摘 要: 隨著超寬帶" title="超寬帶">超寬帶(UWB)技術的成熟和無線系統成本的降低、無線USB技術得到了快速的發展。本文簡述了目前無線USB技術的優勢和發展狀況,詳細介紹了無線USB系統的組成及其工作原理,技術的分類和相關技術標準。最后討論了無線USB面臨的挑戰和未來的發展趨勢。
關鍵詞: UWB 無線USB(WUSB) 拓撲 數據傳輸 異步設備
無線USB(WUSB)是在USB基礎上發展起來的新型傳輸標準,具有有線USB所沒有的性能和優點。因其具有高速率和易用性等特性,使得WUSB成為工業上的常用總線之一。同時,WUSB支持熱插拔、計算機可以自動探測外設并配置所需軟件,不像其它總線(如SCSI)需要自己配置地址[1][2],使用兼容設備的用戶可以更自由地連接設備和方便地進行通信。WUSB作為I/O接口已經廣泛應用于個人計算機、計算機外設和數碼相機等電器設備[3][4]。
WUSB是由杰爾系統、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦和三星共同開發的,在傳輸速度提高的同時,USB與無線技術相結合,形成了一種新的高速無線個人互連技術——無線USB[5]。在繼承傳統有線USB2.0標準所具有的較高傳輸速率優勢的同時,充分利用無線傳輸技術的靈活性和極高的自由度,避免了復雜的纜線,能在3米的距離內實現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,為所連結設備提供了高度的可移植性,增強了用戶體驗,為USB廠商向WUSB演進提供了正確的途徑[6]。
1 WUSB概述
WUSB的運行利用了MBOAMAC架構,同時保留了主從架構,和USB2.0一樣,它也能處理控制、突發、中斷和同步這四種傳輸形式。主機和WUSB設備合稱WUSB集群,采用星型拓撲;與USB2.0.A的樹型拓撲不同,在不需要WUSB集線器(HUB)的條件下, WUSB主機能直接連接多達127個設備。另外由于WUSB沒有線纜,所有的WUSB設備都是自行供電的[7]。
WUSB技術是一個基于超寬帶無線通信技術" title="無線通信技術">無線通信技術(Ultra-Wide Band-UWB)的全新通信標準。它通過USB接口和最先進的無線通信技術擴展了設備之間的連通性。UWB技術既不同于傳統的窄帶無線傳輸技術,也不同于3G蜂窩通信中的擴頻寬帶技術。它不需要載波,能直接跳至脈沖信號,產生帶寬高達幾兆赫茲的窄脈沖波形,其帶寬遠大于目前任何商業無線通信技術所占用的帶寬(可達3.1GHz-10.6GHz);而且脈沖產生器只需產生大約100mV電壓就能滿足發射要求,因此功耗很小。UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性,決定了其具有易于與現有的窄帶系統(如全球定位系統(GPS)、蜂窩通信系統、地面電視等)共用頻段,大大提高頻譜利用率;易于實現多用戶的短距離高速數據通信;對多經衰落具有魯棒性等特點。而WUSB技術則是結合了UWB的上述優點及現有的USB接口技術[8]。
1.1 WUSB的拓撲結構
WUSB系統由一個USB主機、多個USB設備和USB互連機制共同構成。USB互連機制是USB主機與USB設備之間進行連接和通信時所使用的一系列策略的總稱,通過對互連的請求進行調度以支持同步數據傳輸,從而降低由仲裁所帶來的額外負荷。
WUSB和USB2.0的數據通信拓撲類似,共分三層:功能層、設備層和總線層。除了準同步設備之外,USB2.0的其他大多數功能層軟件無需修改即可直接在WUSB中重新使用。WUSB設備需要一個重試機制,以在欠佳的無線媒體上進行可靠的數據包傳輸;由于服務周期從1毫秒延伸至4毫秒或更長, WUSB設備還需要一個更大的緩沖器。通過在設備層加密與擴展無線媒體管理,WUSB設備可以安全可靠地與主機通訊。因傳輸媒體性質的不同,總線層將被完全替換。
WUSB的網絡拓撲結構如圖1所示。所有通過主機傳輸的數據,都要與WUSB Host(WUSB主機)相連接,然后給每個設備分配不同的地址和帶寬,這些設備和主機之間的關系被稱為群,它們是通過點對點來傳輸的。WUSB群能夠在交疊空間中以最小的沖突共存,因此,WUSB單元可以同時與兩個不同的WUSB主機相連接。WUSB主機作為系統的Hub處在模型的正中央,且能夠存在于非正式的WUSB群中,一個USB主機理論上能夠支持127個USB設備[9]。
1.2 WUSB的數據傳輸
一般來說,每次USB傳輸都需要經過三個階段:Token、數據和信號交換。在一次完整的傳輸中,Token、數據和信號交換階段是不分開的,階段間的周轉時間為18FS(full-time)位時間(18ns×83ns=1.5μs)。為了分開傳輸,USB Token、數據和信號交換階段會與其它傳輸的同等階段交叉進行[10]。
對WUSB而言,傳輸和接收之間的交換時間超過10μs。為將交換時間縮至最短,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階段的持續時間縮至更短,WUSB將所有的Token整合在一個控制封包" title="封包">封包中,即微調度管理指令(Micro scheduled management or MMC)。
如圖2所示。首先,主機傳輸一個MMC;然后,WUSB叢集中的設備讀取這一包含主機頻率信息、下一個MMC的開始時間、通道時間分配(CTA)和信道管理信息的MMC。每個CTA包含設備與主機進行通信的進度安排。主機確定CTA的進度,MMC之后即為輸出傳輸,然后是輸入傳輸,最后是輸出的信號交換。WUSB設備根據CTA接收和傳輸封包,其余時段處于休眠狀態,其頻率和主機頻率同步。
為避免傳輸過程中每次交易的功耗,WUSB將特定設備的交易整合在數據突發中。如圖3所示,數據突發的范圍可介于一個數據封包和十六個數據封包之間。具有數據突發功能的設備在其描述符號中報告其突發能力,而主機可以選擇任意能夠啟動傳輸設備的突發組合。控制和中斷的末端不支持數據突發。
表1 為WUSB和USB2.0的簡單對比。
1.3 異步設備通知
USB2.0設備使用線纜傳輸電信號來請求主機“連接設備”、“斷開設備連接”或“遠程喚醒主機”等多種設備請求。而WUSB設備則采用無線設備請求(DN)數據包的方式來請求主機處理相似設備請求,包括:“設備連接請求”、“設備斷開請求”和“遠程喚醒主機請求”等。WUSB主機通過MMC設備請求時段,設備將根據沖突協議Slotted-Aloha來爭取設備請求時隙,并向主機傳輸設備請求。
USB2.0設備采用NAK和NYET響應進行流控制" title="流控制">流控制。由于WUSB設備支持中斷傳輸和準同步傳輸等周期性傳輸方式,所以即使設備對先前的輸入或輸出等處理響應為NAK,主機也能夠在下一個服務周期為這些令牌處理安排進度。而在控制和突發等非周期性傳輸中,一旦在處理時接收到設備發出的NAK響應,主機只有在接收到端點待命請求(DN-EP Ready)后,才會為這些特定端點的重新傳輸安排進度。這種端點待命請求(DN-EP Ready)流控制機制可幫助主機和設備節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-設備通知時間, LS-低速,FS-全速,HS-高速,LP-低功耗,NP-正常功耗。
2 WUSB面臨的挑戰
2.1安全性
所有相聯處理過程都包含三個階段:(1)識別;(2)認證;(3)授權。使用USB纜線,USB2.0設備能安全可靠地與主機進行通信:(1)由用戶來識別設備和主機;(2)將設備接入主機后代表用戶已默認主機和設備的連接;(3)透過將所有信號波束縛于USB纜線內,能夠阻止惡意設備竊取信號。
而在應用WUSB進行通信時,主機和設備也遵循同樣的識別—認證—授權步驟:
(1)主機透過128位連接主機識別器(CHID),設備透過128位連接設備識別器(CDID)進行自我識別。此時,主機將產生唯一的一對CHID-CDID;
(2)首次連接時,主機和設備用一個帶內或帶外信道與128位連接密鑰傳輸CHID-CDID對。傳輸文本和CHID-CDID連接密鑰(兩個步驟合稱為CC)僅僅是主機和設備再次連接的開始,之后主機和設備將使用連接密鑰,啟動一個四路信號交換過程,彼此進行識別;
(3)在四路信號交換階段,主機和設備會生成對話密鑰(SK)并完成相互授權的過程。
WUSB采用兩種相聯方式:
(1) USB 纜線方式:主機與設備間采用帶外方式進行CC傳輸;
(2)數值方式:主機與設備間根據 Deffie-Hellman 協議,采用Diffie-Hellman方式進行CC 傳輸。為了防止 MITM 攻擊(man-in-the-middle, 一種竊聽攻擊技術),用戶可在主機和設備上驗證顯示的數字,進行主機和設備授權。
2.2 可靠性
WUSB媒介的數據包錯誤率(PER)可以達到10-6級,性能非常可靠。UWB媒介的PER維持在10-1級,高于有線媒介。為了降低數據封包錯誤率,WUSB主機透過控制以下參數來支持連接調適:
(1) 傳輸功率控制(Transmit Power Control;TPC);
(2) 數據率調節;
(3) 有效負荷大小的調節;
(4) 突發的大小;
(5) 重試;
(6) 轉移至其它PHY 通道。
2.3 節約功耗
由于射頻(RF)占用了將近70%的功率資源,所以節約功耗最簡便易行的方法就是關掉射頻。此外,由于WUSB是基于TDMA進行傳輸,所以設備能夠精確識別收發時。同時,還能通過以下方式來節約功耗:
(1) 閑置時段關閉射頻;
(2) 發送休眠DN,要求主機不給予任何調度處理,因而進入休眠模式。同時,該設備也能藉由發送遠程啟動DN至主機端而再次啟動;
(3) 發送中斷連接DN,中斷設備與主機的連接。
為了盡可能地降低在中斷鍵盤、鼠標、游戲桿等設備時所造成的功耗,WUSB支持低功耗中斷對CTA沒有響應的設備,并進入休眠狀態。在沒有數據傳輸的時候,這種低功耗中斷設備可休眠四秒鐘。
WUSB技術是從最為成功且最為普及的產業標準USB2.0演化而來的。隨著無線通信技術的發展,無線通信必然會經歷基于USB技術的WUSB領域,而且在不久的將來WUSB會成為各種處理器和芯片組標準的一部分。隨著無線通信的發展和USB技術的日趨成熟,并由于WUSB保留了現有USB2.0標準的大部分基礎架構,因而WUSB會表現出更好的性能。設備系統廠商充分利用現有大部分軟硬件資源,無須重新開發,實現了人們生活在無拘無束的數字化時代的愿望。
參考文獻
1 Sebastian Rupley. Wireless USB. PC Magazine, 2004.7
2 Wireless USB Brings Greater Convenience and Mobility to Devices. http://www.device Forge.com/articles/AT 9015145687 htm
3 Wireless Universal Serial Bus (WUSB).http://www.intel.com/technology/com ms/wusb.htm
4 Enabling True Wireless USB. http://www.icron.com/products/usb/collateral/wire-less USB. pdf
5 Wireless USB. http://www.intel.com/technology/ultrawideband/dowloads/wireless-USB.pdf
6 Ultra Wide Band (UWB) Technology.http://www.intel.com/technology/ultra-wide-band/Downloads/Ultra-Wide Band.pdf.
7 Wireless USB Promoter Group. Wireless Universal Serial Bus Specification Revision 1.0,2005
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
10 USB-IF. Wireless USB Specification now Available to public.http://www.usb.org/press/pressroom/2005-05-24-USBIF2.pdf, 2005-5