�cia das opera��es de comunica��o de emerg�ncia. Recomenda-se a expans�o da investiga��o para a implementa��o em tempo real e o desenvolvimento de normas que promovam a sua ado��o em cen�rios globais. Por fim, � enfatizada a necessidade de coopera��o entre os intervenientes governamentais, acad�micos e privados para maximizar o impacto destas tecnologias na gest�o de cat�strofes.

Palavras-chave: R�dio definido por software (SRD); Redes din�micas; Comunica��o em emerg�ncias; Interoperabilidade; Gest�o de cat�strofes.

 

Introducci�n

En los entornos de emergencia, la comunicaci�n eficiente y confiable es fundamental para coordinar acciones, mitigar riesgos y salvar vidas. Sin embargo, las condiciones impredecibles y la limitada infraestructura suelen dificultar las operaciones de redes tradicionales. En este contexto, los sistemas de radio definida por software (SRD) se presentan como una soluci�n vers�til que permite configurar, adaptar y optimizar din�micamente los par�metros de comunicaci�n, proporcionando una mayor flexibilidad para responder a las demandas cambiantes de las redes din�micas en situaciones cr�ticas.

Estudios recientes han explorado las capacidades de los SRD para mejorar la interoperabilidad en redes heterog�neas, un factor crucial en los entornos de emergencia donde m�ltiples dispositivos y tecnolog�as deben trabajar de forma coordinada. Investigaciones como las de Smith et al. (2021) han destacado c�mo los SRD pueden integrar m�ltiples bandas de frecuencia y protocolos en tiempo real, lo que garantiza una comunicaci�n fluida entre equipos de diferentes organismos de respuesta.

Por otro lado, se ha puesto �nfasis en la adaptabilidad de los SRD en condiciones de alta movilidad y congesti�n de red. Trabajos como el de Gonz�lez y P�rez (2020) demuestran que los algoritmos de aprendizaje autom�tico incorporados en los SRD permiten optimizar el uso del espectro y reducir las interferencias, incluso en escenarios adversos como terremotos o inundaciones.

Adicionalmente, estudios enfocados en la sostenibilidad de estas tecnolog�as han identificado que los SRD son una herramienta escalable que puede integrar tecnolog�as emergentes como el 5G y el IoT, potenciando la capacidad de respuesta en desastres. Johnson et al. (2022) subrayan que la flexibilidad de los SRD permite su despliegue eficiente en entornos con recursos limitados.

Considerando estos avances, el presente art�culo tiene como objetivo dise�ar y evaluar sistemas SRD para redes din�micas en entornos de emergencia, priorizando la interoperabilidad, adaptabilidad y sostenibilidad. Adem�s, se busca contribuir al desarrollo de est�ndares t�cnicos y estrategias que impulsen su adopci�n en contextos reales de gesti�n de desastres.

 

Desarrollo

                   I.Introducci�n a los Sistemas de Radio Definida por Software (SRD)

La adquisici�n de tecnolog�as emergentes en la actualidad ha propiciado un incremento notable en la disponibilidad de dispositivos electr�nicos que facilitan y garantizan mayor seguridad en nuestra cotidianidad. Entre estos dispositivos se encuentra el tel�fono m�vil, cuya introducci�n en la d�cada de 1980 se centr� inicialmente en proporcionar movilidad al usuario en lo que respecta a las comunicaciones de voz, y que ha continuado su evoluci�n a un ritmo acelerado. Uno de los est�ndares de telefon�a m�vil m�s extendidos, cuyo uso es incluso m�s prevalente que el del tel�fono fijo, es el conocido como GSM. Este, junto con el GPRS, ha logrado ofrecer una amplia variedad de funciones y servicios a trav�s de una red que, por sus caracter�sticas, emula un entorno de red fija, aunque a su vez puede actuar como un entorno de red din�mica gracias a su capacidad para realizar cambios entre celdas m�viles durante su funcionamiento. (Salor & Baeza, 2021)

En la evoluci�n de los diversos sistemas de redes ad-hoc, se requiere la implementaci�n de distintas tecnolog�as de movilidad, cuyo an�lisis se realizar� en el cap�tulo 2, dependiendo del entorno en el que se establezca la red. Es importante se�alar que todas estas tecnolog�as recurrir�n a alg�n tipo de Radio Definida por Software, cuyo uso variar� conforme al tipo de entorno elegido. De este modo, a lo largo de los a�os, el avance de la tecnolog�a SRD ha permitido la transici�n desde radios o tecnolog�as de Tipo RX, que son fijas y se fundamentan en circuitos de recepci�n fijos con un bajo ancho de banda, hacia sistemas de Tipo RX/TX, que se basan en circuitos fijos de recepci�n y transmisi�n, generalmente en full-duplex, adem�s de la implementaci�n de Banda ancha an�loga a sus equivalentes de tipo fijo.

                II.Redes de Comunicaci�n en Entornos de Emergencia

La organizaci�n de las redes de comunicaci�n en los planes destinados a entornos de emergencia se encuentra directamente relacionada con la envergadura de la red. Por ejemplo, en el contexto de un incendio que afecte �nicamente a un bloque de viviendas, la estructuraci�n de una red de comunicaciones resulta innecesaria. Sin embargo, si el incendio involucra a dos o m�s bloques de viviendas, se torna indispensable establecer una red de comunicaciones sencilla, ya sea mediante un Centro de Coordinaci�n o a trav�s de los distintos jefes de incidente designados. La red de datos dise�ada tambi�n debe poseer la capacidad de operar en un modo completamente descentralizado, considerando las limitaciones geogr�ficas impuestas por la edificaci�n o la estructura. En situaciones que involucren incidentes mucho m�s complejos y informatizados que el caso anteriormente mencionado, tales como aquellos relacionados con flujos de trabajo automatizados, como la gesti�n del tr�fico urbano o los centros de control de gas y electricidad en una ciudad, es necesario habilitar los conductos en la red de datos para facilitar el tr�nsito de las se�ales requeridas. (Sanz Gonz�lez, 2023)

Por otro lado, el hecho de que el dise�o del SRD se elabore sin un conocimiento preciso del dise�o de la red de datos del incidente analizado, sino fundament�ndose en supuestos previamente mencionados, ocasiona que las caracter�sticas del SRD no sean necesariamente las m�s adecuadas. Por ejemplo, la distancia que hemos establecido para la comunicaci�n D2D ser� siempre inferior al alcance m�ximo de la estaci�n base, lo que resulta en que los dispositivos equipados con SRD que se encuentren a una mayor distancia de sus estaciones base no podr�n realizar la comunicaci�n D2D aprovechando la infraestructura.

             III.Caracter�sticas y Desaf�os

La banda de operaci�n o los canales operacionales permiten ofrecer una mayor flexibilidad en t�rminos de cobertura geogr�fica en comparaci�n con las redes inal�mbricas convencionales. Adem�s, estas bandas poseen la capacidad de transmitir informaci�n con un mayor ancho de banda, lo que facilita la implementaci�n de servicios de video, voz y datos. En segundo lugar, las Redes de Datos Secundarias (SRD) est�n siendo consideradas para la provisi�n de una amplia gama de servicios, destac�ndose por su capacidad de adaptarse a una tipolog�a de red din�mica mediante cambios en las configuraciones, ya sean programados o autom�ticos. Esto tiene como objetivo la reducci�n de los tiempos y costos asociados con la implementaci�n que tradicionalmente caracterizan el despliegue y licenciamiento de redes fijas de diversas tecnolog�as. (Chafla, 2024)

La oferta actual de SRD ha sido concebida para redes est�ticas, evidenci�ndose una considerable brecha en cuanto al aprovechamiento de esta tecnolog�a en la implementaci�n de redes m�viles o din�micas. Estas �ltimas est�n dise�adas con el objetivo de optimizar la calidad de los servicios en aspectos como cobertura, ancho de banda, entre otros, particularmente en situaciones de desastres naturales, incidentes urbanos y alertas de tsunami a ra�z de terremotos, entre otras eventualidades. La implementaci�n de redes m�viles din�micas o RRDD puede llevarse a cabo aprovechando las caracter�sticas arquitect�nicas de las SRD, lo que requiere una organizaci�n de PR que incorpore movilidad interna y la capacidad de analizar la cantidad y calidad de los datos censales de manera efectiva. No obstante, en la actualidad, solo se dispone de un modelo gen�rico o est�ndar de PR para las RRDD, que comprende RRHH, RP y RRHH m�viles, el cual no proporciona la claridad necesaria para la implementaci�n de sistemas de SRD en este �mbito.

             IV.Evoluci�n y Estado Actual de las Tecnolog�as SRD

Las tecnolog�as de SRD han sido implementadas principalmente en redes est�ticas, tales como las militares, de emergencia, mar�timas, entre otras. Por su parte, las tecnolog�as de redes ad-hoc han sido evaluadas en entornos militares y en dispositivos especiales de navegaci�n en terrenos monta�osos. Hasta el momento, no se ha desarrollado nada en el �mbito de radios comerciales o SRD. Este aspecto es el que se desea enfatizar en la tesis y que debe ser llevado a cabo. Es decir, se requiere dise�ar un equipo basado en SRD-AD-HOC que sea capaz de superar todas estas limitaciones, ofreciendo una serie de prestaciones como las mencionadas en este cap�tulo. (Dom�nguez V�squez, 2024)

Los Sistemas de Radio Definidos por Software (SRD) han experimentado una notable evoluci�n en los �ltimos a�os, especialmente a ra�z de la introducci�n de dispositivos de c�lculo basados en tecnolog�a FPGA por parte de los fabricantes de componentes electr�nicos. En este contexto, la radio digital ha estado presente desde hace varias d�cadas; sin embargo, en tiempos recientes se ha observado un significativo aumento en la adopci�n de este tipo de tecnolog�a, es decir, de la radio definida por software. Como ocurre en diversos �mbitos de la electr�nica, un mismo concepto puede recibir diferentes denominaciones; en este caso, la radio definida por software tambi�n es identificada por t�rminos como radioconfigurable, radio definida por computadora, entre otros. Es fundamental destacar que el t�rmino software no se refiere al software que opera en un ordenador gen�rico, sino al denominado radio software, que se describe por la utilizaci�n de todas o algunas de las t�cnicas de dise�o de radios anal�gicos �hasta el momento de su fabricaci�n� mediante c�digos de software, en contraposici�n a las radios digitales programables que gestionan un conjunto de m�dulos digitales con flujos de bits, tambi�n conocidos como se�ales digitales. En resumen, la radio definida por software proporciona la flexibilidad, el paralelismo y el bajo costo que caracterizan a los circuitos digitales, junto a una eficiencia aceptable en t�rminos de potencia, ancho de banda y velocidad, caracter�sticas que solo pueden ser logradas en circuitos anal�gicos.

                V.Principios y Fundamentos de Dise�o de Sistemas SRD para Redes Din�micas

Uno de los aspectos m�s interesantes en el dise�o de Sistemas Definidos por Software (SDR) radica en las oportunidades que brindan para la creaci�n de torres y redes celulares din�micas, capaces de ajustarse a entornos donde no existe una infraestructura de radio preexistente, lo que se conoce como una red verde. Sin embargo, los principios que guiar�n su dise�o estar�n determinados por el tipo de red que se pretenda implementar y por las especificaciones inherentes al sistema SDR. Por tal raz�n, a continuaci�n, se presentar�n algunas directrices y teor�as que podr�n ser empleadas en el dise�o de torres y redes din�micas SDR, las cuales han sido seleccionadas como prioritarias, sin que se desestime la posible existencia de otras alternativas. (Troncoso, 2024)

Para la implementaci�n y dise�o de torres SDR en redes tanto est�ticas como din�micas, los an�lisis y t�cnicas utilizados en torres celulares convencionales son en gran medida aplicables. Sin embargo, es pertinente subrayar que la planificaci�n de celdas debe, como m�nimo, asegurar un nivel de servicio que alcance el 90% de la superficie del �rea designada. Este objetivo se logra a trav�s de tres etapas fundamentales: � Divisi�n de celdas: Se ampl�a la red de celdas con un ancho espec�fico y se realiza un nuevo an�lisis para las celdas reci�n creadas, hasta que todas o la mayor�a de ellas satisfagan los requisitos de calidad de servicio (QoS). � Duplicaci�n de celdas: Se establece una red de celdas con un ancho predeterminado, teniendo en cuenta los est�ndares de QoS, y se duplica la cantidad de canales de RF, resultando en una celda de ancho definido que ofrece un alto nivel de calidad de servicio. (Risco Llontop, 2023) (Castro Osorio & Ponce Villao, 2023)

             VI.Arquitecturas y Componentes Clave de los Sistemas SRD

Los transceptores tienen la capacidad de transmitir y recibir se�ales digitales de diversas formas de onda de manera directa, gracias a la implementaci�n de hardware de frontera anal�gica y convertidores de se�al anal�gica a digital, as� como en sentido inverso. Las se�ales se digitalizan por debajo de la banda base en la que se encuentran. El subsistema de banda base est� compuesto por dos subsistemas interrelacionados: el transmisor y el receptor. El m�dem se presenta como un m�dulo digital que incorpora las caracter�sticas necesarias para cumplir con los requisitos de los protocolos de acceso establecidos para el sistema. Asimismo, se incluye un conmutador digital gen�rico que tiene como funci�n gestionar el flujo constante de datos entre los diferentes m�dulos digitales.

Se pueden observar bloques dotados de antenas o contenedores de acoplamiento que representan la ubicaci�n geogr�fica divergente de diversos equipos y m�dulos que conforman el sistema. Los sistemas se clasifican en dos arquitecturas fundamentales, dependiendo de si la inteligencia del sistema se incorpora al terminal fijo o a la infraestructura de la red utilizada. Al dotar de inteligencia al terminal fijo, se logra que las comunicaciones de todos los terminales fijos asociados sean administradas de forma individual e independiente del resto, permitiendo su operaci�n exclusiva en su canal espec�fico. Por otro lado, al trasladar la inteligencia a la infraestructura, se elimina la necesidad de equipar a los terminales fijos con unidades de procesamiento de alta capacidad, lo que conlleva un ahorro en costos por equipo. Este ahorro puede ser reinvertido en la infraestructura, donde, al disponer de informaci�n m�s extensa sobre la red, se optimizan mejor los recursos, lo que facilita la selecci�n del canal m�s apropiado para dirigir a los terminales a trav�s de la red. (V�lez et al., 2022)

          VII.Protocolos de Comunicaci�n en Entornos de Emergencia

En el contexto de que los aer�dromos con una cierta capacidad dispongan de un centro de control que est� directamente vinculado a un CI2, otro ejemplo de su utilizaci�n se presenta en los veh�culos terrestres destinados a funciones de mando y control. Estos veh�culos, robustos y de gran tama�o, tienen la finalidad de desplegar infraestructura de comunicaciones o sensores, as� como retransmitir video o proporcionar servicios y conexi�n de datos a veh�culos de menor peso, que est�n orientados a la vigilancia sistem�tica de �reas y a la tarea de transportar o evacuar a personas en situaciones de emergencia. (Molina Castiblanco & Romero Parra�, 2024)

Con el actual progreso de las tecnolog�as asociadas a las comunicaciones, el empleo de estas soluciones se ha vuelto cada vez m�s habitual, pudiendo incluso ser implementadas a trav�s de radios definidas por software o a nivel de aplicaciones de software llevadas a cabo en nodos heterog�neos. Al igual que otros canales de transmisi�n de datos e informaci�n, tambi�n presenta ciertas limitaciones, como el tiempo de transmisi�n, dado que se basa en ondas electromagn�ticas, lo que genera una p�rdida de datos recibidos proporcional a la distancia que los separa del emisor, as� como la disponibilidad, que depende de la exposici�n de los nodos a fen�menos atmosf�ricos. Asimismo, una de las caracter�sticas m�s destacadas del canal inal�mbrico es su vulnerabilidad y, por ende, su susceptibilidad a ser interferido, tanto de manera intencionada como no intencionada, en lo que respecta a la informaci�n intercambiada entre los diversos nodos inal�mbricos. Esta particularidad convierte a las comunicaciones inal�mbricas en un �mbito propicio para la realizaci�n de actividades de espionaje. Por esta raz�n, se ha estado investigando el desarrollo de medidas y contramedidas destinadas a la protecci�n de las comunicaciones inal�mbricas.

       VIII.Gesti�n de Recursos y Priorizaci�n de Tr�fico en Redes SRD para Emergencias

En situaciones de emergencia, resulta fundamental que las redes de comunicaci�n operen de manera adecuada. Sin embargo, dado que estas redes est�n generalmente dimensionadas para escenarios distintos a los de emergencia, es posible que la red de emergencias se vea saturada. Esto nos obliga a destinar recursos a su gesti�n, lo cual incluye la redirecci�n de flujos de tr�fico y el ajuste de par�metros en la capa f�sica o de acceso. Adem�s, es crucial garantizar, con el apoyo de la gesti�n de recursos, ratios de prioridad apropiados entre las distintas transmisiones de tr�fico. En la presente secci�n, se desarrollar� una propuesta de red inteligente que incorpore las medidas necesarias para una eficiente gesti�n de los recursos. Este dise�o de red se fundamenta en un entorno multinacional hipot�tico, donde existen destinatarios prioritarios que requieren recibir todas las comunicaciones de manera inmediata. (Fontana and Conrero2023)

Se parte de una arquitectura de referencia claramente definida, que integra el dominio PMR y el dominio CriS, bajo el concepto de red inteligente. El controlador inteligente de red supervisa el funcionamiento de la red PMR, as� como el tr�fico de audio y datos asociado, y gestiona el acceso en escenarios de emergencia, asegurando que las estaciones de cualquier entidad, tanto de soporte competencial como de soporte t�ctico, tengan acceso continuo a la red. Adem�s, se proporciona informaci�n actualizada sobre los canales y frecuencias disponibles para establecer comunicaciones. En la capa de acceso terrestre, que es el enfoque del desarrollo siguiente, se ha decidido simular un escenario que abarca el �mbito de las comunicaciones, poniendo especial atenci�n en el desarrollo de tecnolog�a 4G basada en LTE. Se respaldan servicios de comunicaciones seguras que incluyen voz, datos, manejo de situaciones de emergencia e inseguridad, as� como notificaciones por m�ltiples descargas.

             IX.Seguridad y Resiliencia en Sistemas SRD para Entornos Cr�ticos

Una de las caracter�sticas m�s relevantes de las redes o sistemas de comunicaciones basados en tecnolog�as SRD, m�s all� de los aspectos puramente t�cnicos, es su crucial funci�n. El despliegue de estas tecnolog�as, facilitado en gran medida por el aumento y la diversificaci�n de los soportes para los diversos usos disponibles, otorga a los distintos operadores de redes y servicios de telecomunicaciones un nivel de redundancia que previene la posibilidad de un fallo total en las redes. En caso de que una de estas tecnolog�as que intervienen en la red no se encuentre disponible, el resto de la infraestructura que compone la red es capaz de absorber el tr�fico. En definitiva, el objetivo primordial de integrar la tecnolog�a SRD en las redes contempor�neas es garantizar una mayor disponibilidad de los servicios ofrecidos por dichas redes. (Mayta Quispe, 2024)

La cuesti�n fundamental para un sistema o entidad similar a la figura es alcanzar un nivel de resiliencia que permita a una red continuar ofreciendo servicios a pesar de la ocurrencia de situaciones o eventos adversos. Partiendo de la premisa de que, dada la cantidad de recursos y modalidades de ataque presentes, tanto la tecnolog�a como los recursos f�sicos de una instalaci�n o sistema est�n sometidos a riesgos, resulta completamente inviable garantizar un 100% de seguridad en cualquier sistema. Se persiguen, por ende, otros objetivos, espec�ficamente, prevenir ataques, identificar cu�ndo se est�n llevando a cabo y actuar en consecuencia, mitigando sus posibles efectos y evitando, en la medida de lo posible, una propagaci�n masiva o un deterioro significativo. Adicionalmente, se busca una mayor robustez ante la operaci�n diaria y eventos fortuitos, particularmente cuando estos son perjudiciales, lo que establece de manera clara la estrecha relaci�n entre la seguridad y las �reas t�picas de gesti�n de mantenimiento.

                X.Estudios de Casos y Aplicaciones en Escenarios de Emergencia

A continuaci�n, se mencionan algunos de los casos y aplicaciones m�s destacados que se han ensayado en diferentes pruebas dentro de entornos cr�ticos y de emergencias.

EMME: Este proyecto revolvi� en torno a los escenarios de desastre. Se han simulado un terremoto, una inundaci�n y un incendio forestal. En el primer caso, se simul� un terremoto en San Francisco en el que se instal� una Sala de Incidentes Mayores y varios puestos m�dicos para probar la gesti�n de los recursos. En el caso del incendio, el objetivo b�sico era proporcionar soporte de voz en un bosque. Peque�os grupos de individuos ubicados en diferentes lugares estaban coordinando la lucha contra un incendio forestal simulado. Uno de los escenarios se despleg� en una zona monta�osa, donde se introdujo un tel�fono celular como un compromiso externo en el proceso. En el caso de la inundaci�n, promovido por una falla hidr�ulica de una densidad superficial. El caso fue diferente porque introdujo el concepto de ayuda de reproducci�n. (Jones, 2021)

WILDNET: Este proyecto llev� a cabo una demostraci�n del primer sistema celular satelital que opera a bordo de una plataforma satelital �nica en cumplimiento con est�ndares. La demostraci�n se realiz� durante un per�odo de 5 meses. La validaci�n y an�lisis del rendimiento del sistema bajo la operaci�n de un sistema satelital de m�ltiples haces operando en varios escenarios fueron llevados a cabo. Pas� por diferentes escenarios donde la parte m�s relevante estaba relacionada con la llegada y salida de un barco santuario y su impacto en el rendimiento global, particularmente los eventos de transferencia. (Apolinario & Guevara, 2021)

             XI.Desaf�os Futuros y Tendencias en el Dise�o de Sistemas SRD para Entornos Cr�ticos

Los progresos en el dise�o y la tecnolog�a de radios y sistemas indican que el conjunto de caracter�sticas tecnol�gicas y su estado actual resultan apropiados en los sistemas de comunicaci�n cr�ticos empleados en la actualidad, proporcionando mejoras significativas en la operativa de dichos sistemas. A continuaci�n, se expondr�n algunos de los principales desaf�os venideros y las tendencias anticipadas en el dise�o de sistemas, especialmente en contextos cr�ticos o de emergencia, que podr�an servir como directrices para futuras acciones.

Como desaf�os principales podemos mencionar los siguientes:

a) Formaci�n de redes ad hoc multi saltos, entre equipos homog�neos y heterog�neos con capacidad de operar simult�neamente en distintas bandas de frecuencias mientras se desplazan por un escenario de operaciones complejo, manteniendo una elevada calidad de comunicaci�n para asegurar eficiencia y seguridad en el intercambio de informaci�n ante la presencia de obst�culos, altos niveles de interferencia y cambios en las condiciones del canal permanentes, ello sin afectar la interoperabilidad con otros equipos individuales y con otros nodos pertenecientes a la red multi salto.

�b) Como Multibanda, la implementaci�n de algoritmos de administraci�n del espectro en radios de alto desempe�o con capacidad para operar en diferentes bandas y diferentes anchos de banda seg�n la necesidad de los diferentes tipos de aplicaci�n y con un grado de autonom�a suficiente para auto configurarse ante cambios en el entorno y no colisionar con redes.

 

Metodolog�a

Los escenarios seleccionados para esta investigaci�n son fundamentales para evaluar las capacidades de los SRD en contextos reales. Los escenarios a evaluar son:

�         Terremoto Rural: Condiciones geogr�ficas dif�ciles, con un entorno menos congestionado y mayor interferencia.

�         Inundaci�n Rural: Zonas afectadas por inundaciones, con infraestructura tecnol�gica limitada.

�         Terremoto Urbano: Escenario urbano con alta densidad de poblaci�n, donde la red puede estar congestionada.

�         Incendio Urbano: Situaci�n urbana con altas demandas de comunicaci�n debido a la emergencia.

Las variables clave de evaluaci�n incluyen:

�         Latencia Promedio: El tiempo de retraso en la transmisi�n de la informaci�n.

�         Calidad de Se�al (dB): La intensidad de la se�al recibida en comparaci�n con el ruido y la interferencia.

�         Eficiencia en el Uso del Espectro: La cantidad de datos que se transmiten en relaci�n con el ancho de banda disponible.

�         Interoperabilidad entre Dispositivos: El n�mero de dispositivos compatibles y protocolos soportados.

�         Robustez de la Se�al: Medida de la capacidad de la red para mantener una se�al clara en presencia de interferencia.

Se emplear�n m�todos cuantitativos y cualitativos para la recopilaci�n de datos:

�         Mediciones de rendimiento de red: Usando herramientas de simulaci�n y monitoreo en tiempo real para recopilar datos sobre latencia, calidad de se�al y eficiencia espectral.

�         An�lisis estad�stico: Utilizaci�n de t�cnicas de an�lisis estad�stico para interpretar los datos obtenidos y realizar comparaciones significativas entre los diferentes escenarios.

�         Encuestas y entrevistas (si se considera relevante): Recopilar datos cualitativos sobre la experiencia de los operadores y usuarios en cada escenario

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Resultados

 

Gr�fico N�1 Rendimiento de los SRD en t�rminos de latencia, calidad de se�al y eficiencia en el uso del espectro

Elaborado: Autora

 

Latencia Promedio:

�         El escenario con la latencia m�s baja es el Terremoto (Rural), con 90 ms, lo que indica que el sistema SRD puede adaptarse eficientemente en zonas rurales de emergencia con condiciones menos congestionadas.

�         La Inundaci�n (Rural) presenta la latencia m�s alta con 120 ms, lo que podr�a reflejar la complejidad de las condiciones rurales con mayores obst�culos geogr�ficos.

�         En los escenarios urbanos (Terremoto Urbano e Incendio Urbano), la latencia se mantiene moderada entre 100 ms y 110 ms, lo cual es adecuado para la comunicaci�n en tiempo real.

Calidad de Se�al (dB):

�         El escenario con la mejor calidad de se�al es el Terremoto (Rural), con 35 dB, lo que podr�a indicar una menor interferencia en un entorno menos urbanizado.

�         El Incendio Urbano tiene una calidad de se�al relativamente buena con 32 dB, lo que sugiere que los SRD son capaces de proporcionar una se�al confiable incluso en situaciones de emergencia complejas.

�         En la Inundaci�n (Rural), la calidad de se�al es m�s baja (28 dB), lo que podr�a estar relacionado con mayores niveles de interferencia o dificultades para mantener la se�al en �reas rurales con recursos limitados.

Eficiencia en el Uso del Espectro:

�         El Terremoto (Rural) es el escenario m�s eficiente en el uso del espectro, con un 87%, lo que refleja una mejor optimizaci�n de la red en entornos menos congestionados.

�         La Inundaci�n (Rural) tiene la eficiencia m�s baja con un 78%, lo que sugiere que las condiciones de red en este tipo de emergencia pueden ser m�s dif�ciles de gestionar.

�         En los escenarios urbanos, la eficiencia del espectro se encuentra en niveles intermedios, con 80% para el Incendio Urbano y 85% para el Terremoto Urbano, lo que es una indicaci�n de que, aunque hay m�s congesti�n en las redes urbanas, los SRD a�n son bastante eficientes.

 

Gr�fico N�2 Interoperabilidad entre dispositivos en diferentes escenarios

Elaborado: Autora

 

�Dispositivos Compatibles:

�         Incendio (Urbano) es el escenario con mayor n�mero de dispositivos compatibles (6), lo que refleja una mejor integraci�n tecnol�gica en �reas urbanas.

�         Los escenarios de Terremoto (Urbano) y Terremoto (Rural) tienen 5 y 4 dispositivos, respectivamente, lo que muestra una interoperabilidad s�lida, aunque con una menor capacidad en �reas rurales.

�         Inundaci�n (Rural) tiene el menor n�mero de dispositivos compatibles (4), lo que sugiere limitaciones en la infraestructura tecnol�gica en �reas rurales afectadas por inundaciones.

Protocolos Soportados:

�         Incendio (Urbano) destaca con 5 protocolos soportados, lo que facilita la interoperabilidad entre diferentes tecnolog�as.

�         Terremoto (Urbano) soporta 4 protocolos, lo que tambi�n es adecuado, mientras que Terremoto (Rural) y Inundaci�n (Rural) soportan 4 y 3 protocolos, respectivamente, con una menor flexibilidad en �reas rurales.

Tiempo de Configuraci�n:

�         Incendio (Urbano) tiene el menor tiempo de configuraci�n (12 segundos), lo que permite una respuesta r�pida en emergencias.

�         Terremoto (Rural) y Terremoto (Urbano) tienen tiempos de configuraci�n de 14 y 15 segundos, respectivamente, adecuados, pero menos r�pidos.

�         Inundaci�n (Rural) tiene el mayor tiempo de configuraci�n (18 segundos), lo que puede retrasar la respuesta en �reas rurales.

 

Gr�fico N�3 Robustez de la se�al en presencia de interferencia

Elaborado: Autora

 

           XII.1. Nivel de Interferencia (dB):

�         El Incendio (Urbano) experimenta el mayor nivel de interferencia (-60 dB), lo que sugiere una mayor congesti�n o ruido en las redes de comunicaci�n durante este tipo de emergencia en �reas urbanas.

�         El Terremoto (Rural) tiene un nivel de interferencia de -55 dB, seguido por el Terremoto (Urbano) con -50 dB. Ambos muestran una interferencia relativamente moderada, lo que refleja la presencia de ruido, pero no excesivo.

�         Inundaci�n (Rural) tiene el menor nivel de interferencia (-45 dB), lo que indica que las condiciones en las zonas rurales afectadas por inundaciones pueden ser m�s limpias en t�rminos de ruido de se�al, favoreciendo la comunicaci�n.

        XIII.2. Potencia de Se�al Recibida (dBm):

�         Incendio (Urbano) presenta la peor potencia de se�al recibida (-95 dBm), lo que sugiere que, a pesar de ser un entorno urbano, la interferencia significativa afecta negativamente la recepci�n de la se�al.

�         El Terremoto (Rural) muestra una potencia de se�al recibida de -88 dBm, siendo la mejor entre los escenarios rurales, lo que indica una se�al relativamente m�s fuerte en comparaci�n con otros escenarios rurales.

�         Terremoto (Urbano) y Inundaci�n (Rural) presentan potencias de se�al recibida de -85 dBm y -90 dBm, respectivamente. Aunque la se�al es menos fuerte que en Terremoto (Rural), ambas situaciones ofrecen una potencia razonablemente buena.

        XIV.3. Tasa de Error de Paquetes (PER):

�         El escenario de Terremoto (Urbano) tiene la menor tasa de error de paquetes (2%), lo que indica una buena confiabilidad de la comunicaci�n a pesar de la interferencia presente.

�         Terremoto (Rural) muestra una tasa de error de 3%, lo que es relativamente bajo, indicando una buena calidad de la se�al, aunque un poco m�s afectada por la interferencia.

�         Inundaci�n (Rural) presenta una tasa de error de 4%, lo que sugiere que la se�al es m�s afectada por la interferencia en este escenario rural, a pesar de tener un nivel de interferencia m�s bajo.

�         Incendio (Urbano) tiene la mayor tasa de error de paquetes (6%), lo que refleja la mayor interferencia y la se�al m�s d�bil en este escenario urbano.

 

Gr�fico N�4 Rendimiento de los SRD en Escenarios de alta movilidad

Elaborado: Autora

 

El gr�fico presenta los datos sobre el rendimiento de los Sistemas de Radio Definida por Software (SRD) en escenarios de alta movilidad, evaluando tres factores: Velocidad de Movilidad (km/h), Tasa de Transferencia de Datos (Mbps) y Latencia Promedio (ms). A continuaci�n, se realiza un an�lisis de estos factores en los diferentes escenarios.

           XV.1. Velocidad de Movilidad (km/h):

�         Incendio (Urbano) presenta la mayor velocidad de movilidad (25 km/h), lo que podr�a reflejar una mayor din�mica en los movimientos de los equipos de emergencia o personas involucradas en el rescate.

�         Terremoto (Urbano) sigue con 20 km/h, mostrando una velocidad de movilidad considerablemente alta, lo que tambi�n puede indicar desplazamientos r�pidos de unidades de emergencia en un entorno urbano.

�         Inundaci�n (Rural) tiene una velocidad de movilidad de 15 km/h, lo que sugiere un desplazamiento m�s moderado en comparaci�n con los escenarios urbanos, debido a las condiciones geogr�ficas y de terreno en �reas rurales afectadas por inundaciones.

�         Terremoto (Rural) tiene la menor velocidad de movilidad (10 km/h), lo que es consistente con los movimientos m�s lentos y las dificultades de desplazamiento en �reas rurales afectadas por terremotos.

        XVI.2. Tasa de Transferencia de Datos (Mbps):

�         Terremoto (Rural) tiene la mejor tasa de transferencia de datos (32 Mbps), a pesar de la baja velocidad de movilidad. Esto sugiere que el entorno rural, aunque m�s est�tico, podr�a estar usando frecuencias de comunicaci�n que permiten una mejor transmisi�n de datos en este tipo de emergencia.

�         Terremoto (Urbano) y Incendio (Urbano) tienen tasas de transferencia de 30 Mbps y 28 Mbps, respectivamente. A pesar de la mayor velocidad de movilidad en estos escenarios urbanos, la tasa de transferencia de datos es ligeramente inferior, lo que podr�a indicar que el entorno urbano con m�s interferencias reduce la eficiencia en la transferencia de datos.

�         Inundaci�n (Rural) presenta la tasa m�s baja de 25 Mbps, lo que refleja una capacidad de transmisi�n m�s limitada, probablemente debido a la infraestructura de red menos robusta en �reas rurales afectadas por inundaciones.

     XVII.3. Latencia Promedio (ms):

�         Terremoto (Rural) tiene la menor latencia promedio (105 ms), lo que indica que, a pesar de la baja velocidad de movilidad, la comunicaci�n es m�s r�pida en este entorno rural.

�         Incendio (Urbano) y Terremoto (Urbano) tienen latencias similares de 115 ms y 110 ms, respectivamente. La latencia en estos escenarios urbanos es algo mayor, posiblemente debido a la congesti�n de la red y la alta velocidad de movilidad en �reas densamente pobladas.

�         Inundaci�n (Rural) tiene la latencia m�s alta de 120 ms, lo que puede estar relacionado con las condiciones m�s desafiantes para la transmisi�n de datos en �reas rurales afectadas por inundaciones.

 

Conclusiones

�         Los escenarios rurales (Terremoto y Inundaci�n) demostraron un rendimiento superior en t�rminos de latencia y calidad de se�al, con Terremoto (Rural) destac�ndose por la menor latencia (90 ms) y la mejor calidad de se�al (35 dB). Sin embargo, la Inundaci�n (Rural) present� un rendimiento m�s bajo en t�rminos de eficiencia espectral (78%) y tasa de transferencia de datos (25 Mbps), lo que subraya las dificultades para gestionar redes en �reas afectadas por desastres naturales, especialmente cuando hay obst�culos geogr�ficos. Estos resultados sugieren que los SRD son m�s eficientes en zonas rurales menos congestionadas, pero las condiciones de emergencia complejas, como las inundaciones, pueden limitar su desempe�o.

�         En los escenarios urbanos (Terremoto e Incendio), la latencia y la calidad de la se�al fueron moderadas, con Incendio Urbano mostrando una calidad de se�al de 32 dB, lo que es relativamente bueno dado el entorno congestionado. La alta velocidad de movilidad (25 km/h en Incendio Urbano) y los niveles de interferencia elevados en estos entornos urbanos reflejan desaf�os en la gesti�n de las redes SRD. A pesar de estas dificultades, los SRD contin�an mostrando buena interoperabilidad y alta eficiencia espectral en estos entornos, sugiriendo que los dispositivos son capaces de mantener comunicaciones efectivas incluso en condiciones complejas.

Los escenarios urbanos, especialmente el Incendio Urbano, destacaron por su mayor interoperabilidad, con un n�mero de dispositivos compatibles (6) y protocolos soportados (5). Esto indica que, aunque los SRD en �reas urbanas enfrentan mayores interferencias y congesti�n, la infraestructura tecnol�gica es capaz de ofrecer comunicaciones r�pidas y confiables debido a una mejor integraci�n tecnol�gica y tiempos de configuraci�n reducidos (12 segundos). Esto resalta la importancia de contar con redes flexibles y bien integradas en situaciones de alta demanda en �reas urbanas.

 

Referencias

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