《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于超寬帶的無線USB技術(shù)

2008-06-24
作者:姜 宇1, 曹 軍1, 楊國(guó)

  摘 要: 隨著超寬帶" title="超寬帶">超寬帶(UWB)技術(shù)的成熟和無線系統(tǒng)成本的降低、無線USB技術(shù)得到了快速的發(fā)展。本文簡(jiǎn)述了目前無線USB技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?fàn)顩r,詳細(xì)介紹了無線USB系統(tǒng)的組成及其工作原理,技術(shù)的分類和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最后討論了無線USB面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢(shì)。
  關(guān)鍵詞: UWB 無線USB(WUSB) 拓?fù)?數(shù)據(jù)傳輸 異步設(shè)備


  無線USB(WUSB)是在USB基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型傳輸標(biāo)準(zhǔn),具有有線USB所沒有的性能和優(yōu)點(diǎn)。因其具有高速率和易用性等特性,使得WUSB成為工業(yè)上的常用總線之一。同時(shí),WUSB支持熱插拔、計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)探測(cè)外設(shè)并配置所需軟件,不像其它總線(如SCSI)需要自己配置地址[1][2],使用兼容設(shè)備的用戶可以更自由地連接設(shè)備和方便地進(jìn)行通信。WUSB作為I/O接口已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)外設(shè)和數(shù)碼相機(jī)等電器設(shè)備[3][4]
  WUSB是由杰爾系統(tǒng)、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦和三星共同開發(fā)的,在傳輸速度提高的同時(shí),USB與無線技術(shù)相結(jié)合,形成了一種新的高速無線個(gè)人互連技術(shù)——無線USB[5]。在繼承傳統(tǒng)有線USB2.0標(biāo)準(zhǔn)所具有的較高傳輸速率優(yōu)勢(shì)的同時(shí),充分利用無線傳輸技術(shù)的靈活性和極高的自由度,避免了復(fù)雜的纜線,能在3米的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)480Mbps的等效帶寬。兼顧了安全性、可靠性、降低功耗" title="低功耗">低功耗等特性,為所連結(jié)設(shè)備提供了高度的可移植性,增強(qiáng)了用戶體驗(yàn),為USB廠商向WUSB演進(jìn)提供了正確的途徑[6]。
1 WUSB概述
  WUSB的運(yùn)行利用了MBOAMAC架構(gòu),同時(shí)保留了主從架構(gòu),和USB2.0一樣,它也能處理控制、突發(fā)、中斷和同步這四種傳輸形式。主機(jī)和WUSB設(shè)備合稱WUSB集群,采用星型拓?fù)?;與USB2.0.A的樹型拓?fù)洳煌诓恍枰猈USB集線器(HUB)的條件下, WUSB主機(jī)能直接連接多達(dá)127個(gè)設(shè)備。另外由于WUSB沒有線纜,所有的WUSB設(shè)備都是自行供電的[7]
  WUSB技術(shù)是一個(gè)基于超寬帶無線通信技術(shù)" title="無線通信技術(shù)">無線通信技術(shù)(Ultra-Wide Band-UWB)的全新通信標(biāo)準(zhǔn)。它通過USB接口和最先進(jìn)的無線通信技術(shù)擴(kuò)展了設(shè)備之間的連通性。UWB技術(shù)既不同于傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術(shù),也不同于3G蜂窩通信中的擴(kuò)頻寬帶技術(shù)。它不需要載波,能直接跳至脈沖信號(hào),產(chǎn)生帶寬高達(dá)幾兆赫茲的窄脈沖波形,其帶寬遠(yuǎn)大于目前任何商業(yè)無線通信技術(shù)所占用的帶寬(可達(dá)3.1GHz-10.6GHz);而且脈沖產(chǎn)生器只需產(chǎn)生大約100mV電壓就能滿足發(fā)射要求,因此功耗很小。UWB信號(hào)的寬頻帶、低功率譜密度的特性,決定了其具有易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)(如全球定位系統(tǒng)(GPS)、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等)共用頻段,大大提高頻譜利用率;易于實(shí)現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信;對(duì)多經(jīng)衰落具有魯棒性等特點(diǎn)。而WUSB技術(shù)則是結(jié)合了UWB的上述優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)有的USB接口技術(shù)[8]。
1.1 WUSB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
  WUSB系統(tǒng)由一個(gè)USB主機(jī)、多個(gè)USB設(shè)備和USB互連機(jī)制共同構(gòu)成。USB互連機(jī)制是USB主機(jī)與USB設(shè)備之間進(jìn)行連接和通信時(shí)所使用的一系列策略的總稱,通過對(duì)互連的請(qǐng)求進(jìn)行調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸,從而降低由仲裁所帶來的額外負(fù)荷。
  WUSB和USB2.0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。除了準(zhǔn)同步設(shè)備之外,USB2.0的其他大多數(shù)功能層軟件無需修改即可直接在WUSB中重新使用。WUSB設(shè)備需要一個(gè)重試機(jī)制,以在欠佳的無線媒體上進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)包傳輸;由于服務(wù)周期從1毫秒延伸至4毫秒或更長(zhǎng), WUSB設(shè)備還需要一個(gè)更大的緩沖器。通過在設(shè)備層加密與擴(kuò)展無線媒體管理,WUSB設(shè)備可以安全可靠地與主機(jī)通訊。因傳輸媒體性質(zhì)的不同,總線層將被完全替換。
  WUSB的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。所有通過主機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),都要與WUSB Host(WUSB主機(jī))相連接,然后給每個(gè)設(shè)備分配不同的地址和帶寬,這些設(shè)備和主機(jī)之間的關(guān)系被稱為群,它們是通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)來傳輸?shù)?。WUSB群能夠在交疊空間中以最小的沖突共存,因此,WUSB單元可以同時(shí)與兩個(gè)不同的WUSB主機(jī)相連接。WUSB主機(jī)作為系統(tǒng)的Hub處在模型的正中央,且能夠存在于非正式的WUSB群中,一個(gè)USB主機(jī)理論上能夠支持127個(gè)USB設(shè)備[9]。


1.2 WUSB的數(shù)據(jù)傳輸
  一般來說,每次USB傳輸都需要經(jīng)過三個(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)交換階段是不分開的,階段間的周轉(zhuǎn)時(shí)間為18FS(full-time)位時(shí)間(18ns×83ns=1.5μs)。為了分開傳輸,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[10]。
  對(duì)WUSB而言,傳輸和接收之間的交換時(shí)間超過10μs。為將交換時(shí)間縮至最短,WUSB采用分割傳輸以及群組處理,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整合在一個(gè)控制封包" title="封包">封包中,即微調(diào)度管理指令(Micro scheduled management or MMC)。
  如圖2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)頻率信息、下一個(gè)MMC的開始時(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之后即為輸出傳輸,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),其頻率和主機(jī)頻率同步。


  為避免傳輸過程中每次交易的功耗,WUSB將特定設(shè)備的交易整合在數(shù)據(jù)突發(fā)中。如圖3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,而主機(jī)可以選擇任意能夠啟動(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)。


  表1 為WUSB和USB2.0的簡(jiǎn)單對(duì)比。


1.3 異步設(shè)備通知
  USB2.0設(shè)備使用線纜傳輸電信號(hào)來請(qǐng)求主機(jī)“連接設(shè)備”、“斷開設(shè)備連接”或“遠(yuǎn)程喚醒主機(jī)”等多種設(shè)備請(qǐng)求。而WUSB設(shè)備則采用無線設(shè)備請(qǐng)求(DN)數(shù)據(jù)包的方式來請(qǐng)求主機(jī)處理相似設(shè)備請(qǐng)求,包括:“設(shè)備連接請(qǐng)求”、“設(shè)備斷開請(qǐng)求”和“遠(yuǎn)程喚醒主機(jī)請(qǐng)求”等。WUSB主機(jī)通過MMC設(shè)備請(qǐng)求時(shí)段,設(shè)備將根據(jù)沖突協(xié)議Slotted-Aloha來爭(zhēng)取設(shè)備請(qǐng)求時(shí)隙,并向主機(jī)傳輸設(shè)備請(qǐng)求。
  USB2.0設(shè)備采用NAK和NYET響應(yīng)進(jìn)行流控制" title="流控制">流控制。由于WUSB設(shè)備支持中斷傳輸和準(zhǔn)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)周期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)只有在接收到端點(diǎn)待命請(qǐng)求(DN-EP Ready)后,才會(huì)為這些特定端點(diǎn)的重新傳輸安排進(jìn)度。這種端點(diǎn)待命請(qǐng)求(DN-EP Ready)流控制機(jī)制可幫助主機(jī)和設(shè)備節(jié)約功耗和有效利用帶寬。
  表2為WUSB和USB2.0所包含傳輸類型的比較。
  其中:DNTS-設(shè)備通知時(shí)間, LS-低速,F(xiàn)S-全速,HS-高速,LP-低功耗,NP-正常功耗。


2 WUSB面臨的挑戰(zhàn)
2.1安全性

  所有相聯(lián)處理過程都包含三個(gè)階段:(1)識(shí)別;(2)認(rèn)證;(3)授權(quán)。使用USB纜線,USB2.0設(shè)備能安全可靠地與主機(jī)進(jìn)行通信:(1)由用戶來識(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)。
  而在應(yīng)用WUSB進(jìn)行通信時(shí),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128位連接主機(jī)識(shí)別器(CHID),設(shè)備透過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)或帶外信道與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)的過程。
  WUSB采用兩種相聯(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)。
2.2 可靠性
  WUSB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??煽俊WB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)透過控制以下參數(shù)來支持連接調(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。
2.3 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是基于TDMA進(jìn)行傳輸,所以設(shè)備能夠精確識(shí)別收發(fā)時(shí)。同時(shí),還能通過以下方式來節(jié)約功耗:
  (1) 閑置時(shí)段關(guān)閉射頻;
  (2) 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);
  (3) 發(fā)送中斷連接DN,中斷設(shè)備與主機(jī)的連接。
  為了盡可能地降低在中斷鍵盤、鼠標(biāo)、游戲桿等設(shè)備時(shí)所造成的功耗,WUSB支持低功耗中斷對(duì)CTA沒有響應(yīng)的設(shè)備,并進(jìn)入休眠狀態(tài)。在沒有數(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。
  WUSB技術(shù)是從最為成功且最為普及的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)USB2.0演化而來的。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,無線通信必然會(huì)經(jīng)歷基于USB技術(shù)的WUSB領(lǐng)域,而且在不久的將來WUSB會(huì)成為各種處理器和芯片組標(biāo)準(zhǔn)的一部分。隨著無線通信的發(fā)展和USB技術(shù)的日趨成熟,并由于WUSB保留了現(xiàn)有USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的大部分基礎(chǔ)架構(gòu),因而WUSB會(huì)表現(xiàn)出更好的性能。設(shè)備系統(tǒng)廠商充分利用現(xiàn)有大部分軟硬件資源,無須重新開發(fā),實(shí)現(xiàn)了人們生活在無拘無束的數(shù)字化時(shí)代的愿望。
參考文獻(xiàn)
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8 Rafael Kolic. Wireless USB Brings Greater Convenience and Mobility to Devices. Technology @ Intel Magazine,2004
9 Intel Corp. Wireless USB Whitepaper: The First High speed Personal WirelessInterconnect.http://www.intel.com/technology/ultrawideband/downloads/wirelessusb.pdf,2004
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