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3.1~10.6GHz的UWB通信技术，2002年2月获得美国联邦通信委员会(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Rev1.0规范，该规范规定「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Rev1.0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。
　

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TG3a。

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割(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层之外，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IP(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)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。
　

图4 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USB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。
　

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 Adapter可以建构的USB Device topology
　

UWB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5GHz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。
　

图7 UWB的暂定电力mask
　

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。