La MAC aerDOCSIS: Eficiente, determinista y entramada

En alguna entrada anterior ya hemos mencionado las implicaciones de la capa MAC en el rendimiento global del sistema, throughput neto, distancia de cobertura y coste de la solución.

En esta entrada del blog comenzaremos a ver las posibles implementaciones de la capa MAC, y sus implicaciones en el rendimiento del sistema. Introduciremos conceptos importantes como el de Eficiencia MAC, y definiremos qué es una MAC determinista y una MAC estadística, y la importancia de la transmisión en tramas en sistemas inalámbricos punto-multipunto, realizando una comparativa entre aerDOCSIS y WiFi. En futuras entregas analizaremos otros detalles de la capa MAC.

Nos centramos en esta ocasión en las características que debe reunir una capa MAC para un sistema inalámbrico punto-multipunto. Al tratarse de un sistema inalámbrico, el medio físico es escaso, ya que el espectro es limitado. Al ser un sistema punto-multipunto, varias estaciones deben compartir ese medio físico. Es decir, un sistema inalámbrico punto-multipunto reúne las condiciones más complejas de compartición del medio: el medio es escaso y son muchos los que intentan acceder a él. Vemos cómo la capa MAC, responsable de regular este acceso compartido, tiene un papel de gran importancia en el rendimiento global del sistema.

Para que la compartición de un canal radioeléctrico de escaso ancho de banda entre muchas estaciones se lleve a cabo de la mejor manera, hay dos reglas básicas que se deben cumplir:

1) No debe haber colisiones entre diferentes estaciones. Es decir, no puede haber más de una estación transmitiendo en un momento determinado. De no ser así, la comunicación no llegará a buen término, por lo que se habrá desperdiciado el espectro al tener que volver a transmitir. En lenguaje técnico, se dice que la capa MAC debe garantizar transmisión libre de contienda (“contention-free transmission”)

2) No puede haber momentos de silencio en los que nadie utiliza el canal, ya que nuevamente se estaría desaprovechando el canal.

Una capa MAC eficiente no debe permitir por tanto ni colisiones ni silencios.

La primera parte (ausencia de colisiones) exige la presencia de un árbitro que regule el acceso al medio entre las diferentes estaciones, de modo que ninguna estación pueda transmitir sin autorización. Este árbitro garantiza por tanto que no haya dos estaciones transmitiendo simultáneamente. Algoritmos de contienda tipo CSMA/CD como los implementados en Ethernet o 802.11 no son válidos, ya que nunca garantizan la ausencia de colisiones. La presencia de un árbitro es indispensable.

La segunda parte (ausencia de silencios) exige que el árbitro organice el acceso al medio de modo que todas las necesidades de las estaciones sean satisfechas y que se haga uso constante del canal.

Una capa MAC que logre cumplir esos dos objetivos reunirá dos características importantes:

a) Alta Eficiencia MAC. La eficiencia MAC mide el aprovechamiento de la capacidad a nivel físico y su habilidad para convertirlo en throughput neto. Ya que se hace un uso constante del canal, sin riesgo de colisiones, el aprovechamiento será máximo, luego la eficiencia espectral alta (cercana al 100%).

b) La capa MAC será determinista, es decir, se puede predecir su comportamiento. Esto es imposible en implementaciones MAC que permiten contienda y basan el control de acceso al medio en algoritmos de escucha y espera aleatoria. Estas implementaciones se basan en mecanismos aleatorios, por lo que su comportamiento será estadístico, nunca determinista. Es decir, aunque la capacidad a nivel físico sea conocida, no será posible conocer el throughput neto que la capa MAC es capaz de proporcionar.

Las dos características anteriores (alta eficiencia y comportamiento determinista) son fundamentales para garantizar el máximo rendimiento del sistema, ya que si la MAC no es determinista no será posible garantizar nada, y si no es eficiente no se logrará el mejor rendimiento.

La mejor forma de lograr los dos objetivos de ausencia de colisiones y silencios, y así lograr la máxima eficiencia con un comportamiento determinista, se basa en el uso del medio de forma totalmente organizada en tramas. La trama es una estructura perfectamente definida, formada por símbolos o slots, que se repite periódicamente. El árbitro asigna esos slots a las diferentes estaciones. La trama tiene una longitud determinada y constante. Así funcionan todas las tecnologías radio usadas por operadores profesionales, como PDH (trama de 125 microsegundos y 256 slots por trama), o GSM (tramas con 8 slots).

Si comparamos dos tecnologías inalámbricas usadas en la actualidad como 802.11 (WiFi) y aerDOCSIS, veremos la enorme diferencia en la implementación de la capa MAC, lo que se traduce en un rendimiento totalmente diferente.

• 802.11 (WiFi) usa una MAC muy similar a la MAC Ethernet. El acceso al medio no está controlado, por lo que se basa en algoritmos de escucha y espera aleatoria. Si una estación quiere transmitir, escucha el canal, y si está libre, transmite, si no, espera un tiempo aleatorio. Estos algoritmos no garantizan la ausencia de colisiones, especialmente dado que no todas las estaciones inalámbricas son capaces de escucharse. El propio concepto de espera aleatoria indica la presencia de instantes de silencio en los que el canal no está siendo empleado. En definitiva, la MAC no es determinista (se basa en algoritmos aleatorios) y no es eficiente. De hecho, la eficiencia MAC del estándar 802.11 llega como mucho al 40%, proporcionando 22 Mbps netos de una capa física de 54 Mbps. Esa eficiencia además varía, ya que el comportamiento no es determinista. Por eso los fabricantes de equipamiento WiFi nunca indican el throughput neto, sino la capacidad a nivel físico. No es posible garantizar el throughput neto en una MAC estadística.
• aerDOCSIS usa una MAC muy similar a Docsis 2.0. El acceso al medio está controlado por la estación base. Ninguna estación suscriptora transmite sin permiso de la estación base. La transmisión se realiza en tramas de longitud constante perfectamente organizadas por la estación base. De este modo se garantiza la ausencia de colisiones y silencios, por lo que se logra la máxima eficiencia MAC con un comportamiento determinista. La eficiencia MAC de aerDOCSIS llega al 92%, proporcionando un throughput de casi 35 Mbps de una capa física de 37.7 Mbps. aerDOCSIS puede garantizar el throughput neto, que es un parámetro mucho más interesante a nivel de sistema que la capacidad a nivel físico. Eso sólo se puede lograr gracias al determinismo de la MAC.

En resumen:

La Eficiencia MAC mide cómo la capa MAC es capaz de traducir la capacidad bruta del medio físico en throughput neto útil. Se mide como la relación entre el throughput neto y la capacidad bruta de la capa física.

Una MAC determinista se comporta siempre de la misma manera. Es predecible. Esto permite garantizar un throughput neto si la capacidad física es conocida. Una MAC determinista no permite el uso de algoritmos aleatorios de acceso al medio.

Una  MAC estadística, o no determinista, no se comporta siempre de la misma manera, por lo que no es predecible. La principal consecuencia es que resulta imposible garantizar un throughput neto determinado incluso a pesar de conocer la capacidad bruta de la capa física.

Una capa MAC determinista y eficiente no permite colisiones entre diferentes estaciones que transmitan simultáneamente, y aprovechan al máximo el medio físico, sin permitir intervalos de silencio.

Todos los sistemas profesionales (GSM, PDH, SDH, UMTS, aerDOCSIS) se basan en una capa MAC altamente eficiente y totalmente determinista. Esto se logra mediante la transmisión en tramas organizadas y controladas por un árbitro (la estación base o nodo maestro).