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基于超宽带的无线USB技术

2008-06-24
作者:姜 宇1, 曹 军1, 杨国

  摘 要: 随着超宽带" title="超宽带">超宽带(UWB)技术的成熟和无线系统成本的降低、无线USB技术得到了快速的发展。本文简述了目前无线USB技术的优势和发展状况,详细介绍了无线USB系统的组成及其工作原理,技术的分类和相关技术标准。最后讨论了无线USB面临的挑战和未来的发展趋势。
  关键词: UWB 无线USB(WUSB) 拓扑 数据传输 异步设备


  无线USB(WUSB)是在USB基础上发展起来的新型传输标准,具有有线USB所没有的性能和优点。因其具有高速率和易用性等特性,使得WUSB成为工业上的常用总线之一。同时,WUSB支持热插拔、计算机可以自动探测外设并配置所需软件,不像其它总线(如SCSI)需要自己配置地址[1][2],使用兼容设备的用户可以更自由地连接设备和方便地进行通信。WUSB作为I/O接口已经广泛应用于个人计算机、计算机外设和数码相机等电器设备[3][4]
  WUSB是由杰尔系统、惠普、英特尔、微软、NEC、飞利浦和三星共同开发的,在传输速度提高的同时,USB与无线技术相结合,形成了一种新的高速无线个人互连技术——无线USB[5]。在继承传统有线USB2.0标准所具有的较高传输速率优势的同时,充分利用无线传输技术的灵活性和极高的自由度,避免了复杂的缆线,能在3米的距离内实现480Mbps的等效带宽。兼顾了安全性、可靠性、降低功耗" title="低功耗">低功耗等特性,为所连结设备提供了高度的可移植性,增强了用户体验,为USB厂商向WUSB演进提供了正确的途径[6]
1 WUSB概述
  WUSB的运行利用了MBOAMAC架构,同时保留了主从架构,和USB2.0一样,它也能处理控制、突发、中断和同步这四种传输形式。主机和WUSB设备合称WUSB集群,采用星型拓扑;与USB2.0.A的树型拓扑不同,在不需要WUSB集线器(HUB)的条件下, WUSB主机能直接连接多达127个设备。另外由于WUSB没有线缆,所有的WUSB设备都是自行供电的[7]
  WUSB技术是一个基于超宽带无线通信技术" title="无线通信技术">无线通信技术(Ultra-Wide Band-UWB)的全新通信标准。它通过USB接口和最先进的无线通信技术扩展了设备之间的连通性。UWB技术既不同于传统的窄带无线传输技术,也不同于3G蜂窝通信中的扩频宽带技术。它不需要载波,能直接跳至脉冲信号,产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形,其带宽远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽(可达3.1GHz-10.6GHz);而且脉冲产生器只需产生大约100mV电压就能满足发射要求,因此功耗很小。UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性,决定了其具有易于与现有的窄带系统(如全球定位系统(GPS)、蜂窝通信系统、地面电视等)共用频段,大大提高频谱利用率;易于实现多用户的短距离高速数据通信;对多经衰落具有鲁棒性等特点。而WUSB技术则是结合了UWB的上述优点及现有的USB接口技术[8]
1.1 WUSB的拓扑结构
  WUSB系统由一个USB主机、多个USB设备和USB互连机制共同构成。USB互连机制是USB主机与USB设备之间进行连接和通信时所使用的一系列策略的总称,通过对互连的请求进行调度以支持同步数据传输,从而降低由仲裁所带来的额外负荷。
  WUSB和USB2.0的数据通信拓扑类似,共分三层:功能层、设备层和总线层。除了准同步设备之外,USB2.0的其他大多数功能层软件无需修改即可直接在WUSB中重新使用。WUSB设备需要一个重试机制,以在欠佳的无线媒体上进行可靠的数据包传输;由于服务周期从1毫秒延伸至4毫秒或更长, WUSB设备还需要一个更大的缓冲器。通过在设备层加密与扩展无线媒体管理,WUSB设备可以安全可靠地与主机通讯。因传输媒体性质的不同,总线层将被完全替换。
  WUSB的网络拓扑结构如图1所示。所有通过主机传输的数据,都要与WUSB Host(WUSB主机)相连接,然后给每个设备分配不同的地址和带宽,这些设备和主机之间的关系被称为群,它们是通过点对点来传输的。WUSB群能够在交叠空间中以最小的冲突共存,因此,WUSB单元可以同时与两个不同的WUSB主机相连接。WUSB主机作为系统的Hub处在模型的正中央,且能够存在于非正式的WUSB群中,一个USB主机理论上能够支持127个USB设备[9]


1.2 WUSB的数据传输
  一般来说,每次USB传输都需要经过三个阶段:Token、数据和信号交换。在一次完整的传输中,Token、数据和信号交换阶段是不分开的,阶段间的周转时间为18FS(full-time)位时间(18ns×83ns=1.5μs)。为了分开传输,USB Token、数据和信号交换阶段会与其它传输的同等阶段交叉进行[10]
  对WUSB而言,传输和接收之间的交换时间超过10μs。为将交换时间缩至最短,WUSB采用分割传输以及群组处理,传输顺序依次为Tokens、Data OUT and Data IN。为将Token阶段的持续时间缩至更短,WUSB将所有的Token整合在一个控制封包" title="封包">封包中,即微调度管理指令(Micro scheduled management or MMC)。
  如图2所示。首先,主机传输一个MMC;然后,WUSB丛集中的设备读取这一包含主机频率信息、下一个MMC的开始时间、通道时间分配(CTA)和信道管理信息的MMC。每个CTA包含设备与主机进行通信的进度安排。主机确定CTA的进度,MMC之后即为输出传输,然后是输入传输,最后是输出的信号交换。WUSB设备根据CTA接收和传输封包,其余时段处于休眠状态,其频率和主机频率同步。


  为避免传输过程中每次交易的功耗,WUSB将特定设备的交易整合在数据突发中。如图3所示,数据突发的范围可介于一个数据封包和十六个数据封包之间。具有数据突发功能的设备在其描述符号中报告其突发能力,而主机可以选择任意能够启动传输设备的突发组合。控制和中断的末端不支持数据突发。


  表1 为WUSB和USB2.0的简单对比。


1.3 异步设备通知
  USB2.0设备使用线缆传输电信号来请求主机“连接设备”、“断开设备连接”或“远程唤醒主机”等多种设备请求。而WUSB设备则采用无线设备请求(DN)数据包的方式来请求主机处理相似设备请求,包括:“设备连接请求”、“设备断开请求”和“远程唤醒主机请求”等。WUSB主机通过MMC设备请求时段,设备将根据冲突协议Slotted-Aloha来争取设备请求时隙,并向主机传输设备请求。
  USB2.0设备采用NAK和NYET响应进行流控制" title="流控制">流控制。由于WUSB设备支持中断传输和准同步传输等周期性传输方式,所以即使设备对先前的输入或输出等处理响应为NAK,主机也能够在下一个服务周期为这些令牌处理安排进度。而在控制和突发等非周期性传输中,一旦在处理时接收到设备发出的NAK响应,主机只有在接收到端点待命请求(DN-EP Ready)后,才会为这些特定端点的重新传输安排进度。这种端点待命请求(DN-EP Ready)流控制机制可帮助主机和设备节约功耗和有效利用带宽。
  表2为WUSB和USB2.0所包含传输类型的比较。
  其中:DNTS-设备通知时间, LS-低速,FS-全速,HS-高速,LP-低功耗,NP-正常功耗。


2 WUSB面临的挑战
2.1安全性

  所有相联处理过程都包含三个阶段:(1)识别;(2)认证;(3)授权。使用USB缆线,USB2.0设备能安全可靠地与主机进行通信:(1)由用户来识别设备和主机;(2)将设备接入主机后代表用户已默认主机和设备的连接;(3)透过将所有信号波束缚于USB缆线内,能够阻止恶意设备窃取信号。
  而在应用WUSB进行通信时,主机和设备也遵循同样的识别—认证—授权步骤:
  (1)主机透过128位连接主机识别器(CHID),设备透过128位连接设备识别器(CDID)进行自我识别。此时,主机将产生唯一的一对CHID-CDID;
  (2)首次连接时,主机和设备用一个带内或带外信道与128位连接密钥传输CHID-CDID对。传输文本和CHID-CDID连接密钥(两个步骤合称为CC)仅仅是主机和设备再次连接的开始,之后主机和设备将使用连接密钥,启动一个四路信号交换过程,彼此进行识别;
  (3)在四路信号交换阶段,主机和设备会生成对话密钥(SK)并完成相互授权的过程。
  WUSB采用两种相联方式:
  (1) USB 缆线方式:主机与设备间采用带外方式进行CC传输;
  (2)数值方式:主机与设备间根据 Deffie-Hellman 协议,采用Diffie-Hellman方式进行CC 传输。为了防止 MITM 攻击(man-in-the-middle, 一种窃听攻击技术),用户可在主机和设备上验证显示的数字,进行主机和设备授权。
2.2 可靠性
  WUSB媒介的数据包错误率(PER)可以达到10-6级,性能非常可靠。UWB媒介的PER维持在10-1级,高于有线媒介。为了降低数据封包错误率,WUSB主机透过控制以下参数来支持连接调适:
  (1) 传输功率控制(Transmit Power Control;TPC);
  (2) 数据率调节;
  (3) 有效负荷大小的调节;
  (4) 突发的大小;
  (5) 重试;
  (6) 转移至其它PHY 通道。
2.3 节约功耗
  由于射频(RF)占用了将近70%的功率资源,所以节约功耗最简便易行的方法就是关掉射频。此外,由于WUSB是基于TDMA进行传输,所以设备能够精确识别收发时。同时,还能通过以下方式来节约功耗:
  (1) 闲置时段关闭射频;
  (2) 发送休眠DN,要求主机不给予任何调度处理,因而进入休眠模式。同时,该设备也能藉由发送远程启动DN至主机端而再次启动;
  (3) 发送中断连接DN,中断设备与主机的连接。
  为了尽可能地降低在中断键盘、鼠标、游戏杆等设备时所造成的功耗,WUSB支持低功耗中断对CTA没有响应的设备,并进入休眠状态。在没有数据传输的时候,这种低功耗中断设备可休眠四秒钟。
  WUSB技术是从最为成功且最为普及的产业标准USB2.0演化而来的。随着无线通信技术的发展,无线通信必然会经历基于USB技术的WUSB领域,而且在不久的将来WUSB会成为各种处理器和芯片组标准的一部分。随着无线通信的发展和USB技术的日趋成熟,并由于WUSB保留了现有USB2.0标准的大部分基础架构,因而WUSB会表现出更好的性能。设备系统厂商充分利用现有大部分软硬件资源,无须重新开发,实现了人们生活在无拘无束的数字化时代的愿望。
参考文献
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

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