Замена Bluetooth

Ожидается, что к 2006-2007 годам поддержка Wireless USB - альтернативы Bluetooth - будет встроена в чипсет ПК, что поспособствует быстрому распространению данной технологии. Каковы же перспективы ее использования и внедрения?

Несмотря на то, что технология Wireless USB появилась сравнительно недавно, сегодня это одна из наиболее динамично развивающихся беспроводных технологий. Официально о создании Wireless USB Promoter Group впервые было объявлено на весеннем IDF 2004 в Сан-Франциско. Группа была образована семью компаниями (Agere Systems, HP, Intel, Microsoft, NEC, Philips и Samsung) с целью определения и продвижения беспроводного расширения USB. Одной из основных целей разработки было объявлено сохранение легкости использования и низкой стоимости проводного USB. Кроме того, компании собирались разумно ограничивать количество вносимых изменений по сравнению с проводной версией USB для максимального использования существующих наработок, а также с целью облегчения перехода на новую технологию конечными производителями устройств. Группа пообещала закончить разработку спецификации через год и сделать ее свободно доступной.

Менее чем через полгода, на осеннем IDF 2004 в Сан-Франциско, было успешно продемонстрировано взаимодействие первых прототипов Wireless USB-устройств от различных производителей, основанных на ранней версии спецификации. В ходе демонстрации персональный компьютер, оснащенный Wireless USB-контроллером компании Intel, отображал два потока видео, источники которых находились на удаленных прототипах Wireless USB Mass storage devices компаний NEC и Texas Instruments. В качестве радио был использован прототип компании Wisair.

Нынешнее состояние

В мае этого года результатом совместных усилий компаний стало появление спецификации Wireless USB версии 1.0 (свободно доступна с официального сайта группы - www.usb.org/wusb). Стандарт Wireless USB является отраслевым, то есть не требует утверждения в какой-либо международной стандартизирующей организации (в качестве других примеров таких стандартов можно привести "родительский" проводной USB, а также стандарты семейства PCI). К моменту окончания работы над спецификацией к Wireless USB Promotion Group присоединилось более ста компаний-участников, среди которых - многие ключевые игроки рынков компьютерной периферии и бытовой электроники, что свидетельствует о большом интересе к технологии.

О доступности спецификации было объявлено на первой конференции для разработчиков Wireless USB, которая состоялась 24-25 мая 2005 года в Сан-Хосе и собрала более 300 участников. В дальнейшем такие мероприятия станут регулярными (следующее пройдет в Токио в сентябре этого года).

В ходе конференции было объявлено, что с появлением спецификации технология достигла достаточной зрелости для передачи в USB Implementers Forum (www.usb.org), которая запланирована на середину нынешнего года. Эта некоммерческая организация будет отвечать за дальнейшее развитие и поддержку Wireless USB, в частности, за тестирование и сертификацию Wireless USB-устройств, а также за лицензирование логотипа и торговой марки Wireless USB.

Также было объявлено о скорой доступности PDK (Peripheral Development Kit) для разработки Wireless USB-устройств и открытии лаборатории по проверке взаимодействия ранних образцов продукции на базе исследовательской лаборатории компании Intel.

Позиционирование технологии

Wireless USB относится к технологиям класса PAN (Personal Area Network). В первую очередь она предназначена для обмена данными на небольших расстояниях. Спецификация декларирует пропускную способность 480 Мбит/с на расстоянии до 3 м, 110 Мбит/с на расстоянии до 10 м. Существующие в данный момент прототипы уже обеспечивают такие скорости. В частности, на недавней конференции разработчиков Wireless USB демонстрировался обмен данными на скорости 480 Мбит/с между двумя ПК с использованием прототипов компаний Intel и Alereon.

Пример сети этого класса - Bluetooth, правда, пропускные способности, достигаемые в рамках этой технологии, на два порядка ниже. Также немаловажным является тот факт, что Wireless USB использует в сто раз меньше энергии для передачи равного количества информации на той же битовой скорости.

В качестве потенциальных рынков для Wireless USB рассматриваются не только традиционная "вотчина" проводного USB - рынок периферии ПК, - но и рынки мобильной техники, а также бытовой электроники. Нередко эта технология называется в качестве наиболее вероятного кандидата на роль основного транспорта для "цифрового дома". Для достижения наилучших результатов в этой области введена расширенная поддержка изохронного трафика (одно из основных новшеств по отношению к проводному USB), что позволит обеспечивать качественную передачу потокового аудио и видео.

Физический уровень

В отличие от проводного USB, Wireless USB-спецификация не определяет собственный физический уровень. Технология базируется на сверхширокополосной (ultrawideband - UWB) платформе, продвигаемой организацией WiMedia/Multi-Band OFDM Alliance (MBOA) - www.wimedia.org. Таким образом передается характерная черта UWB - высокая пропускная способность при низком энергопотреблении.

Альянс WiMedia/MBOA разрабатывает спецификации общей стандартной UWB-радиоплатформы (МАС-и PHY-уровни), а также занимается вопросами частотного регулирования по всему миру. По своей сути, Wireless USB является приложением WiMedia/MBOA.

Среди других возможных приложений WiMedia/MBOA наиболее часто называют технологии Universal Plug-and-Play и Wireless 1394. Недавно о желании присоединиться к альянсу объявил также Bluetooth SIG (Special Interest Group). WiMedia/MBOA PHY - спецификация была определена в первом квартале 2005 года, работы над спецификацией МАС-уровня должны быть завершены во втором квартале этого года. Сегодня UWB-связь легализована для использования только в США (разрешен к использованию диапазон 3.1-10.6 ГГц). Ведутся работы в Европе и Азии, принятие решения ожидается к середине следующего года.

Основные пользовательские характеристики Wireless USB

Пропускная способность:
- 480 Мбит/с на расстоянии 3 м, 110 Мбит/с на расстоянии 10 м;
- масштабируемая архитектура и протокол (до 1 Гбит/с и выше).
Расширенные функции по управлению питанием:
- режимы Sleep/Listen/Wake;
- низкое удельное потребление при работе;
- управление мощностью тран-сивера.
Безопасность:
- безопасное подключение и аутентификация устройств;
- малое количество служебной информации, минимизация влияния на производительность;
- защита на уровне приложения.
Простота использования(аналогично проводной шине USB):
- несложная инсталляция и настройка;
- обратная совместимость с проводной шиной USB;
- низкие затраты на реализацию.

Принципы WiMedia/MBOA UWB

"Привычный" OFDM в частотном диапазоне от 3.1 до 10.6 ГГц. Весь диапазон "нарезан" на полосы (Bands) по 528 МГц. Полосы, в свою очередь, объединены в 5 групп (Band groups). В версии спецификации WiMedia/MBOA PHY 1.0 обязательной является поддержка только полос первой группы. Пропускная способность 480 Мбит/с достигается в каждой полосе, что позволяет говорить о масштабируемости технологии.

Частотный диапазон WiMedia/MBOA UWB

В каждой полосе - 128 поднесу-щих (sub-carrier) шириной по 4.125 МГц. Для передачи данных используются 100 из них, остальные применяются как граничные (guard sub-carrier) и синхронизирующие (pilot sub-carrier). Определено два режима работы - со сменой полосы внутри одной группы, когда каждый следующий OFDM-символ передается в следующей полосе (Time Frequency Interleaving - TFI), и в фиксированной полосе (Fixed Frequency Interleaving - FFI). Длина символа - 312.5 нс. Базовая единица передачи данных -6 символов. Используется сверточ-ное кодирование: основное - со скоростью 1/3, а с помощью "выкалывания" (puncturing) - со скоростями 1/2, 5/8, 3/4. Поддерживаемые скорости передачи - 53.3, 106.7, 200 Мбит/с. Поддержка 80, 160, 320, 400, и 480 Мбит/с является опциональной. Повышенные скорости передачи используются только непосредственно при передаче данных, то есть при полезной нагрузке пакетов. Вся важная информация - преамбулы, заголовки, служебные пакеты и т.д. - передается на базовой скорости в 53.3 Мбит/с.

Только скорости 320, 400 и 480 Мбит/с используют полную пропускную способность полосы, при этом различная скорость является следствием использования различных кодовых скоростей. Для всех остальных скоростей присутствует избыточность данных. Для скоростей 106.7, 160 и 200 Мбит/с - во временной области (каждый символ повторяется несколько раз). Для 53.3 и 80 Мбит/с - как во временной (повторение символов), так и в частотной (повторение информации внутри символа) областях.

Что касается спецификации МАС, то опишем только основные моменты, так как работы над ней еще не закончены. Спецификация МАС-уровня определяет правила сосуществования множества WiMedia/MBOA-устройств. Сеть является одноранговой, то есть не существует выделенного устройства-арбитра, все устройства обладают одинаковыми правами и функциональностью.

Вводятся понятия Beacon Group и Extended Beacon Group. Они оба относятся к устройству WiMedia/MBOA, то есть являются, так сказать, устройство-центристскими. Beacon Group - это множество всех устройств, с которыми конкретное устройство может обмениваться данными непосредственно, то есть все устройства находятся в "пределах слышимости". Extended Beacon Group для данного устройства - это множество Beacon Group всех устройств, входящих в Beacon Group данного девайса. Наличие в каждом узле информации об использовании канала от всех участников Extended Beacon Group позволяет решить проблему "скрытой точки" (hidden node).

В начале работы устройство прослушивает выбранный канал в течение некоторого времени. Возможны два варианта - либо в данном канале уже присутствуют другие устройства, либо устройство является первым в канале.

Все время в канале поделено на так называемые "суперфрэймы" (superframe) - отрезки времени по 65536 мкс. Суперфрэйм состоит из 256 отрезков времени, которые называются Media Access Slot (MAS), по 256 мкс. Все устройства обязаны периодически посылать beacon - специальные пакеты, в которых содержится видение собственного Beacon Group посылающим устройством, то есть информация о всех устройствах, слышимых данным. Beacon включает описание всех занятых MAS. Для рассылки beacon зарезервированы несколько MAS в начале каждого супер-фрэйма.

Собирая и анализируя информацию из всех посылаемых beacon, каждое устройство способно составить картину собственной Extended Beacon Group.

Устройства могут занять время в канале двумя способами. Во-первых, определена процедура постоянного резервирования времени. Набор правил называется Distributed Reservation Protocol (DRP), с помощью которого устройство может закрепить за собой необходимое множество MAS. Определены также способы динамического перераспределения MAS. Во-вторых, для всех MAS, которые не используются для передачи beacon и не зарезервированы с помощью DRP, для передачи данных может применяться процедура Prioritized Contention Access (РСА). При использовании данного метода доступа к среде возможны коллизии, и процедура определяет способы их разрешения.

Wireless USB резервирует канальное время с помощью DRP, используя сервисы МАС-уровня WiMedia/MBOA.

Топология

Топология Wireless USB - общая шина с опросом и разделением времени (TDMA-based polled bus). Типы подключения - как y проводного USB: между хостом и периферией Wireless USB и "точка-точка" ("вырожденный" случай, когда облегченные функции хоста выполняет одно из устройств).

Спецификация вводит понятие "кластер" (Cluster) Wireless USB - хост со всеми ассоциированными устройствами. Количество поддерживаемых устройств достигает 127. Кластеры Wireless USB могут сосуществовать в среде с пространственным перекрытием.

Протокол

Устройства, входящие в кластер, используют один и тот же канал Wireless USB. Канал Wireless USB - это непрерывная последовательность связанных управляющих пакетов (Microschedule Management Commands - ММС), передаваемых хостом в зарезервированные интервалы времени. Канал Wireless USB инкапсулируется в канал WiMedia/MBOA (время резервируется с помощью DRP). Используются WiMedia/MBOA PHY/MAC-совместимые компоненты - сигнализация и формат кадров WiMedia/MBOA PHY, формат заголовков и безопасность WiMedia/MBOA МАС-уровня.

В целом, терминология Wireless USB будет понятна любому разработчику, знакомому с проводной версией стандарта. Спецификация оперирует привычными понятиями Endpoint, Token, Handshake, используются те же виды трафика (Control, Bulk, Interrupt и Isochronous). Многие протокольные особенности также унаследованы от проводного USB.

Канал Wireless USB

Одно из новых понятий, вводимых Wireless USB, - транзакционная группа (Transaction Group). 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.

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 (flowcontrol), а также в случае возникновения ситуаций сбоя.

В Wireless USB поддерживается пакетная передача (Data bursting), когда один СТА-элемент описывает несколько пакетов в канале. Это позволяет лучшеутилизировать пропускную способность за счет сокращенных межпакетных промежутков (inter-frame gaps), 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 burst определяется возможностями периферийного устройства по буферизации данных. Максимальный размер пакета -около 3 Кб, максимальный размер burst - 16 пакетов. При "сборке" данных на приемной стороне используется метод "скользящего окна" (sliding window), который подразумевает получение подтверждений в фазе handshake и повторную передачу пакетов в случае потерь.

Управление питанием

В наши дни для любого устройства энергопотребление является одной из важнейших характеристик. В сфере беспроводных технологий это особенно важно, поэтому в стандарте Wireless USB средствам по управлению питанием уделено много внимания.

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. Поддерживается Remote Wake.

Способы борьбы с интерференцией

При условии сложной помеховой обстановки у хоста есть несколько способов управления надежностью передачи данных. Во-первых, существует возможность управлять мощностью передатчика (Transmit Power, TPC), в том числе и устройств (в командном режиме). Также можно изменять битовую скорость передачи (Bit Rate), 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 длина burst 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 позволяетадаптироваться к новым условиям среды без остановки передаваемого потока данных.

Безопасность

Вопросам безопасности в беспроводных сетях всегда уделялось особое внимание, и Wireless USB - не исключение. Хотя технология и является территориально ограниченной (зона покрытия кластера обычно ограничена одним помещением), применяется стандартное шифрование AES-128 ССМ, также используемое во "взрослых" .11 и .16 сетях. Для аутентификации устройств используется RSA с 3072-битным ключом для шифрования и SHA-256 для хэш. В качестве опции возможна защита на уровне приложения.

Коммерческая доступность Wireless USB-совместимых устройств

По заверениям устроителей первой конференции Wireless USB, образцы коммерческой продукции на основе Wireless USB появятся уже к концу этого года. Что касается элементной базы, то уже сегодня доступны UWB-чипсеты от нескольких производителей. Названия фирм-производителей легко можно узнать, задав в строке поиска любого интернет-поисковика словосочетание UWB chipset. Пока, как правило, это образцы из первых тестовых партии, поставляемые для ранней разработки продуктов. До конца года несколько вендоров обещают массовые коммерческие поставки. Примерно в это же время ожидаются и первые Wireless USB-микросхемы.

В 2005-2006 годах в основном будут доступны устройства в виде модулей расширений с PCI, PCIe, Express-Card, USB-интерфейсом. Интересным видом устройства, описанным в спецификации, является так называемый "проводной адаптер" (Wire adapter), предназначенный для объединения проводных и беспроводных USB-структур. Эта возможность может быть очень полезна на первых этапах становления технологии.

Встроенные модули появятся 2006-2007 годах. Ожидается, что к этому времени поддержка Wireless USB будет встроена в чипсет ПК.