Интерфейс Wireless USB

В 2005 году была анонсирована первая версия Wireless USB, которая предусматривала возможность беспроводного обмена информацией между устройствами на скорости до 480 Мбит/с в радиусе трех метров. При увеличении расстояния до десяти метров, пропускная способность канала связи снижается до 110 Мбит/с.

В 2007 году на рынок вышли первые продукты.

В 2010 году была завершена спецификация Wireless USB 1.1, которая предполагала повышение скорости передачи данных, а также поддержку более высоких частот – до 6 ГГц и выше. При разработке большое внимание уделялось повышению энергетической эффективности. Устройства, выполненные в соответствии со спецификацией 1.1, тратят меньше энергии в режиме простоя. Wireless USB 1.1 предусматривает поддержку технологии Near Field Communication (NFC), что упрощает настройку и эксплуатацию Wireless USB-устройств. Сохранена обратная совместимость с существующим оборудованием.

Сертифицированный логотип стандарта Wireless USB изображен на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Логотип Wireless USB

Wireless USB предназначен в качестве замены для традиционных проводных USB. К типичным к подключаемыем устройствам относятся клавиатура, мышь, камера, принтер, внешние накопители и т. п. Wireless USB также может использоваться для простого совместного использования принтеров, которые не имеют стандартный сетевой интерфейс или подключение к серверу печати. Принтер подключенный к Wireless USB ведет себя таким образом, как будто он подключен с помощью USB непосредственно к обычному компьютеру.

Подключение можно реализовать двумя способами: 

1. Если компьютер и/или периферийное устройство не обладает родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса, пользователю придется установить адаптер, который обеспечит обычному USB-порту поддержку беспроводного USB-интерфейса. 

2. Если  компьютер и/или периферийное устройство обладает родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса, т.е. имеют антенну для беспроводного USB-соединения, никаких дополнительных устройств для подключения периферийного устройства к компьютеру с помощью такого соединения не нужно. Одна WUSB-антенна позволяет подключить к компьютеру до 127 периферийных устройств [ 7 ].

Технология  не предназначена для создания компьютерных сетей (хотя теоретически это возможно).

Физический  перенос данных основан на беспроводной технологии UWB, разработанной альянсом WiMedia. Эта же технология используется другими стандартами беспроводной передачи данных (Bluetooth, WiNET, ZigBee).

Параметры передачи соответствуют параметрам стандартного USB версии 2.0, но пропускная способность зависит от расстояния между взаимодействующими устройствами. Wireless USB предназначен для работы в диапазоне частот от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц. Передача данных шифруется с помощью AES-128/CCM [ 8 ].

По аналогии с проводным USB устройства Wireless USB обладают собственным адресом, получаемым при подключении или перечислении. Каждое устройство WUSB поддерживает один или несколько каналов для связи с хостом.

Базовыми  элементами инфраструктуры USB являются концентратор и радиальные линии  к USB-устройствам в топологии «звезда», в которой хост-контроллер инициирует любой обмен данными между  подключенными к нему устройствами, выделяя временные интервалы  и полосу пропускания каждому  подключенному устройству. Подобная группа устройств называется кластером. Описанные соединения относятся  к типу «точка-точка» и осуществляются между USB-хостом и USB-устройством. USB-хост с логически подключенными к нему USB-устройствами образует неформальный USB-кластер, который поддерживает подключение до 127 устройств (рисунок 5).

 

Рисунок 5 – Структура USB-кластера

 

Однако  в определении Wireless USB концентраторы отсутствуют, так как в беспроводной архитектуре они не будут востребованы. WUSB-кластеры сосуществуют в перекрывающейся пространственной среде с минимальными взаимными помехами, что позволяет функционировать нескольким WUSB-кластерам в пределах общей зоны действия всех радиоизлучающих устройств.

При этом данная топология будет поддерживать модель двойного применения, в которой, с некоторыми ограничениями, устройство может выполнять функции хоста. Такая модель позволит мобильным  устройствам пользоваться сервисами, которые обеспечивает центральный  хост (например, печатать на принтере). Кроме того, подобная модель предоставит  устройству доступ к данным, расположенным  за пределами этого кластера. Для  того чтобы подключиться к устройствам  вне указанного кластера, оно должно создать другой кластер, выступая в  качестве хоста с ограниченными  возможностями.

Поскольку Wireless USB обратно совместим с проводной версией USB, у него имеется возможность создавать прозрачные мосты на проводные USB-устройства и хост-контроллеры, то есть организовывать передачу данных между двумя кластерами. Такая двойная модель использования Wireless USB, где любое устройство может получить ограниченные возможности хост-контроллера, базируется на расширении USB-протокола – USB-On-The-Go. В ранних версиях проводного USB такой возможности не было, а появилась она только в USB 2.0.

Но главной  особенностью беспроводного интерфейса Wireless USB является быстрая и эффективная масштабируемость трафика. Так, в зависимости от расстояния между хостом и устройством скорость обмена данными может мгновенно изменяться в пределах от 53,3 до 480 Мбит/с. Масштабирование происходит следующим образом:

• на расстоянии до 10 м в реальном многозадачном окружении скорость потока составит до 106,7 Мбит/с;
• на расстоянии до 4 м – 200 Мбит/с;
• на расстоянии до 2 м – до 480 Мбит/с.

Последующие версии стандарта Wireless USB, по предварительным данным, смогут обеспечивать пиковую производительность до 1 Гбит/с.

Одно  из новых понятий, вводимых Wireless USB, – транзакционная группа. Это набор всех транзакций в канале, описываемых одним ММС-пакетом. Объединение транзакции в группы – одно из отличий Wireless USB от классического USB. Это лучше учитывает особенности беспроводной среды и позволяет тратить меньше времени на переключение между режимами приема и передачи трансивера [ 9 ].

С каждой транзакцией в группе ММС сопоставлен  Channel Time Allocation (СТА-элемент), который содержит исчерпывающую информацию о планируемой транзакции: время начала, адресат, количество передаваемой информации, направление обмена, правила передачи. Требуемое разрешение таймеров – 1 мкс. Интересно, что размер СТА от 4 до 16 байт, то есть управление каналом подразумевает небольшие накладные расходы.

В нормальном режиме работы транзакции на шине происходят по требованию хоста, когда периферийные устройства являются пассивным источником или приемником данных. Исключение составляют транзакции, происходящие во время так называемых Device Notification Time Slots (DNTS), которые специально резервируются хостом и описываются СТА-элементами определенного вида. DNTS предназначены для передачи асинхронных нотификаций от устройств к хосту. Этот механизм используется, в частности, для первичного обнаружения устройств, в процессе их начального конфигурирования, для управления потоком, а также в случае возникновения ситуаций сбоя.

В Wireless USB поддерживается пакетная передача, когда один СТА-элемент описывает несколько пакетов в канале. Это позволяет лучшеутилизировать пропускную способность за счет сокращенных межпакетных промежутков, а также возможности использовать укороченную преамбулу (1.875 мкс, в пять раз короче стандартной – 9.375 мкс) для всех пакетов в пачке после первого. Как и во многих других случаях, размер пакетов определяется возможностями периферийного устройства по буферизации данных. Максимальный размер пакета около 3 Кб, максимальный размер пакетов – 16. При сборке данных на приемной стороне используется метод «скользящего окна», который подразумевает получение подтверждений и повторную передачу пакетов в случае потерь.

Поскольку все транзакции в канале планируются  заранее и описаны в ММС-пакетах, все устройства (включая хост), не участвующие в обмене в данный момент времени, могут переходить в  режим пониженного энергопотребления, в том числе с выключением  трансивера. В каждом ММС-пакете содержится информация о том, через сколько микросекунд будет послан следующий подобный пакет. Таким образом, устройства, обмен данными с которыми не запланирован в текущей транзакционной группе (информация об этом также содержится в ММС), могут перейти в режим пониженного потребления сразу после разбора ММС-пакета.

Кроме описанного неявного способа сохранения энергии, когда участники Wireless USB-кластера не осведомлены об энергосберегающих действиях устройства, существуют также явные способы, когда хост в командном режиме переводит отдельные устройства или весь кластер в различные режимы пониженного потребления.

Потребляемая мощность технологии WUSB примерно соответствует показателям существующих беспроводных технологий. Для устройств с питанием от батарей требуются адекватные сроки автономной работы: от 2 до 5 дней для высокомобильных устройств и несколько месяцев для эпизодически используемых устройств, например, пультов дистанционного управления. В настоящее время допустимая потребляемая мощность WUSB-радиоустройств ограничивается значением 300 мВт, но со временем она будет понижена до 100 мВт [ 10 ].

При условии  сложной помеховой обстановки у  хоста есть несколько способов управления надежностью передачи данных. Во-первых, существует возможность управлять  мощностью передатчика, в том числе и устройств (в командном режиме). Также можно изменять битовую скорость передачи, меняя тем самым надежность доставки за счет применения более избыточного кодирования и дублирования передаваемой информации. Интересно, что битовая скорость может меняться динамически и может быть задана буквально для каждого пакета. Также поддерживается настраиваемый размер кадров. В нормальном, устоявшемся режиме работы Wireless USB-кластера размер пакетов и их длина являются статическими параметрами в первую очередь из соображений производительности. Всегда полезно точно знать максимальный размер данных для конкретного цикла обмена – это делает возможным предварительную выборку и буферизацию данных. Однако точное количество данных, участвующих в каждой транзакции, явно указано в соответствующем описателе (СТА) ММС-пакета. Изменяя этот параметр, хост имеет еще одну степень свободы по адаптации к изменяющейся обстановке.

Глобальным  средством избежания помех является смена канала PHY. Спецификация описывает механизм смены канала без остановки Wireless USB-кластера.

Для изохронного  трафика, где важна постоянная скорость передачи, а доставка не гарантируется, предусмотрен режим динамического  переключения скорости передачи (Dynamic Bandwidth Endpoints). Эта особенность позволяет адаптироваться к новым условиям среды без остановки передаваемого потока данных.

Что касается безопасности соединения по WUSB, то, по словам разработчиков стандарта, эта  беспроводная технология в перспективе  будет обладать очень надежной защитой  трафика от несанкционированного доступа – на уровне проводного стандарта USB 2.0. В процессе аутентификации WUSB поддерживает шифрование с открытыми ключами, а при передаче данных в первом поколении WUSB будет применено шифрование AES-128 с использованием алгоритма CBC-MAC (Cipher-Block Chaining with Message Authentication Code Protocol) – это стандартный потоковый криптоалгоритм с применением блоков AES (высокоскоростное AES-шифрование широко применяется в VPN-сетях). Архитектура шифрования при смешанных проводных/беспроводных USB-соединениях также предполагает шифрование трафика, проходящего по проводам. Это позволяет избежать путаницы и ошибок при сортировке трафика на проводной и беспроводной.

Интерфейс WUSB обладает такими достоинствами, как возможность беспроводного высокоскоростного подключения, безопасность, простота использования и обратная совместимость.

Для сравнения: основной современный локальный  беспроводной стандарт Bluetooth, который тоже развивался весьма динамично, в соответствии со спецификаций Bluetooth Version 2.0 имеет пиковую производительность до 3 Мбит/с (при средней пропускной способности до 2,1 Мбит/с), а первая версия этого стандарта имела пиковую пропускную способность всего лишь 771 Кбит/с. Что касается производительности интерфейсов Wi-Fi, способных уже сейчас обеспечить трафик до 54 Мбит/с, то в перспективе ожидается увеличение пропускной способности лишь до 100 Мбит/с. Но ограниченное количество каналов в сочетании с приличным радиусом действия этих интерфейсов рано или поздно даст о себе знать, особенно в мегаполисах. К тому же даже пиковый трафик 100 Мбит/с никак нельзя назвать адекватной альтернативой нынешним 480 Мбит/с у беспроводного WUSB.

В целом, задачи, поставленные перед WUSB, предполагают скоростной обмен данными в структуре развлекательных центров на базе ПК, игровых приставок, MP3- и DVD-плееров, ТВ-приставок, HDTV-телевизоров, цифровых фото- и видеокамер, внешних DVD-RW/CD-RW-приводов, HDD-накопителей, карманных ПК, мобильных телефонов и смартфонов, карманных видеоплееров и видеомагнитофонов, принтеров, сканеров, проекторов, наушников, колонок и многих других устройств, которым, возможно, понадобится быстрый обмен данными.

 

Список используемых источников

 

1. http://www.compress.ru/. Wireless USB.
2. http://www.rembook.ru/glossary/. USB.
3. http://megaworldltd.ru/glossary/. Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0.
4. http://www.wireless-e.ru/. Беспроводные технологии.
5. http://www.xnets.ru/. Беспроводной доступ (Wireless).
6. http://www.businesswire.com/news/. Wireless USB 1.1 Specification Now Available.
7. http://www.nix.ru/support/faq/. Беспроводной USB-интерфейс Wireless USB (WUSB).
8. http://www.usb.org/developers/wusb/. Wireless USB from the USB-IF.
9. http://citforum.novgorod.ru/nets/. Сети и Телекоммуникации.
10. http://www.bytemag.ru/. Технология Wireless USB.

~ ~