无线USB技术及其应用分析

renchunyu

<span style="FONT-SIZE: 11px;"><font size="3"><font color="#0000ff"><b>摘要</b></font>　对最近刚刚通过标准的无线USB技术及其应用作了简要分析。从无线USB技术的标准化进程入手，介绍了无线USB的体系结构、技术特点以及针对无线平台的增强技术，分析了无线USB技术的三种应用领域，最后对无线USB的应用推广作了一些展望。 <br/><br/><font color="#0000ff"><b>关键词</b></font>　无线通用串行总线　标准　应用 引言 <br/><br/>　　USB(universal serial bus，通用串行总线)作为一个计算机与外设之间的接口方案，因其具有使用方便、传输速度快、端口易扩展等特点，已经逐步扩展应用到了消费电子、移动通信、家庭网络、工业控制以及仪器仪表等诸多领域。 <br/><br/>　　为了适应各领域对数据传输和接口技术的需要，USB技术的标准从1.0发展到了2.O，数据传输的速率也从最初的1.5Mbit/s提高到了480Mbit/s。在传输速度大幅度提高的同时，USB更是紧跟通信技术的无线化趋势，将传统基于线缆的USB扩展为基于无线传输平台的无线USB(wireless USB)。这种新的高速无线个人互连技术，在继承传统有线USB 2.0标准所具有的较高传输速率优势的同时，充分利用无线传输技术的灵活性与极高的自由度，免除了有线USB需要线缆连接所带来的各种麻烦，为互连设备提供了更大的便利性与可移动性。本文介绍的就是2005年5月底刚刚通过标准的无线USB技术以及它在相关领域的具体应用。 <br/><br/><font color="#0000ff"><b>1、无线USB技术概述 </b></font><br/><br/>1.1　标准化组织与标准化进程<br/><br/>　　无线USB促进组织(Wireless USB Promoter Group)是无线USB标准的制定机构。该组织成立于2004年初，由英特尔(Intel)发起，成员包括了杰尔系统(Agere Systems)、惠普(Hewlett Packard)、微软(Mircosoft)、NEC、飞利浦半导体(Philips Semiconductor)和三星(Samsung)这几家业界领先的公司。 <br/><br/>　　由于无线USB促进组织所制定的无线USB标准只涉及到较高层次协议规范的制定，物理层和MAC(media access control，媒体访问控制)层则采用了由MBOA(MultiBand OFDM Alliance，正交频分多路复用联盟)和WiMedia联盟(Wireless Multimedia Alliance，无线多媒体联盟)共同制定的UWB(ultra wideband，超宽带)无线标准，因此，这两家旨在推动个人无线领域互连互通的国际标准制定组织对无线USB技术的发展也起了极大的推动作用。<br/><br/>　　在这些直接或间接影响无线USB标准制定的组织积极作用之下，从2004年初到2005年5月，短短一年多时间内，无线USB标准经历了数十次的修改、扩充、讨论与完善。在2005年5月24日的无线USB开发者大会上，无线USB促进组织宣布，无线USB标准1.0修订版的制定工作已经完成，现在通过的标准已经移交给USB实施论坛(USB-Implementers Forum)，由后者承担无线USB标准的认证、兼容测试、标志许可以及营销工作。 <br/><br/>　　新近通过的这个无线USB标准以MBOA和Wi-Media联盟的超宽带MAC层和物理层为基础，在WiMedia通用无线平台上提供较高层的协议综合，在3m范围内提供高达480Mbit/s的传输速度，10m范围内的传输速度也可达到110Mbit/s。 <br/><br/>1.2　无线USB的体系结构 <br/><br/>　　无线USB系统由一个无线USB主机和多个无线USB设备，以及主机和设备之间的互连机制这三部分共同构成。其中，USB互连机制是USB主机与USB设备之间进行连接和通信所使用的一系列策略的总称，涉及到三个方面的内容： <br/><br/>1.2.1　拓扑结构<br/><br/>定义了USB设备与主机之间的连接模型。<br/><br/>　　无线USB系统中主机和设备的连接采用了如图1所示的“hub and spoke”模型。无线USB主机以hub的角色处在模型的正中央，理论上一个USB主机能够支持最多127个USB设备，各无线USB设备处于每段spoke的末端，每段spoke代表着一个无线USB主机到一个无线USB设备之间点到点的连接。如图1所示。 <br/><br/><br/><br/><br/>1.2.2　数据流模型<br/><br/>制定了USB系统中的数据传输机制。<br/><br/>　　在基本保留了有线USB 2.O标准的分层结构与通信组件的同时，无线USB标准针对无线传输的特点，在数据流模式，即各层数据和控制信息的传输方式上做了一些改动与增强。图2是简化的无线USB通信拓扑图，图中说明了无线USB标准在有线USB2.0标准基础上对数据流模式所做的相应改动。<br/><br/>　　其中，功能层与有线USB 2.0标准几乎保持一致，只在同步传输模式增强上作了极小的改动；设备层增加了一些安全性扩展和无线媒介设备管理的控制命令，改动较小；总线接口层是改动较大的一层，主要针对无线传输增加了一个高效安全的通信服务机制，规定了无线USB主机和设备通信之前，必须先建立一个安全关联圈，之后加密的数据才能通过无线通道传输，很大程度上保证了无线传输的可靠性。如图2所示。 <br/><br/><br/><br/><br/>1.2.3　USB总线调度 <br/><br/>　　制定了多个无线USB设备与一个USB主机之间通信的总线策略。<br/><br/>　　类似于有线USB 2.0标准的总线调度，无线USB标准采用的也是基于TDMA(time division multiple access，时分多路复用)轮询方式的总线调度协议。协议规定了由主机控制器发起数据传输，每次传输过程由三类分组构成：令牌分组、数据分组和握手分组。为了提高无线传输的信道利用效率，无线USB标准去除了有线USB 2.0标准中原有的一些发送和接收之间低效的状态转移过程，将多个令牌信息放到一个特定分组中传输，主机同时指示相应设备发送、接收或参与握手的恰当时机，极大的提高了无线物理层的传输效率。<br/><br/>1.3　无线USB的技术特点<br/><br/>　　作为有线USB在无线领域的扩展，无线USB的设计目标是向用户提供有线USB的功能，而无需线缆的连接。无线USB具有下列一些技术特点。<br/><br/>1)充分考虑了与有线USB的兼容。<br/>　<br/>　　无线USB基本沿用了有线USB的软件框架，保证了大部分已有的软件接口、设备驱动程序在无线USB体系中可以继续使用，最大限度的利用了已有的开发成果。<br/><br/>　　同时，为了继续使用目前已有的大量支持有线USB标准的计算机和外部设备，尽可能的挽回投资损失，无线USB标准定义了一个新的设备类型：有线适配设备。其中的一类设备称为DWA(device wire adapter，设备有线适配)，用于适配有线USB设备，使之能与一个无线USB主机连接；另一类设备称为HWA(host wire adapter，主机有线适配)，它为有线USB主机提供无线USB主机功能的扩展。利用这两类设备提供的适配功能，现有有线USB主机与有线USB设备之间也能建立无线USB的连接。<br/><br/>　　图3显示了这两类设备提供的有线适配功能。图中左端的有线USB主机与一个HWA通过USB 2.0线缆连接，在HWA的适配下成为了一个能够支持无线USB标准的有线USB主机，右端的两个有线USB设备通过USB 2.0线缆与一个DWA连接，在DWA的适配下成为了能够支持无线USB标准的有线USB设备，它们与无线USB设备一起，构成了一个无线USB标准的总线拓扑。&nbsp;<br/><br/>
                        <br/><br/>2)采用了MBOA制定的UWB超宽带物理层标准。<br/><br/>　　无线USB能够支持53.3、80、106.7、200、320、400和480Mbit/s等多速率和多通道的数据传输，同时也提供了较好的差错检测和校正机制，尤其适合无线USB的室内密集多径场所的高速无线接入。无线USB标准中，规定了无线USB主机必须支持上述所有的传输速率，而对无线USB设备则不要求支持上述所有的传输速率。<br/><br/>3)保留了原有USB任务的划分模型。<br/><br/>　　尽管无线化的传输给USB实现带来一定的复杂性，但是无线USB仍然保留了有线USB中“智能主机/简单设备”的任务划分机制。<br/><br/>4)提供了高效的电源管理机制。<br/><br/>　　因为失去了线缆供电这种最直接的供电方式，无线USB重点解决了电源管理这一问题，它分别为无线USB主机和无线USB设备提供了电源管理机制。<br/><br/>　　相比较而言，无线USB设备对电源管理的要求更高，它主要有三种方式来管理电源损耗。一是利用无线USB总线协议基于TDMA的特点，在无线USB设备不工作期间关闭无线收发模块以降低电源能量的损耗；二是在保持与主机连接的情况下，无线USB设备可以进入睡眠状态以降低电源损耗，需要做的仅仅是在进入这种睡眠状态之前，通知主机；第三种方式是通过与主机的断开连接以节省电源损耗。<br/><br/>　　无线USB主机有两种方式来管理电源损耗，第一种方式也是利用了无线USB总线协议的TDMA特性在特定时间内关闭无线收发以降低电源损耗，第二种方式则是通过中断无线USB信道来实现电源损耗的降低。<br/><br/>5)提供了安全机制。<br/><br/>　　无线USB提供了接近有线USB的安全机制，保证了设备之间可靠的数据通信。无线USB标准中规定了在MAC层使用安全机制。无线USB标准规定数据通信必须周期性进行以维持无线USB主机和无线USB设备之间的信任关系。如果在一个信任时间段内，无线USB主机没有从一个无线USB设备端接收到任何经过验证的数据，或者一个无线USB设备没有从无线USB主机端接收到任何经过验证的数据，无线USB主机或设备必须强制进入一个重新验证的过程，以恢复正常的数据通信，通常这个信任时间段设定为4s。<br/><br/>6)更加易于使用。<br/><br/>　　易于使用是所有USB标准共同的目标，无线USB摆脱了线缆的束缚，增加了移动性，更加易于使用。 <br/><br/><font color="#0000ff"><b>2、无线USB应用分析 </b></font><br/><br/>　　无线USB技术可以催生出一些新的应用，这些应用反过来又会推动无线USB技术的进一步发展与完善。<br/><br/>2.1　企业领域中的无线USB应用<br/><br/>　　与传统USB相比，在企业中部署无线USB的应用无需繁琐复杂的线缆连接，提供了一种省时、高效而且高速的互连方式，极大提高了企业人员的工作效率。归纳一下，在企业中，有一些无线USB的典型应用：<br/><br/>1)专用的无线USB互连。<br/><br/>　　企业的高级管理人员往往需要快速专用的网络来使用及时、便捷的服务，利用无线USB技术互连一些关键的设备，如打印机、扫描仪、外围存储设备、摄像机等，可以为高级管理人员提供快速的设备接入连接和高速的数据传输服务，完成大量数据的存储备份、打印扫描、PDA与手机的信息同步等服务。<br/><br/>2)基于无线USB的移动打印。<br/><br/>　　企业员工因为各种原因需要经常变更工作场地，为了办公的方便，使用了大量的移动办公设备，如便携机、PDA、手机等，使用无线USB之后，可以方便、快速地就近使用打印机来完成打印任务，实现了基于无线USB技术的移动打印。<br/><br/>3)基于无线USB的PDA数据同步更新。<br/><br/>　　在一些诸如医疗行业、制造行业、零售行业的企业中，大量使用PDA来记录一些重要数据。无线USB技术在这些行业的应用，可以使得PDA与中心计算机数据库中的重要数据保持同步更新。<br/><br/>4)共享外部设备。<br/><br/>　　应用无线USB技术，可以让企业成员更方便的共享外部设备的资源，比如共享扫描仪、打印机、存储设备以及其它任何可能的设备。<br/><br/>　　图4给出了一种共享外设资源的无线USB应用，图中，实线和虚线代表着有线和无线USB两种可选的连接方式。 <br/><br/><br/><br/>2.2　家庭网络中的无线USB应用 <br/><br/>　　现代家庭使用的消费电子产品，如数字影音设备、摄像设备、便携计算机、PDA、MP3播放器、高清晰图像显示设备等正在向轻巧、便携和移动化的趋势发展，这些分别具有较强的多媒体功能、摄像功能、显示功能、打印功能以及播放功能的设备，依靠基于无线USB技术构建的家庭网络能够实现便捷快速的互连互通，从而提供出更为强大的家庭娱乐服务功能。<br/><br/>　　需要特别指出的是，消费电子产品对性能方面的要求很高，特别是对大数据量流媒体传输速率的要求，以在高清彩电上播放DVD为例，要满足播放的基本要求，DVD所需的数据传输速率要达到3～7Mbit/s，高清彩电需要19～24Mbit/s，而无线USB能够提供高达480Mbit/s的传输带宽，完全能满足家庭娱乐所需的带宽需求。<br/><br/>2.3　dual-role无线USB设备带来的新应用<br/><br/>　　借鉴一种新的有线USB标准USB on-the-go的设计理念，无线USB定义了一种具有双重身份的新设备类型：dual-role设备。该设备具有USB主机和USB设备双重功能，既可以作为USB设备使用，与USB主机互连，也可以充当USB主机，互接其它的USB设备。<br/><br/>下面列举了6种dual-role设备的应用场景：<br/><br/>1)数码相机与打印机。<br/><br/>　　原本都只能充当USB设备的数码相机和打印机，必须通过USB主机的中继才能完成两者之间的数据传输和打印服务，低效而又繁琐。现在数码相机具有了USB主机和设备的双重功能，就可以以USB主机的身份，直接与作为USB设备的打印机建立无线USB的连接，方便快捷的完成图片的数据传输与打印。<br/><br/>2)MP3播放器与无线音箱。<br/><br/>　　具有双重功能的MP3播放器，可以与就近的无线音箱建立无线USB连接，从而在最大限度使用MP3播放器便捷移动性的同时，还能充分享受到高音质、环绕立体声设备播放出来的完美音乐。<br/><br/>3)数码摄像机与DVD刻录机。<br/><br/>　　数码摄像机在增加了双重功能之后，可以以USB主机的身份与充当USB设备的DVD刻录机建立无线USB连接，从而能够方便快捷的将实时拍摄到的影像信息下载到DVD刻录机上，完成重要影像资料的DVD光盘刻录工作。<br/><br/>4)PC机与手机。<br/><br/>　　PC机作为USB主机，与充当USB设备的手机建立无线USB连接，PC机上的相关数据，如日程表、联系信息、音乐、图片等都可以通过无线链路传输到手机上，实现资源共享利用。<br/><br/>5)影像存储设备与影像播放设备。<br/><br/>　　影像存储设备上能够播放数小时的影像资料可以通过无线USB连接，在几分钟内传输到影像播放设备上，上下班路上、工作闲暇、午间休息、等车，任何时候都可以打开影像播放设备，观看下载的新闻、电影以及体育比赛实况。<br/><br/>6)PDA与大容量存储设备。 <br/><br/>　　PDA中通常会存储一些重要信息，比如电话号码、E-mail、日记、工作日志、便条以及各种工作文档，可以通过无线USB连接至一些大容量的存储设备，比如DVD刻录机、Flash 隆u盘等，完成重要信息的下载与保存。 <br/><br/><font color="#0000ff"><b>3、结束语 </b></font><br/><br/>　　本文简要介绍了刚刚完成标准化工作的无线USB技术及其相关应用。可以预见，随着技术标准的制定完成，在Intel、微软等业界领先公司的大力推广下，无线USB技术在计算机、消费电子、移动通信、工业自动化控制等众多领域将会得到快速应用与发展。目前基于无线USB技术的产品已经起步，预计首批无线USB产品将在2005年底上市。 <br/></font></span>

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