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無線USB技術概述
 

【作者: 張振宇、Saravana Kumar】   2005年08月05日 星期五

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無庸置疑的,通用同步匯流排(USB)已經成為迄今為止最為成功的PC週邊連接設備,深受PC及外部設備生產商的青睞。預計到2005年底,將有超過五億個USB產品投入使用。USB之所以能取得勢不可擋的商業成功,源於以下幾個特點:


  • ●互通性;


  • ●採用主從架構,簡化了設備的複雜性;


  • ●易於連接外部設備;


  • ●可將多種設備連接至一個主機。



無線技術日趨發展成熟,成本也日益降低。尤其是超寬頻(UWB)技術,特別適用於無線USB,能在三公尺的距離內實現480Mbps的高頻寬。WirelessUSB(WUSB)的功能在於其避免了複雜的纜線,因此為所連結設備提供了高度的可攜性。無線功能可增強用戶體驗,但也面臨著安全性、可靠性、降低功耗及其他挑戰。


WUSB是由Agere、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦和三星共同開發的,為USB廠商向無線邁進提供了正確的演進途徑。


WUSB概述

WUSB的運行採用MBOA–MAC架構,同時保留了主從架構,和USB 2.0一樣,它也能處理控制、突發、中斷和同步(Control、Bulk、Interrupt and Isochronous)所有這四種傳輸形式。主機和WUSB設備合稱WUSB叢集,採用星型拓撲;與USB 2.0. A的樹型拓撲不同,WUSB主機能直接連接多達127個設備,因此在WUSB叢集中不需要包含WUSB集線器。而由於WUSB沒有纜線,因此,所有的WUSB設備都必須自行供電(self-powered)。


USB 2.0支援高速480 Mbps、全速12 Mbps和低速1.5 Mbps的資料傳輸。WUSB主機支援以下資料傳輸率:53.3Mbps、106.7Mbps、200Mbps、80Mbps、160Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。WUSB設備必須支援53.3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps,其他五種為可選資料傳輸率。53.3Mbps是基本信號速率,為所有的USB標準控制請求、MMC(Micro-scheduled Management Commands)、信號交換(Handshakes)、和設備通知(Device Notifications;DN)提供更高的可靠性。


WUSB主機必須符合多頻帶正交多頻分工聯盟(Multi-band OFDM Alliance;MBOA)聯盟信標協議,以解決干擾問題。另一方面,WUSB設備還有以下三種選擇:


  • ●藉由符合MBOA 信標通訊協定(beaconing protocol),成為獨立的信標設備;


  • ●作為 WUSB主機引導信標設備,以避免將功率浪費在指示每個超級幀(super frame)上,並可降低處理的複雜性;


  • ●將所有相鄰設備整合在主機內,作為非信標設備部署。



WUSB和USB 2.0的資料通信拓撲類似,共分三層:功能層、設備層和匯流排層。除了同步設備之外,USB 2.0的其他大多數功能層軟體元件都可以在WUSB中重新使用。無線同步設備需要 一個重試機制,以改進在欠佳的媒體上進行資料封包傳輸的可靠性,同時還需要一個更大的緩衝器,以實現4毫秒或更長的服務時間。設備層可增強安全性,擴展無線媒體管理 。匯流排層因無線媒體性質的不同,在資料傳輸方面有很大差異。


WUSB的資料傳輸

一般來說,每次USB傳輸都需要經過三個階段:Token、資料和信號交換。在一次完整的傳輸中, Token、資料和信號交換階段是不分開的,階段間的周轉時間為18FS(full-time)位元時間(18奈秒×83奈秒=1.5微秒)。為了分開傳輸,USB Token、資料和信號交換階段會與其他傳輸的同等階段交叉進行。


對WUSB而言,傳輸和接收之間的交換時間超過10微秒。為將交換時間縮至最短,WUSB採用分割傳輸(split transaction)以及群組處理(groups transaction),「封包」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中,即微調度管理指令(Micro scheduled management or MMC)。


如(圖一)所示,首先,主機傳輸一個MMC;然後,WUSB叢集中的設備讀取這一包含主機時脈資訊、下一個MMC的開始時間、通道時間分配(CTA)和通道管理資訊的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之後緊接著是輸出傳輸,然後是輸入傳輸,最後是輸出的信號交換。WUSB設備根據CTA接收和傳輸封包,其餘時段處於休眠狀態,其時脈和主機時脈同步。


《圖一 WUSB和USB 2.0的傳輸比較》
《圖一 WUSB和USB 2.0的傳輸比較》

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資料突發(data bursts)中。如(圖二)所示,資料突發的範圍可介於一個資料封包和十六個資料封包之間。具有資料突發功能的設備在其描述符號中報告其突發能力。主機可以選擇任何它可以啟動傳輸設備的突發組合。控制和中斷的末端不支援資料突發。


《圖二 WUSB的數據突發》
《圖二 WUSB的數據突發》

(表一)是WUSB和USB 2.0的簡單對比:


表一 WUSB和USB 2.0的比較:常規

比較

USB 2.0

WUSB 1.0

傳輸速率

三種傳輸速率:

高速:480Mbps

全速:12Mbps

低速:1.5Mbps,僅用於控制和中斷傳輸

七種傳輸速率:

53.3、80、106.7、200、320、400和480Mbps

Device Notifications:

●連接

●中斷連接

●遠程喚醒

●其他

有線電子信號

DN資料封包透過Slotted-Aloha DNTS 進行傳輸

突發支援

不支援

支援

●僅支援大量和同步傳輸

●突發範圍介於1個至16個資料包之間

設備供電模式

●匯流排供電

●自行供電

自行供電


表二 WUSB和USB 2.0的比較:傳輸類型
比較 USB 2.0 WUSB 1.0
控制傳輸
數據包大小 最大為64bytes 固定512bytes
錯誤重試 如設備未回應,最多重試三次 如設備未相應,最多重試七次
 
大量傳輸
數據包大小 最大為512bytes 512Bytes至3584Bytes
錯誤重試 如設備未回應,最多重試三次 如設備未回應,最多重試七次
 
中斷傳輸
數據包大小 最大為64bytes

LP–最大為64bytes

NP–最大為1024bytes
服務時間

LS/FS:1至255毫秒

HS:125微秒至4秒
4毫秒至4秒
錯誤重試 下一服務時間進行重試

LP:如設備未回應,最多重試三次

NP:如設備未回應,最多重試五次
 
同步傳輸
數據封包大小 最大為1024bytes 最大為3584bytes
確認應答(ACK) 無確認應答 支援確認應答(ACK)和否定確認應答(NAK),但不支持延遲
最大頻寬

HS:最大為24MB/s

FS:最大為1MB/s

最大為5MB/s
服務時間

HS:125毫秒至4秒

FS:1毫秒 至32秒
4毫秒至4秒
錯誤重試 每個服務期間至少一次
<圖註:註: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>


非同步設備通知

USB 2.0 設備使用纜線傳輸電子信號來通知「連接」、「中斷連接」或「遠端啟動」等多種主機事件。而 WUSB 設備則採用空中DN封包的方式來通知相同的主機事件,包括:連接DN、切斷DN和遠端啟動DN等。WUSB 主機通過DN CTA傳輸 MMC 後,設備將根據Slotted-Aloha 來爭取 DN 時隙並向主機傳輸設備通知事件。


流程控制

USB 2.0設備採用NAK和 NYET進行流程控制。由於 WUSB 設備支援中斷傳輸和同步傳輸等週期性傳輸方式,所以即使設備對先前的輸入或輸出等處理回應為NAK,主機也能夠在下一個服務時段為這些權杖處理安排進度。而在控制和突發等非週期性傳輸中,一旦在處理時接收到設備發出的NAK回應,主機只有在接收到DN_EPReady通知後,才會為這些特定端點的傳輸安排進度。這種DN_EPReady流程控制機制可幫助主機和設備節約功耗和節省頻寬。


WUSB 面臨的挑戰

相聯(Association)

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,USB 2.0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)將設備接入主機後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於USB纜線內,能夠阻止惡意設備竊取信號。



而在 WUSB 內,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 位元連接主機識別器(CHID),設備透過128 位元連接設備識別器(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(in-band)或帶外(out-of-band)通道與128位元連接密鑰傳輸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,之後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)並完成相互授權的過程。



WUSB 採用了兩種相聯方式:


  • (1)USB 纜線方式:主機與設備間採用帶外方式進行 CC 傳輸;


  • (2)數值方式:主機與設備間根據 Deffie-Hellman 協定,採用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。



安全性

完成相聯之後,主機和設備就能夠透過 ASE 128 位元秘密引擎進行安全通信。


可靠性

無線 USB 媒介的資料包錯誤率(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,高於有線媒介。為了降低資料封包錯誤率,WUSB主機透過控制以下參數來支援連接調適:


  • (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)轉移至其他PHY 通道。



節約功耗

由於射頻(RF)佔用了將近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,由於WUSB基於TDMA進行傳輸,設備能夠精確識別收發時間。因此還能透過以下方式來節約功耗:


  • ●閒置時段關閉射頻;


  • ●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端啟動DN至主機端而再次啟動;


  • ●發送中斷連接DN,中斷設備與主機的連接。



為了盡可能地降低中斷鍵盤、滑鼠、遊戲搖桿等設備時所造成的功耗,WUSB支持低功耗中斷對CTA沒有回應的設備,並進入休眠狀態。在沒有資料傳輸的時候,這種低功耗中斷設備可休眠四秒鐘。


主機纜線配接器和設備纜線配接器(HWA和DWA)

WUSB定義了一個新的USB設備類別—纜線配接器(Wire Adapter)。


主機纜線配接器(HWA)是一種採用 USB 2.0 纜線介面進行上游連接的USB設備, 可作為主機到叢集下游的WUSB設備。設備纜線配接器(DWA)則是一種採用WUSB介面進行上游連接的USB設備,可作為連接至其下游埠設備的有線USB 2.0主機,如(圖三)所示。


纜線配接器設備類別為HWA和DWA指定了USB介面。還描述了資料傳輸模式。兩種WA都為資料傳輸提供了一個通知中斷端點和一個突發端點對(IN and OUT)。


《圖三 HWA與DWA的拓撲圖》
《圖三 HWA與DWA的拓撲圖》

MBOA MAC

WUSB採用多頻帶OFDM聯盟(MBOA)作為媒體存取控制(MAC)層。MBOA-MAC採用能夠提供480Mbps空中資料連接速度的UWB技術。UWB的頻率範圍則介於無須執照的3.1~10.6GHz之間。


MBOA MAC屬於分散式MAC協定,專為無線個人區域網路(PAN)而設計,透過再利用通話時間(air-time)、解決干擾和保持低能耗等方法拓展了設備的使用空間。所有MBOA設備都在點對點(ad-hoc)模式下運行。


每個MBOA MAC設備都有一個唯一的64位元MAC位址(EUI-64)。為了減少架構冗餘,MBOA將64位元MAC映射到一個16位元設備位址—DevAddr。兩條跳線以上的MBOA設備可在毫無衝突的情況下再利用通話時間。這些通話時間可能在分散式預約協議(DRP)預約和信標時隙間進行自由競爭,也可能是基於競爭的區分優先順序競爭訪問(PCA)。此外,16位元設備位址在空間上同樣也能再利用。


為了管理通話時間,MBOA定義了媒體存取間隙(Medium Access Slot;MAS)。每個MAS的長度為256微秒;256MAS組成了一個時間長度為65毫秒的超幀(super-frame)。MBOA將使每個超幀與最慢的時脈保持同步,以控制設備中的時脈漂移。


在節省功率方面,設備能夠在一個時隙裏接聽所有信標幀,因此MBOA指定所有信標在一個信標週期(BP)內進行傳輸。BP保留了每個超幀中的前32MAS(8毫秒)。



《圖四 WUSB處理過程中的超幀示意圖》
《圖四 WUSB處理過程中的超幀示意圖》

結語

WUSB技術是從最為成功且最為普及的產業標準—USB 2.0演化而來的。由於WUSB保留了現有USB 2.0標準的大部分基礎架構,如設備驅動器、資料流程、 連接速度及拓撲結構,因而是一種非常易於採用的技術。WUSB還為用戶提供了HWA和DWA,使現有的USB 2.0硬體能夠進行升級,與WUSB標準相相容。


採用MBOA MAC和UWB技術後,未來的WUSB資料傳輸速率將增加到1Gbps。除現有的USB應用外,WUSB將實現許多全新的應用,如家用定位(home position),家用搜索(home ranging)及家用網路(home networking)等應用。(作者為飛利浦半導體高級軟體工程師)


延 伸 閱 讀

UWB的技術研究約在60年代,最初只是研究時域(Time Domain)下的脈衝響應控制,之後成為70年代軍用雷達所採行的一項技術,80年代演變成無載波(Carrier)式無線電技術,至1989年正式由美國國防部稱為UWB。毫無疑問的,UWB與Smart Antenna(智慧型天線)、Phased Array Radar(相位陣列雷達,類似技術即是今日IEEE 802.11g所即將用上的MIMO)等相同,皆是由軍方先行研發運用的無線技術。相關介紹請見「 UWB技術特性評析」一文。

以近身網路為焦點的藍牙在歷經多年的奮戰後,市場已經熱絡許多,然而更新的WUSB技術卻也呼之欲出,未來會是誰的天下?你可在「近身網路市場勃興WUSB打敗藍牙」一文中得到進一步的介紹。

將時間拉回1998年,當Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba等五家業者聯合提出藍芽(Bluetooth)技術時,許多人都認為Bluetooth將成為一統3C的無線通訊方式,理由是五家業者各是3C領域的龍頭廠商,Ericsson、Noki主通訊,IBM、Intel主資訊,Toshiba主消費性電子,因此Bluetooth必將成為最主流的無線新標準。在「WUSB失色? ZigBee退讓?拒絕滅種 Bluetooth力求雙線再進化」一文為你做了相關的評析。

市場動態
Cypress Semiconductor宣布,Thomson集團旗下Gyration採用Cypress WirelessUSB無線系統單晶片(radio-system-on-a-chip)開發其最新型無線滑鼠與鍵盤。相關介紹請見「Gyration採用Cypress WirelessUSB無線單晶片系統」一文。
USB技術及解決方案廠商Cypress Semiconductor宣佈開始供應WirelessUSB N:1開發套件。WirelessUSB N:1透過一套高成本效益、低耗電、高可靠度的無線解決方案來取代低傳輸率、高節點密度的有線系統。你可在「 Cypress推出WirelessUSB感測器網路開發套件」一文中得到進一步的介紹。
飛思卡爾半導體(Freescale)與Icron Technologies展示首個使用超寬頻(UWB)技術的USB 2.0無線解決方案,該解決方案將Icron的ExtremeUSB與飛思卡爾的UWB晶片組相結合,使PC、週邊設備和消費型電子應用廠商能讓其USB產品支援無線方式。在「飛思卡爾與Icron利用UWB打造無線USB 2.0解決方案」一文為你做了相關的評析。
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