IEEE 802.11e-2005

La capa MAC básica 802.11 utiliza la función de coordinación distribuida (DCF) para compartir el medio entre múltiples estaciones. La DCF se basa en CSMA/CA y, opcionalmente, en 802.11 RTS/CTS para compartir el medio entre estaciones. Esto presenta varias limitaciones:

• Si muchas estaciones intentan comunicarse al mismo tiempo, se producirán muchas colisiones que reducirán el ancho de banda disponible y posiblemente conducirán a un colapso por congestión .
• No existen garantías de calidad de servicio (QoS). En particular, no se distingue entre tráfico de alta o baja prioridad.

El MAC 802.11 original define otra función de coordinación llamada función de coordinación de punto (PCF). Esta solo está disponible en el modo "infraestructura", donde las estaciones se conectan a la red a través de un punto de acceso (AP). Este modo es opcional, y solo muy pocos AP o adaptadores Wi-Fi lo implementan. Los AP envían tramas de baliza a intervalos regulares (normalmente cada 100 TU o 0,1024 segundos). Entre estas tramas de baliza , PCF define dos períodos: el período sin contención (CFP) y el período de contención (CP). En el CP, se utiliza DCF. En el CFP, el AP envía paquetes de sondeo sin contención (CF-Poll) a cada estación, uno a la vez, para darles el derecho a enviar un paquete. El AP es el coordinador. Aunque esto permite una mejor gestión de QoS, PCF no define clases de tráfico como es común en otros sistemas de QoS (por ejemplo, 802.1p y DiffServ ).

EDCA es un mecanismo de QoS compatible con 802.11e. Con EDCA, el tráfico de alta prioridad tiene 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 entre tramas de arbitraje (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 sin contención al canal durante un período llamado Oportunidad de Transmisión (TXOP). Una 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 exceda la duración máxima de la TXOP). Si una trama es demasiado grande para ser transmitida en una sola TXOP, debe fragmentarse en tramas más pequeñas. El uso de TXOP reduce el problema de que las estaciones de baja velocidad obtengan una cantidad excesiva de tiempo de canal en el protocolo MAC 802.11 DCF heredado . Un intervalo de tiempo TXOP de 0 significa que está limitado a una sola unidad de datos de servicio MAC (MSDU) o unidad de datos de protocolo de administración MAC (MMPDU).

En EDCA, los niveles de prioridad se denominan categorías de acceso (CA). La ventana de contención (VC) se puede configurar según el tráfico previsto en cada categoría de acceso, requiriéndose una ventana más amplia para las categorías con mayor tráfico. Los valores de VCmin y VCmax se calculan a partir de los valores de VCmin y VCmax, respectivamente, definidos para cada capa física compatible con 802.11e.

Para un valor típico de aCWmin=15 y aCWmax=1023, como el utilizado, por ejemplo, por OFDM (802.11a) y MIMO (802.11n), los valores resultantes son los siguientes:

Las clases de acceso (AC) se asignan directamente a partir de 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 de baja prioridad. También existen situaciones en las que es necesario proteger los datos de otros datos de la misma clase. El control de admisión en EDCA aborda este tipo de problemas. El punto de acceso publica el ancho de banda disponible mediante balizas. Los clientes pueden consultar el ancho de banda disponible antes de añadir más tráfico.

Wi-Fi Multimedia (WMM) es la especificación de Wi-Fi Alliance, que es un subconjunto de IEEE 802.11e. Los puntos de acceso certificados deben tener habilitados EDCA y TXOP. Todas las demás mejoras de 802.11e son opcionales.

El acceso al canal controlado (HCCA) con función de coordinación híbrida (HCF) funciona de forma muy similar a PCF. Sin embargo, a diferencia de PCF, donde el intervalo entre dos tramas de baliza se divide en dos periodos (CFP y CP), HCCA permite que las CFP se inicien prácticamente en cualquier momento durante una CP. Este tipo de CFP se denomina Fase de Acceso Controlado (CAP) en 802.11e. El punto de acceso (AP) inicia una CAP cuando desea enviar o recibir una trama de una estación sin contención. De hecho, la CFP también es una CAP. Durante una CAP, el Coordinador Híbrido (HC), que también es el AP, controla el acceso al medio. Durante la CP, todas las estaciones funcionan en EDCA. Otra diferencia con 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 la gestión de colas por estación y puede proporcionar un servicio por sesión. Además, el HC puede coordinar estos flujos o sesiones de la forma que prefiera (no solo mediante round-robin). Asimismo, las estaciones proporcionan información sobre la longitud de sus colas para cada clase de tráfico (TC). El HC puede utilizar esta información para dar prioridad a una estación sobre otra o para ajustar mejor su mecanismo de programación. Otra diferencia es que a las estaciones se les asigna un TXOP: pueden enviar varios paquetes seguidos durante un período de tiempo determinado por el HC. Durante el CFP, el HC permite a las estaciones enviar datos mediante tramas CF-Poll.

HCCA se considera generalmente la función de coordinación más avanzada (y compleja). Con HCCA, la calidad de servicio (QoS) se puede configurar con gran precisión. Las estaciones con QoS habilitada pueden solicitar parámetros de transmisión específicos (velocidad de datos, fluctuación, etc.), lo que permite que aplicaciones avanzadas como VoIP y la transmisión de vídeo funcionen de forma más eficaz en una red Wi-Fi.

La compatibilidad con HCCA no es obligatoria para los puntos de acceso 802.11e. De hecho, pocos (o ninguno) de los puntos de acceso disponibles actualmente son compatibles con HCCA. La implementación de HCCA en las estaciones finales utiliza el mecanismo DCF existente para el acceso al canal (no se requiere ningún cambio en el funcionamiento de DCF o EDCA). Las estaciones solo necesitan poder responder a los mensajes de sondeo. En el lado del punto de acceso, se requiere un mecanismo de planificación y colas.

Además del mecanismo de sondeo de ahorro de energía, disponible antes de 802.11e, se introdujeron nuevos mecanismos de entrega y notificación de ahorro de energía en 802.11e. APSD (entrega automática de ahorro de energía) ofrece dos formas de iniciar la entrega: APSD programada (S-APSD) y APSD no programada (U-APSD). Con APSD, el punto de acceso puede transmitir varios tramas simultáneamente a un dispositivo de ahorro de energía durante un período de servicio. Tras finalizar un período de servicio, el dispositivo entra en estado de reposo hasta el siguiente período de servicio. Con S-APSD, los períodos de servicio comienzan según una programación predeterminada conocida por el dispositivo de ahorro de energía, lo que permite al punto de acceso transmitir su tráfico almacenado en búfer sin necesidad de señalización. 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 búfer en la otra dirección. U-APSD puede adoptar una forma completa o híbrida. Con U-APSD completo, todos los tipos de tramas utilizan U-APSD independientemente de su prioridad. Con U-APSD híbrido, se utiliza U-APSD o el mecanismo de sondeo de ahorro de energía heredado, según la categoría de acceso. S-APSD está disponible para ambos mecanismos de acceso al canal, EDCA y HCCA, mientras que U-APSD solo está disponible para EDCA. ^{[ 1 ] [ 4 ]}

APSD es un método de administración de energía más eficiente que el método heredado 802.11 Power Save Polling, lo que resulta en 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 los dispositivos de ahorro de energía por parte de un AP como la tasa de colisión entre los sondeos de ahorro de energía, que normalmente se transmiten inmediatamente después del TIM de baliza. 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 utiliza U-APSD debe generar tramas de señalización para recuperar el tráfico almacenado en búfer en ausencia de tráfico de enlace ascendente, como por ejemplo en el caso de aplicaciones de audio, video 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 prácticamente las mismas en ambas direcciones, por lo que no requiere señalización adicional: una trama de voz de enlace ascendente puede activar 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 diversos mecanismos de ahorro de energía se han confirmado de forma independiente mediante simulaciones. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Los acuses de recibo en bloque permiten que se confirme un TXOP completo en una sola trama. Esto reduce la sobrecarga del protocolo cuando se especifican TXOPs más largos.

En el modo QoS, la clase de servicio para las tramas que se envían puede tener dos valores: QosAck y QosNoAck. Las tramas con QosNoAck no reciben confirmación. Esto evita la retransmisión de datos críticos en cuanto al tiempo.

La configuración de enlace directo (DLS) permite la transferencia directa de tramas entre estaciones dentro de un conjunto de servicios básico . Está diseñada principalmente para uso doméstico, donde la transferencia entre estaciones es más común. Por ejemplo, al transmitir vídeo a un televisor en la sala de estar o imprimir en una impresora inalámbrica en la misma habitación, puede ser más eficiente enviar tramas Wi-Fi directamente entre los dos dispositivos que se comunican, en lugar de utilizar la técnica estándar de enviar todo a través del punto de acceso (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 de vuelta puede requerir que se envíen a una velocidad de transmisión menor. Sin embargo, DLS requiere la participación del AP para facilitar la comunicación directa más eficiente, y pocos AP, si acaso alguno, tienen el soporte necesario para esto. La configuración de enlace directo tunelizado ( TDLS ) se publicó como 802.11z, lo que permite a los dispositivos realizar transferencias de tramas directas entre estaciones más eficientes sin soporte del AP. Tanto DLS como TDLS requieren que las estaciones estén asociadas al mismo AP. Tanto DLS como TDLS mejoran la velocidad y la eficiencia de las comunicaciones entre los miembros de un conjunto de servicios básicos , pero no facilitan la comunicación entre dispositivos que están cerca unos de otros pero que no están asociados al mismo punto de acceso.

La comunicación entre dispositivos cercanos que no están asociados al mismo punto de acceso 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 se diseñó para lograr el mismo objetivo que DLS. Virtual Wi-Fi permite a los jugadores conectarse de forma inalámbrica mientras acceden a Internet a través de un punto de acceso, al permitir que los adaptadores de estación tengan múltiples direcciones MAC. ^{[ 8 ]}