无线USB：个人网的新阶段

　　2005年5月15日，无线USB促进组织（WUPG）完成了无线USB 1.0规范的制定，并将其管理权提交给USB论坛（USB-IF）。英特尔、杰尔系统、微软、NEC、飞利浦半导体、三星电子、惠普以及其他100家公司均是WUPG的成员。目前，Intel实验室正在做该规范的遵从性和互操作性测试，USB-IF将对该规范进行认证并颁发标志许可证，最新的消息是，预计无线USB产品将在年底前上市。

　　业界通常将10米范围的联接称之为个人网（Personal Area Network，PAN），100米范围为局域网（LAN），将10公里及10公里以上范围称之为广域网（WAN）。相应地，也有无线个人网（WPAN）、无线局域网（WLAN）和无线广域网（WWAN）的区分。常用的USB、IEEE 1394属于PAN，蓝牙、红外和新宣布的无线USB，则属于WPAN。

　　WPAN一直不如PAN

　　PAN的源头可以上朔到1960年代美国电子工业协会（EIA）为解决计算机与终端联接而开发的RS-232标准。在1996年USB（Universal Serial Bus）出现以前，RS-232一直是计算机与外部设备短距离联接的主要方式，传输速率从最早的300bps不断增加到38400bps。由于RS-232供电复杂、信号抗干扰能力弱、不能同时联入多个设备等原因，当USB出现之后，RS-232迅速被USB取代。

　　火线（FireWire）由Apple公司1986年开始开发，1995年被IEEE接受并批准为IEEE 1394标准。IEEE 1394数据传输速率达到400Mbps，在菊花链拓扑结构中最多可接入1024个设备，最大距离4.5米。IEEE 1394至今仍是一种非常优秀的高性能PAN方案，但因为专利费问题，价格一直居高不下，这使得不收专利费的USB有机会后来居上。

　　1994年，Intel、IBM、微软等七家公司共同成立了USB 论坛。1996年颁布USB 1.0，传输速率为15Mbps。最多可接入127个设备，传输距离5米。 2000年推出的USB 2.0，将速率提高到480Mbps。任何生产商只要每年交2500美元会费，通过USB论坛测试，就可以在产品上使用USB标志，不收专利费的策略使USB成为一种比IEEE 1394便宜的PAN技术方案，迅速普及，已成为PC的标准配置。

　　至于无线PAN，当属IrDA红外通信最早。1993年HP、Intel等二十多家公司发起成立红外数据协会（IRDA）。1996年推出IRDA 1.0版，最高传输速率1.152Mbps, 最大传输距离1.5米。现在红外通信的速率已提高到16Mbps。

　　正因为红外通信距离过短，使得另一些公司萌发了开发新的技术的想法。1989年，爱立信、IBM等公司组成的蓝牙专业组推出了蓝牙标准。蓝牙的数据传输速率为720Kbps, 最大传输距离100米，工作频率在2.4GHz，支持一对多连接。

　　从以上分析可以看出，长期以来，WPAN的性能一直落后于PAN。

　　物理层选用UWB

　　自1982年IBM推出的XT总线算起，经过二十余年的发展，PC总线历了XT、ISA、EISA、PCI和PCI-Express等五代。当初XT总线的传输速率只有64Mbps，今天PCI-Express的速率达到2.5Gbps。从主机的角度看，高速数据传输已不成问题。

　　从数据源方面看，一张普通数据光盘数据量为800MB，用USB 2.0传送需几分钟，用速率为720Kbps的蓝牙传送需要数十分钟。下一代蓝光DVD单片容量可达54GB，用USB 2.0传送需要几十分钟，用蓝牙传送需要数十个小时，典型的DVD/SDTV播放需要3M～7Mbps的带宽，HDTV需要19M～24Mbps。显然，WPAN无法满足这些应用的需要。

　　从设备的角度，需要近距相联的设备种类很多。一部电脑不仅要联键盘、鼠标，还有打印机、数码相机、DV、移动硬盘、外置DVD、手机、PDA、音响、摄像头、话筒、读卡器、MP3/MP4播放器、高清数字电视、游戏控制器。不少设备，比如手机、数码相机、笔记本电脑等需要频繁移动。以有线方式相联很多电线缠绕在一起，不仅乱，而且过于复杂。

　　因此，开发高性能WPAN就成了技术发展急待解决的问题。

　　在各种无线通信方案中，窄带方式最为传统。采用这种方式，信息先被转换成脉冲电信号。按照傅立叶变换，脉冲信号可视为由一系列不同频率正弦波迭加而成。这些正弦波所占据的频率范围，便是该脉冲信号（基带信号）的基本频带。然后，通过采用调幅、调频或调相方式，将基带信号调制为承载数据的模拟信号。最后，通过载波将模拟信号搬移到事先规定的高频频段发射。广播电视和一些移动通信都采用窄带技术。

　　无线电波的频段是一种有限的自然资源，窄带无线通信所用的频段，需要向政府主管部门申请执照。窄带方式容易受到邻频干扰和绕射、反射等多径干扰，通信质量不易保证。

　　按照香农信息论公式，不提高信号能量密度，扩宽信号频带带宽也可以提高信噪比，增强抗干扰能力。基于这一原理，在二战中发展了展频无线通信技术：通过调制，使发射信号的带宽远大于基带信号带宽。窄带方式下，发射信号的带宽常为基带信号带宽的十余倍。而在展频方式下，这一比例则达到数百、上千。展频信号信噪比很高，抗干扰性能好。对于无处不在的窄带信号，它只相当于背景噪音，易于滤掉，不会造成干扰。篮牙和802.11系的WLAN都采用此种技术。它们选用国际上通行的SMI频段（900MHz和2.4GHz），只需获政府批准而不需申请执照。802.11g的传输速率达到54Mbps，功率数百毫瓦，作用范围100米。

　　有没有一种无线传输方案可使速率比802.11g更高，作用范围更小，抗干扰能力更强，以适合高性能WPAN呢？技术界选中了UWB（超宽带）无线传输技术。

　　UWB在比展频更宽的频带上传输数据，将香农理论发挥到了极致。窄带通信发射信号的带宽与中心频率之比小于1%；展频为1%～25%,UWB则超过25%。频带扩到如此之宽，与其他通信方式相比，UWB具有不同于窄带与展频的特质。

　　在同等信噪比的要求下，UWB信号能量密度大大降低，比如在数十米的范围内，所需功率小于1mW。其次，因为带宽特别大，以至于能直接将1纳秒左右的脉冲信号无需载波直接发射，每秒可发送10亿个脉冲（按傅立叶变换高频无线脉冲所占频带极宽），这一特性使UWB省去窄带与展频所必需的载波过程，简化了系统结构，有利于降低成本。第三，按照香农信息公式，带宽与数据传输速率成正比，UWB所占带宽宽于窄带与展频，因此其数据传输速率也更高（UWB与窄带和展频的对比参见图1）。



　　UWB诞生于冷战时代，长期以来一直用于军用雷达设备。2002年2月14日，美国FCC批准民用，并将3.1G～10.6GHz频段作为低功率（小于1mW/MHz）室内通信向民间开放。

　　先进的技术以及FCC批准军转民，使UWB成为新一代WPAN的物理层。

　　无线USB 1.0要点

　　到2005年底，全球配有USB的各类产品社会保有总量估计超过5亿，社会上还存有大量支持USB的软件，厂商会开发，用户会使用。因此，将UWB与USB结合构建新一代高性能WPAN，就可以使现有的USB设备方便地升级为无线连接。无线USB 1.0就是遵循了这样的设计思路。

　　按照USB 1.0规范，现有USB 2.0界面可通过两个Wire Adapter（WA，有线适配器）将有线的USB转换成无线USB。一个WA通过USB 2.0接口接入计算机端，另一个通过USB 2.0接口连接打印机等外部设备，两个WA间通过UWB物理层实现无线连接（参见图2）。



　　无线USB 1.0所用的UWB符合多频道OFDM联盟（MBOA）的UWB PHY规范。

　　OFDM（正交频分复用）是对信号进行展频调制的一种技术方案。按MBOA规范，UWB的带宽被分成若干个带宽为528MHz的子频段，数据分解后被分配到这些子频段并行发送，接收以后经过重新装配使数据恢复。

　　OFDM的优势在于“正交”。如果两个二维向量正交（交角90度），则一个向量在另一个向量上的投影（分量）为零。如果两路信号正交，则它们虽然使用的频率有所重叠也不会相互干扰。OFDM通过相位和幅度调制，使各子频段信号正交，相邻子频道使用的频率有所重叠（参见图3）。OFDM不必在两个相邻频段间设置隔离频段，大幅提高了带宽资源的利用率。目前常见的DSL、电力线上网以及WiMax等都采用这种调制方式。



　　按照MBOA的UWB PHY规范，无线USB 1.0的物理层的传输速率分53.3、80、106.7、200、300、400和480Mbps等七档。其中，53.3、106.7和200Mbps是必备的速率，其余四项可选。无线USB 1.0采用“轮辐”式拓扑结构，一个无线USB 1.0系统最多可同时接入127个设备（参见图4）。在传输速率和接入设备数量和方式上，无线USB 1.0与USB 2.0完全匹配。



　　按无线USB 1.0规范，当设备联入时，会在规定的时段向主机发出消息。然后主机与设备相互交换、识别彼此的ID并相互授给访问权限，接着主机给设备指定USB地址，并将设备状态通知上层软件。主机与设备通信时，数据通过AES-128/CCM机制加密。当主机或设备任一方按协议规定发出断接请求时，无线USB的联接就会被中止。在主机与设备间无法正常通信且发生超时的情况下，无线USB也会自动中止联接。
作者：孙定   来源：计算机世界报 2005年10月24日 第41期 D3