Стандарт Wireless USB и общие вопросы использования технологии UWB
Кому он нужен, этот Wireless USB?
Современный
пользователь мобильной электроники — от телефонов до ноутбуков,
сам того не замечая, от покупки к покупке «обрастает»
все большим количеством беспроводных интерфейсов. Казалось бы, совсем
недавно для всех коммуникационных нужд было достаточно обладать
инфракрасным портом — ан нет, появился Bluetooth, и жить стало легче,
жить стало веселей. Сегодня многие уже не мыслят своей жизни без
Wi-Fi, на очереди — появление WiMAX, да и сама по себе мобильная
телефония в широком смысле является беспроводным интерфейсом для
связи с внешним миром.
Итого, к сегодняшнему дню мы рискуем запутаться уже не в клубке
интерфейсных проводов, но в клубке различных и порой не очень хорошо
совместимых стандартов. Однако, на горизонте маячат новые доселе
неизвестные стандарты беспроводных коммуникаций, один из которых — Wireless USB, со временем грозит вытеснить собой некоторые известные
способы взаимодействия мобильных устройств с периферией.
Казалось бы, зачем изобретать велосипед, то есть, переиначивая
фразу в применении к сектору беспроводных интерфейсов, зачем придумывать
новый стандарт, когда уже есть тот же Bluetooth, инфракрасные порты,
а для более масштабных расстояний и скоростей Wi-Fi? Обратимся к
схеме ниже и рассмотрим ежедневные сферы применения, где столь популярный
Bluetooth никоим образом не сможет справиться с предлагаемым потоком
данных.
Обратите внимание: удел Bluetooth — работа с периферией и приложениями,
потребляющими относительно низкоскоростной трафик, как правило,
устройствами ввода, синхронизации и передачи речи с относительно
невысокими требованиями к качеству аудиопотока. Несмотря на то,
что Intel планирует сделать Bluetooth 1.2 стандартным интерфейсом
в ноутбуках на базе технологии Centrino уже в 2005 году (главным
образом, для передачи стереозвука), везде, где речь заходит о передаче
видео, Bluetooth автоматически остается за бортом.
А как же Wi-Fi, возможности которого к настоящему времени в реализациях
версий IEEE 802.11a/g простираются до обмена трафиком до 54 Мбит/с?
Спору нет, это уже лучше, но во-первых, Wi-Fi — это все же инструмент,
заточенный немного под другие задачи, хотя, на безрыбье может подойти
и он. Во-вторых, не стоит забывать, что это только сейчас пользователь
чувствует себя относительно вольготно на выделенных для Wi-Fi каналах,
а что будет, когда в каждой второй квартире начнут подключать друг
к дружке наушники, пылесосы и прочие ноутбуки? И в-третьих, как
не крути, но даже для некоторых современных приложений пиковая скорость
Wi-Fi, не превышающая 54 Мбит/с (обсуждение способов сжатия трафика
пока оставим за кадром) оказывается безнадежно малой. Что уж говорить
о грядущих цифровых домах и желании передавать/транслировать объемы
аудио/видео контента с более-менее приличным качеством...
Итак, получается, что нужда в простом надежном и производительном
локальном интерфейсе все же существует. Иными словами, пользователю
совсем будет не лишним вариант с возможностями IEEE1394 или USB
2.0, но без проводов. Пусть радиус его действия будет сравним с
проводными вариантами — 3-5 метров, не более 10, но обязательно
должна гарантироваться приличная, сравнимая с проводными вариантами
скорость обмена данными, теоретически неограниченное количество
каналов, а раз уж речь зашла о современных реалиях, по возможности,
с хорошей защитой от несанкционированного доступа к данными и малым
энергопотреблением.
Вроде, ничего не забыли? Фактически, мы желаем разместить в нынешних
перегруженных радиочастотных каналах неограниченное количество диапазонов.
Которые, из-за ширины канала, требуемой для приличной скорости обмена
данными, согласно теореме Котельникова, просто «сожрут»
все имеющиеся ресурсы, попутно вытеснив телевидение, радио и прочие
участки мобильных операторов и спутниковые стволы. Плюс к этому
желательно, чтобы размеры самих интерфейсных адаптеров были сравнимы
с нынешними разъемами кабелей USB, максимум — с габаритами флэш-брелоков,
а еще лучше, чтобы и вовсе не «выпирали» из мобильников,
карманных ПК и ноутбуков, скрываясь внутри.
Фантастика? Да, если использовать современные виды модуляции с
частотным, фазовым, временным и любым другим уплотнением. Нет, если
речь идет о широкополосной передаче данных.
Стандарт Wireless USB: первые робкие шаги
Начало сентября 2004 года ознаменовалось проведением очередной
осенней сессии Форума Intel для разработчиков в Сан-Франциско, на
которой Intel совместно с NEC, Texas Instruments и Wisair впервые
продемонстрировали в работе новые устройства, совместимые со спецификациями
стандарта Wireless USB. Новой технологии обмена данными пока что
не исполнилось и года, ибо впервые рабочая группа поддержки стандарта
Wireless USB — Wireless USB Promoter Group, заявила
о своем существовании в феврале 2004 года. На тот момент группа
поддержки WUSB состояла из компаний Agere Systems, HP, Intel, Microsoft,
NEC, Philips и Samsung, однако, за последние полгода к группе подключились
Appairent Technologies, Alereon Inc., Staccato Communications, STMicroelectronics,
Texas Instruments и Wisair, внесшие весомый вклад в развитие новой
технологии.
Основная задача, которую поставила перед собой новая рабочая группа
при продвижении Wireless USB — сохранение существующих устройств
USB, инфраструктуры драйверов, внешнего вида и удобств использования
проводных устройств USB, тем самым поставив обязательным
условием сохранение осуществленных ранее капиталовложений.
Несмотря на то, что впервые словосочетание «Wireless USB»
прозвучало в феврале на весеннем форуме IDF 2004, а работы по адаптации
UWB в качестве стандартного скоростного интерфейса для ПК — еще
раньше, первые более-менее осмысленные детали спецификаций стандарта
мы узнали в июле, в дни проведения конференции Wireless Japan 2004.
Именно тогда прозвучали невероятно близкие сроки начала коммерческого
внедрения стандарта — 2005 год, и WUSB, можно сказать, впервые заставил
заговорить о себе всерьез, хотя, действительно массовое внедрение
интерфейса начнется в 2006 – 2007 годах. Именно к тому времени,
по прогнозам аналитиков из In Stat Group, количество всевозможной
периферии с интерфейсом USB, ныне превышающее 1 млрд. устройств,
составит более 3,5 млрд. Согласитесь, весомый рынок, о будущем которого
надо думать заранее.
Итак, разработчики нового стандарта поставили перед собой задачу
подготовить спецификации, которые станут привычным простым высокопроизводительным
беспроводным интерфейсом для настольных и мобильных ПК, PDA, мобильных
телефонов, компьютерной периферии и устройств бытовой электроники,
обеспечивая удобное соединение и высокоскоростной обмен данными.
По задумке, новая технология и связанные с ней подстандарты обеспечат
использование высокоскоростных беспроводных соединений между различными
устройствами в быту и офисе. Новые стандарты разрабатываются для
беспроводных персональных сетей (WPAN) и предназначены для передачи
изображения, звука и других данных по высокоскоростным широкополосным
соединениям. Вот лишь краткий список бытовой электроники, наиболее
нуждающийся в появлении Wireless USB уже сейчас:
- Развлекательные домашние центры на базе ПК
- Цифровые видеокамеры
- Цифровые фотокамеры
- HDTV телевизоры
- Внешние пишущие приводы DVD-RW/CD-RW
- Внешние накопители (HDD)
- Игровые приставки
- MP3 плееры
- ТВ-приставки
- PDA
- Мобильные телефоны и коммуникаторы
- Карманные видео плееры (Personal Video Player, PVP)
- Карманные видеомагнитофоны (Personal Video Recorder, PVR)
- Принтеры
- Сканеры
- Цифровые проекторы
- Наушники и колонки
Каждый может сам продолжить этот список, по очереди припомнив все
домашние или офисные устройства с интерфейсами USB/FireWire, особенно,
с учетом появления спецификаций однорангового варианта USB — USB-On-The-Go.
Пожалуй, самое время подумать о способе отрезать клубок кабелей
и освободить себя от привязанности к этим проводам.
Wireless USB: топология
Топология Wireless USB характеризуется емким понятием «hub-and-spoke»,
то есть, образно перефразируя на русский, «ось [колеса] и спицы»
(см. схему ниже). Роль оси в нашем случае выполняет хост-контроллер,
который инициализирует трафик с каждым подключенным к нему периферийным
устройством и управляет потоком данных, выделяя каждому соответствующий
тайм-слот и соответствующую ширину полосы пропускания канала.
Таким образом, каждое Wireless USB устройство подключается к хосту
по схеме «точка-точка». Основным отличием такой схемы
от проводной версии USB можно назвать отсутствие в топологической
схеме специальных дополнительных концентраторов. Тем не менее, беспроводной
USB-хост подразумевает логическое подключение до 127 Wireless
USB устройств.
Интересно отметить, что получаемые в результате кластеры устройств
с интерфейсом Wireless USB сосуществуют в едином окружении с минимальными
взаимными помехами. В дополнение к получаемым беспроводным возможностям,
интерфейс Wireless USB обратно совместим с проводной версией USB
и позволяет создавать совершенно прозрачные мосты на проводные USB
устройства и хост-контроллеры. Таким образом можно создавать не
только «сетевые» соединения второго уровня между двумя
хостами, но также организовывать передачу данных между двумя кластерами.
Обязательно стоит упомянуть, что топология WUSB в обязательном
порядке подразумевает поддержку двоякой модели взаимодействия, когда
устройство наделяется некоторыми ограниченными возможностями хоста
(по образу и подобию USB-On-The-Go), что позволяет мобильным устройствам
получать доступ к некоторым сервисам в качестве хост-устройства,
например, к принтерам.
Wireless USB: радиочастотный спектр и тип модуляции
Стандарт Wireless USB основан на использовании технологии сверхширокополосной
UWB (Ultra-Wideband) модуляции на базе рекомендаций MultiBand OFDM
Alliance (MBOA) и WiMedia Alliance. Точнее будет сказать, что Wireless
USB — лишь один из почти достигнувших практической реализации стандартов
для создания так называемых беспроводных персональных сетей — Wireless
PAN (Personal Area Network), на базе только зарождающейся коммуникационной
технологии UWB, подразумевающей использование очень широкой полосы
частот — до 30 ГГц. Впрочем, частотный диапазон технологии UWB пока
обозначен лишь в США, где его принятие в FCC было достигнуто после
многократного обсуждения с производителями радаров; ратификация
UWB национальными подкомиссиями электросвязи Японии и стран Еврозоны
еще впереди.
Обе вышеупомянутые организации — MBOA и WiMedia Alliance, являются
открытыми индустриальными ассоциациями, созданными для продвижения
стандартов персональных беспроводных сетей — WPAN (Wireless Personal
Area Networks). Спешу вас обрадовать: Wireless USB будет одним из
целой серии беспроводных интерфейсов, использующих технологию UWB,
на деле в перспективе нас ожидает целый букет различных беспроводных
интерфейсов с единой организацией протоколов адресации и физического
уровня на базе спецификаций IEEE802.15.3.
Традиционно под сверхширокополосной модуляцией — UWB, подразумевается
работа передатчика, при которой генерируются миллиарды импульсов
в очень широком — порядка нескольких гигагерц, частотном спектре.
Приемная часть преобразовывает импульсы в данные путем отслеживания
схожих последовательностей импульсов. В общем случае под UWB подразумевается
любая радиочастотная технология, занимающая спектр с полосой более
20% несущей частоты передатчика, или работающая в диапазоне более
500 МГц.
Под современной UWB технологией подразумевается применение иного
принципа модуляции — мультиплексирования по ортогональным несущим
частотам (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что,
впрочем, также требует использования очень широких частотных диапазонов.
В случае использования OFDM в сочетании с несколькими частотными
диапазонами, мы получаем технологию MultiBand OFDM, имеющую значительные
преимущества перед вариантами со сравнительно узкой полосой, например,
IEEE802.11a, что выражается в легкой адаптации стандарта к требованиям
комитетов электросвязи любых государств, возможности отличного масштабирования
в будущем и обратной совместимости обновленных версий. Простой пример:
не нравится законодателям какой-либо страны ширина требуемых поддиапазонов?
Пожалуйста, динамически подстраиваем их ширину, отключаем запрещенные,
и в конце концов стандарт все равно вписывается в предъявленные
требования.
В случае с продвигаемыми подстандартом MultiBand OFDM спектральный
7,5 ГГц участок разделен на несколько отдельных диапазонов шириной
528 МГц. Возможность динамического подключения тех или иных участков
позволяет удовлетворить требования любых национальных комитетов
электросвязи.
План распределения частотного диапазона для MultiBand OFDM устройств,
согласно рекомендациям MBOA, разбит на пять логических каналов (см.
схема выше). Поддержка канала Channel 1, включающего в себя три
первых частотных участка, является обязательным требованием для
всех UWB устройств. Сочетание различных каналов позволяет организовать
различные режимы работы устройств MultiBand OFDM.
В нынешней рекомендации ассоциации MultiBand OFDM Alliance, диапазоны
с первого по третий (обязательные) используются для работы в режиме
Mode 1, в то время как использование диапазонов в каналах со второго
по пятый является необязательным. Такая организация позволяет обеспечить
поддержку до четырех частотно-временных режимов модуляции на канал,
что в сумме дает до 20 подканалов в нынешней рекомендации MBOA.
Помимо этого стоит упомянуть, что рекомендации MBOA также позволяют
уклониться от использования канала №2 в случае возникновения помех
безлицензионным видам беспроводных интерфейсов (U-NII, Unlicensed-National
Information Infrastructure) типа нынешнего IEEE802.11a.
Архитектура приемной и передающей радиочасти интерфейса при этом,
несмотря на достаточно сложные схемы синтезаторов частот и других
модулей, остается вполне типичной для OFDM решений.
Блок-схема передатчика
Блок-схема приемника
Кстати упомянуть, средние частоты диапазонов и их границы выбраны
не случайным образом. Когда заходит речь о создании синтезатора
частот видно, что в пределах каждого сектора тактовые частоты диапазонов
генерируются прекрасным образом благодаря наличию единственного
генератора опорной частоты:
Обратная совместимость с проводным стандартом USB на практике означает,
что из этого стандарта по максимуму были портированы его характеристики,
включая сигнальные события (соединение, разъединение, временное
прекращение обмена, возобновление и т.д.), особенности построения
протокола организации транзакций и др.
Пакеты данных формируются по технологии, основанной на протоколе
множественного доступа с разделением каналов по времени — TDMA (Time
Division Multiple Access).
Из интересных идентификаторов протокола можно отметить обязательное
наличие регистра, несущего информацию о функциональности устройства
в качестве хоста. Также стоит упомянуть об уникальном индексе MSSI
(Micro-Scheduled Stream Index), используемого для идентификации
WUSB.
Wireless USB: питание и энергопотребление
Особенного внимания заслуживает вопрос энергопотребления радиочастотных
компонентов интерфейса, поскольку именно этот параметр наиболее
важен для портативных устройств. Как известно, энергопотребление
типичного PDA без учета использования беспроводных интерфейсов колеблется
в пределах 250 — 400 мВт, для сотовых телефонов типичным диапазоном
энергопотребления является 200 — 300 мВт. Добавление интерфейса
Wireless USB не должно увеличивать энергопотребление портативных
устройств на величину большую, нежели это происходит при использовании
других беспроводных интерфейсов.
Как известно, в нынешних условиях вполне желательно, чтобы устройства
с автономным питанием обеспечивали работу мобильного устройства
в ждущем режиме на протяжении 3 — 5 дней и до нескольких месяцев
для устройств класса пульта дистанционного управления. Ожидается,
что интерфейсные Wireless USB контроллеры первого поколения, выполненные
на базе стандартизированных MBOA (MultiBand OFDM Alliance) радиочастотных
решений будут обладать энергопотреблением менее 300 мВт. Второе
поколение таких устройств будет потреблять менее 100 мВт. При разработке
схем питания основное внимание будет уделяться использованию электрических
цепей, уходящих в «спящий» режим в отсутствие сигнала,
а также широкое использование режимов питания Sleep/Listen/Wake.
Wireless USB: производительность и перспективы ее масштабирования
Нынешняя спецификация Wireless USB версии 0.7 подразумевает работу
интерфейса в радиусе до 3 метров со скоростью обмена данными до
480 Мбит/с при низком энергопотреблении, что сравнимо с существующим
проводным стандартом USB 2.0. На самом деле, как и у многих других
интерфейсов, в зависимости от расстояния между хостом и устройством,
а также массы других характеристик окружающей среды производительность
интерфейса колеблется от 55 Мбит/с до 480 Мбит/с. Приведем опорные
декларируемые характеристики производительности интерфейса в зависимости
от расстояния:
- 110 Мбит/с при расстоянии порядка 10 м
- 200 Мбит/с при расстоянии более 4 м
- 480 Мбит/с при расстоянии 2 м
При этом подразумевается энергопотребление передающей части не
более 130 мВт и приемной части — не более 160 мВт. Основные характеристики,
заявляемые на нынешнем этапе экспериментов с интерфейсом, приведены
в таблице ниже (при усилении антенны 0 дБ, данные Texas Instruments):
Согласно утверждениям разработчиков, следующее поколение спецификаций
интерфейса будет поддерживать обмен данными на скорости до 1 Гбит/с.
Wireless USB: вопросы обеспечения безопасности
Пока мы работаем с обычным USB, вопросы защиты данных не имеют
никакого смысла в связи с проводной сутью интерфейса. Однако, как
и в любом другом беспроводном интерфейсе, при переходе к использованию
WUSB на первое место выйдут вопросы безопасности. Тем не менее,
требование спецификаций интерфейса при обеспечении безопасности
обмена подразумевает отсутствие влияния процесса шифрования на скорость
обмена и окончательную цену решения.
Предполагается, что шифрование в Wireless USB будет обеспечиваться
аппаратно по протоколу AES-128, обеспечение дополнительной безопасности
может быть реализовано на уровне приложений.
Итого
Проведенная в рамках осенней сессии Форума Intel для разработчиков
2004 года демонстрация стала важным шагом для альянса Multi-Band
OFDM (MBOA), поскольку на базе общего интерфейса физического уровня
и прототипа набора приложений Wireless USB впервые была установлена
связь между устройствами MAC-уровня различных компаний.
В настоящее время на повестке дня разработчиков стандарта Wireless
USB — принятие протокола физического уровня. В четвертом квартале
2004 года ожидается финальная версия MAC-протокола, также до конца
нынешнего года будет выпущена финальная версия спецификаций WUSB.
Ожидается, что в начале-середине 2005 года будет представлен первый
UWB и WUSB кремний, а первые решения на базе Wireless USB появятся
на рынке в конце 2005 года.
Разработчики считают, что первыми на рынке будут востребованы WUSB
решения для настольных ПК и CE-решений, а варианты интерфейса для
мобильных устройств появятся несколько позже. Таким образом, в 2005 — 2006 годах на рынке будут появляться главным образом отдельные
хост-контроллеры и интерфейсные платы в виде решений под шины PCI,
PCI Express, ExpressCard, а также варианты под порт USB 2.0. В 2006 — 2007 настанет время интегрированных контроллеров WUSB и появления
периферии с «родным» WUSB.
Не удивляйтесь, что в настоящее время так мало слышно об интерфейсе
WUSB, его время еще не пришло. Сами разработчики обещают открыть
сайт поддержки Wireless USB только в четвертом квартале 2004, ближе
к готовности финальной версии стандарта. Возможно, к этому времени
мы впервые увидим логотип нового стандарта.
Соответственно, пока нет стандарта, никто особенно и не «шумит»
об его будущем. Но мы с вами к его встрече теперь в какой-то степени
уже готовы...
Дополнительные ресурсы по теме:
|
|
