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Sistema inteligente para la gestión de redes wireless de banda ancha en ambientes rurales

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Sistema inteligente para la gestión de redes wireless de banda ancha en ambientes rurales

Frazao, Luis Alexandre Lopes
 
DATE : 2017-11-16
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/889
UNESCO SUBJECT : 1203 Ciencia de Los Ordenadores
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

Las tecnologías informáticas y sus servicios están emergiendo a un ritmo muy rápido, cubriendo todos los sectores de nuestra sociedad y negocios. Internet, que una vez fue conocida como una gran biblioteca de conocimiento, es hoy una "aldea global" donde un usuario común puede comprar, vender, hablar con viejos amigos, conocer nuevos amigos, estudiar e incluso trabajar a distancia. Los datos estadísticos nos muestran que el número de usuarios conectados a Internet está teniendo un crecimiento de alrededor del 10% cada año. Este crecimiento se ha incrementado debido a la caída de los precios de los servicios de tecnología de la información y la comunicación (TIC). Sin embargo, este crecimiento sólo se manifiesta en zonas de alta densidad de población, donde los precios son muy competitivos y la velocidad y los servicios ofrecidos son muy tentadores para el cliente habitual. En la mayoría de los casos, las zonas rurales de baja densidad de población se quedan con tecnología antigua y débil, si es que la hay. La oferta real de Internet no es igual para todos debido a la no rentab ... [+]
Las tecnologías informáticas y sus servicios están emergiendo a un ritmo muy rápido, cubriendo todos los sectores de nuestra sociedad y negocios. Internet, que una vez fue conocida como una gran biblioteca de conocimiento, es hoy una "aldea global" donde un usuario común puede comprar, vender, hablar con viejos amigos, conocer nuevos amigos, estudiar e incluso trabajar a distancia. Los datos estadísticos nos muestran que el número de usuarios conectados a Internet está teniendo un crecimiento de alrededor del 10% cada año. Este crecimiento se ha incrementado debido a la caída de los precios de los servicios de tecnología de la información y la comunicación (TIC). Sin embargo, este crecimiento sólo se manifiesta en zonas de alta densidad de población, donde los precios son muy competitivos y la velocidad y los servicios ofrecidos son muy tentadores para el cliente habitual. En la mayoría de los casos, las zonas rurales de baja densidad de población se quedan con tecnología antigua y débil, si es que la hay. La oferta real de Internet no es igual para todos debido a la no rentabilidad de la implementación de servicios de Internet en las zonas rurales . En estas, donde la densidad de población es muy baja, la tecnología debería ser tan simple y barata como fuese posible. En la última década, las redes inalámbricas basadas en el Protocolo de Internet (IP) se han utilizado en las zonas rurales y los países en desarrollo por las comunidades y grupos de investigación, con la intención de proporcionar un acceso a Internet más barato. Estas redes suelen ser de bajo costo, bien conocidas por los usuarios, y pueden alcanzar una distancia considerable para ser utilizadas en una zona rural. Si bien este tipo de redes inalámbricas en las zonas rurales son rápidas de desplegar, también tienden a desaparecer rápidamente debido a los mismos problemas, que se explican en los siguientes subcapítulos. A partir de la revisión de la literatura se puede afirmar que al diseñar y planificar una red inalámbrica para una zona rural, los investigadores y administradores deben centrarse no sólo en los detalles de instalación, el alto ancho de banda disponible para los usuarios, la visibilidad social y los factores económicos, sino también en los problemas que pueden surgir en el futuro y los recursos necesarios para resolverlos. La solución de problemas requerida en una red inalámbrica rural no siempre es un proceso fácil, especialmente cuando no hay datos o información que pueda ayudar. Incluso para los administradores y técnicos más experimentados, algunas decisiones son difíciles de definir porque la documentación disponible y los datos se olvidan cuando se planea la red. Una buena solución de gestión para las redes inalámbricas en las zonas rurales debe tener en cuenta todos estos aspectos que permiten a la red crecer y ser sostenible durante mucho tiempo. Debido al crecimiento de este tipo de redes, también se están implementando otros tipos de servicios y redes en las zonas rurales. El intercambio de información entre máquinas no es suficiente para lo que podemos lograr. Hay una necesidad de recibir y enviar información de las "cosas" en nuestra vida cotidiana. Internet de las cosas (IoT) se está convirtiendo en presente en nuestra vida cotidiana moderna de las telecomunicaciones. El concepto es la presencia omnipresente en cosas y objetos alrededor de nosotros para recopilar datos e interactuar unos con otros. Esta presencia en "cosas" abre oportunidades en proyectos en diferentes campos de interés (agricultura, militar, logística, transporte, seguridad, medicina, industria, domótica y robótica). Los últimos avances en zonas rurales se está haciendo con las redes de sensores inalámbricos en agricultura a través del control de las características del suelo y el aire, como la humedad o la temperatura del suelo, pero también en los campos médicos y de seguridad proporcionando sensores que controlan a los ancianos y otras personas que necesitan asistencia constante en sus hogares. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos utilizados en el IoT tiene recursos limitados, no sólo en la capacidad de proceso y de memoria, sino también en la potencia de la batería y la intensidad de la señal de comunicación. Los dispositivos típicos en IoT están equipados con muy pocos microcontroladores que tienen baja capacidad de memoria RAM y de almacenamiento. Administrar y monitorizar esta red de IoT puede ser un desafío mayor, debido a las muchas restricciones y limitaciones mencionadas anteriormente. Una visión de Ericson es que en 2020, más de 50 millones de dispositivos cambiarán la forma en que interactuamos unos con otros, incluyendo nuestras "cosas" y objetos. Con un número tan alto de dispositivos, es imposible gestionar cada nodo individualmente. Una solución de gestión adecuada es necesaria para estos tipos de redes, especialmente las que coexisten con la red inalámbrica en las zonas rurales. Alcance y Motivación Esta tesis contribuye a la investigación en múltiples áreas, muchas de las cuales están experimentando un gran desarrollo y dirigirán nuestro trabajo a futuras investigaciones en el futuro. La investigación en el desarrollo de condiciones y la implementación de tecnología informática en las zonas rurales es un problema difícil debido a las limitaciones de estas áreas. Para implementar tal escenario es necesario investigar todos los aspectos del despliegue de una red inalámbrica y todos sus servicios asociados. Hay una amplia gama de líneas de investigación en esta área que motivó profundamente nuestro trabajo de investigación. Una de las características clave de nuestro trabajo es el uso de la inteligencia artificial para crear funciones que ayuden a los administradores de las redes a lograr una buena calidad de red inalámbrica para los usuarios finales. Las redes informáticas y todos sus dispositivos y servicios generan muchos flujos de información que pueden ser utilizados en la inteligencia artificial, como el reconocimiento de patrones para generar acciones automáticas en la red y sus dispositivos. Los algoritmos implementados deben provenir de una experiencia de aprendizaje y un conocimiento previo de los servicios y dispositivos de la red. Otra característica de nuestro trabajo es el despliegue de un caso real. Esto fue muy motivador porque nuestro trabajo contribuyó a ayudar a una comunidad de personas y negocios. Al desplegar una red inalámbrica en una zona rural que se conecta a Internet, estábamos mejorando la vida de muchas personas. En estas áreas, Internet puede disminuir el aislamiento y la soledad que la mayoría de los ancianos tienen en sus hogares. Esto potencia la igualdad entre personas de diferentes generaciones y lugares. También ha contribuido a crear muchas oportunidades de investigación que nos permitan seguir investigando y creando servicios e implementaciones para el escenario implementado. Objetivos y metodología El objetivo principal de esta tesis es identificar los requisitos para administrar y monitorizar una red de área rural inalámbrica y crear un modelo de gestión que apoye la administración de la red inalámbrica lo más fácil, económico y sostenible posible. Con base en estudios recientes en áreas rurales, identificamos los problemas y resultados de cada estudio para obtener nuestro modelo de gestión. Los objetivos de esta tesis son: • Estudiar e identificar problemas y resultados obtenidos en proyectos de redes inalámbricas en áreas rurales o en países en desarrollo; • Estudiar e identificar, usando diferentes enfoques, como administrar y monitorizar dispositivos de bajos recursos usados en redes de sensores inalámbricos; • Creación de un modelo de gestión capaz de: o Supervisar todos los dispositivos de red activos y sus servicios, con el fin de identificar problemas; o Realizar una constante recolección de datos de todos los dispositivos de red activos y sus servicios con el fin de detectar, anticipar y ayudar en el diagnóstico de problemas; o Crear una base de datos para almacenar toda la información a fin de servir de base para herramientas de diagnóstico y prevención de problemas (modelo predictivo); o Identificar sistemas inteligentes que podrían ser utilizados para mejorar la red para ser autónomo y autosostenible, minimizando así su costo y maximizando su longevidad y sostenibilidad; o Utilizar herramientas gráficas para presentar toda la información recopilada de manera fácil y efectiva a los administradores; o Monitorizar el comportamiento de los usuarios para establecer procesos de calidad de los servicios; o Proporcionar una herramienta gráfica para mostrar eventos o problemas importantes para todos los usuarios de la red; o Implementar el modelo de gestión en un área rural para demostrar su importancia en la sostenibilidad y para mostrar la importancia de estas redes inalámbricas. Para cada objetivo de esta tesis, se requirió una investigación sobre el estado del arte. En primer lugar, se realizó una investigación sobre las tecnologías inalámbricas para identificar posibles soluciones, pero también para transmitir algunos conocimientos al proceso de implementación de nuestros resultados. Por otro lado, se utilizó el trabajo realizado por los investigadores en el despliegue de redes inalámbricas en zonas rurales para identificar las limitaciones y dificultades que tenían, pero también para aprender de sus errores y soluciones en la gestión y monitorización de estas redes inalámbricas. Como resultado, el modelo propuesto para la gestión de una red inalámbrica se basó en este estado del arte. La implementación de este modelo en un proyecto real permite obtener datos y retroalimentación de las personas que utilizan la red. Con la cantidad de información disponible, se hizo una investigación adicional para estudiar qué métodos se podrían utilizar para aplicar inteligencia en la red usando algoritmos, técnicas probabilísticas y de aprendizaje automático. Modelo de Gestión para Redes Inalámbricas en Áreas Rurales Hemos propuesto un innovador modelo de gestión de redes inalámbricas en las zonas rurales, en donde hemos podido concentrar nuestro esfuerzo creando alternativas a los problemas identificados anteriormente. Las características de las redes inalámbricas rurales requieren que las soluciones de gestión sean económicas y no requieran equipos especializados a tiempo completo ni visitas sistemáticas de campo. La arquitectura del modelo de gestión se divide en varios módulos que tienen los mismos objetivos: reducción de costes y automatización de una gestión remota. La monitorización de dispositivos y servicios, junto con las herramientas de diagnóstico y prevención, permiten al gestor de red conocer en tiempo real la red, los dispositivos y su estado de servicio. La creación de informes históricos y gráficos de valores de los dispositivos y sus servicios, son herramientas que ayudan al administrador a prevenir y resolver problemas. El modelo también propone soluciones automatizadas de resolución de problemas a través de herramientas de recuperación automática que, aunque no pueden ser 100% eficaces, son capaces de realizar tareas de resolución de problemas sin necesidad de presencia humana. Al aplicar inteligencia a las funciones de monitorización, el modelo garantiza a los administradores un mantenimiento seguro y libre de tensión de la red. Además, la solución permite instalar un nuevo dispositivo en la red sin necesidad de la presencia de un administrador o personal especializado, reduciendo así los costes y maximizando la sostenibilidad de la red. Esta solución también permite actualizar constantemente los dispositivos. Cuando estas herramientas de recuperación no son efectivas, el modelo proporciona accesos alternativos de diagnóstico de copia de seguridad que permiten a los administradores alcanzar zonas de la red que, debido a algún problema, pueden haberse vuelto inaccesibles. Esta solución puede ahorrar tiempo de desplazamiento a los lugares de ubicación de los dispositivos, algunos de los cuales son difíciles de acceder debido a las topologías de terreno en las zonas rurales. Se presenta también un portal web de información para proporcionar información relevante y objetiva a los usuarios de la red. Siendo un portal de visita obligada para los usuarios, se puede utilizar para crear espacios publicitarios virtuales para que el proyecto sea financieramente todavía más autosostenible. Finalmente, el modelo propone la monitorización de usuarios para evitar abusos de tráfico y el uso de sistemas de calidad de servicio (QoS) para crear prioridad en algunos tipos de tráfico de aplicaciones, como Voz sobre IP o transmisión de video. La solución permite mejorar el rendimiento de la red mediante la toma de decisiones inteligentes basadas en el estado actual de las variables de tráfico de la red que resultará en un uso justo de la misma y mejorará la calidad de la experiencia para todos los usuarios. Las ventajas que estos sistemas inteligentes pueden aportar a las redes inalámbricas de las zonas rurales se centran en reducir los costes de instalación, mantenimiento y mejora del rendimiento de la red. Esto permite a la red crecer sostenible y crear condiciones para que los usuarios sigan utilizando la red con su máximo rendimiento. Resultado en la implementación del modelo de gestión El modelo de gestión se aplicó mediante el despliegue de una red inalámbrica en el proyecto "Memória Online" ubicado en Memória, un pequeño pueblo del centro de Portugal. Las características del pueblo elegido y su localización están clasificados como área rural. Para este proyecto, se instaló una solución de monitorización de código abierto con el fin de permitir la configuración de todo tipo de dispositivos y servicios, independientemente del fabricante o la arquitectura. Este software permite la creación de plugins para monitorizar cualquier servicio o información que sea necesaria. Esto permite que el software sea escalable y su funcionalidad casi interminable. Se ha realizado la interacción de este servicio de monitorización con otras aplicaciones permitiendo aprovechar los datos de monitorización para otras aplicaciones. El uso del histórico y la creación de gráficos y mapas disponibles para el administrador a través de interfaces gráficas intuitivas y fáciles de usar, facilita la monitorización, la identificación rápida y resolución efectiva de problemas así como la prevención de los mismos. A través de la comparación de comportamientos entre dispositivos, el administrador puede adoptar una actitud proactiva sobre eventos y comportamientos futuros, evitando así movimientos innecesarios y pérdida de tiempo. La configuración realizada en estos dispositivos permite la ejecución automática de comandos predefinidos en caso de fallo, permitiendo en algunos casos resolver problemas en el momento exacto en que se producen. Los usuarios pueden ser monitorizados y supervisados debido a la configuración de proxies y la creación del portal web. El primer proxy tiene como objetivo controlar el tráfico web con el fin de evitar abusos en la descarga de ciertos tipos y tamaños de archivos. Aunque las velocidades se reducen en descargas de archivos grandes, permite que la red sea viable para todos los usuarios. Dado que la conexión a Internet es de 8Mbps con una tasa de contención de 1 a 50, es necesario racionar muy bien el acceso al ancho de banda. Los resultados han sido satisfactorios, ya que el tráfico generado por los usuarios es elevado, teniendo en cuenta las restricciones de tráfico aplicadas. El segundo proxy tiene como objetivo redirigir la primera acción del usuario al portal web. En este portal, es posible poner a disposición de la comunidad mensajes importantes y dar a conocer a las entidades que hacen posible la ejecución del proyecto. Además, en el portal web, los usuarios se registran automáticamente en una base de datos que monitoriza constantemente su tráfico en la red. El resultado de esta monitorización permite obtener un conocimiento estadístico sobre el uso de la red. La puesta en práctica del modelo de gestión ha dado como resultado una infraestructura de red sostenible y estable en el área rural de Memória. La gran retroalimentación dada por los residentes que utilizan la red son satisfactorios para el proyecto. Las autoridades locales también están disfrutando del excelente servicio que está disponible para toda la comunidad. Sin el estudio y desarrollo de este modelo de gestión, la longevidad de esta red estaría en peligro. [-]

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