無線USB：個(gè)人網(wǎng)的新階段

　　2005年5月15日，無線USB促進(jìn)組織（WUPG）完成了無線USB 1.0規(guī)范的制定，并將其管理權(quán)提交給USB論壇（USB-IF）。英特爾、杰爾系統(tǒng)、微軟、NEC、飛利浦半導(dǎo)體、三星電子、惠普以及其他100家公司均是WUPG的成員。目前，Intel實(shí)驗(yàn)室正在做該規(guī)范的遵從性和互操作性測試，USB-IF將對(duì)該規(guī)范進(jìn)行認(rèn)證并頒發(fā)標(biāo)志許可證，最新的消息是，預(yù)計(jì)無線USB產(chǎn)品將在年底前上市。

　　業(yè)界通常將10米范圍的聯(lián)接稱之為個(gè)人網(wǎng)（Personal Area Network，PAN），100米范圍為局域網(wǎng)（LAN），將10公里及10公里以上范圍稱之為廣域網(wǎng)（WAN）。相應(yīng)地，也有無線個(gè)人網(wǎng)（WPAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線廣域網(wǎng)（WWAN）的區(qū)分。常用的USB、IEEE 1394屬于PAN，藍(lán)牙、紅外和新宣布的無線USB，則屬于WPAN。

　　WPAN一直不如PAN

　　PAN的源頭可以上朔到1960年代美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）為解決計(jì)算機(jī)與終端聯(lián)接而開發(fā)的RS-232標(biāo)準(zhǔn)。在1996年USB（Universal Serial Bus）出現(xiàn)以前，RS-232一直是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備短距離聯(lián)接的主要方式，傳輸速率從最早的300bps不斷增加到38400bps。由于RS-232供電復(fù)雜、信號(hào)抗干擾能力弱、不能同時(shí)聯(lián)入多個(gè)設(shè)備等原因，當(dāng)USB出現(xiàn)之后，RS-232迅速被USB取代。

　　火線（FireWire）由Apple公司1986年開始開發(fā)，1995年被IEEE接受并批準(zhǔn)為IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1394數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到400Mbps，在菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最多可接入1024個(gè)設(shè)備，最大距離4.5米。IEEE 1394至今仍是一種非常優(yōu)秀的高性能PAN方案，但因?yàn)閷＠�費(fèi)問題，價(jià)格一直居高不下，這使得不收專利費(fèi)的USB有機(jī)會(huì)后來居上。

　　1994年，Intel、IBM、微軟等七家公司共同成立了USB 論壇。1996年頒布USB 1.0，傳輸速率為15Mbps。最多可接入127個(gè)設(shè)備，傳輸距離5米。 2000年推出的USB 2.0，將速率提高到480Mbps。任何生產(chǎn)商只要每年交2500美元會(huì)費(fèi)，通過USB論壇測試，就可以在產(chǎn)品上使用USB標(biāo)志，不收專利費(fèi)的策略使USB成為一種比IEEE 1394便宜的PAN技術(shù)方案，迅速普及，已成為PC的標(biāo)準(zhǔn)配置。

　　至于無線PAN，當(dāng)屬IrDA紅外通信最早。1993年HP、Intel等二十多家公司發(fā)起成立紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IRDA）。1996年推出IRDA 1.0版，最高傳輸速率1.152Mbps, 最大傳輸距離1.5米�，F(xiàn)在紅外通信的速率已提高到16Mbps。

　　正因?yàn)榧t外通信距離過短，使得另一些公司萌發(fā)了開發(fā)新的技術(shù)的想法。1989年，愛立信、IBM等公司組成的藍(lán)牙專業(yè)組推出了藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率為720Kbps, 最大傳輸距離100米，工作頻率在2.4GHz，支持一對(duì)多連接。

　　從以上分析可以看出，長期以來，WPAN的性能一直落后于PAN。

　　物理層選用UWB

　　自1982年IBM推出的XT總線算起，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，PC總線歷了XT、ISA、EISA、PCI和PCI-Express等五代。當(dāng)初XT總線的傳輸速率只有64Mbps，今天PCI-Express的速率達(dá)到2.5Gbps。從主機(jī)的角度看，高速數(shù)據(jù)傳輸已不成問題。

　　從數(shù)據(jù)源方面看，一張普通數(shù)據(jù)光盤數(shù)據(jù)量為800MB，用USB 2.0傳送需幾分鐘，用速率為720Kbps的藍(lán)牙傳送需要數(shù)十分鐘。下一代藍(lán)光DVD單片容量可達(dá)54GB，用USB 2.0傳送需要幾十分鐘，用藍(lán)牙傳送需要數(shù)十個(gè)小時(shí)，典型的DVD/SDTV播放需要3M～7Mbps的帶寬，HDTV需要19M～24Mbps。顯然，WPAN無法滿足這些應(yīng)用的需要。

　　從設(shè)備的角度，需要近距相聯(lián)的設(shè)備種類很多。一部電腦不僅要聯(lián)鍵盤、鼠標(biāo)，還有打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、DV、移動(dòng)硬盤、外置DVD、手機(jī)、PDA、音響、攝像頭、話筒、讀卡器、MP3/MP4播放器、高清數(shù)字電視、游戲控制器。不少設(shè)備，比如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等需要頻繁移動(dòng)。以有線方式相聯(lián)很多電線纏繞在一起，不僅亂，而且過于復(fù)雜。

　　因此，開發(fā)高性能WPAN就成了技術(shù)發(fā)展急待解決的問題。

　　在各種無線通信方案中，窄帶方式最為傳統(tǒng)。采用這種方式，信息先被轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)。按照傅立葉變換，脈沖信號(hào)可視為由一系列不同頻率正弦波迭加而成。這些正弦波所占據(jù)的頻率范圍，便是該脈沖信號(hào)（基帶信號(hào)）的基本頻帶。然后，通過采用調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相方式，將基帶信號(hào)調(diào)制為承載數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)。最后，通過載波將模擬信號(hào)搬移到事先規(guī)定的高頻頻段發(fā)射。廣播電視和一些移動(dòng)通信都采用窄帶技術(shù)。

　　無線電波的頻段是一種有限的自然資源，窄帶無線通信所用的頻段，需要向政府主管部門申請執(zhí)照。窄帶方式容易受到鄰頻干擾和繞射、反射等多徑干擾，通信質(zhì)量不易保證。

　　按照香農(nóng)信息論公式，不提高信號(hào)能量密度，擴(kuò)寬信號(hào)頻帶帶寬也可以提高信噪比，增強(qiáng)抗干擾能力�；�于這一原理，在二戰(zhàn)中發(fā)展了展頻無線通信技術(shù)：通過調(diào)制，使發(fā)射信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于基帶信號(hào)帶寬。窄帶方式下，發(fā)射信號(hào)的帶寬常為基帶信號(hào)帶寬的十余倍。而在展頻方式下，這一比例則達(dá)到數(shù)百、上千。展頻信號(hào)信噪比很高，抗干擾性能好。對(duì)于無處不在的窄帶信號(hào)，它只相當(dāng)于背景噪音，易于濾掉，不會(huì)造成干擾�；@牙和802.11系的WLAN都采用此種技術(shù)。它們選用國際上通行的SMI頻段（900MHz和2.4GHz），只需獲政府批準(zhǔn)而不需申請執(zhí)照。802.11g的傳輸速率達(dá)到54Mbps，功率數(shù)百毫瓦，作用范圍100米。

　　有沒有一種無線傳輸方案可使速率比802.11g更高，作用范圍更小，抗干擾能力更強(qiáng)，以適合高性能WPAN呢？技術(shù)界選中了UWB（超寬帶）無線傳輸技術(shù)。

　　UWB在比展頻更寬的頻帶上傳輸數(shù)據(jù)，將香農(nóng)理論發(fā)揮到了極致。窄帶通信發(fā)射信號(hào)的帶寬與中心頻率之比小于1%；展頻為1%～25%,UWB則超過25%。頻帶擴(kuò)到如此之寬，與其他通信方式相比，UWB具有不同于窄帶與展頻的特質(zhì)。

　　在同等信噪比的要求下，UWB信號(hào)能量密度大大降低，比如在數(shù)十米的范圍內(nèi)，所需功率小于1mW。其次，因?yàn)閹�寬特別大，以至于能直接將1納秒左右的脈沖信號(hào)無需載波直接發(fā)射，每秒可發(fā)送10億個(gè)脈沖（按傅立葉變換高頻無線脈沖所占頻帶極寬），這一特性使UWB省去窄帶與展頻所必需的載波過程，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于降低成本。第三，按照香農(nóng)信息公式，帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率成正比，UWB所占帶寬寬于窄帶與展頻，因此其數(shù)據(jù)傳輸速率也更高（UWB與窄帶和展頻的對(duì)比參見圖1）。



　　UWB誕生于冷戰(zhàn)時(shí)代，長期以來一直用于軍用雷達(dá)設(shè)備。2002年2月14日，美國FCC批準(zhǔn)民用，并將3.1G～10.6GHz頻段作為低功率（小于1mW/MHz）室內(nèi)通信向民間開放。

　　先進(jìn)的技術(shù)以及FCC批準(zhǔn)軍轉(zhuǎn)民，使UWB成為新一代WPAN的物理層。

　　無線USB 1.0要點(diǎn)

　　到2005年底，全球配有USB的各類產(chǎn)品社會(huì)保有總量估計(jì)超過5億，社會(huì)上還存有大量支持USB的軟件，廠商會(huì)開發(fā)，用戶會(huì)使用。因此，將UWB與USB結(jié)合構(gòu)建新一代高性能WPAN，就可以使現(xiàn)有的USB設(shè)備方便地升級(jí)為無線連接。無線USB 1.0就是遵循了這樣的設(shè)計(jì)思路。

　　按照USB 1.0規(guī)范，現(xiàn)有USB 2.0界面可通過兩個(gè)Wire Adapter（WA，有線適配器）將有線的USB轉(zhuǎn)換成無線USB。一個(gè)WA通過USB 2.0接口接入計(jì)算機(jī)端，另一個(gè)通過USB 2.0接口連接打印機(jī)等外部設(shè)備，兩個(gè)WA間通過UWB物理層實(shí)現(xiàn)無線連接（參見圖2）。



　　無線USB 1.0所用的UWB符合多頻道OFDM聯(lián)盟（MBOA）的UWB PHY規(guī)范。

　　OFDM（正交頻分復(fù)用）是對(duì)信號(hào)進(jìn)行展頻調(diào)制的一種技術(shù)方案。按MBOA規(guī)范，UWB的帶寬被分成若干個(gè)帶寬為528MHz的子頻段，數(shù)據(jù)分解后被分配到這些子頻段并行發(fā)送，接收以后經(jīng)過重新裝配使數(shù)據(jù)恢復(fù)。

　　OFDM的優(yōu)勢在于“正交”。如果兩個(gè)二維向量正交（交角90度），則一個(gè)向量在另一個(gè)向量上的投影（分量）為零。如果兩路信號(hào)正交，則它們雖然使用的頻率有所重疊也不會(huì)相互干擾。OFDM通過相位和幅度調(diào)制，使各子頻段信號(hào)正交，相鄰子頻道使用的頻率有所重疊（參見圖3）。OFDM不必在兩個(gè)相鄰頻段間設(shè)置隔離頻段，大幅提高了帶寬資源的利用率。目前常見的DSL、電力線上網(wǎng)以及WiMax等都采用這種調(diào)制方式。



　　按照MBOA的UWB PHY規(guī)范，無線USB 1.0的物理層的傳輸速率分53.3、80、106.7、200、300、400和480Mbps等七檔。其中，53.3、106.7和200Mbps是必備的速率，其余四項(xiàng)可選。無線USB 1.0采用“輪輻”式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)無線USB 1.0系統(tǒng)最多可同時(shí)接入127個(gè)設(shè)備（參見圖4）。在傳輸速率和接入設(shè)備數(shù)量和方式上，無線USB 1.0與USB 2.0完全匹配。



　　按無線USB 1.0規(guī)范，當(dāng)設(shè)備聯(lián)入時(shí)，會(huì)在規(guī)定的時(shí)段向主機(jī)發(fā)出消息。然后主機(jī)與設(shè)備相互交換、識(shí)別彼此的ID并相互授給訪問權(quán)限，接著主機(jī)給設(shè)備指定USB地址，并將設(shè)備狀態(tài)通知上層軟件。主機(jī)與設(shè)備通信時(shí)，數(shù)據(jù)通過AES-128/CCM機(jī)制加密。當(dāng)主機(jī)或設(shè)備任一方按協(xié)議規(guī)定發(fā)出斷接請求時(shí)，無線USB的聯(lián)接就會(huì)被中止。在主機(jī)與設(shè)備間無法正常通信且發(fā)生超時(shí)的情況下，無線USB也會(huì)自動(dòng)中止聯(lián)接。