Funcionamiento de la Capa MAC Wi-Fi (802.11) y Redes Personales Inalámbricas (802.15)

Capa MAC en IEEE 802.11: Servicios y Mecanismos de Acceso

La capa MAC (Media Access Control) del estándar IEEE 802.11 define los mecanismos para el acceso al medio compartido en redes inalámbricas. Se distinguen principalmente dos tipos de servicios de acceso:

• Asíncrono o con contienda: DCF (Distributed Coordination Function). Este mecanismo se utiliza tanto en redes ad hoc como en redes de infraestructura.
• Síncrono o sin contienda: PCF (Point Coordination Function). Este mecanismo está diseñado para redes de infraestructura únicamente.
• Híbrido (HCF): Ofrece soporte para QoS (Quality of Service), lo cual es fundamental para aplicaciones que requieren garantías de servicio, como la transmisión de video o voz.

Para la gestión del acceso al medio, se emplean simultáneamente tres tipos de periodos de espera entre tramas (Interframe Spaces):

• SIFS (Short Interframe Space): Utilizado para transmisiones de alta prioridad (ACK, RTS, CTS).
• PIFS (PCF Interframe Space): Tras este periodo, se puede usar el mecanismo PCF.
• DIFS (DCF Interframe Space): Tras este periodo, se puede usar el mecanismo DCF.

DCF con CSMA/CA: Acceso Distribuido al Medio

El mecanismo DCF (Distributed Coordination Function) con CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) permite a los nodos interactuar sin la necesidad de un control centralizado. Los nodos detectan la disponibilidad del medio tanto física como virtualmente (mediante el NAV - Network Allocation Vector).

1. Si el medio está libre por un tiempo mayor que DIFS, el nodo puede transmitir.
2. Si el medio está ocupado, el nodo debe esperar a que esté libre por un tiempo mayor que DIFS y se prepara para una demora exponencial (backoff).
3. En el siguiente periodo SIFS, el receptor envía un ACK (Acknowledgement) al transmisor para confirmar la recepción.
4. Si no se recibe la confirmación (ACK), la trama se retransmite.

Las tramas se fragmentan cuando superan un cierto umbral de tamaño para mejorar la eficiencia y robustez de la transmisión.

DCF con Intercambio RTS/CTS: Solución al Problema de la Estación Oculta

Este mecanismo se utiliza para mitigar el problema de la estación oculta, garantizando la reserva del medio y una transmisión sin interrupciones. Se produce un intercambio de cuatro tramas:

1. La fuente envía una trama RTS (Request To Send) al destino, indicando la duración de la transmisión (NAV).
2. El destino responde con una trama CTS (Clear To Send) y su propio NAV.
3. Después de recibir el CTS, la fuente envía los datos.
4. El destino responde con un ACK (Acknowledgement).

Es importante destacar que la trama RTS alerta a todas las estaciones al alcance de la fuente de que se inicia un intercambio, mientras que la trama CTS alerta a todas las estaciones al alcance del destino, asegurando que el medio permanezca libre durante la transmisión de datos.

PCF (Point Coordination Function): Acceso sin Contienda

El mecanismo PCF es un método de acceso sin contienda que, aunque definido en el estándar, no se ha implementado ampliamente en productos comerciales. Es particularmente útil en aplicaciones que requieren servicios en tiempo real, ya que su funcionamiento comienza tras el periodo PIFS.

Estructura de Tramas en 802.11 MAC

Las tramas de la capa MAC en 802.11 tienen los siguientes campos principales:

• Control de Trama: 2 bytes con 11 subcampos que definen el tipo de trama, subtipo, control de flujo, etc.
• Duración/ID: 2 bytes, utilizado para el NAV (Network Allocation Vector).
• Dirección: Se pueden incluir hasta 4 direcciones MAC, cada una de 6 bytes (dirección de origen, destino, transmisor, receptor).
• Control de Secuencia: 2 bytes, para la numeración de tramas y detección de duplicados.
• Datos: Campo de longitud variable, de 0 a 2312 bytes, que contiene la carga útil.
• FCS (Frame Check Sequence): 6 bytes, para la detección de errores.

El tamaño máximo total de una trama 802.11 MAC es, por tanto, de 2346 bytes.

WPAN (Wireless Personal Area Network) - Estándar IEEE 802.15

Las WPAN son redes inalámbricas de área personal diseñadas para distancias cortas, típicamente hasta 10 metros. En estas redes, un dispositivo actúa como maestro y el resto como esclavos. Son comúnmente utilizadas para conectar dispositivos móviles y periféricos, siendo Bluetooth el ejemplo más conocido de tecnología de radio de corto alcance.

El estándar IEEE 802.15 se divide en varios subgrupos, cada uno con un enfoque específico:

• 802.15.1: Bluetooth, el estándar más extendido para WPAN.
• 802.15.2: Aborda la coexistencia con WLANs (802.11) para evitar interferencias.
• 802.15.3: Define WPANs de alta velocidad (con tasas de datos de 11 a 55 Mbps).
• 802.15.4: Enfocado en WPANs de baja velocidad y bajo consumo.
• 802.15.5: Define la interconexión en malla para WPANs.

Bluetooth: Arquitectura y Conectividad

La arquitectura de Bluetooth se basa en una unidad básica llamada piconet. Una piconet está formada por un dispositivo maestro y hasta siete dispositivos esclavos activos. Además, en una piconet pueden existir hasta 255 nodos "estacionados" o inactivos, que se encuentran en un estado de bajo consumo hasta que el maestro los activa.

Para conectar múltiples piconets entre sí, se utiliza el concepto de scatternet (red dispersa o puente), permitiendo una mayor escalabilidad y alcance de la red Bluetooth.