Extensiones multimedia para las redes WiFi

Extensiones multimedia para las redes WiFi
Boletín Sociedad de la Información
Tecnologías
La WiFi Alliance ha establecido a principios de Septiembre un nuevo programa, denominado WiFi Multimedia (WMM), con el objetivo de certificar aquellos productos
que incorporan algunos de los mecanismos previstos en la extensión 802.11e para proporcionar una cierta calidad de servicio en redes WLAN. Estas extensiones
pretenden permitir el uso de WiFi para la provisión de servicios multimedia y de voz en condiciones de calidad aceptables. Cuando 802.11e sea aprobada por IEEE,
previsiblemente el próximo año, este programa se extenderá para incorporar otros mecanismos nuevos.
Para entender como funcionan estas nuevas extensiones (y tratar de evaluar su efectividad de cara al objetivo perseguido) es necesario primero intentar comprender,
aunque sea de forma muy simplificada, como funciona el protocolo de control de acceso al medio (MAC) de las redes 802.11 (este protocolo es el mismo para todas
las variantes de la capa física de este tipo de redes, 802.11b, 802.11a y 802.11g). Su funcionamiento es muy similar al del protocolo MAC de las redes Ethernet, adaptado
al hecho de que no es posible, al usar el medio de transmisión radio, detectar cuando dos usuarios han iniciado la transmisión simultáneamente, provocando así una
colisión entre tramas que impide que ninguna de ellas sea recibida correctamente por su destinatario. Cuando una estación tiene información que transmitir lo primero
que hace es escuchar al medio, el canal de frecuencia que se esté utilizando por la red, para tratar de detectar si está ocupado, es decir, si hay alguna otra estación que
está transmitiendo. Cuando se detecta que el medio está libre, la estación, antes de iniciar la transmisión debe respetar dos intervalos consecutivos de espera, uno de ellos
de duración fija (denominado DIFS) y otro aleatorio, que toma un valor entre 0 y el tamaño máximo de la denominada ventana de contención (que en 802.11b es 31 y en
802.11a/g es 15).
Mecanismo de control de acceso al medio en 802.11 La función del intervalo de espera DIFS es
garantizar que los usuarios no consideren que el medio está libre antes de que, por ejemplo, la estación
receptora envíe el reconocimiento (ACK) de que ha recibido correctamente la trama que le ha enviado la
estación que tiene ocupado el medio. El tamaño de la ventana de contención se define por el número de
slots de la misma (la duración del slot depende del tipo de si se trata de una red 802.11a, b ó g). Si antes
de que concluya el periodo de tiempo aleatorio de espera el medio es ocupado por otra estación de la red
que ya ha agotado su intervalo de espera, la estación descuenta del intervalo seleccionado el tiempo
transcurrido y cuando el medio vuelve a quedar libre y ha transcurrido DIFS, intenta acceder al mismo
una vez consumido el tiempo residual del intervalo original (excepto si otra estación vuelve a
adelantarse). Si se producen colisiones, se vuelve a tomar un valor de retardo aleatorio de una ventana de
contención de un tamaño el doble de la ventana utilizada en el intento de transmisión anterior (hasta un
valor máximo que en 802.11b es 1023, que se alcanzaría si se produjeran cinco retransmisiones). El
proceso se representa con la siguiente máquina de estados.
Diagrama de estados del protocolo de la capa MAC de 802.11 Este mecanismo tiene el efecto de
garantizar una cierta 'igualdad de oportunidades' entre todas las estaciones de la red a la hora de
acceder al medio. Es un mecanismo simple, pero no exento de problemas. Por ejemplo, si conectadas a un
mismo punto de acceso hay dos estaciones transmitiendo, una con una velocidad de 6 Mb/s y otra a 54
Mb/s, la más lenta, para un mismo tamaño de trama, ocupara el medio por periodos, aproximadamente,
unas nueve veces mayores que los de la más rápida. Esto quiere decir la velocidad efectiva de la que
estarán disfrutando ambas estaciones será más próxima a 3 Mb/s que a 27 Mb/s (la tasa binaria efectiva, la
que perciben los usuarios, es mucho menor, debido a las cabeceras adicionales y los tiempos de espera;
para una red 802,11g suele estar en un máximo de 20 Mb/s). Las novedades que aporta WWM se
centran en varios aspectos. En primer lugar, permite clasificar la prioridad del tráfico a transmitir en
función del tipo de aplicación que se soporta, con cuatro categorías: voz, vídeo, best effort y
background (de mayor a menor prioridad). Los mecanismos para especificar la categoría son los
definidos en 802.1d, y el operador puede modificar las prioridades (de forma que, si lo juzga oportuno,
el vídeo puede tener una prioridad más elevada que la voz). El tráfico se clasifica internamente en
cada estación en diversas colas y pasa a través de un proceso de contención virtual (interno) para
determinar que trama es la que intenta acceder al medio en competencia con otras estaciones. De esta
forma se evita que si una estación está transmitiendo simultáneamente tráfico asociado a varios servicios,
los de más baja prioridad penalicen a los de más alta.
Asignación de tráfico a colas de distinta prioridad en WMM A la hora de acceder al medio, lo que
WMM incorpora son, en función de la prioridad de la trama, diversos tiempos de espera fijos que hay
que respetar antes de iniciar cualquier transmisión, denominados Arbitrary Inter-Frame Space Number
(AIFSN) y que sustituyen a DIFS; y un tamaño máximo de la ventana de contención diferente en función
de la prioridad del tráfico. En la siguiente figura se representan los valores por defecto definidos en
WMM para estos parámetros.
Parámetros por defecto de la capa MAC asociados a las distintas prioridades (1) en WMM Otra mejora
que introduce WMM es la definición de un intervalo máximo de ocupación del medio, denominado
TXOP, cuyo valor depende de la prioridad del tráfico. De esta forma se impide que sucedan situaciones
como la que describíamos más arriba.
El resultado de aplicar estas facilidades es que los flujos de tráfico con más alta prioridad pueden
mantener la tasa binaria aun cuando se produzcan aumentos del tráfico cursado. Un ejemplo del efecto de
estos mecanismos es el que se refleja en la siguiente figura:
Ejemplo del uso de WMM para preservar la tasa de vídeo La utilización de WMM se espera que
permita la utilización de la tecnología WiFi en nuevas aplicaciones, como pueda ser la transmisión de
vídeo entre dispositivos (por ejemplo, entre el PC o PVR y la TV) en entornos domésticos. Dos apuntes al
respecto de estas nuevas facilidades de gestión de los recursos radio. Lo primero, que las mejoras en la
calidad tienen un coste. Como puede apreciarse en la última figura, las mejoras que experimentan
algunos servicios (los de más alta prioridad) se realizan a costa de la pérdida de calidad o de tasa binaria
de otros servicios menos prioritarios. Lo segundo es que, sin una adecuada gestión, estas facilidades
pueden tener un efecto contraproducente. Un escenario en el que se obtendría un efecto opuesto al
buscado es el siguiente. Supongamos que se está utilizando la WLAN para dar servicios de voz
(VoWLAN) y que no se han modificado los parámetros por defecto asociados que se recogen en la figura.
Si en un instante dado hay más de cuatro usuarios que quieren transmitir una trama, se producirá
necesariamente una colisión (dos o más usuarios intentarán transmitir simultáneamente), lo que obligará a
retransmitir esas tramas (o a descartarlas, algo que 802.11e también permite). Si el número de usuarios es
muy elevado, asignarles una prioridad alta (y los valores por defecto de los parámetros configurables
correspondientes) con toda seguridad conducirá a una peor calidad de servicio debido a las colisiones que
se producirán. De alguna forma, la selección del tamaño de ventana de contención máximo ideal depende
del número de usuarios y de la mezcla de servicios que se estén cursando. Para estos casos, en 802.11e se
está especificando un modo de operación centralizado, en el que el punto de acceso controla la
asignación de los recursos y que, de momento, no forma parte de WMM (en 802.11 existía ya un modo
similar, más simple que el previsto en la nueva extensión, pero que no ha sido soportado más que por un
número muy pequeño de fabricantes menores). Pero esto implicará una mayor complejidad de los
equipos y de la gestión de las redes. De hecho, con estas facilidades, las redes WLAN empezarán a
parecerse mucho en su forma de operar a las redes móviles.
(1) SIFS es el tiempo de espera entre el final de una trama de información y el envío de un ACK por la
estación receptora. En 802.11, DIFS = SIFS + 2 slots.