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802.11e para QoS

802.11e para QoS

La tecnología Wi-Fi basada en el estándar 802.11 ahora se usa ampliamente. No solo se utiliza para proporcionar una funcionalidad de LAN inalámbrica real (WLAN), sino que también se utiliza ampliamente para proporcionar conectividad móvil localizada en términos de "hotspots". Se encuentran disponibles una variedad de versiones de IEEE 802.11: 802.11a, 802.11b, 802.11g, y estos diferentes estándares proporcionan diferentes velocidades de rendimiento de datos y operan en diferentes bandas.

Una de las principales deficiencias del desarrollo de aplicaciones para Wi-Fi es que no es posible asignar una calidad de servicio requerida para la aplicación en particular. Ahora, con IEEE 802.11e, se está abordando el problema de la calidad de servicio o QoS.


La necesidad de QoS

El tema de la calidad de servicio, QoS en 802.11 Wi-Fi es de particular importancia en algunas aplicaciones y, en consecuencia, 802.11e lo está abordando. Para aplicaciones de navegación como la navegación web en Internet o el envío de correos electrónicos, los retrasos en la recepción de respuestas o el envío de datos no tienen un impacto importante. Da lugar a descargas lentas o pequeños retrasos en el envío de correos electrónicos. Si bien puede tener una pequeña molestia para el usuario, no hay un impacto operativo real en el servicio que se brinda. Sin embargo, para aplicaciones como la transmisión de voz o video, como Voz sobre IP, VoIP, hay un impacto mucho mayor y esto crea una necesidad mucho mayor de 802.11e. Los retrasos, la inestabilidad y la falta de paquetes hacen que el sistema pierda los datos y la calidad del servicio sea deficiente. En consecuencia, para estas aplicaciones sensibles al tiempo, es necesario poder priorizar el tráfico. Esto solo se puede hacer asignando un nivel de prioridad de servicio a los paquetes que se envían, y ahora todo esto está siendo abordado por el estándar IEEE 802.11e.


Capa MAC

La forma en que se transmiten y controlan los datos tiene un gran impacto en la forma en que se logra la QoS. Esto está determinado en gran medida por la forma en que opera la capa de control de acceso al medio (MAC). Dentro de 802.11 hay dos opciones para la capa MAC. El primero es un esquema de control centralizado que se conoce como la función de coordinación de puntos (PCF), y el segundo es un enfoque basado en la contención llamado función de coordinación distribuida (DCF). De estos pocos fabricantes de chips y equipos han implementado PCF y la industria parece haber adoptado el enfoque DCF.

El modo PCF admite flujos de tráfico sensibles al tiempo hasta cierto punto. Los puntos de acceso inalámbricos envían periódicamente tramas de baliza para comunicar la gestión y la identificación de la red que es específica de esa WLAN. Entre el envío de estos marcos, PCF divide el marco de tiempo en un período libre de contención y un período de contención. Si PCF está habilitado en la estación remota, puede transmitir datos durante los períodos de sondeo libres de contención. Sin embargo, la razón principal por la que este enfoque no se ha adoptado ampliamente es porque los tiempos de transmisión no son predecibles.

El otro esquema, DCF usa un esquema llamado Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA / CA). Dentro de este esquema, la capa MAC envía instrucciones para que el receptor busque otras portadoras transmitiendo. Si no ve ninguno, envía su paquete después de un intervalo dado y espera una confirmación. Si uno no lo recibe, entonces sabe que su paquete no se recibió correctamente. Luego espera un intervalo de tiempo determinado y también verifica el canal antes de volver a intentar enviar su paquete de datos.

En términos más exactos, el transmisor utiliza una variedad de métodos para determinar si el canal está en uso, monitoreando la actividad en busca de señales reales y también determinando si se puede esperar alguna señal. Esto se puede lograr porque cada paquete que se transmite incluye un valor que indica el período de tiempo que la estación transmisora ​​espera ocupar el canal. Esto lo notan las estaciones que reciben la señal, y solo cuando este tiempo ha expirado pueden considerar transmitir.

Una vez que el canal parece estar inactivo, la futura estación transmisora ​​debe esperar un período igual al Espacio entre cuadros de DCF (DIFS). Si el canal ha estado activo, primero debe esperar un tiempo consistente en el DIFS más un número aleatorio de intervalos de tiempo de retroceso. Esto es para garantizar que si dos estaciones están esperando para transmitir, no transmitan juntas y luego transmitan juntas repetidamente.

Para esto se utiliza un tiempo conocido como Ventana de Contención (CW). Este es un número aleatorio de ranuras de retroceso. Si un transmisor que pretende transmitir detecta que el canal se activa, debe esperar hasta que el canal se libere, esperando un período aleatorio para que el canal se libere, pero esta vez permitiendo una CW más larga.

Si bien el sistema funciona bien para evitar que las estaciones transmitan juntas, el resultado de usar este sistema de acceso es que si el nivel de uso de la red es alto, aumenta el tiempo que demora la transferencia de datos con éxito. Esto hace que el sistema parezca volverse más lento para los usuarios. En vista de esto, es posible que las WLAN no proporcionen una QoS adecuada en su forma actual para sistemas en los que se requiere transferencia de datos en tiempo real.


Presentamos QoS

El problema se puede solucionar introduciendo un identificador de calidad de servicio, QoS en el sistema. De esta manera, aquellas aplicaciones donde se requiere una alta calidad de servicio pueden etiquetar sus transmisiones y tener prioridad sobre las transmisiones que transportan datos que no requieren transmisión y respuesta inmediatas. De esta forma, se puede reducir el nivel de retraso y fluctuación de datos como los que se utilizan para VoIP y vídeo.

Para introducir el identificador de QoS, ha sido necesario desarrollar una nueva capa MAC y esto se ha realizado bajo el estándar IEEE 802.11e. En esto, al tráfico se le asigna un nivel de prioridad antes de la transmisión. Estos se denominan niveles de prioridad de usuario (UP) y hay ocho en total. Una vez hecho esto, el transmisor prioriza todos los datos que tiene que esperar para ser enviados asignándole una de las cuatro Categorías de Acceso (AC).

Para lograr las funciones requeridas, la capa MAC rediseñada adopta aspectos tanto de DCF como de PCF de las alternativas de capa MAC anteriores y se denomina Función de coordinación híbrida (HCF). En este, los elementos modificados de DCF se denominan Acceso de canal distribuido mejorado (EDCA), mientras que los elementos de PCF se denominan Acceso de canal controlado HCF (HCCA).


EDCA

De estos, la EDCA proporciona un mecanismo mediante el cual se puede priorizar el tráfico, pero sigue siendo un sistema basado en contención y, por lo tanto, no puede garantizar una QoS determinada. En vista de esto, todavía es posible que los transmisores con datos de menor importancia aún puedan adelantarse a los datos de otro transmisor con datos de mayor importancia.

Cuando se usa EDCA, se ha introducido una nueva clase de espacio entre tramas llamado Espacio entre tramas de arbitraje (AIFS). Esto se elige de modo que cuanto mayor sea la prioridad del mensaje, más corto será el AIFS y asociado con esto también hay una ventana de contienda más corta. Luego, el transmisor obtiene acceso al canal de la manera normal, pero en vista del AIFS más corto y la ventana de contención más corta, esto significa que mayor es la probabilidad de que obtenga acceso al canal. Aunque, estadísticamente, un mensaje de mayor prioridad generalmente ganará el canal, este no siempre será el caso.


HCCA

La HCCA adopta una técnica diferente, utilizando un mecanismo de sondeo. En consecuencia, puede proporcionar garantías sobre el nivel de servicio que puede proporcionar y, por lo tanto, proporcionar un verdadero nivel de Calidad de Servicio. Con esto, el transmisor puede obtener acceso a un canal de radio para un número determinado de paquetes, y solo después de que se hayan enviado, el canal se liberará.

La estación de control que normalmente es el punto de acceso se conoce como coordinador híbrido (HC). Toma el control del canal. Aunque tiene un IFS, tiene lo que se denomina un IFS de coordinación de puntos. Como es más corto que el DIFS mencionado anteriormente, siempre obtendrá el control del canal. Una vez que ha tomado el control, sondea todas las estaciones o transmisores de la red. Para hacer esto, emite una trama particular que indica el inicio del sondeo, y sondeará cada estación a su vez para determinar la prioridad más alta. Luego, permitirá que transmita el transmisor con los datos de mayor prioridad, aunque dará lugar a retrasos más largos para el tráfico que tiene una prioridad más baja.

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