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。本文簡述了目前無線USB技術(shù)的優(yōu)勢和發(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。
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, 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)摹USB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)，性能非常可靠。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)的大小；
(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。
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