無庸置疑的，通用同步總線（USB）已經成為迄今為止最為成功的PC外圍連接設備，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，源于以下幾個特點：
●互通性；
●采用主從架構，簡化了設備的復雜性；
●易于連接外部設備；
●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，特別適用于無線USB，能在三公尺的距離內實現480Mbps的高頻寬。WirelessUSB（WUSB）的功能在于其避免了復雜的纜線，因此為所連結設備提供了高度的可移植性。無線功能可增強用戶體驗，但也面臨著安全性、可靠性、降低功耗及其它挑戰。

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。
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WUSB概述

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主機支持以下數據傳輸率：53.3Mbps、106.7Mbps、200Mbps、80Mbps、160Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。WUSB設備必須支持53.3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps，其它五種為可選數據傳輸率。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 信標通訊協議（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，并可降低處理的復雜性；
●將所有相鄰設備集成在主機內，作為非信標設備部署。

WUSB和USB 2.0的數據通信拓撲類似，共分三層：功能層、設備層和總線層。除了同步設備之外，USB 2.0的其它大多數功能層軟件組件都可以在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數據封包傳輸的可靠性，同時還需要一個更大的緩沖器，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 。總線層因無線媒體性質的不同，在數據傳輸方面有很大差異。
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WUSB的數據傳輸

一般來說，每次USB傳輸都需要經過三個階段：Token、數據和信號交換。在一次完整的傳輸中， Token、數據和信號交換階段是不分開的，階段間的周轉時間為18FS（full-time）位時間（18奈秒×83奈秒=1.5微秒）。為了分開傳輸，USB Token、數據和信號交換階段會與其它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采用分割傳輸（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集成在一個控制封包中，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；然后，WUSB叢集中的設備讀取這一包含主機時脈信息、下一個MMC的開始時間、通道時間分配（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，最后是輸出的信號交換。WUSB設備根據CTA接收和傳輸封包，其余時段處于休眠狀態，其時脈和主機時脈同步。

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(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將特定設備的交易集成在數據突發（data bursts）中。如(圖二)所示，數據突發的范圍可介于一個數據封包和十六個數據封包之間。具有數據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持數據突發。
　

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(圖二)　WUSB的數據突發

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，僅用于控制和中斷傳輸 七種傳輸速率：
53.3、80、106.7、200、320、400和480Mbps
Device Notifications： 有線電子信號 DN數據封包透過Slotted-Aloha

●連接
●中斷連接
●遠程喚醒
●其它
　 　 DNTS 進行傳輸
突發支援 不支援 支援
●僅支持大量和同步傳輸
●突發范圍介于1個至16個數據包之間
設備供電模式 ●總線供電
●自行供電 自行供電

表一　WUSB和USB 2.0的比較：常規

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
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 無 每個服務期間至少一次

＜圖注:注：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＞

表二　WUSB和USB 2.0的比較：傳輸類型
　

異步設備通知
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「遠程啟動」等多種主機事件。而 WUSB 設備則采用空中DN封包的方式來通知相同的主機事件，包括：連接DN、切斷DN和遠程啟動DN等。WUSB 主機通過DN CTA傳輸 MMC 后，設備將根據Slotted-Aloha 來爭取 DN 時隙并向主機傳輸設備通知事件。

流程控制
USB 2.0設備采用NAK和 NYET進行流程控制。由于 WUSB 設備支持中斷傳輸和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時段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DN_EPReady通知后，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。
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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)將設備接入主機后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于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 位連接主機識別器（CHID），設備透過128 位連接設備識別器（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）信道與128位連接密鑰傳輸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，之后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）并完成相互授權的過程。

WUSB 采用了兩種相聯方式：
(1)USB 纜線方式：主機與設備間采用帶外方式進行 CC 傳輸；
(2)數值方式：主機與設備間根據 Deffie-Hellman 協議，采用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
完成相聯之后，主機和設備就能夠透過 ASE 128 位秘密引擎進行安全通信。

可靠性
無線 USB 媒介的數據包錯誤率（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，高于有線媒介。為了降低數據封包錯誤率，WUSB主機透過控制以下參數來支持連接調適：
(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)轉移至其它PHY 通道。

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。

此外，由于WUSB基于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：
●閑置時段關閉射頻；
●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程啟動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、鼠標、游戲搖桿等設備時所造成的功耗，WUSB支持低功耗中斷對CTA沒有響應的設備，并進入休眠狀態。在沒有數據傳輸的時候，這種低功耗中斷設備可休眠四秒鐘。
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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）是一種采用 USB 2.0 纜線接口進行上游連接的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）則是一種采用WUSB接口進行上游連接的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接口。還描述了數據傳輸模式。兩種WA都為數據傳輸提供了一個通知中斷端點和一個突發端點對（IN and OUT）。
　

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(圖三)　HWA與DWA的拓撲圖

　
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MBOA MAC

WUSB采用多頻帶OFDM聯盟（MBOA）作為媒體存取控制（MAC）層。MBOA-MAC采用能夠提供480Mbps空中數據連接速度的UWB技術。UWB的頻率范圍則介于無須執照的3.1～10.6GHz之間。

MBOA MAC屬于分布式MAC協議，專為無線個人局域網絡（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MAC地址（EUI-64）。為了減少架構冗余，MBOA將64位MAC映像到一個16位設備地址—DevAddr。兩條跳線以上的MBOA設備可在毫無沖突的情況下再利用通話時間。這些通話時間可能在分布式預約協議（DRP）預約和信標時隙間進行自由競爭，也可能是基于競爭的區分優先級競爭訪問（PCA）。此外，16位設備地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里接聽所有信標幀，因此MBOA指定所有信標在一個信標周期（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

　
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。由于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、數據流、 連接速度及拓撲結構，因而是一種非常易于采用的技術。WUSB還為用戶提供了HWA和DWA，使現有的USB 2.0硬件能夠進行升級，與WUSB標準相兼容。

采用MBOA MAC和UWB技術后，未來的WUSB數據傳輸速率將增加到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）及家用網絡（home networking）等應用。（作者為飛利浦半導體高級軟件工程師）