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* Ingeniero Electrnico y MSc. (c) en Ingeniera de Sistemas,Universidad del Norte. Joven investigador en el Grupo deTelecomunicaciones y Seales, Universidad del [email protected]

Correspondencia: Calle 68C n. 65-113, Barranquilla (Colombia).

** Ingeniero Electrnico y en Telecomunicaciones y M. S. enIngeniera, Universidad del Cauca. Docente de tiempo com-pleto del Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica,Universidad del [email protected]

*** Investigador Universidad de San Buenaventura. Ingenierode Sistemas y M. S. (c) en Telecomunicaciones de la Universi-dad Nacional de Colombia. Miembro del Institute of Electrical

and Electronics Engineers (IEEE). Universidad Nacional deColombia. [email protected]

Apoyos y subvenciones: Este proyecto fue nanciado por laDireccin de Investigaciones y Proyectos de la Universidaddel Norte.

Nmero 25Enero-Junio, 2009ISSN: 0122-3461

Anlisis comparativo de tecnologasinalmbricas para una solucin de

servicios de telemedicina

Wireless technologies

comparative analysis for

telemedicine services solution

Csar Viloria Nez*Jairo Cardona Pea**

Carlos Lozano Garzn***


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201Ingeniera & Desarrollo. Universidad del Norte. 25: 200-217, 2009

anlisiscomparativodetecnologasinalmbricaspara

unasolucindeserviciosdetelemedicina

Resumen

En este artculo se presenta un resumen del estudio realizado sobre las principales

tecnologas inalmbricas para la transmisin de informacin, teniendo en cuentalas caractersticas que defnen la mejor opcin adaptada como una solucin deinterconexin de los servicios de telemedicina entre unidades mdicas. Tambin serealiza una comparacin cuantitativa y cualitativa de las principales caractersticasde las tecnologas inalmbricas y se muestra una descripcin ms detallada sobrela tecnologa defnida como la mejor opcin.Palabras clave: 3G, GPRS, redes inalmbricas en malla, telemedicina,Wi-Fi, Wi-MAX.

Abstract

In this paper, a researching over principal wireless technologies to theinformation transmission summary is presented, analyzing the principalfeatures to dene the best option to an interconnection between medicalunits to provide telemedicine services. A quantitative and qualitativecomparison is made over wireless technologies principal features and amore detailed description over the technology dened as the best option.Keywords: 3G, GPRS, wireless mesh networks, telemedicine, Wi-Fi,Wi-MAX.

INTRODUCCIN

Hoy en da, la implementacin de las Tecnologas de la Informacin yComunicaciones (TIC) en distintas reas de la vida cotidiana las ha convertidoen una gran herramienta para el desarrollo de los pases. Las condiciones desalud y la calidad de vida de las personas son aspectos que se han podidomejorar gracias a la tecnologa, as como el intercambio de informacin entreprofesionales y la capacitacin de personal, que para todos estos casos evitan

grandes desplazamientos a quienes residen en zonas apartadas donde nose presentan algunos tipos de servicios. Teniendo en cuenta esta serie deantecedentes, la telemedicina hace posible la universalidad de los serviciosmdicos que facilitan a las comunidades apartadas el acceso a servicios,como los que se presentan en las reas metropolitanas, y que responden alas necesidades particulares de las poblaciones [1].

Para dar acceso a servicios de telemedicina en zonas rurales es preciso con-

templar la alternativa de soluciones inalmbricas mediante la interconexinde los distintos nodos seleccionados, dadas las ventajas que presentan estetipo de tecnologas sobre otras que utilizan medios guiados por la conexin

Fechaderecepcin:4deenerode2009

Fechadeaceptacin:2

1demarzode2009


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Csar Viloria Nez, Jairo Cardona Pea, Carlos Lozano Garzn

fsica [1], [2]. Por esta razn se hace necesario realizar un estudio entre lasdiferentes tecnologas inalmbricas que cumplen con las caractersticasesenciales para prestar servicios de telemedicina. El objetivo del estudioes analizar los distintos aspectos de las tecnologas a n de escoger la ms

apropiada para el caso de la telemedicina en zonas rurales.

A continuacin se presenta una contextualizacin general de la telemedicinay algunos de los servicios que presta. Luego se muestra la descripcin de lasdistintas tecnologas estudiadas con una comparacin entre ellas. Despusse hace una presentacin ms detallada de la tecnologa seleccionada y porltimo, se resumen las conclusiones del estudio realizado.

1. TELEMEDICINA

La Organizacin Mundial de la Salud (OMS) dene la telemedicina comoel suministro de servicios de atencin sanitaria a distancia por medio detecnologas de informacin y telecomunicaciones, con el n de intercambiar

datos para hacer diagnsticos, prevenir enfermedades y accidentes, y formarpermanentemente a profesionales de atencin de salud, que mejoren la

salud de las personas y de las comunidades en que viven [3]. Por su parte,la Asociacin Americana de Telemedicina (ATA por sus siglas en ingls)dene esta disciplina como el intercambio de informacin mdica entre

dos lugares distintos, usando comunicaciones electrnicas, para la salud yeducacin del paciente o el proveedor de los servicios sanitarios, y con eln de mejorar la asistencia del paciente [4].

Por medio de la telemedicina, pacientes en zonas apartadas donde no existen

mdicos especialistas pueden tener acceso a distintos servicios mdicos[5] tales como telecardiologa [6], teledermatologa [7], teleginecologa [8],telerradiologa [9], teleinfectologa [10], entre otros.

Para una red de telemedicina se deben cumplir unos requisitos mnimos detransmisin, como son 64 kbps para imgenes estticas de baja resolucin,384 kbps para imgenes estticas de mediana resolucin y 1.54 Mbps paraimgenes estticas de alta resolucin [11].


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2. COMPARACIN DE TECNOLOGAS INALMBRICAS

Como alternativa para un sistema de interconexin de unidades mdicas, se

encuentran distintos tipos de tecnologas tanto cableadas como inalmbricas.Sin embargo, las tecnologas inalmbricas se muestran como la solucin msapropiada en casos en los que se desea dar acceso a la salud en poblacionesapartadas y de escasos recursos, a diferencia de otras tecnologas cuyaimplementacin signicara costos elevados e inasequibles a este tipo de

comunidades [2]. Tambin se debe tener en cuenta que la gran dispersinpoblacional de las comunidades de zonas apartadas es un factor que limitael ofrecimiento y consiguiente uso de las tecnologas cableadas de empresas

Prestadoras de Servicios de Internet (ISP, por sus siglas en ingls) comoxDSL o Cable MODEM [12].

La gura 1 muestra una comparacin de ancho de banda y rango de cobertura

entre las principales tecnologas inalmbricas presentadas hoy en da [13].De las tecnologas ilustradas en la grca, no se tendr en cuenta para el

estudio la tecnologabluetooth, debido a que esta es una tecnologa para redesde rea personal [14] y no sera apta para interconectar centros de salud.

GPRS 3G WiMAX

WiFi

Bluetooth

Ancho de banda

Ran

godelacobertura

Figura 1. Comparacin de tecnologas inalmbricas respectoa su rango de cobertura y ancho de banda [13]

A continuacin se presenta una descripcin de cada una de las tecnologasrestantes.


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2.1. Wi-Fi

Wi-Fi son las siglas de Wireless Fidelity y comprende una gran cantidad

de estndares para redes de comunicacin inalmbrica basados en lasespecicaciones IEEE 802.11. En sus inicios Wi-Fi fue pensado para conectarredes locales inalmbricas; sin embargo, actualmente se utiliza para elacceso a Internet [15].

En Wi-Fi un punto de acceso inalmbrico (access point) transmite y recibedatos a travs de ondas de radio y los equipos remotos, que cuentan conun transceptor (transmisor-receptor) en una tarjeta de acceso, se comunican

con l como se muestra en la gura 2 [16]. El punto de acceso inalmbrico(access point) se conecta a un MODEM que se comunica de manera cableadacon el ncleo de la red. Por cuestiones de seguridad, mediante un esquemallamado WEP (Wired Equivalent Privacy) los datos reciben un tratamientocriptogrco con cdigos de 128 bits y solo los usuarios con contrasea

pueden acceder a la red [17]. Hoy en da, se utiliza un esquema ms robustollamado WPA: Wi-Fi Protected Access [17].

Cloud-PT

Ncleo de la red

AcessPoint-PTPunto de acceso inalmbrico

PC-PT

PC con interfaz inalmbrica

PC-PT

PC con interfaz inalmbrica

Figura 2. Diagrama de una red Wi-Fi.

Wi-Fi es una tecnologa de rea local que alcanza tasas de transmisinde hasta 54 kbps en un canal de 20 MHz en la banda de 2.4 GHz (bandano licenciada) y opera con modulaciones PSK, QPSK y OFDM [18]. Es una

plataforma bastante escalable y de fcil instalacin. Sin embargo, no garantizacalidad de servicio (QoS) ni brinda mayor seguridad a la informacin quese transmite [20].


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La tabla 1 presenta un resumen conceptual de la familia de estndares IEEE802.11, por los cuales se rige la tecnologa Wi-Fi [19].

Tabla 1Familia de protocolos IEEE 802.11

Estndar Descripcin

802.11 Estndar WLAN original. Soporta de 1 a 2 Mbps.

802.11a Estndar WLAN de alta velocidad en la banda de los 5 GHz. Soporta hasta54 Mbps.

802.11b Estndar WLAN para la banda de 2.4 GHz. Soporta 11Mbps.

802.11eEst dirigido a los requerimientos de calidad de servicio para todas las inter-faces IEEE WLAN de radio.

802.11f Dene la comunicacin entre puntos de acceso para facilitar redes WLAN dediferentes proveedores.

802.11gEstablece una tcnica de modulacin adicional para la banda de los 2.4 GHz.Dirigido a proporcionar velocidades de hasta 54 Mbps.

802.11h Dene la administracin del espectro de la banda de los 5 GHz para su usoen Europa y en Asia-Pacco

802.11iEst dirigido a abatir la vulnerabilidad actual en la seguridad para protocolosde autenticacin y de codicacin.

2.2. WiMAX

WiMAX es la abreviatura de Worldwide Interoperability for Microwave Access,nombre con el que se conoce al grupo de estndares IEEE 802.16, que es unestndar inalmbrico aprobado por el WiMAX frum, al que pertenecenfabricantes de una gran diversidad de productos de telecomunicaciones[21]. La gura 3 muestra un diagrama de conexin de una red WiMAX

compuesta por varias estaciones base.

WiMAX es una tecnologa inalmbrica diseada para una red de reametropolitana con cobertura de 50 km por celda y tasas de transmisinde hasta 70 Mbps, utilizando la tecnologa porttil LMDS (Local MultipointDistribution Service) [22]. La tabla 2 presenta las principales caractersticasde la tecnologa WiMAX [23].

Con ella se mejoran las tecnologas 802.11 en la medida en que puede abarcargrandes reas geogrcas con calidad de servicio [24], sucientes para

transmitir aplicaciones de video que son muy importante en la telemedicina


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[25]. Sin embargo, el hecho de transmitir en una banda licenciada, condicionasu uso a un Proveedor de Servicios de Internet (ISP por sus siglas en ingls);as mismo, como el trco de informacin mdica viaja por Internet, esto

la hace ms insegura y menos conable [26], [27].

Figura 3. Diagrama de una red WiMAX [16]

Tabla 2Principales carctersticas de la tecnologa WiMAX

Caractersticas Descripcin

Sin lnea de vista No requiere lnea de vista entre antena y equipo suscriptor

Modulacin OFDMPermite la transmisin simultnea de varias seales a travsde cable o aire en diversas frecuencias. Usa espaciamientoortogonal de frecuencias para prevenir interferencias.

Antenas inteligentes Soporta mecanismos que mejoran la ecacia espectral en redesinalmbricas y diversidad de antenas

Topologa punto-multi-punto y de malla

Soporta topologa de punto a multipunto y de malla paraconectar suscriptores.

Calidad de Servicio(QoS)

Calica la operacin NLOS sin que la seal se distorsione seve-ramente por la existencia de edicios, o condiciones climticas.

SeguridadEl estndar 802.16 utiliza certicacin X.509 usando DES enmodo CBC.

Bandas bajo licenciaOpera en bandas licenciadas de 2.3GHz y 3.5GHz para comu-nicaciones exteriores.

Contina...


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Canalizacin 5MHz y 10MHz

Codicacin Adaptativa

Modulacin Adaptativa

Ecualizacin Adaptativa

Potencia de transmisin Controlada

Correccin de errores ARQ

Acceso al medio TDMA dinmico

Aprovisionamiento TFTP y DHCP

Alcance 50 km sin lnea de vista, 5 km en reas densamente pobladas.

Aplicaciones Voz, video y datos.

2.3. GPRS(General Packet Radio Service)

GPRS (General Packet Radio Service) es una nueva tecnologa inalmbricaque comparte el rango de frecuencias de la red celular GSM (Global Systemfor Mobile) como muestra la gura 4, utilizando una transmisin de datos

por medio de paquetes. La conmutacin de paquetes es un procedimientoms adecuado tanto para transmitir datos como para la transmisin de voz

[28], [29], en lugar de la conmutacin de circuitos que se vena utilizandoal transmitirse datos en GSH.

Figura 4. Diagrama de una red GPRS [28]


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La tabla 3 muestra una comparacin entre GPRS y otras tecnologas celularesque trabajan de manera similar, como son EDGE (Enhanced Data Rates forGSM Evolution) y 3G (Tecnologa Inalmbrica de Tercera Generacin),

teniendo en cuenta algunas de sus caractersticas [30], [31].

Tabla 3Comparacin entre tecnologas celulares

Tecnologa GPRS EDGE 3G

Frecuencia de operacin 0,8/1,7/1,8 GHz 0,8/1,7/1,8 GHz 1,7/2,1 GHz

Licenciado S S S

Factor de canalizacin 200 kHz 200 kHz 5 MHzVelocidad de transmisin de datos Hasta 114 kbps Hasta 473 kbps Hasta 2 Mbps

Rango de cobertura 5 km o menos 5 km o menos 5 km o menos

Podra pensarse que una red celular sera la solucin perfecta para la trans-misin de informacin entre unidades mdicas porque la cobertura de unared celular abarca gran parte de la supercie de un pas [32]. No obstante,

este tipo de redes han sido diseadas para el trco de voz y no para eltrco de datos. Adems, el hecho de transmitirse a travs de Internet,

implica que el envo de informacin no tenga ningn tipo de calidad deservicio, factor que podra afectar el diagnstico mdico.

2.4. Redes inalmbricas en malla

Una tecnologa inalmbrica que se encuentra emergiendo actualmente es

la tecnologa de redes inalmbricas en malla (Wireless Mesh Networks). Estetipo de redes ofrece cualidades de calidad de servicio, seguridad y robustez,en una plataforma de fcil implementacin como la de una red WiFi, queno tiene estas caractersticas [33], [34].

Las redes inalmbricas Mesh, o redes inalmbricas en malla, constan de unatopologa punto a punto que transmiten la informacin a travs de mltiplessaltos, donde los nodos participantes se comunican a travs de conexiones

redundantes, cooperando entre s para enviar y recibir la informacin comose ilustra en la gura 5 [35]. Una de sus principales ventajas es la capacidad

de congurar dinmicamente enlaces inalmbricos y de establecer al mismo


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tiempo nuevas topologas de red, de modo que, en caso de fallos, los enlacesse puedan recuperar automticamente y se balancee el trco [36].

Figura 5. Diagrama de una red Mesh [35]

Las redes inalmbricas en malla constan de nodos jos, a diferencia delas redes MANET (Mobile Ad Hoc Network), [37]. En una red en mallametropolitana, los usuarios nales acceden a esta por medio de conexiones

locales en la banda de 2.4 GHz conectndose a uno de los nodos Mesh, quea su vez se conectan con otros nodos Mesh en la banda de 5 GHz [33], [38].

2.5. Comparacin entre tecnologas estudiadas

Despus de analizar las diversas tecnologas inalmbricas mencionadasanteriormente, en la tabla V se muestra un resumen de la comparacin deacuerdo a sus principales caractersticas.

Al analizar la informacin contenida en la tabla 4 se observa que todaslas tecnologas, excepto GPRS, cumplen con una tasa de transmisin su-ciente para aplicaciones de audio y video [39], necesarias para serviciosde telemedicina. WiMAX, GPRS y 3G son tecnologas que trabajan en una

banda licenciada [26], [31]. WiFi es una tecnologa que provee una grantasa de transmisin; sin embargo, no garantiza calidad de servicio (QoS)ni es apta para extensas reas [15].


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Tabla 4Comparacin entre tecnologas inalmbricas

Tecnologa WiFi WiMAX GPRS 3G WiMeshEstndares 802.11 802.16 GPRS IMT2000 802.11s

Radio de celda 0,01 - 0,1 km 1 - 15 km 30 km

Banda de transmisin 2.4 GHz,5 GHz

2.3 GHz,3.5 GHz

800 MHz,1800 MHz,1900 MHz

1900 MHz,2100 MHz

2.4 GHz,5 GHz

BW del canal 20 MHz 1.25 - 20 MHz 200 kHz 5 MHz 20 MHz

Tasa de transmisin 54 Mbps 100 Mbps 114 kbps 2 Mbps 54 Mbps

Throughput 36 Mbps 75 Mbps 22 kbps 1,8 Mbps 36 Mbps

Encriptacin WPA, WEP x.509 con DESen modo CBC GEA AES

ModulacinPSK, QPSK,OFDM OFDM GMSK

QPSK -16QAM PSK

Tecnologa de accceso CSMA/CA DAMA - TDMA FDMA - FDD CDMA QDMA

Calidad de servicio No S No S S

Licenciada No S S S No

Seguridad

Libertad debandas

Tasa detransmisin

Cobertura

QoS

Seguridad

Libertad debandas

Tasa detransmisin

Cobertura

QoS

a. Wi-Fi c. Tecnologas Celulares

Seguridad

Libertad debandas

Tasa detransmisin

Cobertura

QoS

Seguridad

Libertad debandas

Tasa detransmisin

Cobertura

QoS

b. WiMAX d. WiMesh

Figura 6. Diagrama web comparativo entre las distintas tecnologas


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La tecnologa de redes en malla combina las cualidades principales quese han mencionado sobre el problema planteado, como son la cobertura,seguridad, calidad de servicio, entre otras. Adems, no trabaja en una banda

de frecuencia licenciada, lo que la hace idnea para la solucin requerida.

La gura 6 muestra un resumen grco del anlisis realizado anteriormente,

que ratica la tecnologa de redes en malla como la mejor opcin para la

interconexin de unidades mdicas en la provisin de servicios de teleme-dicina.

3. TECNOLOGA SELECCIONADA

La tecnologa seleccionada como solucin inalmbrica para interconexin deunidades mdicas en la provisin de servicios de telemedicina es la de redesinalmbricas en malla. La tabla 5 muestra sus principales caractersticas [33].

3.1. Estandarizacin y orientacin en redes inalmbricas en malla

Las redes Mesh se encuentran en proceso de estandarizacin por parte del

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a travs del estndarIEEE 802.11s, que tuvo su primer borrador en el ao 2006 y pronto va adenir su versin nal [40], [41], [42].

El grupo del IEEE que trabaja en el desarrollo del estndar IEEE 802.11s (IEEETask Group TGs) dene la arquitectura de red y el protocolo que se necesitaa partir de la tecnologa IEEE 802.11, para la obtencin de una arquitecturade red que sea autocongurable y soporte la transmisin unicast, multicast

y broadcast, manteniendo el rendimiento de la red en niveles tolerables parala transmisin de aplicaciones multimedia en tiempo real y datos con altastasas de transmisin [43], [44], [45].

En cuanto a la orientacin de la ruta, las WMN (Wireless Mesh Networks) debentener un protocolo de esta naturaleza con capacidad de manejo dinmico ylas conexiones de nodos en la red. Algunos de los principales elementos quese encuentran en el enrutamiento de una red Mesh son: el descubrimiento

de nodo, descubrimiento de fronteras, mediciones de enlaces, clculo derutas, asignacin y control de direcciones IP y manejo de enlaces a redesexternas [45], [46], [47].


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Segn la manera como se controlan los enlaces y sus estados, los protocolosde orientacin de ruta Mesh se clasican en proactivos y reactivos [45], [48].

La orientacin proactiva (por tablas) tiene como caracterstica realizarevaluaciones del estado de los enlaces y actualizar las tablas de instruccinsegn los resultados de dichas evaluaciones. Estos protocolos manejan unagran complejidad y carga del procesador; sin embargo, las redes presentanun buen rendimiento [45], [49].

Por su parte, en la orientacin reactiva (segn demanda) se descubren lasrutas que no operan y se revisan las tablas-guas segn estas situaciones [45].

Para denir el estado de los enlaces y las rutas que consiguientemente deben

seguir los paquetes, se realizan mediciones. Por medio de estas mediciones,el protocolo de orientacin de la ruta calcula su costo, con lo cual se precisaqu tanto se afecta la informacin cuando se transmite para denir mejor

el itinerario [50], [51], [52].

3.2. Solucin propuesta

Despus de haber seleccionado la tecnologa de redes en malla como lasolucin ms apropiada, se propone un modelo, segn se muestra en lagura 7, donde se conectan centros y puestos de salud por medio de enlaces

en la banda de 2.4 GHz con hospitales, los cuales sern los nodos Mesh, yse comunicarn entre s por medio de los enlaces backhaul en la banda de 5GHz formando la malla de la red [32].

CONCLUSIONES

Wi-Fi es una tecnologa que provee una buena tasa de transmisin y poseela caracterstica de su facilidad de instalacin y conguracin. Sin embargo,

no ofrece seguridad en la informacin que transmite, lo cual es un factorcrtico para aplicaciones mdicas. Adems, en funcin de su cobertura, esuna tecnologa que no est en capacidad de abarcar territorios como todoel departamento del Atlntico, aunque su cobertura llegue a todos los

municipios. Dichos factores descartan el uso de esta tecnologa para nesde una red de telemedicina entre las unidades mdicas del departamento.


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Figura 7. Modelo de interconexin propuesto

El problema de la cobertura de Wi-Fi es aparentemente solucionado por la

tecnologa WiMAX, que lleva la tecnologa inalmbrica de un entorno LAN aun entorno MAN, despus de adaptarlo a los requerimientos del problemapropuesto. Sin embargo, esta es una tecnologa cuya banda de operacin seencuentra en un intervalo de frecuencias licenciado. Esto hace que la opcinde WiMAX se limite a tener una conexin de banda ancha con un operadorde Internet en cada unidad mdica para transmitir la informacin a travsde Internet; con esto, la transferencia pierde seguridad y calidad de servicio.

La caracterstica principal de GPRS y de 3G al encontrarse sobre una redcelular, con cobertura por casi toda la extensin de un pas, la hara idneapara la conectividad entre unidades mdicas cuando se proveen serviciosde telemedicina. Sin embargo, el mismo hecho de estar montada sobre estetipo de red, hace que la prioridad de la red sea el trco de voz mas no el

de datos, y que al transmitirse los datos a travs de Internet, esta se hace sinningn tipo de calidad de servicio que podra afectar el diagnstico mdico.Adems, se encuentra tambin el factor de la seguridad en la informacin

transmitida. Por ser informacin de carcter mdico, requiere de ciertostratamientos de condencialidad difciles de aplicar sobre una red celular.

Cobertura

banda 2,4GHz

Enlace banda 5GHz


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La tecnologa Mesh, combina las ventajas de las tecnologas Wi-Fi y WiMAX,por ser una red con altas tasas de trasferencia, segura, con gran rea decobertura y con posibilidad de tener calidad de servicio. Con esta tecnologa,

es posible interconectar unidades mdicas cercanas por medio de acceso Wi-Fi de largo alcance, que si se juntan en un mismo nodo, forman grupos deunidades mdicas que ponen en malla todos los nodos por enlaces backhaulpara tener una interconexin de todas las unidades mdicas.

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