IEEE 802.11e-2005 o 802.11e es una enmienda aprobada al estándar IEEE 802.11 que define un conjunto de mejoras de calidad de servicio (QoS) para aplicaciones de LAN inalámbrica a través de modificaciones en la capa de control de acceso a medios (MAC). [1] El estándar se considera de importancia crítica para aplicaciones sensibles a retrasos, como voz a través de LAN inalámbrica y transmisión multimedia . La enmienda se ha incorporado al estándar IEEE 802.11-2007 publicado .
La capa MAC 802.11 básica utiliza la función de coordinación distribuida (DCF) para compartir el medio entre múltiples estaciones. (DCF) se basa en CSMA/CA y 802.11 RTS/CTS opcional para compartir el medio entre estaciones. Esto tiene varias limitaciones:
El MAC 802.11 original define otra función de coordinación llamada función de coordinación de punto (PCF). Esto está disponible sólo en el modo "infraestructura", donde las estaciones están conectadas a la red a través de un punto de acceso (AP). Este modo es opcional y sólo muy pocos AP o adaptadores Wi-Fi lo implementan. [ cita necesaria ] Los AP envían tramas de baliza a intervalos regulares (generalmente cada 100 TU o 0,1024 segundos). Entre estos marcos de baliza , PCF define dos períodos: el período libre de contención (CFP) y el período de contención (CP). En el CP se utiliza DCF. En el CFP, el AP envía paquetes de encuesta libre de contención (CF-Poll) a cada estación, una a la vez, para darles el derecho de enviar un paquete. La AP es la coordinadora. Aunque esto permite una mejor gestión de QoS, PCF no define clases de tráfico como es común con otros sistemas QoS (por ejemplo, 802.1p y DiffServ ).
El 802.11e mejora el DCF y el PCF, a través de una nueva función de coordinación: la función de coordinación híbrida (HCF). Dentro del HCF, hay dos métodos de acceso al canal, similares a los definidos en el MAC 802.11 heredado: Acceso controlado al canal HCF (HCCA) y Acceso mejorado al canal distribuido (EDCA). Tanto EDCA como HCCA definen categorías de tráfico (TC). Por ejemplo, los correos electrónicos podrían asignarse a una clase de prioridad baja y la voz a través de LAN inalámbrica (VoWLAN) podría asignarse a una clase de prioridad alta.
EDCA es un mecanismo de QoS compatible con 802.11e. Con EDCA, el tráfico de alta prioridad tiene una mayor probabilidad de ser enviado que el tráfico de baja prioridad: una estación con tráfico de alta prioridad espera un poco menos antes de enviar su paquete, en promedio, que una estación con tráfico de baja prioridad. Esto se logra mediante el protocolo TCMA, que es una variación de CSMA/CA que utiliza un espacio de arbitraje entre tramas (AIFS) más corto para paquetes de mayor prioridad. [3] Los valores exactos dependen de la capa física que se utiliza para transmitir los datos. Además, EDCA proporciona acceso libre de contención al canal durante un período denominado Oportunidad de transmisión (TXOP). Un TXOP es un intervalo de tiempo limitado durante el cual una estación puede enviar tantas tramas como sea posible (siempre que la duración de las transmisiones no se extienda más allá de la duración máxima del TXOP). Si una trama es demasiado grande para transmitirse en una sola TXOP, se debe fragmentar en tramas más pequeñas. El uso de TXOP reduce el problema de que las estaciones de baja velocidad ganen una cantidad excesiva de tiempo de canal en el MAC DCF 802.11 heredado . Un intervalo de tiempo TXOP de 0 significa que está limitado a una única unidad de datos de servicio MAC (MSDU) o unidad de datos de protocolo de gestión MAC (MMPDU).
Los niveles de prioridad en EDCA se denominan categorías de acceso (AC). La ventana de contención (CW) se puede configurar de acuerdo con el tráfico esperado en cada categoría de acceso, siendo necesaria una ventana más amplia para las categorías con mayor tráfico. Los valores CWmin y CWmax se calculan a partir de los valores aCWmin y aCWmax, respectivamente, que se definen para cada capa física compatible con 802.11e.
Para un valor típico de aCWmin=15 y aCWmax=1023, como lo usan, por ejemplo, OFDM (802.11a) y MIMO (802.11n), los valores resultantes son los siguientes:
Los AC se asignan directamente desde los niveles de prioridad de clase de servicio (CoS) a nivel de Ethernet :
El objetivo principal de QoS es proteger los datos de alta prioridad de los datos de baja prioridad. También hay escenarios en los que los datos deben protegerse de otros datos de la misma clase. El Control de Admisiones en EDCA aborda este tipo de problemas. La AP publica el ancho de banda disponible en balizas. Los clientes pueden comprobar el ancho de banda disponible antes de agregar más tráfico.
Wi-Fi Multimedia (WMM) es la especificación Wi-Fi Alliance, que es un subconjunto de IEEE 802.11e. Los AP certificados deben estar habilitados para EDCA y TXOP. Todas las demás mejoras de 802.11e son opcionales.
El acceso controlado al canal (HCCA) de HCF (función de coordinación híbrida) funciona de manera muy similar a PCF. Sin embargo, a diferencia de la PCF, en la que el intervalo entre dos tramas de baliza se divide en dos períodos de CFP y CP, la HCCA permite que las CFP se inicien casi en cualquier momento durante una CP. Este tipo de CFP se denomina fase de acceso controlado (CAP) en 802.11e. El AP inicia un CAP siempre que quiere enviar una trama a una estación o recibir una trama de una estación sin contención. De hecho, la PPC también es una PAC. Durante un CAP, el Coordinador Híbrido (HC), que también es el AP, controla el acceso al medio. Durante el CP, todas las estaciones funcionan en EDCA. La otra diferencia con el PCF es que se definen la clase de tráfico (TC) y los flujos de tráfico (TS). Esto significa que el HC no se limita a hacer cola por estación y puede proporcionar una especie de servicio por sesión. Además, el HC puede coordinar estas transmisiones o sesiones de la forma que elija (no solo por turnos). Además, las estaciones brindan información sobre la duración de sus colas para cada Clase de Tráfico (TC). El HC puede utilizar esta información para dar prioridad a una estación sobre otra, o ajustar mejor su mecanismo de programación. Otra diferencia es que las estaciones reciben una TXOP: pueden enviar múltiples paquetes seguidos, durante un período de tiempo determinado seleccionado por el HC. Durante la CFP, el HC permite que las estaciones envíen datos mediante el envío de tramas CF-Poll.
La HCCA generalmente se considera la función de coordinación más avanzada (y compleja). Con HCCA, la QoS se puede configurar con gran precisión. Las estaciones habilitadas con QoS tienen la capacidad de solicitar parámetros de transmisión específicos (velocidad de datos, fluctuación, etc.) que deberían permitir que aplicaciones avanzadas como VoIP y transmisión de video funcionen de manera más efectiva en una red Wi-Fi.
La compatibilidad con HCCA no es obligatoria para los AP 802.11e. De hecho, pocos (si es que hay alguno) AP disponibles actualmente están habilitados para HCCA. [ cita necesaria ] La implementación de HCCA en estaciones finales utiliza el mecanismo DCF existente para el acceso al canal (no se necesitan cambios en la operación DCF o EDCA). Las estaciones sólo necesitan poder responder a los mensajes de encuesta. En el lado AP, se necesita un programador y un mecanismo de cola.
Además de HCCA, EDCA y TXOP, 802.11e especifica protocolos opcionales adicionales para una QoS mejorada de la capa MAC 802.11:
Además del mecanismo Power Save Polling, que estaba disponible antes de 802.11e, se han introducido nuevos mecanismos de entrega y notificación de ahorro de energía en 802.11e. APSD (entrega automática de ahorro de energía) proporciona dos formas de iniciar la entrega: 'APSD programada' (S-APSD) y 'APSD no programada' (U-APSD). Con APSD, el punto de acceso puede transmitir múltiples tramas juntas a un dispositivo de ahorro de energía durante un período de servicio. Después del final de un período de servicio, el dispositivo entra en un estado de inactividad hasta el siguiente período de servicio. Con S-APSD, los períodos de servicio comienzan según un cronograma predeterminado conocido por el dispositivo de ahorro de energía, lo que permite que el punto de acceso transmita su tráfico almacenado en búfer sin necesidad de señalización alguna. Con U-APSD, cada vez que se envía una trama al punto de acceso, se activa un período de servicio, lo que permite al punto de acceso enviar tramas almacenadas en el búfer en la otra dirección. U-APSD puede adoptar una forma U-APSD "completa" o U-APSD "híbrida". Con Full U-APSD, todos los tipos de tramas utilizan U-APSD independientemente de su prioridad. Con Hybrid U-APSD, se utiliza U-APSD o el mecanismo heredado de Power Save Polling, según la categoría de acceso. S-APSD está disponible para ambos mecanismos de acceso a canales, EDCA y HCCA, mientras que U-APSD está disponible solo para EDCA. [1] [4]
APSD es un método de administración de energía más eficiente que el 802.11 Power Save Polling heredado, lo que lleva a un menor consumo de energía, ya que reduce tanto el tráfico de señalización que de otro modo sería necesario para la entrega de tramas almacenadas en búfer a dispositivos de ahorro de energía por parte de un AP como la tasa de colisiones. entre las encuestas de ahorro de energía, generalmente transmitidas inmediatamente después de la baliza TIM. S-APSD es más eficiente que U-APSD porque los períodos de servicio programados reducen la contención y porque la transmisión entre el punto de acceso y un dispositivo de ahorro de energía comienza sin necesidad de señalización. Un dispositivo de ahorro de energía que utilice U-APSD debe generar tramas de señalización para recuperar el tráfico almacenado en el búfer en ausencia de tráfico de enlace ascendente, como por ejemplo en el caso de las aplicaciones de audio, vídeo o tráfico de mejor esfuerzo que se encuentran en los teléfonos inteligentes actuales. U-APSD es atractivo para teléfonos VoIP , ya que las velocidades de datos son aproximadamente las mismas en ambas direcciones, por lo que no requieren señalización adicional: una trama de voz de enlace ascendente puede desencadenar un período de servicio para la transmisión de una trama de voz de enlace descendente. [5] El U-APSD híbrido es menos eficiente que el U-APSD completo porque el mecanismo de sondeo de ahorro de energía que emplea para algunas categorías de acceso es menos eficiente que el APSD, como se explicó anteriormente. Las ventajas relativas de los distintos mecanismos de ahorro de energía han sido confirmadas de forma independiente mediante simulaciones. [6] [7]
Los reconocimientos de bloque permiten reconocer un TXOP completo en un solo cuadro. Esto proporcionará menos sobrecarga de protocolo cuando se especifiquen TXOP más largas.
En modo QoS, la clase de servicio para las tramas a enviar puede tener dos valores: QosAck y QosNoAck. Los telegramas con QosNoAck no se reconocen. Esto evita la retransmisión de datos en los que el tiempo es muy crítico.
La configuración de enlace directo permite la transferencia directa de tramas de estación a estación dentro de un conjunto de servicios básicos . Esto está diseñado principalmente para uso del consumidor, donde la transferencia de estación a estación se usa más comúnmente. Por ejemplo, al transmitir vídeo a un televisor situado en la sala de estar o imprimir en una impresora inalámbrica en la misma habitación, puede ser más eficaz enviar tramas Wi-Fi directamente entre los dos dispositivos que se comunican, en lugar de utilizar la técnica estándar de siempre enviando todo a través del AP, lo que implica dos saltos de radio en lugar de uno. Además, si el AP está lejos en alguna parte distante de la casa, enviar todas las tramas al AP y viceversa puede requerir que se envíen a una velocidad de transmisión más baja. Sin embargo, DLS requiere la participación del AP para facilitar una comunicación directa más eficiente, y pocos AP, si es que hay alguno, tienen el apoyo necesario para esto. La configuración de enlace directo tunelizado se publicó como 802.11z ( TDLS ), lo que permite a los dispositivos realizar transferencias directas de tramas de estación a estación más eficientes sin soporte del AP. Tanto DLS como TDLS requieren que las estaciones estén asociadas con el mismo AP. Tanto DLS como TDLS mejoran la velocidad y eficiencia de las comunicaciones entre miembros de un conjunto de servicios básicos , pero no facilitan la comunicación entre dispositivos que están cerca entre sí pero que no están asociados con el mismo AP.
La comunicación cercana entre dispositivos no asociados con el mismo AP se puede realizar utilizando tecnologías como Wi-Fi Direct , pero hasta ahora Wi-Fi Direct no ha tenido una adopción generalizada.
La iniciativa Virtual Wi-Fi de Microsoft fue diseñada para lograr el mismo objetivo que DLS. El Wi-Fi virtual permite a los jugadores conectarse de forma inalámbrica mientras acceden a Internet a través de un AP al permitir que los adaptadores de estación tengan múltiples direcciones MAC. [8]