无线USB技术概述

无庸置疑的，通用同步总线（USB）已经成为迄今为止最为成功的PC外围连接设备，深受PC及外部设备生产商的青睐。预计到2005年底，将有超过五亿个USB产品投入使用。USB之所以能取得势不可挡的商业成功，源于以下几个特点：
●互通性；
●采用主从架构，简化了设备的复杂性；
●易于连接外部设备；
●可将多种设备连接至一个主机。

无线技术日趋发展成熟，成本也日益降低。尤其是超宽频（UWB）技术，特别适用于无线USB，能在三公尺的距离内实现480Mbps的高频宽。WirelessUSB（WUSB）的功能在于其避免了复杂的缆线，因此为所连结设备提供了高度的可移植性。无线功能可增强用户体验，但也面临着安全性、可靠性、降低功耗及其它挑战。

WUSB是由Agere、惠普、英特尔、微软、NEC、飞利浦和三星共同开发的，为USB厂商向无线迈进提供了正确的演进途径。
　 
WUSB概述

USB 2.0支持高速480 Mbps、全速12 Mbps和低速1.5 Mbps的数据传输。WUSB主机支持以下数据传输率：53.3Mbps、106.7Mbps、200Mbps、80Mbps、160Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。WUSB设备必须支持53.3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps，其它五种为可选数据传输率。53.3Mbps是基本信号速率，为所有的USB标准控制请求、MMC（Micro-scheduled Management Commands）、信号交换（Handshakes）、和设备通知（Device Notifications；DN）提供更高的可靠性。

WUSB主机必须符合多频带正交多频分工联盟（Multi-band OFDM Alliance；MBOA）联盟信标协议，以解决干扰问题。另一方面，WUSB设备还有以下三种选择：
●藉由符合MBOA 信标通讯协议（beaconing protocol），成为独立的信标设备；
●作为 WUSB主机引导信标设备，以避免将功率浪费在指示每个超级帧（super frame）上，并可降低处理的复杂性；
●将所有相邻设备集成在主机内，作为非信标设备部署。

WUSB和USB 2.0的数据通信拓扑类似，共分三层：功能层、设备层和总线层。除了同步设备之外，USB 2.0的其它大多数功能层软件组件都可以在WUSB中重新使用。无线同步设备需要 一个重试机制，以改进在欠佳的媒体上进行数据封包传输的可靠性，同时还需要一个更大的缓冲器，以实现4毫秒或更长的服务时间。设备层可增强安全性，扩展无线媒体管理 。总线层因无线媒体性质的不同，在数据传输方面有很大差异。
 
　 
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（18奈秒×83奈秒=1.5微秒）。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。

对WUSB而言，传输和接收之间的交换时间超过10微秒。为将交换时间缩至最短，WUSB采用分割传输（split transaction）以及群组处理（groups transaction），「封包」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集成在一个控制封包中，即微调度管理指令（Micro scheduled management or MMC）。

如(图一)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时脉信息、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之后紧接着是输出传输，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，其时脉和主机时脉同步。

 

(图一)　WUSB和USB 2.0的传输比较

　

为避免传输过程中每次交易的功耗，WUSB将特定设备的交易集成在数据突发（data bursts）中。如(图二)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。主机可以选择任何它可以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。
　

 

(图二)　WUSB的数据突发

　

　

比较 USB 2.0 WUSB 1.0
传输速率 三种传输速率：
高速：480Mbps
全速：12Mbps
低速：1.5Mbps，仅用于控制和中断传输 七种传输速率：
53.3、80、106.7、200、320、400和480Mbps
Device Notifications： 有线电子信号 DN数据封包透过Slotted-Aloha

●连接
●中断连接
●远程唤醒
●其它
　 　 DNTS 进行传输
突发支援 不支援 支援
●仅支持大量和同步传输
●突发范围介于1个至16个数据包之间
设备供电模式 ●总线供电
●自行供电 自行供电

表一　WUSB和USB 2.0的比较：常规

　

　

比较  USB 2.0  WUSB 1.0 
控制传输 　 　
数据包大小 最大为64bytes 固定512bytes
错误重试 如设备未回应，最多重试三次 如设备未相应，最多重试七次
　 　 　
大量传输 　 　
数据包大小 最大为512bytes 512Bytes至3584Bytes
错误重试 如设备未回应，最多重试三次 如设备未回应，最多重试七次
　 　 　
中断传输 　 　
数据包大小 最大为64bytes LP–最大为64bytes
NP–最大为1024bytes 
服务时间 LS/FS：1至255毫秒
HS：125微秒至4秒  4毫秒至4秒
错误重试 下一服务时间进行重试 LP：如设备未回应，最多重试三次
NP：如设备未回应，最多重试五次 
　 　 　
同步传输 　 　
数据封包大小 最大为1024bytes 最大为3584bytes
最大频宽 HS：最大为24MB/s
FS：最大为1MB/s 最大为5MB/s
服务时间 HS：125毫秒至4秒
FS：1毫秒 至32秒  4毫秒至4秒
错误重试 无 每个服务期间至少一次

＜图注:注：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＞

表二　WUSB和USB 2.0的比较：传输类型
　

　

异步设备通知
USB 2.0 设备使用缆线传输电子信号来通知「连接」、「中断连接」或「远程启动」等多种主机事件。而 WUSB 设备则采用空中DN封包的方式来通知相同的主机事件，包括：连接DN、切断DN和远程启动DN等。WUSB 主机通过DN CTA传输 MMC 后，设备将根据Slotted-Aloha 来争取 DN 时隙并向主机传输设备通知事件。

流程控制
USB 2.0设备采用NAK和 NYET进行流程控制。由于 WUSB 设备支持中断传输和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时段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DN_EPReady通知后，才会为这些特定端点的传输安排进度。这种DN_EPReady流程控制机制可帮助主机和设备节约功耗和节省频宽。
　 
WUSB 面临的挑战

■相联（Association）
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，USB 2.0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 WUSB 内，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（in-band）或带外（out-of-band）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 采用了两种相联方式：
(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。

安全性
完成相联之后，主机和设备就能够透过 ASE 128 位秘密引擎进行安全通信。

可靠性
无线 USB 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。

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基于TDMA进行传输，设备能够精确识别收发时间。因此还能透过以下方式来节约功耗：
●闲置时段关闭射频；
●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；
●发送中断连接DN，中断设备与主机的连接。
为了尽可能地降低中断键盘、鼠标、游戏摇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。
　 
主机缆线配接器和设备缆线配接器（HWA和DWA）

WUSB定义了一个新的USB设备类别—缆线配接器（Wire Adapter）。
主机缆线配接器（HWA）是一种采用 USB 2.0 缆线接口进行上游连接的USB设备， 可作为主机到丛集下游的WUSB设备。设备缆线配接器（DWA）则是一种采用WUSB接口进行上游连接的USB设备，可作为连接至其下游埠设备的有线USB 2.0主机，如(图三)所示。

缆线配接器设备类别为HWA和DWA指定了USB接口。还描述了数据传输模式。两种WA都为数据传输提供了一个通知中断端点和一个突发端点对（IN and OUT）。
　

 

(图三)　HWA与DWA的拓扑图

　
　 
MBOA MAC

WUSB采用多频带OFDM联盟（MBOA）作为媒体存取控制（MAC）层。MBOA-MAC采用能够提供480Mbps空中数据连接速度的UWB技术。UWB的频率范围则介于无须执照的3.1～10.6GHz之间。

MBOA MAC属于分布式MAC协议，专为无线个人局域网络（PAN）而设计，透过再利用通话时间（air-time）、解决干扰和保持低能耗等方法拓展了设备的使用空间。所有MBOA设备都在点对点（ad-hoc）模式下运行。

每个MBOA MAC设备都有一个唯一的64位MAC地址（EUI-64）。为了减少架构冗余，MBOA将64位MAC映像到一个16位设备地址—DevAddr。两条跳线以上的MBOA设备可在毫无冲突的情况下再利用通话时间。这些通话时间可能在分布式预约协议（DRP）预约和信标时隙间进行自由竞争，也可能是基于竞争的区分优先级竞争访问（PCA）。此外，16位设备地址在空间上同样也能再利用。

为了管理通话时间，MBOA定义了媒体存取间隙（Medium Access Slot；MAS）。每个MAS的长度为256微秒；256MAS组成了一个时间长度为65毫秒的超帧（super-frame）。MBOA将使每个超帧与最慢的时脉保持同步，以控制设备中的时脉漂移。

在节省功率方面，设备能够在一个时隙里接听所有信标帧，因此MBOA指定所有信标在一个信标周期（BP）内进行传输。BP保留了每个超帧中的前32MAS（8毫秒）。

(图四)　WUSB处理过程中的超帧示意图

　
结语

WUSB技术是从最为成功且最为普及的产业标准—USB 2.0演化而来的。由于WUSB保留了现有USB 2.0标准的大部分基础架构，如设备驱动器、数据流、 连接速度及拓扑结构，因而是一种非常易于采用的技术。WUSB还为用户提供了HWA和DWA，使现有的USB 2.0硬件能够进行升级，与WUSB标准相兼容。

采用MBOA MAC和UWB技术后，未来的WUSB数据传输速率将增加到1Gbps。除现有的USB应用外，WUSB将实现许多全新的应用，如家用定位（home position），家用搜索（home ranging）及家用网络（home networking）等应用。（作者为飞利浦半导体高级软件工程师）