無線USB技術(shù)及其應(yīng)用分析

摘要　對最近剛剛通過標(biāo)準(zhǔn)的無線USB技術(shù)及其應(yīng)用作了簡要分析。從無線USB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程入手，介紹了無線USB的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點以及針對無線平臺的增強技術(shù)，分析了無線USB技術(shù)的三種應(yīng)用領(lǐng)域，最后對無線USB的應(yīng)用推廣作了一些展望。

關(guān)鍵詞　無線通用串行總線　標(biāo)準(zhǔn)　應(yīng)用 引言

USB(universal serial bus，通用串行總線)作為一個計算機與外設(shè)之間的接口方案，因其具有使用方便、傳輸速度快、端口易擴(kuò)展等特點，已經(jīng)逐步擴(kuò)展應(yīng)用到了消費電子、移動通信、家庭網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制以及儀器儀表等諸多領(lǐng)域。

為了適應(yīng)各領(lǐng)域?qū)��?shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)的需要，USB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)從1.0發(fā)展到了2.O，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室矎淖畛醯?.5Mbit/s提高到了480Mbit/s。在傳輸速度大幅度提高的同時，USB更是緊跟通信技術(shù)的無線化趨勢，將傳統(tǒng)基于線纜的USB擴(kuò)展為基于無線傳輸平臺的無線USB(wireless USB)。這種新的高速無線個人互連技術(shù)，在繼承傳統(tǒng)有線USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)所具有的較高傳輸速率優(yōu)勢的同時，充分利用無線傳輸技術(shù)的靈活性與極高的自由度，免除了有線USB需要線纜連接所帶來的各種麻煩，為互連設(shè)備提供了更大的便利性與可移動性。本文介紹的就是2005年5月底剛剛通過標(biāo)準(zhǔn)的無線USB技術(shù)以及它在相關(guān)領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

1、無線USB技術(shù)概述

1.1　標(biāo)準(zhǔn)化組織與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

無線USB促進(jìn)組織(Wireless USB Promoter Group)是無線USB標(biāo)準(zhǔn)的制定機構(gòu)。該組織成立于2004年初，由英特爾(Intel)發(fā)起，成員包括了杰爾系統(tǒng)(Agere Systems)、惠普(Hewlett Packard)、微軟(Mircosoft)、NEC、飛利浦半導(dǎo)體(Philips Semiconductor)和三星(Samsung)這幾家業(yè)界領(lǐng)先的公司。

由于無線USB促進(jìn)組織所制定的無線USB標(biāo)準(zhǔn)只涉及到較高層次協(xié)議規(guī)范的制定，物理層和MAC(media access control，媒體訪問控制)層則采用了由MBOA(MultiBand OFDM Alliance，正交頻分多路復(fù)用聯(lián)盟)和WiMedia聯(lián)盟(Wireless Multimedia Alliance，無線多媒體聯(lián)盟)共同制定的UWB(ultra wideband，超寬帶)無線標(biāo)準(zhǔn)，因此，這兩家旨在推動個人無線領(lǐng)域互連互通的國際標(biāo)準(zhǔn)制定組織對無線USB技術(shù)的發(fā)展也起了極大的推動作用。

在這些直接或間接影響無線USB標(biāo)準(zhǔn)制定的組織積極作用之下，從2004年初到2005年5月，短短一年多時間內(nèi)，無線USB標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了數(shù)十次的修改、擴(kuò)充、討論與完善。在2005年5月24日的無線USB開發(fā)者大會上，無線USB促進(jìn)組織宣布，無線USB標(biāo)準(zhǔn)1.0修訂版的制定工作已經(jīng)完成，現(xiàn)在通過的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)移交給USB實施論壇(USB-Implementers Forum)，由后者承擔(dān)無線USB標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證、兼容測試、標(biāo)志許可以及營銷工作。

新近通過的這個無線USB標(biāo)準(zhǔn)以MBOA和Wi-Media聯(lián)盟的超寬帶MAC層和物理層為基礎(chǔ)，在WiMedia通用無線平臺上提供較高層的協(xié)議綜合，在3m范圍內(nèi)提供高達(dá)480Mbit/s的傳輸速度，10m范圍內(nèi)的傳輸速度也可達(dá)到110Mbit/s。

1.2　無線USB的體系結(jié)構(gòu)

無線USB系統(tǒng)由一個無線USB主機和多個無線USB設(shè)備，以及主機和設(shè)備之間的互連機制這三部分共同構(gòu)成。其中，USB互連機制是USB主機與USB設(shè)備之間進(jìn)行連接和通信所使用的一系列策略的總稱，涉及到三個方面的內(nèi)容：

1.2.1　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

定義了USB設(shè)備與主機之間的連接模型。

無線USB系統(tǒng)中主機和設(shè)備的連接采用了如圖1所示的“hub and spoke”模型。無線USB主機以hub的角色處在模型的正中央，理論上一個USB主機能夠支持最多127個USB設(shè)備，各無線USB設(shè)備處于每段spoke的末端，每段spoke代表著一個無線USB主機到一個無線USB設(shè)備之間點到點的連接。如圖1所示。

圖1　無線USB“hub and spoke”模型

1.2.2　數(shù)據(jù)流模型

制定了USB系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸機制。

在基本保留了有線USB 2.O標(biāo)準(zhǔn)的分層結(jié)構(gòu)與通信組件的同時，無線USB標(biāo)準(zhǔn)針對無線傳輸?shù)奶攸c，在數(shù)據(jù)流模式，即各層數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸方式上做了一些改動與增強。圖2是簡化的無線USB通信拓?fù)鋱D，圖中說明了無線USB標(biāo)準(zhǔn)在有線USB2.0標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)流模式所做的相應(yīng)改動。

其中，功能層與有線USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)幾乎保持一致，只在同步傳輸模式增強上作了極小的改動；設(shè)備層增加了一些安全性擴(kuò)展和無線媒介設(shè)備管理的控制命令，改動較�。豢偩�接口層是改動較大的一層，主要針對無線傳輸增加了一個高效安全的通信服務(wù)機制，規(guī)定了無線USB主機和設(shè)備通信之前，必須先建立一個安全關(guān)聯(lián)圈，之后加密的數(shù)據(jù)才能通過無線通道傳輸，很大程度上保證了無線傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ鐖D2所示。

圖2　無線USB的通信拓?fù)鋱D

1.2.3　USB總線調(diào)度

制定了多個無線USB設(shè)備與一個USB主機之間通信的總線策略。

類似于有線USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的總線調(diào)度，無線USB標(biāo)準(zhǔn)采用的也是基于TDMA(time division multiple access，時分多路復(fù)用)輪詢方式的總線調(diào)度協(xié)議。協(xié)議規(guī)定了由主機控制器發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸過程由三類分組構(gòu)成：令牌分組、數(shù)據(jù)分組和握手分組。為了提高無線傳輸?shù)男诺览�用效率，無線USB標(biāo)準(zhǔn)去除了有線USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)中原有的一些發(fā)送和接收之間低效的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，將多個令牌信息放到一個特定分組中傳輸，主機同時指示相應(yīng)設(shè)備發(fā)送、接收或參與握手的恰當(dāng)時機，極大的提高了無線物理層的傳輸效率。

1.3　無線USB的技術(shù)特點

作為有線USB在無線領(lǐng)域的擴(kuò)展，無線USB的設(shè)計目標(biāo)是向用戶提供有線USB的功能，而無需線纜的連接。無線USB具有下列一些技術(shù)特點。

1)充分考慮了與有線USB的兼容。

無線USB基本沿用了有線USB的軟件框架，保證了大部分已有的軟件接口、設(shè)備驅(qū)動程序在無線USB體系中可以繼續(xù)使用，最大限度的利用了已有的開發(fā)成果。

同時，為了繼續(xù)使用目前已有的大量支持有線USB標(biāo)準(zhǔn)的計算機和外部設(shè)備，盡可能的挽回投資損失，無線USB標(biāo)準(zhǔn)定義了一個新的設(shè)備類型：有線適配設(shè)備。其中的一類設(shè)備稱為DWA(device wire adapter，設(shè)備有線適配)，用于適配有線USB設(shè)備，使之能與一個無線USB主機連接；另一類設(shè)備稱為HWA(host wire adapter，主機有線適配)，它為有線USB主機提供無線USB主機功能的擴(kuò)展。利用這兩類設(shè)備提供的適配功能，現(xiàn)有有線USB主機與有線USB設(shè)備之間也能建立無線USB的連接。

圖3顯示了這兩類設(shè)備提供的有線適配功能。圖中左端的有線USB主機與一個HWA通過USB 2.0線纜連接，在HWA的適配下成為了一個能夠支持無線USB標(biāo)準(zhǔn)的有線USB主機，右端的兩個有線USB設(shè)備通過USB 2.0線纜與一個DWA連接，在DWA的適配下成為了能夠支持無線USB標(biāo)準(zhǔn)的有線USB設(shè)備，它們與無線USB設(shè)備一起，構(gòu)成了一個無線USB標(biāo)準(zhǔn)的總線拓?fù)洹?

圖3　有線適配設(shè)備應(yīng)用拓?fù)?

2)采用了MBOA制定的UWB超寬帶物理層標(biāo)準(zhǔn)。

無線USB能夠支持53.3、80、106.7、200、320、400和480Mbit/s等多速率和多通道的數(shù)據(jù)傳輸，同時也提供了較好的差錯檢測和校正機制，尤其適合無線USB的室內(nèi)密集多徑場所的高速無線接入。無線USB標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了無線USB主機必須支持上述所有的傳輸速率，而對無線USB設(shè)備則不要求支持上述所有的傳輸速率。

3)保留了原有USB任務(wù)的劃分模型。

盡管無線化的傳輸給USB實現(xiàn)帶來一定的復(fù)雜性，但是無線USB仍然保留了有線USB中“智能主機/簡單設(shè)備”的任務(wù)劃分機制。

4)提供了高效的電源管理機制。

因為失去了線纜供電這種最直接的供電方式，無線USB重點解決了電源管理這一問題，它分別為無線USB主機和無線USB設(shè)備提供了電源管理機制。

相比較而言，無線USB設(shè)備對電源管理的要求更高，它主要有三種方式來管理電源損耗。一是利用無線USB總線協(xié)議基于TDMA的特點，在無線USB設(shè)備不工作期間關(guān)閉無線收發(fā)模塊以降低電源能量的損耗；二是在保持與主機連接的情況下，無線USB設(shè)備可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低電源損耗，需要做的僅僅是在進(jìn)入這種睡眠狀態(tài)之前，通知主機；第三種方式是通過與主機的斷開連接以節(jié)省電源損耗。

無線USB主機有兩種方式來管理電源損耗，第一種方式也是利用了無線USB總線協(xié)議的TDMA特性在特定時間內(nèi)關(guān)閉無線收發(fā)以降低電源損耗，第二種方式則是通過中斷無線USB信道來實現(xiàn)電源損耗的降低。

5)提供了安全機制。

無線USB提供了接近有線USB的安全機制，保證了設(shè)備之間可靠的數(shù)據(jù)通信。無線USB標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在MAC層使用安全機制。無線USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)據(jù)通信必須周期性進(jìn)行以維持無線USB主機和無線USB設(shè)備之間的信任關(guān)系。如果在一個信任時間段內(nèi)，無線USB主機沒有從一個無線USB設(shè)備端接收到任何經(jīng)過驗證的數(shù)據(jù)，或者一個無線USB設(shè)備沒有從無線USB主機端接收到任何經(jīng)過驗證的數(shù)據(jù)，無線USB主機或設(shè)備必須強制進(jìn)入一個重新驗證的過程，以恢復(fù)正常的數(shù)據(jù)通信，通常這個信任時間段設(shè)定為4s。

6)更加易于使用。

易于使用是所有USB標(biāo)準(zhǔn)共同的目標(biāo)，無線USB擺脫了線纜的束縛，增加了移動性，更加易于使用。

2、無線USB應(yīng)用分析

無線USB技術(shù)可以催生出一些新的應(yīng)用，這些應(yīng)用反過來又會推動無線USB技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善。

2.1　企業(yè)領(lǐng)域中的無線USB應(yīng)用

與傳統(tǒng)USB相比，在企業(yè)中部署無線USB的應(yīng)用無需繁瑣復(fù)雜的線纜連接，提供了一種省時、高效而且高速的互連方式，極大提高了企業(yè)人員的工作效率。歸納一下，在企業(yè)中，有一些無線USB的典型應(yīng)用：

1)專用的無線USB互連。

企業(yè)的高級管理人員往往需要快速專用的網(wǎng)絡(luò)來使用及時、便捷的服務(wù)，利用無線USB技術(shù)互連一些關(guān)鍵的設(shè)備，如打印機、掃描儀、外圍存儲設(shè)備、攝像機等，可以為高級管理人員提供快速的設(shè)備接入連接和高速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，完成大量數(shù)據(jù)的存儲備份、打印掃描、PDA與手機的信息同步等服務(wù)。

2)基于無線USB的移動打印。

企業(yè)員工因為各種原因需要經(jīng)常變更工作場地，為了辦公的方便，使用了大量的移動辦公設(shè)備，如便攜機、PDA、手機等，使用無線USB之后，可以方便、快速地就近使用打印機來完成打印任務(wù)，實現(xiàn)了基于無線USB技術(shù)的移動打印。

3)基于無線USB的PDA數(shù)據(jù)同步更新。

在一些諸如醫(yī)療行業(yè)、制造行業(yè)、零售行業(yè)的企業(yè)中，大量使用PDA來記錄一些重要數(shù)據(jù)。無線USB技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用，可以使得PDA與中心計算機數(shù)據(jù)庫中的重要數(shù)據(jù)保持同步更新。

4)共享外部設(shè)備。

應(yīng)用無線USB技術(shù)，可以讓企業(yè)成員更方便的共享外部設(shè)備的資源，比如共享掃描儀、打印機、存儲設(shè)備以及其它任何可能的設(shè)備。

圖4給出了一種共享外設(shè)資源的無線USB應(yīng)用，圖中，實線和虛線代表著有線和無線USB兩種可選的連接方式。

圖4　企業(yè)中的無線USB應(yīng)用

2.2　家庭網(wǎng)絡(luò)中的無線USB應(yīng)用

現(xiàn)代家庭使用的消費電子產(chǎn)品，如數(shù)字影音設(shè)備、攝像設(shè)備、便攜計算機、PDA、MP3播放器、高清晰圖像顯示設(shè)備等正在向輕巧、便攜和移動化的趨勢發(fā)展，這些分別具有較強的多媒體功能、攝像功能、顯示功能、打印功能以及播放功能的設(shè)備，依靠基于無線USB技術(shù)構(gòu)建的家庭網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)便捷快速的互連互通，從而提供出更為強大的家庭娛樂服務(wù)功能。

需要特別指出的是，消費電子產(chǎn)品對性能方面的要求很高，特別是對大數(shù)據(jù)量流媒體傳輸速率的要求，以在高清彩電上播放DVD為例，要滿足播放的基本要求，DVD所需的數(shù)據(jù)傳輸速率要達(dá)到3～7Mbit/s，高清彩電需要19～24Mbit/s，而無線USB能夠提供高達(dá)480Mbit/s的傳輸帶寬，完全能滿足家庭娛樂所需的帶寬需求。

2.3　dual-role無線USB設(shè)備帶來的新應(yīng)用

借鑒一種新的有線USB標(biāo)準(zhǔn)USB on-the-go的設(shè)計理念，無線USB定義了一種具有雙重身份的新設(shè)備類型：dual-role設(shè)備。該設(shè)備具有USB主機和USB設(shè)備雙重功能，既可以作為USB設(shè)備使用，與USB主機互連，也可以充當(dāng)USB主機，互接其它的USB設(shè)備。

下面列舉了6種dual-role設(shè)備的應(yīng)用場景：

1)數(shù)碼相機與打印機。

原本都只能充當(dāng)USB設(shè)備的數(shù)碼相機和打印機，必須通過USB主機的中繼才能完成兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸和打印服務(wù)，低效而又繁瑣�，F(xiàn)在數(shù)碼相機具有了USB主機和設(shè)備的雙重功能，就可以以USB主機的身份，直接與作為USB設(shè)備的打印機建立無線USB的連接，方便快捷的完成圖片的數(shù)據(jù)傳輸與打印。

2)MP3播放器與無線音箱。

具有雙重功能的MP3播放器，可以與就近的無線音箱建立無線USB連接，從而在最大限度使用MP3播放器便捷移動性的同時，還能充分享受到高音質(zhì)、環(huán)繞立體聲設(shè)備播放出來的完美音樂。

3)數(shù)碼攝像機與DVD刻錄機。

數(shù)碼攝像機在增加了雙重功能之后，可以以USB主機的身份與充當(dāng)USB設(shè)備的DVD刻錄機建立無線USB連接，從而能夠方便快捷的將實時拍攝到的影像信息下載到DVD刻錄機上，完成重要影像資料的DVD光盤刻錄工作。

4)PC機與手機。

PC機作為USB主機，與充當(dāng)USB設(shè)備的手機建立無線USB連接，PC機上的相關(guān)數(shù)據(jù)，如日程表、聯(lián)系信息、音樂、圖片等都可以通過無線鏈路傳輸?shù)绞謾C上，實現(xiàn)資源共享利用。

5)影像存儲設(shè)備與影像播放設(shè)備。

影像存儲設(shè)備上能夠播放數(shù)小時的影像資料可以通過無線USB連接，在幾分鐘內(nèi)傳輸?shù)接跋癫シ旁O(shè)備上，上下班路上、工作閑暇、午間休息、等車，任何時候都可以打開影像播放設(shè)備，觀看下載的新聞、電影以及體育比賽實況。

6)PDA與大容量存儲設(shè)備。

PDA中通常會存儲一些重要信息，比如電話號碼、E-mail、日記、工作日志、便條以及各種工作文檔，可以通過無線USB連接至一些大容量的存儲設(shè)備，比如DVD刻錄機、Flash 隆u盤等，完成重要信息的下載與保存。

3、結(jié)束語

本文簡要介紹了剛剛完成標(biāo)準(zhǔn)化工作的無線USB技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用。可以預(yù)見，隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定完成，在Intel、微軟等業(yè)界領(lǐng)先公司的大力推廣下，無線USB技術(shù)在計算機、消費電子、移動通信、工業(yè)自動化控制等眾多領(lǐng)域?qū)�會得到快速�?yīng)用與發(fā)展。目前基于無線USB技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)起步，預(yù)計首批無線USB產(chǎn)品將在2005年底上市。