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隨著超帶寬（UWB）技術的普及無線技術日趨成熟，成本的日益降低, 無線USB（Wireless USB）也浮出水面，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，能在3米的距離內實現480 Mbps的等效帶寬。通過兼顧安全性、可靠性、降低功耗及其他挑戰，和提供移動外設連接，WUSB 擺脫了繁多的線纜，增強了用戶體驗。 為USB廠商向WUSB演進提供了正確的途徑。 無線USB綜述 WUSB的運行利用了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、中斷和同步所有這4種傳輸形式。主機和WUSB設備合稱WUSB集群，采用星型拓撲；與USB 2.0. A的樹型拓撲不同，不需要WUSB 集線器 （HUB）, 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。 USB 2.0支持高速480 Mbps、全速12 Mbps和低速1.5 Mbps的數據傳輸。WUSB主機支持以下數據率：53.3 Mbps、80 Mbps、106.7 Mbps、200 Mbps、160 Mbps、320 Mbps、400 Mbps和480 Mbps。WUSB設備必須支持53.3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps，其他5種為可選數據率。53.3 Mbps為基本信號速率具有最高的可靠性。所有的標準USB控制請求、MMC(微調度管理指令)特殊控制令牌、應答交換和設備請求（DN）都使用這個基本信號速率。 WUSB主機必須符合MBOA 信標協議，以解決多集群共存、干擾問題。WUSB設備有以下3種選擇： * 全面支持MBOA 信標協議，成為獨立的信標設備。 這一選擇會有最大的功耗。 * 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上，并可降低處理的復雜性。這一選擇會有適中的功耗。 * 將所有相鄰設備整合在主機內，作為非信標設備部署。 這一選擇會有最低的功耗。 WUSB和USB 2.0的數據通信拓撲類似，共分3層：功能層、設備層和總線層。除了準同步設備之外，USB 2.0的其他大多數功能層軟件, 無需修改可以直接在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的數據傳輸 一般而論，每次USB傳輸都需要經過3個階段：令牌、數據和應答交換。在一次集總（integral）傳輸中，令牌、數據和應答交換階段是不分割的，階段間的周轉時間為18全速位時間（18納秒×83納秒 = 1.5 微秒）。在分割（splitted）傳輸中，令牌、數據和應答交換階段可能與其他傳輸的階段交叉。 對WUSB而言，傳輸和接收之間的交換時間為10微秒。為將交換時間縮至最短，WUSB采用分割傳輸， “數據包” 傳輸順序依次為令牌、數據輸出和數據輸入，這樣一來, 傳輸和接收之間的交換只會發生在兩次：最后一個數據輸出與第一個數據輸入；最后一個數據輸入與第一個令牌。WUSB將所有的令牌整合在一個控制數據包中，即微調度管理指令（簡稱MMC）, 將令牌階段的持續時間縮至最短。 如圖1 所示，首先，主機傳輸一個MMC；然后， WUSB集群中的設備讀取這一包含主機時鐘信息、下一個MMC的開始時間、信道時段分配（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之后緊接著是輸出傳輸，然后是輸入傳輸，最后是輸出的應答交換。WUSB設備同步設備和主機時鐘, 并根據CTA接收和傳輸數據包，其余時段處于休眠狀態以保持低功耗。 為優化突發和準同步傳輸過程中每次交易的開銷，WUSB將多個交易整合成單個數據突發。如圖2所示，每個數據突發的范圍可傳輸1個至16個數據包。具有數據突發功能的設備通過描述符向主機報告其突發能力，主機可以任意選擇突發組合。值得注意的是, 控制和中斷傳輸不能使用數據突發機制。 表1是WUSB和USB 2.0的簡單對比： 表1 WUSB和USB 2.0的對比（常規） 對比項目 USB 2.0 WUSB 1.0 數據率 USB,3種數據率： 高速：480 Mbps 全速：12 Mbps 低速：1.5 Mbps，僅用于控制和中斷傳輸 WUSB,8 種數據率： 53.3 Mbps、80 Mbps、106.7、160、200、320、400和480 Mbps WUSB,設備請求（DN）： -連接請求 -斷開連接請求 -遠程喚醒請求 -其他請求 USB設備通過有線電器信號傳輸設備請求到主機 WUSB設備通過分隙阿羅哈沖突協議（Slotted-Aloha), 獲取設備請求時隙(DNTS)并傳輸設備請求數據包到主機 傳輸突發（BURST）支持 USB,不支持 WUSB支持 USB- 僅支持突發和準同步傳輸 WUSB- 突發范圍介于1個至16個數據包之間 設備的供電模式 USB- 總線供電 WUSB- 自主供電 USB- 僅自主供電 異步設備通知 USB 2.0 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。 流控制 USB 2.0設備采用NAK和 NYET 響應進行流控制。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_EPReady）后，才會為這些特定端點的從新傳輸安排進度。這種端點待命請求（DN_EPReady）流控制機制可幫助主機和設備節約功耗和有效利用帶寬。 WUSB 帶來的挑戰 相聯 所有相聯過程都包含三個階段：識別、認證、授權。 使用USB 線纜，USB 2.0設備安全可靠地與主機進行相聯： 1. 用戶識別器設備和主機； 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. 通過將所有信號波束縛在線纜內，USB 線纜能夠阻止惡意設備竊聽訊息。 而在 WUSB 內，主機和設備也遵循同樣的識別—認證—授權步驟： 1. 主機通過128 位連接主機識別符（CHID），設備通過128 位連接設備識別符（CDID）進行自我識別。此時，主機采用的是獨特的CHID-CDID對。 2. 首次相聯時，主機利用一個帶內或帶外信道將CHID-CDID對、128位聯接密鑰, 傳輸至設備。當主機和設備再次連接之時，主機和設備將使用聯接密鑰，啟動一個四路應答交換過程，彼此進行識別認證； 3. 在四路應答交換階段，也是相互授權的過程, 主機和設備會生成對話密鑰（SK）用于以后的數據交換。 WUSB 采用了兩種相聯模型： 1． USB 線纜模型：通過USB 線纜, 主機與設備間以帶外方式傳輸CHID-CDID對、128位聯接密鑰； 2． 數字密碼模型：通過內無線方式, 主機與設備間利用 Deffie-Hellman 公開密鑰協議，傳輸CHID-CDID對、128位聯接密鑰。為了防止 MITM 攻擊（一種竊聽攻擊技術），用戶可在主機和設備上確認顯示的數字，完成主機和設備授權過程。 安全性 完成相聯之后，主機和設備就能夠通過對話密鑰與AES-128 位加密引擎進行安全通信。 可靠性 對比性能非常可靠的有線 USB 媒介（PER可以達到10-6 級），UWB 媒介的 PER 維持在 10-1 級。WUSB 主機通過控制以下參數來降低數據包錯誤率, 提高傳輸可靠性與有效性： 1. 增強發送功率（TPC） 2. 降低收發數據率 3. 減少數據包長度 4. 縮短傳輸突發的長度 5. 重發 6. 切換至其他PHY 信道,以躲開干擾. 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。WUSB 是基于TDMA 進行傳輸，設備通過與主機同步來節約功耗： * 主機與設備在閑置時段關閉射頻，進入休眠模式； * 設備發送休眠請求，要求主機暫不傳輸任何數據，然后進入休眠模式。當設備再次想與主機通訊, 設備給主機發送遠程激活請求； * 設備發送斷開設備請求，由主機斷開設備與主機的連接，設備可以進入休眠模式。 為了盡可能地降低斷開鍵盤、鼠標、游戲手柄等設備時所造成的功耗，低功耗設備在沒有數據須要傳輸之世, 可以對中傳輸時段不予響應，并保持休眠狀態多達4 秒鐘。 主機線纜適配器和設備線纜適配器（HWA 和 DWA） WUSB 定義了一個新的 USB設備類別 — 線纜適配器, 用來將現有的有線USB主機和設備升級到WUSB。 主機線纜適配器（HWA）是一種采用 USB 2.0 線纜接口向上連接有線USB 主機， 向下通過WUSB連接集群下游的 WUSB 設備。設備線纜適配器（DWA）則是一種采用 WUSB 接口向上連接WUSB主機，USB 2.0 線纜接口向下連接有線USB下游端口設備。 線纜適配器設備類別為 HWA 和 DWA 指定了 USB 接口。兩種 WA通過一個通知中斷端點和一對突發端點（輸入和輸出）進行數據傳輸。 MBOA MAC WUSB 采用多頻帶OFDM 聯盟 (MBOA) 作為媒體訪問控制（MAC）層。MBOA-MAC 采用能夠提供480 Mbps 空中數據連接速度的 UWB 技術。UWB 的頻率范圍介于在免于授權的無線波段: 3.1 到 10.6 GHz 之間。 MBOA MAC 屬于分布式 MAC 協議，專為無線個人局域網而設計，通過時分復用[TDMA], 頻分復用[OFDM]和空分復用(SPATIAL REUSE)來提高頻譜利用率。 每個 MBOA MAC 設備都有一個唯一的 64 位 MAC 地址（EUI-64）。為了減少通訊冗余，MBOA 將 64 位 MAC 映射為一個16 位設備地址 — DevAddr。相隔 2 級跳程［ＨＯＰ］以上的MBOA 設備可在毫無沖突的情況下再利用通話時間，16 位設備地址，信標時間槽。這些通話時間可能是通過分布式預約協議（DRP）預約得到的無沖突時間片，也可能是基于優先級競爭訪問（PCA）的有沖突時間片。 WUSB 處理過程中的超幀示意圖 為了優化管理通話時間，MBOA 將一個時間長度為 65 毫秒的超幀，劃分成了256個媒體訪問時隙 （MAS）。 每個MAS 的長度為 256 微秒； 所有MBOA 設備將使時鐘同步到最慢的設備中，從而并控制設備中的時鐘漂移。為了節省功率，所有信標在同一個信標周期（BP）內進行發送，從而所有設備能夠在一個時隙里接聽所有信標幀。BP 是每個超幀中的前 32 MAS （8 毫秒）。 結語 WUSB 技術是從最為成功且最為普及的行業標準— USB 2.0 演化而來的。由于WUSB 保留了現有 USB2.0 標準的大部分基礎架構，如設備驅動程序、數據流、 設備連接拓撲結構，因而是一種面向設備系統廠商的技術，使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。WUSB 還為用戶提供了 HWA 和 DWA，因而是一種面向用戶的技術，使用戶現有的 USB 2.0 硬件能夠進行升級，與WUSB 標準相兼容。 另外，MBOA UWB 數據率將增加到 1Gbps。除了現有的 典型USB 應用外， WUSB 應用將會拓展到許多其他領域，如家用定位/跟蹤，及家用網絡等。 作為一家 半導體芯片 供應商，飛利浦已經宣布將與英特爾以及其他行業先驅共同攜手，向市場推出 WUSB 芯片組。各大廠商之間的通力協作可望幫助現在和將來的設備系統廠商輕松地從 USB 2.0 過渡到 WUSB 1.0。最終消費者也會從 WUSB 的過渡中獲益，因為WUSB能夠提供諸如安放／移動更自由，連接更快捷，和更優質的用戶體驗。 |
