无线USB技术探微
发布时间：2010-8-31 19:46
发布者：conniede
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随着超带宽（UWB）技术的普及无线技术日趋成熟，成本的日益降低, 无线USB（Wireless USB）也浮出水面，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，能在3米的距离内实现480 Mbps的等效带宽。通过兼顾安全性、可靠性、降低功耗及其他挑战，和提供移动外设连接，WUSB 摆脱了繁多的线缆，增强了用户体验。 为USB厂商向WUSB演进提供了正确的途径。 无线USB综述 WUSB的运行利用了MBOA-MAC架构，同时保留了主从架构，和USB 2.0一样，它也能处理控制、突发、中断和同步所有这4种传输形式。主机和WUSB设备合称WUSB集群，采用星型拓扑；与USB 2.0. A的树型拓扑不同，不需要WUSB 集线器 （HUB）, 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。 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主机支持以下数据率：53.3 Mbps、80 Mbps、106.7 Mbps、200 Mbps、160 Mbps、320 Mbps、400 Mbps和480 Mbps。WUSB设备必须支持53.3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps，其他5种为可选数据率。53.3 Mbps为基本信号速率具有最高的可靠性。所有的标准USB控制请求、MMC(微调度管理指令)特殊控制令牌、应答交换和设备请求（DN）都使用这个基本信号速率。 WUSB主机必须符合MBOA 信标协议，以解决多集群共存、干扰问题。WUSB设备有以下3种选择： * 全面支持MBOA 信标协议，成为独立的信标设备。 这一选择会有最大的功耗。 * 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上，并可降低处理的复杂性。这一选择会有适中的功耗。 * 将所有相邻设备整合在主机内，作为非信标设备部署。 这一选择会有最低的功耗。 WUSB和USB 2.0的数据通信拓扑类似，共分3层：功能层、设备层和总线层。除了准同步设备之外，USB 2.0的其他大多数功能层软件, 无需修改可以直接在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的数据传输 一般而论，每次USB传输都需要经过3个阶段：令牌、数据和应答交换。在一次集总（integral）传输中，令牌、数据和应答交换阶段是不分割的，阶段间的周转时间为18全速位时间（18纳秒×83纳秒 = 1.5 微秒）。在分割（splitted）传输中，令牌、数据和应答交换阶段可能与其他传输的阶段交叉。 对WUSB而言，传输和接收之间的交换时间为10微秒。为将交换时间缩至最短，WUSB采用分割传输， “数据包” 传输顺序依次为令牌、数据输出和数据输入，这样一来, 传输和接收之间的交换只会发生在两次：最后一个数据输出与第一个数据输入；最后一个数据输入与第一个令牌。WUSB将所有的令牌整合在一个控制数据包中，即微调度管理指令（简称MMC）, 将令牌阶段的持续时间缩至最短。 如图1 所示，首先，主机传输一个MMC；然后， WUSB集群中的设备读取这一包含主机时钟信息、下一个MMC的开始时间、信道时段分配（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，最后是输出的应答交换。WUSB设备同步设备和主机时钟, 并根据CTA接收和传输数据包，其余时段处于休眠状态以保持低功耗。 为优化突发和准同步传输过程中每次交易的开销，WUSB将多个交易整合成单个数据突发。如图2所示，每个数据突发的范围可传输1个至16个数据包。具有数据突发功能的设备通过描述符向主机报告其突发能力，主机可以任意选择突发组合。值得注意的是, 控制和中断传输不能使用数据突发机制。 表1是WUSB和USB 2.0的简单对比： 表1 WUSB和USB 2.0的对比（常规） 对比项目 USB 2.0 WUSB 1.0 数据率 USB,3种数据率： 高速：480 Mbps 全速：12 Mbps 低速：1.5 Mbps，仅用于控制和中断传输 WUSB,8 种数据率： 53.3 Mbps、80 Mbps、106.7、160、200、320、400和480 Mbps WUSB,设备请求（DN）： -连接请求 -断开连接请求 -远程唤醒请求 -其他请求 USB设备通过有线电器信号传输设备请求到主机 WUSB设备通过分隙阿罗哈冲突协议（Slotted-Aloha), 获取设备请求时隙(DNTS)并传输设备请求数据包到主机 传输突发（BURST）支持 USB,不支持 WUSB支持 USB- 仅支持突发和准同步传输 WUSB- 突发范围介于1个至16个数据包之间 设备的供电模式 USB- 总线供电 WUSB- 自主供电 USB- 仅自主供电 异步设备通知 USB 2.0 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。 流控制 USB 2.0设备采用NAK和 NYET 响应进行流控制。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_EPReady）后，才会为这些特定端点的从新传输安排进度。这种端点待命请求（DN_EPReady）流控制机制可帮助主机和设备节约功耗和有效利用带宽。 WUSB 带来的挑战 相联 所有相联过程都包含三个阶段：识别、认证、授权。 使用USB 线缆，USB 2.0设备安全可靠地与主机进行相联： 1. 用户识别器设备和主机； 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. 通过将所有信号波束缚在线缆内，USB 线缆能够阻止恶意设备窃听讯息。 而在 WUSB 内，主机和设备也遵循同样的识别—认证—授权步骤： 1. 主机通过128 位连接主机识别符（CHID），设备通过128 位连接设备识别符（CDID）进行自我识别。此时，主机采用的是独特的CHID-CDID对。 2. 首次相联时，主机利用一个带内或带外信道将CHID-CDID对、128位联接密钥, 传输至设备。当主机和设备再次连接之时，主机和设备将使用联接密钥，启动一个四路应答交换过程，彼此进行识别认证； 3. 在四路应答交换阶段，也是相互授权的过程, 主机和设备会生成对话密钥（SK）用于以后的数据交换。 WUSB 采用了两种相联模型： 1． USB 线缆模型：通过USB 线缆, 主机与设备间以带外方式传输CHID-CDID对、128位联接密钥； 2． 数字密码模型：通过内无线方式, 主机与设备间利用 Deffie-Hellman 公开密钥协议，传输CHID-CDID对、128位联接密钥。为了防止 MITM 攻击（一种窃听攻击技术），用户可在主机和设备上确认显示的数字，完成主机和设备授权过程。 安全性 完成相联之后，主机和设备就能够通过对话密钥与AES-128 位加密引擎进行安全通信。 可靠性 对比性能非常可靠的有线 USB 媒介（PER可以达到10-6 级），UWB 媒介的 PER 维持在 10-1 级。WUSB 主机通过控制以下参数来降低数据包错误率, 提高传输可靠性与有效性： 1. 增强发送功率（TPC） 2. 降低收发数据率 3. 减少数据包长度 4. 缩短传输突发的长度 5. 重发 6. 切换至其他PHY 信道,以躲开干扰. 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。WUSB 是基于TDMA 进行传输，设备通过与主机同步来节约功耗： * 主机与设备在闲置时段关闭射频，进入休眠模式； * 设备发送休眠请求，要求主机暂不传输任何数据，然后进入休眠模式。当设备再次想与主机通讯, 设备给主机发送远程激活请求； * 设备发送断开设备请求，由主机断开设备与主机的连接，设备可以进入休眠模式。 为了尽可能地降低断开键盘、鼠标、游戏手柄等设备时所造成的功耗，低功耗设备在没有数据须要传输之世, 可以对中传输时段不予响应，并保持休眠状态多达4 秒钟。 主机线缆适配器和设备线缆适配器（HWA 和 DWA） WUSB 定义了一个新的 USB设备类别 — 线缆适配器, 用来将现有的有线USB主机和设备升级到WUSB。 主机线缆适配器（HWA）是一种采用 USB 2.0 线缆接口向上连接有线USB 主机， 向下通过WUSB连接集群下游的 WUSB 设备。设备线缆适配器（DWA）则是一种采用 WUSB 接口向上连接WUSB主机，USB 2.0 线缆接口向下连接有线USB下游端口设备。 线缆适配器设备类别为 HWA 和 DWA 指定了 USB 接口。两种 WA通过一个通知中断端点和一对突发端点（输入和输出）进行数据传输。 MBOA MAC WUSB 采用多频带OFDM 联盟 (MBOA) 作为媒体访问控制（MAC）层。MBOA-MAC 采用能够提供480 Mbps 空中数据连接速度的 UWB 技术。UWB 的频率范围介于在免于授权的无线波段: 3.1 到 10.6 GHz 之间。 MBOA MAC 属于分布式 MAC 协议，专为无线个人局域网而设计，通过时分复用[TDMA], 频分复用[OFDM]和空分复用(SPATIAL REUSE)来提高频谱利用率。 每个 MBOA MAC 设备都有一个唯一的 64 位 MAC 地址（EUI-64）。为了减少通讯冗余，MBOA 将 64 位 MAC 映射为一个16 位设备地址 — DevAddr。相隔 2 级跳程［ＨＯＰ］以上的MBOA 设备可在毫无冲突的情况下再利用通话时间，16 位设备地址，信标时间槽。这些通话时间可能是通过分布式预约协议（DRP）预约得到的无冲突时间片，也可能是基于优先级竞争访问（PCA）的有冲突时间片。  WUSB 处理过程中的超帧示意图 为了优化管理通话时间，MBOA 将一个时间长度为 65 毫秒的超帧，划分成了256个媒体访问时隙 （MAS）。 每个MAS 的长度为 256 微秒； 所有MBOA 设备将使时钟同步到最慢的设备中，从而并控制设备中的时钟漂移。为了节省功率，所有信标在同一个信标周期（BP）内进行发送，从而所有设备能够在一个时隙里接听所有信标帧。BP 是每个超帧中的前 32 MAS （8 毫秒）。 结语 WUSB 技术是从最为成功且最为普及的行业标准— USB 2.0 演化而来的。由于WUSB 保留了现有 USB2.0 标准的大部分基础架构，如设备驱动程序、数据流、 设备连接拓扑结构，因而是一种面向设备系统厂商的技术，使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。WUSB 还为用户提供了 HWA 和 DWA，因而是一种面向用户的技术，使用户现有的 USB 2.0 硬件能够进行升级，与WUSB 标准相兼容。 另外，MBOA UWB 数据率将增加到 1Gbps。除了现有的 典型USB 应用外， WUSB 应用将会拓展到许多其他领域，如家用定位/跟踪，及家用网络等。 作为一家 半导体芯片 供应商，飞利浦已经宣布将与英特尔以及其他行业先驱共同携手，向市场推出 WUSB 芯片组。各大厂商之间的通力协作可望帮助现在和将来的设备系统厂商轻松地从 USB 2.0 过渡到 WUSB 1.0。最终消费者也会从 WUSB 的过渡中获益，因为WUSB能够提供诸如安放／移动更自由，连接更快捷，和更优质的用户体验。 |
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