無(wú)線USB技術(shù)概述

無(wú)庸置疑的，通用同步總線（USB）已經(jīng)成為迄今為止最為成功的PC外圍連接設(shè)備，深受PC及外部設(shè)備生產(chǎn)商的青睞。預(yù)計(jì)到2005年底，將有超過(guò)五億個(gè)USB產(chǎn)品投入使用。USB之所以能取得勢(shì)不可擋的商業(yè)成功，源于以下幾個(gè)特點(diǎn)：
●互通性；
●采用主從架構(gòu)，簡(jiǎn)化了設(shè)備的復(fù)雜性；
●易于連接外部設(shè)備；
●可將多種設(shè)備連接至一個(gè)主機(jī)。

無(wú)線技術(shù)日趨發(fā)展成熟，成本也日益降低。尤其是超寬頻（UWB）技術(shù)，特別適用于無(wú)線USB，能在三公尺的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)480Mbps的高頻寬。WirelessUSB（WUSB）的功能在于其避免了復(fù)雜的纜線，因此為所連結(jié)設(shè)備提供了高度的可移植性。無(wú)線功能可增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，但也面臨著安全性、可靠性、降低功耗及其它挑戰(zhàn)。

WUSB是由Agere、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦和三星共同開(kāi)發(fā)的，為USB廠商向無(wú)線邁進(jìn)提供了正確的演進(jìn)途徑。
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WUSB概述

USB 2.0支持高速480 Mbps、全速12 Mbps和低速1.5 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。WUSB主機(jī)支持以下數(shù)據(jù)傳輸率：53.3Mbps、106.7Mbps、200Mbps、80Mbps、160Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。WUSB設(shè)備必須支持53.3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps，其它五種為可選數(shù)據(jù)傳輸率。53.3Mbps是基本信號(hào)速率，為所有的USB標(biāo)準(zhǔn)控制請(qǐng)求、MMC（Micro-scheduled Management Commands）、信號(hào)交換（Handshakes）、和設(shè)備通知（Device Notifications；DN）提供更高的可靠性。

WUSB主機(jī)必須符合多頻帶正交多頻分工聯(lián)盟（Multi-band OFDM Alliance；MBOA）聯(lián)盟信標(biāo)協(xié)議，以解決干擾問(wèn)題。另一方面，WUSB設(shè)備還有以下三種選擇：
●藉由符合MBOA 信標(biāo)通訊協(xié)議（beaconing protocol），成為獨(dú)立的信標(biāo)設(shè)備；
●作為 WUSB主機(jī)引導(dǎo)信標(biāo)設(shè)備，以避免將功率浪費(fèi)在指示每個(gè)超級(jí)幀（super frame）上，并可降低處理的復(fù)雜性；
●將所有相鄰設(shè)備集成在主機(jī)內(nèi)，作為非信標(biāo)設(shè)備部署。

WUSB和USB 2.0的數(shù)據(jù)通信拓?fù)漕愃?，共分三層：功能層、設(shè)備層和總線層。除了同步設(shè)備之外，USB 2.0的其它大多數(shù)功能層軟件組件都可以在WUSB中重新使用。無(wú)線同步設(shè)備需要 一個(gè)重試機(jī)制，以改進(jìn)在欠佳的媒體上進(jìn)行數(shù)據(jù)封包傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)還需要一個(gè)更大的緩沖器，以實(shí)現(xiàn)4毫秒或更長(zhǎng)的服務(wù)時(shí)間。設(shè)備層可增強(qiáng)安全性，擴(kuò)展無(wú)線媒體管理 ?？偩€層因無(wú)線媒體性質(zhì)的不同，在數(shù)據(jù)傳輸方面有很大差異。
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WUSB的數(shù)據(jù)傳輸

一般來(lái)說(shuō)，每次USB傳輸都需要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段：Token、數(shù)據(jù)和信號(hào)交換。在一次完整的傳輸中， Token、數(shù)據(jù)和信號(hào)交換階段是不分開(kāi)的，階段間的周轉(zhuǎn)時(shí)間為18FS（full-time）位時(shí)間（18奈秒×83奈秒=1.5微秒）。為了分開(kāi)傳輸，USB Token、數(shù)據(jù)和信號(hào)交換階段會(huì)與其它傳輸?shù)耐入A段交叉進(jìn)行。

對(duì)WUSB而言，傳輸和接收之間的交換時(shí)間超過(guò)10微秒。為將交換時(shí)間縮至最短，WUSB采用分割傳輸（split transaction）以及群組處理（groups transaction），「封包」傳輸順序依次為Tokens、Data OUT and Data IN。為將Token階段的持續(xù)時(shí)間縮至更短，WUSB將所有的Token集成在一個(gè)控制封包中，即微調(diào)度管理指令（Micro scheduled management or MMC）。

如(圖一)所示，首先，主機(jī)傳輸一個(gè)MMC；然后，WUSB叢集中的設(shè)備讀取這一包含主機(jī)時(shí)脈信息、下一個(gè)MMC的開(kāi)始時(shí)間、通道時(shí)間分配（CTA）和信道管理信息的MMC。 每個(gè)CTA包含設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行通信的進(jìn)度安排。主機(jī)確定CTA的進(jìn)度，MMC之后緊接著是輸出傳輸，然后是輸入傳輸，最后是輸出的信號(hào)交換。WUSB設(shè)備根據(jù)CTA接收和傳輸封包，其余時(shí)段處于休眠狀態(tài)，其時(shí)脈和主機(jī)時(shí)脈同步。

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(圖一)　WUSB和USB 2.0的傳輸比較

為避免傳輸過(guò)程中每次交易的功耗，WUSB將特定設(shè)備的交易集成在數(shù)據(jù)突發(fā)（data bursts）中。如(圖二)所示，數(shù)據(jù)突發(fā)的范圍可介于一個(gè)數(shù)據(jù)封包和十六個(gè)數(shù)據(jù)封包之間。具有數(shù)據(jù)突發(fā)功能的設(shè)備在其描述符號(hào)中報(bào)告其突發(fā)能力。主機(jī)可以選擇任何它可以啟動(dòng)傳輸設(shè)備的突發(fā)組合?？刂坪椭袛嗟哪┒瞬恢С?jǐn)?shù)據(jù)突發(fā)。
　

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(圖二)　WUSB的數(shù)據(jù)突發(fā)

比較 USB 2.0 WUSB 1.0
傳輸速率 三種傳輸速率：
高速：480Mbps
全速：12Mbps
低速：1.5Mbps，僅用于控制和中斷傳輸 七種傳輸速率：
53.3、80、106.7、200、320、400和480Mbps
Device Notifications： 有線電子信號(hào) DN數(shù)據(jù)封包透過(guò)Slotted-Aloha

●連接
●中斷連接
●遠(yuǎn)程喚醒
●其它
　 　 DNTS 進(jìn)行傳輸
突發(fā)支援 不支援 支援
●僅支持大量和同步傳輸
●突發(fā)范圍介于1個(gè)至16個(gè)數(shù)據(jù)包之間
設(shè)備供電模式 ●總線供電
●自行供電 自行供電

表一　WUSB和USB 2.0的比較：常規(guī)

比較? USB 2.0? WUSB 1.0?
控制傳輸 　 　
數(shù)據(jù)包大小 最大為64bytes 固定512bytes
錯(cuò)誤重試 如設(shè)備未回應(yīng)，最多重試三次 如設(shè)備未相應(yīng)，最多重試七次
　 　 　
大量傳輸 　 　
數(shù)據(jù)包大小 最大為512bytes 512Bytes至3584Bytes
錯(cuò)誤重試 如設(shè)備未回應(yīng)，最多重試三次 如設(shè)備未回應(yīng)，最多重試七次
　 　 　
中斷傳輸 　 　
數(shù)據(jù)包大小 最大為64bytes LP–最大為64bytes
NP–最大為1024bytes?
服務(wù)時(shí)間 LS/FS：1至255毫秒
HS：125微秒至4秒? 4毫秒至4秒
錯(cuò)誤重試 下一服務(wù)時(shí)間進(jìn)行重試 LP：如設(shè)備未回應(yīng)，最多重試三次
NP：如設(shè)備未回應(yīng)，最多重試五次?
　 　 　
同步傳輸 　 　
數(shù)據(jù)封包大小 最大為1024bytes 最大為3584bytes
最大頻寬 HS：最大為24MB/s
FS：最大為1MB/s 最大為5MB/s
服務(wù)時(shí)間 HS：125毫秒至4秒
FS：1毫秒 至32秒? 4毫秒至4秒
錯(cuò)誤重試 無(wú) 每個(gè)服務(wù)期間至少一次

＜圖注:注：DNTS–設(shè)備通知時(shí)間 LS–低速 FS–全速 HS–高速 LP–低功耗 NP–正常功耗＞

表二　WUSB和USB 2.0的比較：傳輸類型
　

異步設(shè)備通知
USB 2.0 設(shè)備使用纜線傳輸電子信號(hào)來(lái)通知「連接」、「中斷連接」或「遠(yuǎn)程啟動(dòng)」等多種主機(jī)事件。而 WUSB 設(shè)備則采用空中DN封包的方式來(lái)通知相同的主機(jī)事件，包括：連接DN、切斷DN和遠(yuǎn)程啟動(dòng)DN等。WUSB 主機(jī)通過(guò)DN CTA傳輸 MMC 后，設(shè)備將根據(jù)Slotted-Aloha 來(lái)爭(zhēng)取 DN 時(shí)隙并向主機(jī)傳輸設(shè)備通知事件。

流程控制
USB 2.0設(shè)備采用NAK和 NYET進(jìn)行流程控制。由于 WUSB 設(shè)備支持中斷傳輸和同步傳輸?shù)戎芷谛詡鬏敺绞?，所以即使設(shè)備對(duì)先前的輸入或輸出等處理響應(yīng)為NAK，主機(jī)也能夠在下一個(gè)服務(wù)時(shí)段為這些令牌處理安排進(jìn)度。而在控制和突發(fā)等非周期性傳輸中，一旦在處理時(shí)接收到設(shè)備發(fā)出的NAK響應(yīng)，主機(jī)只有在接收到DN_EPReady通知后，才會(huì)為這些特定端點(diǎn)的傳輸安排進(jìn)度。這種DN_EPReady流程控制機(jī)制可幫助主機(jī)和設(shè)備節(jié)約功耗和節(jié)省頻寬。
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WUSB 面臨的挑戰(zhàn)

■相聯(lián)（Association）
所有相聯(lián)處理過(guò)程都包含三個(gè)階段：
(1)識(shí)別；
(2)認(rèn)證；
(3)授權(quán)。

使用USB 纜線，USB 2.0設(shè)備能安全可靠地與主機(jī)進(jìn)行通信：
(1)由用戶來(lái)識(shí)別設(shè)備和主機(jī)；
(2)將設(shè)備接入主機(jī)后代表用戶已默認(rèn)主機(jī)和設(shè)備的連接；
(3)透過(guò)將所有信號(hào)波束縛于USB纜線內(nèi)，能夠阻止惡意設(shè)備竊取信號(hào)。

而在 WUSB 內(nèi)，主機(jī)和設(shè)備也遵循同樣的識(shí)別—認(rèn)證—授權(quán)步驟：
(1)主機(jī)透過(guò)128 位連接主機(jī)識(shí)別器（CHID），設(shè)備透過(guò)128 位連接設(shè)備識(shí)別器（CDID）進(jìn)行自我識(shí)別。此時(shí)，主機(jī)將產(chǎn)生唯一的一對(duì)CHID-CDID；
(2)首次連接時(shí)，主機(jī)和設(shè)備用一個(gè)帶內(nèi)（in-band）或帶外（out-of-band）信道與128位連接密鑰傳輸CHID-CDID對(duì)。傳輸文本和CHID-CDID連接密鑰（兩個(gè)步驟合稱為CC）僅僅是主機(jī)和設(shè)備再次連接的開(kāi)始，之后主機(jī)和設(shè)備將使用連接密鑰，啟動(dòng)一個(gè)四路信號(hào)交換過(guò)程，彼此進(jìn)行識(shí)別；
(3)在四路信號(hào)交換階段，主機(jī)和設(shè)備會(huì)生成對(duì)話密鑰（SK）并完成相互授權(quán)的過(guò)程。

WUSB 采用了兩種相聯(lián)方式：
(1)USB 纜線方式：主機(jī)與設(shè)備間采用帶外方式進(jìn)行 CC 傳輸；
(2)數(shù)值方式：主機(jī)與設(shè)備間根據(jù) Deffie-Hellman 協(xié)議，采用Diffie-Hellman方式進(jìn)行CC 傳輸。為了防止 MITM 攻擊（man-in-the-middle, 一種竊聽(tīng)攻擊技術(shù)），用戶可在主機(jī)和設(shè)備上驗(yàn)證顯示的數(shù)字，進(jìn)行主機(jī)和設(shè)備授權(quán)。

安全性
完成相聯(lián)之后，主機(jī)和設(shè)備就能夠透過(guò) ASE 128 位秘密引擎進(jìn)行安全通信。

可靠性
無(wú)線 USB 媒介的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率（PER）可以達(dá)到10-6級(jí)，性能非?？煽?。UWB媒介的PER維持在10-1級(jí)，高于有線媒介。為了降低數(shù)據(jù)封包錯(cuò)誤率，WUSB主機(jī)透過(guò)控制以下參數(shù)來(lái)支持連接調(diào)適：
(1)傳輸功率控制（Transmit Power Control；TPC）；
(2)數(shù)據(jù)率調(diào)節(jié)；
(3)有效負(fù)荷大小的調(diào)節(jié)；
(4)突發(fā)的大??；
(5)重試；
(6)轉(zhuǎn)移至其它PHY 通道。

節(jié)約功耗
由于射頻（RF）占用了將近70％的功率資源，所以節(jié)約功耗最簡(jiǎn)便易行的方法就是關(guān)掉射頻。

此外，由于WUSB基于TDMA進(jìn)行傳輸，設(shè)備能夠精確識(shí)別收發(fā)時(shí)間。因此還能透過(guò)以下方式來(lái)節(jié)約功耗：
●閑置時(shí)段關(guān)閉射頻；
●發(fā)送休眠DN，要求主機(jī)不給予任何調(diào)度處理，因而進(jìn)入休眠模式。同時(shí)，該設(shè)備也能藉由發(fā)送遠(yuǎn)程啟動(dòng)DN至主機(jī)端而再次啟動(dòng)；
●發(fā)送中斷連接DN，中斷設(shè)備與主機(jī)的連接。
為了盡可能地降低中斷鍵盤、鼠標(biāo)、游戲搖桿等設(shè)備時(shí)所造成的功耗，WUSB支持低功耗中斷對(duì)CTA沒(méi)有響應(yīng)的設(shè)備，并進(jìn)入休眠狀態(tài)。在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，這種低功耗中斷設(shè)備可休眠四秒鐘。
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主機(jī)纜線配接器和設(shè)備纜線配接器（HWA和DWA）

WUSB定義了一個(gè)新的USB設(shè)備類別—纜線配接器（Wire Adapter）。
主機(jī)纜線配接器（HWA）是一種采用 USB 2.0 纜線接口進(jìn)行上游連接的USB設(shè)備， 可作為主機(jī)到叢集下游的WUSB設(shè)備。設(shè)備纜線配接器（DWA）則是一種采用WUSB接口進(jìn)行上游連接的USB設(shè)備，可作為連接至其下游埠設(shè)備的有線USB 2.0主機(jī)，如(圖三)所示。

纜線配接器設(shè)備類別為HWA和DWA指定了USB接口。還描述了數(shù)據(jù)傳輸模式。兩種WA都為數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)通知中斷端點(diǎn)和一個(gè)突發(fā)端點(diǎn)對(duì)（IN and OUT）。
　

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(圖三)　HWA與DWA的拓?fù)鋱D

　
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MBOA MAC

WUSB采用多頻帶OFDM聯(lián)盟（MBOA）作為媒體存取控制（MAC）層。MBOA-MAC采用能夠提供480Mbps空中數(shù)據(jù)連接速度的UWB技術(shù)。UWB的頻率范圍則介于無(wú)須執(zhí)照的3.1～10.6GHz之間。

MBOA MAC屬于分布式MAC協(xié)議，專為無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)（PAN）而設(shè)計(jì)，透過(guò)再利用通話時(shí)間（air-time）、解決干擾和保持低能耗等方法拓展了設(shè)備的使用空間。所有MBOA設(shè)備都在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（ad-hoc）模式下運(yùn)行。

每個(gè)MBOA MAC設(shè)備都有一個(gè)唯一的64位MAC地址（EUI-64）。為了減少架構(gòu)冗余，MBOA將64位MAC映像到一個(gè)16位設(shè)備地址—DevAddr。兩條跳線以上的MBOA設(shè)備可在毫無(wú)沖突的情況下再利用通話時(shí)間。這些通話時(shí)間可能在分布式預(yù)約協(xié)議（DRP）預(yù)約和信標(biāo)時(shí)隙間進(jìn)行自由競(jìng)爭(zhēng)，也可能是基于競(jìng)爭(zhēng)的區(qū)分優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)（PCA）。此外，16位設(shè)備地址在空間上同樣也能再利用。

為了管理通話時(shí)間，MBOA定義了媒體存取間隙（Medium Access Slot；MAS）。每個(gè)MAS的長(zhǎng)度為256微秒；256MAS組成了一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為65毫秒的超幀（super-frame）。MBOA將使每個(gè)超幀與最慢的時(shí)脈保持同步，以控制設(shè)備中的時(shí)脈漂移。

在節(jié)省功率方面，設(shè)備能夠在一個(gè)時(shí)隙里接聽(tīng)所有信標(biāo)幀，因此MBOA指定所有信標(biāo)在一個(gè)信標(biāo)周期（BP）內(nèi)進(jìn)行傳輸。BP保留了每個(gè)超幀中的前32MAS（8毫秒）。

(圖四)　WUSB處理過(guò)程中的超幀示意圖

　
結(jié)語(yǔ)

WUSB技術(shù)是從最為成功且最為普及的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—USB 2.0演化而來(lái)的。由于WUSB保留了現(xiàn)有USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的大部分基礎(chǔ)架構(gòu)，如設(shè)備驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)流、 連接速度及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而是一種非常易于采用的技術(shù)。WUSB還為用戶提供了HWA和DWA，使現(xiàn)有的USB 2.0硬件能夠進(jìn)行升級(jí)，與WUSB標(biāo)準(zhǔn)相兼容。

采用MBOA MAC和UWB技術(shù)后，未來(lái)的WUSB數(shù)據(jù)傳輸速率將增加到1Gbps。除現(xiàn)有的USB應(yīng)用外，WUSB將實(shí)現(xiàn)許多全新的應(yīng)用，如家用定位（home position），家用搜索（home ranging）及家用網(wǎng)絡(luò)（home networking）等應(yīng)用。（作者為飛利浦半導(dǎo)體高級(jí)軟件工程師）