无线USB传输技术探索

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1、无线 USB 传输技术探索最近几年各种数字电子机器採用2.45GHz与5GHz的WLAN(Wireless Local Area Net),以及 2.45GHz的蓝芽(Bluetooth)进行连接的情况相当普遍，在此同时利用网路连结的电子设备， 除了个人电脑(PC)与可携带资讯终端机(PDA)之外，甚至扩展到影像、音响(AV: Audio Video) 等领域，因此终端消费者对无线通信技术要求更加多样化。可以支援上述时代需求的无线通 信技术之一，亦即UWB(Ultra Wide Band)通信技术立即成为注目的焦点，事实上频宽介于 3.110.6GHz的UWB通信技术，2002年2月获得美国联

2、邦通信委员会(FCC)正式承认后， 它的发展动向一直是全球相关业者关心的话题。虽然 UWB 属于短距离通信技术，不过研究人员发现能够应用它的超频宽进行高速无线通 信，例如一般家庭相当普及的高速串行介面(serial interface)USB2.0(Universal Serial Bus)无线 通信，就是该技术最典型的应用例。发展经纬图1是各种无线通信速度与传输距离的比较。由于UWB的问世使得无线USB2.0可望实用 化，例如国外无线通信业者曾经透过USB IF(Implementers Forum)进行无线USB标准化作业。 此外，2005年5月USB IF发表Revl.0规范，该规范规定

3、无线化UWB无线通信技术，必 需使用 WiMeda Alliance标准化建构的MAC(Media Access Control)层与物理层，同时USB IF 还明确定义MAC层的上层为PAL(Protocol Adaptation Layer)一般认为由于Revl.0规范的 问世，未来USB无线化后仍然能够与目前USB2.0规范继续维持相容性。100 I(Sita)图 1 各种无线通信速度与传输距离的比较图2是无线USB的典型应用例。事实上美国电气电子技术者协会(IEEE)802.15作业分组(task group)3a(TG3a)，曾经针对利用UWB进行资料通信进行标准化作业。图3是UWB

4、的Through put 与通信距离的关系，由图可知虽然 UWB 短距离时可以作高速通信，不过随着距离的增 加，它的 Through put 却急遽下降。在 IEEE 的标准化作业过程中，最后成为标准化作业候 选者只剩 UWB Forum 推荐的 DS-UWB(Direct Sequence UWB)方式，与 WiMedia Alliance 推 荐的多频道直交频率多重分割(Multiband OFDM )两种方式，不过IEEE认为这两种方式都无 法持续获得通信信任性，因此在 2006 年 1 月的 IEEE 会议中未将这两种方式标准化， IEEE 最后甚至决定解散 802.15 作业分组 T

5、G3a。如上所述UWB标准化作业非常不顺利，它与蓝芽标准化时遭遇的情况非常类似，亦即在市 场上已经充分获得事实标准(de facto standard)认定的方式，最后都会成为公认的标准规 范，尤其是 USB IF 与 1394 TA(Trade Association已经相继明确表示支持 WiMedia Alliance， 这意味着USB IF认定的无线USB制品，如果不採用WiMedia Alliance推荐的多频道直交频 率多重分Multiband OFDM)方式，理论上就不能上市发表，换言之到此为止UWB标准化 作业总算尘埃落定获得正式承认，上述 Multiband OFDM 方式可以

6、实现距离 3m 时通讯速度 为480Mbit/s, 10m时通信速度为110Mbit/s的无线化USB2.0目的。图2无线USB的应用例图3 UWB的Through put与通信距离的关系WiMedia Alliance主要任务是确保封装后UWB机器之间相互连接性，依此制定业界标准的 民间组织，它相当于WLAN的Wi-Fi Alliance(联盟)。该联盟除了针对物理层与MAC层之 夕卜，同时还对无线USB、无线1394等高阶层，以及可以同时使用UWB资源的(Internet Protocol)网路与Conversion层，进行层的规范制定、相容性测试、认证、标志程序(logo program

7、)等标准化作业。图4是典型UWB相关的protocol stack，由图可知以WiMedia为准 则的物理层加上MAC层，一个无线模组除了无线USB以外，还可以同时作IP与蓝芽等复 数应用。有关无线USB的标志认证，由于Wi-Fi Alliance充分提供物理层与MAC层的测试 规范给USB IF，因此只要通过USB IF的标志认证程序，未来都可以获得WiMedia水准的 相互连接性保证。CoiwersicKiFL曲舖ed目咋 WNe:US3 Application碍 134 ApplicationB -eL匚资ApplicationApplicationWOEB蜩 1394PALPAL图 4

8、 典型 WWB 相关的 protocol stack无线 USB 的架构有关 USB2.0 无线化的基本规格政策是必需继承现有的软件资源环境。此外基于现有的 USB Host与USB元件(device)都能够直接进行无线化等考量，因此无线USB的架构还充分 导入 Wire Adapter观念。Wire Adapter观念具体内容，类似图2的Host端的HWA(Host Wire Adapter)与元件端DWA(Device Wire Adapter )，以USB2.0与UWB无线单元作物理介面时， 基本上都必需使用Wire Adapter架构。由图2可知由于Wire Adapter被当作假想U

9、SB主控 制器(Host Controller)，所以Host端与元件端彼此都是独立bus动作。此外在USB2.0的介面， 亦即 EHCI(Enhanced Host Controller Interface)的 Pipe 概念，在 Wire Adapter 则被 RPipe(Remote Pipe)新概念取代。图5是利用Wire Adapter建构的USB元件的topology与Pipe的关系，如图所示HWA驱动 器在USB host连接的HWA之间建构Pipe； DWA驱动器透过无线通信，在HWA-DWA之 间建构RPipe； USB class驱动器则在USB元件之间建构RPipe，(此

10、USB元件系连接于DWA 本身具备的USB hub 上),由此可知各种数字电子机器，彼此为了建构假想性bus,因此必 需使用 Wire Adapter。JSPliostGCjFl 壬 rF US2.0Bevio?USB20DeviceDeviceRPiRPice图 5 无线 USB 相关的 protocol stack图6是支援无USB时,典型host端的stack图。图6的右侧是能够支援HWA与DWA的stack 层，不过类似与PCI bus，亦即利用USB2.0以外的bus，与WiMedia、MAC层、物理层连 接时，不需要导入HWA概念时，因此变成图6的左侧的架构。图 6 Wire Ad

11、apter 可以建构的 USB Device topologyUWB的法制化2002 年 2 月 FCC 正式承认 UWB， ITU-R(International Telecommunication Union-Radio communication sector) 调 查 小 组 (study group)1(SG1)TG 1/8 的 工 作 分 组 (working group)3(WG3),在2005年10月正式提出电力mask的推荐案，该推荐案合併记载美国FCC 案、欧洲CEPT 案,以及日本等三种暂定电力mask，这三种暂定电力mask可以针对各国实 际状况进行法制化作业，未来5G

12、Hz以下使用UWB时，过去承认-43dBm/MHz的输出，2006 年2月的推荐案，基于可以在欧洲与日本地区使用等考量，因此要求装设DAA(Detect and Avoid)。至于该DAA一旦检测出有被干涉系统存在时必需设法迴避，不过如何检测、迴避， 不论是技术观点或是基于维持各UWB相容性而制定的规范等观点，一般认为今后必需作进 一步的讨论。图7是2006年2月日本、美国、欧洲地区的暂定电力mask；表1是无线USB使用的频率 范围，表中的频道群组(band group)是指无线USB形成一个网路时使用的频道；频道 ID(Identification)是指某特定时间使用的频率范围(频宽)。以

13、2006年2月的时间点为例，目 前若使用无线USB会发现还没有日、美、欧三国完全共通的频道群组。事实上使用频道群组中某个特定频道ID的频率范围，理论上可以利用无线USB进行通信，不过基于便利性的 考量，今后随着无线USB使用普及化必需进行各种检讨与改善。日IWA也可必卿3 20K#遊,3J0 i.GCC E CGL V.GCE弓RD图7 UWB的暂定电力mask频道群姐频道ID頻率(MHe)上限中心下限113.1603.4323.69623 6963.9604.22434.2244.4304.752244.7525.0165.28055.2005.5445.00065.0006.0726.33

14、63763366.6006.S6406.3647.1207.39297.3927.6567.9204107.9200.1043.44811S.44S3.7123.976128.9769.2409.5045139.5049.76310.0321410.03210.29610.560表1无线USB使用的频率范围此外为确保UWB的法制化与无线USB相互连接性，因此标志程序扮演的角色越来越重要。 有关UWB的法制化，如上所述2006年3月已经分别在欧洲与日本进行法制化作业，至于 DAA标准化讨论则积极展开中，一般认为2006年以后WiMedia与USB IF会针对相容性测 试、认证，以及有关标志程序的规格制定、相互连接性等测试设置专用场所。结语以上介绍无线 USB 技术动向。一般认为利用低消费电力、低制作成本与高 through put 的UWB,使一般家庭也普遍使用的高速高速串行介面USB无线化，形成所谓的无线USB，可 望获得市场高度肯定，因此国外业者正积极开发无线USB应用产品，试图藉由无线USB开 拓新的无线通信商机。