Wireless USB
Беспроводное будущее интерфейса USB
Внедрение технологии Wireless USB
Особое внимание во всем мире сегодня уделяется внедрению беспроводных технологий связи и интерфейсов, которые приобретают все большую популярность у пользователей, стремящихся к мобильности. Однако технология Bluetooth применяется в первую очередь в качестве беспроводной гарнитуры мобильных телефонов, Wi-Fi решает по большей части сетевые задачи и используется для обслуживания абонентов широкополосного беспроводного доступа на последней миле при выходе в Интернет, а технология WiMax еще неизвестно когда появится и будет решать те же задачи, что и Wi-Fi, то есть предоставлять широкополосный беспроводной доступ вне зоны прямой видимости между антеннами абонентской и базовой станций, только гораздо быстрее.
ежду тем остался как бы на обочине сектор локальных компьютерных интерфейсов — всего того, что работает на расстоянии нескольких метров и обеспечивает обмен данными и/или связь всевозможной электроники с периферией или друг с другом. Беспроводной инфракрасный интерфейс IrDA тихо ушел в прошлое вместе с портами COM и LPT, так и не получив широкого признания, а технология Bluetooth, в силу ограниченного быстродействия и проблем с совместимостью, в этом плане не оправдала ожиданий.
В области проводных компьютерных интерфейсов все большую популярность набирает USB, который многие компьютерные эксперты характеризуют не иначе как самый успешный интерфейс в истории персональных компьютеров. Это самый универсальный, удобный и востребованный интерфейс, который используются сегодня для подключения и мышей, и клавиатур, и принтеров, и жестких дисков, и DVD-приводов, и прочей компьютерной периферии. Так, согласно оценкам экспертов, сегодня в мире используются около 3 млрд. портов USB и в ближайшие два-три года к ним прибавятся еще 3-4 млрд. Столь внушительный успех заставил задуматься о перенесении стандарта USB и в мир беспроводных технологий. Идея, касающаяся избавления привычного интерфейса USB от проводов в свете модной сегодня мобильности выглядит вполне закономерной и обоснованной. Ведь даже если самые прогрессивные проводные шины в настоящее время попадают под влияние моды на «отрезание проводов», то почему бы не убрать и все остальные провода у наших компьютеров?
К тому же помимо сектора локальных интерфейсов, обеспечивающих обмен данными и/или связь всевозможной электроники с периферией или друг с другом, у беспроводного (Wireless) USB есть еще одна важная миссия, с которой не под силу справиться ни Bluetooth, ни Wi-Fi, ни даже WiMax. Речь идет о так называемой концепции цифрового дома, для реализации которой понадобится удобная, надежная и при этом недорогая инфраструктура с высокой пропускной способностью. Потребность в новой технологии обусловлена проникновением беспроводных идей в мир бытовой электроники. Передача цифровых аудио- и видеопотоков между многочисленными устройствами, формирующими среду цифрового дома, требует огромной пропускной способности. Ни технология Bluetooth (максимальная скорость которой равна 1 Мбит/c), ни Wi-Fi (до 54 Мбит/c) обеспечить ее не в состоянии, да и не приспособлены они для одновременной транспортировки нескольких высокоскоростных потоков на небольшие расстояния в условиях жестких ограничений на излучаемую мощность.
А вот Wireless USB благодаря своим техническим характеристикам и архитектурным особенностям позволит домашним пользователям объединить в домашней сети всю мультимедийную аппаратуру и бытовую технику. В функциональном отношении устройства с интерфейсом Wireless USB должны унаследовать от своих проводных аналогов все их преимущества (включая высокую скорость обмена до 480 Мбит/с версии USB 2.0) и добавить к ним еще одно ценное качество — полное отсутствие проводов, а следовательно, высокую мобильность.
Инициатива компании Intel
омпания Intel (которая, между прочим, вложила значительные ресурсы в разработку концепции цифрового дома) и другие отраслевые лидеры в начале 2004 года создали консорциум Wireless USB Promoter Group, основной задачей которого стало продвижение высокоскоростной технологии для беспроводного подключения внешних устройств — Wireless USB (WUSB). Помимо Intel, в эту группу вошли такие компании, как Agere Systems, HP, Microsoft Corporation, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics. Работе Wireless USB Promoter Group активно способствуют Appairent Technologies, Alereon, Inc., STMicroelectronics и Wisair.
Wireless USB Promoter Group уже разработала спецификации для технологии Wireless USB с пропускной способностью 480 Мбит/с, которые поддерживают ту же модель использования и ту же архитектуру, что и проводная технология USB 2.0, которая сегодня применяется в качестве высокоскоростного средства подключения внешних устройств к персональным компьютерам. Это обеспечивает беспроблемный переход от современных проводных USB-решений к новым беспроводным технологиям. Не исключено, что со временем эта технология преодолеет гигабитный барьер пропускной способности. Уровень мощности, излучаемой устройствами Wireless USB, предполагается ограничить величиной в 300 мВт, а в дальнейшем он должен снизиться до 100 мВт.
В начале прошлого года произошли два серьезных события, касающиеся судьбы нового стандарта: были приняты черновые спецификации WUSB версии 0.95, а два основных разработчика технологии, альянсы WiMedia Alliance и MBOA-SIG, объявили об устранении противоречий с Wireless USB Promoter Group и об объединении усилий с ней в дальнейшей разработке WUSB. В последние числа мая на форуме Wireless USB Developers Conference была объявлена финальная версия Wireless USB 1.0, что вывело WUSB в разряд коммерческих стандартов. А в конце 2005 года на рынке появились и первые коммерческие продукты.
Надо ли говорить, что инициатива Intel возникла не на пустом месте. Платформа Wireless USB является развитием технологии Ultra-Wideband (UWB), которая прежде разрабатывалась исследовательской группой 3a подкомитета стандартов IEEE 802.15.3.
Основная идея UWB, давшая название данной технологии, базируется на ширине доступной полосы спектра, которая составляет не менее 25% величины центральной частоты сигнала либо больше 500 МГц. В этом отношении UWB принципиально отличается от так называемых узкополосных технологий (при всей условности данного термина) — там ширина полосы не превышает 10% от центрального номинала, а на практике оказывается еще меньше (например, в сетях 802.11b, использующих диапазон 2,4 ГГц, ширина канала составляет всего 22 МГц). Применение сверхширокого частотного диапазона позволяет значительно увеличить пропускную способность при крайне низкой излучаемой мощности, и это является ключевым моментом для построения персональных беспроводных сетей (правда, малая мощность существенно ограничивает дальность такой связи). Первоначально планировалось довести дальность передачи по UWB до 1-2 км, но в конце концов дело ограничилось лишь несколькими метрами и дальнейшее развитие этой технологии застопорилось.
А поскольку понятно, что для использования в секторе локальных интерфейсов километровой дальности и не нужно, то технологии UWB как нельзя лучше подошли к использованию в Wireless USB. Судите сами: малый радиус действия передающего UWB-оборудования позволяет повторно задействовать одну и ту же область частотного спектра, поэтому устройства, расположенные в соседних помещениях и относящиеся к разным кластерам (так именуется совокупность устройств, непосредственно обменивающихся трафиком), могут передавать данные по одному каналу и при этом не мешать друг другу. Кроме того, использование сверхширокополосного сигнала означает, что даже в одном помещении несколько кластеров UWB могут функционировать одновременно, почти не создавая помех ни друг другу, ни иным устройствам. Сверхширокополосный сигнал UWB как бы размазывается в виде своеобразного белого шума по широкому спектру частот и фактически не оказывает влияния на работу различных средств связи, поскольку пиковый уровень излучения реально не превышает эфирного уровня шумов.
К тому же явное преимущество UWB перед другими беспроводными технологиями (которые являются узкополосными) состоит в прогнозируемой дешевизне готовых изделий. Широкополосные UWB-передатчики могут модулировать передаваемый сигнал безо всяких дорогостоящих компонентов и не нуждаются в точной настройке параметров. Конечно, архитектура принимающих устройств несколько усложнится, но использование процессоров цифровой обработки сигналов позволит удержать цены решений в разумных пределах. Следует также иметь в виду высокую устойчивость сетей UWB к помехам в эфире и к затуханию сигнала при множественных отражениях. Более того, за счет наличия в сетях UWB нескольких путей распространения сигнала можно улучшить качество приема.
Разработчики UWB определяют три основные сферы применения данной технологии: беспроводное подключение периферийных устройств к настольным и портативным компьютерам, высокоскоростная передача мультимедиаконтента между компьютерами и компонентами цифрового дома (цифровыми камерами, видеокамерами, MP3-плеерами и т.д.) и обслуживание владельцев мобильных терминалов. Кроме того, UWB может использоваться при построении небольших локальных сетей (например, для сбора информации с различных датчиков), при организации высокоскоростного доступа к беспроводным сетям общего пользования и даже в приложениях, требующих определения местоположения объекта (данная технология позволяет достичь точности порядка 30 см).
 |
|
Специфика Wireless USB
о аналогии с проводным USB устройства Wireless USB обладают собственным адресом, получаемым при подключении или перечислении. Каждое устройство WUSB поддерживает один или несколько каналов для связи с хостом, и каждое устройство WUSB может работать как устройство MAC Layer (стандарт WUSB описывает три категории устройств, представляющие разные степени реализации механизма MAC Layer).
Базовыми элементами инфраструктуры USB являются концентратор и радиальные линии к USB-устройствам в топологии «звезда», в которой хост-контроллер инициирует любой обмен данными между подключенными к нему устройствами, выделяя временные интервалы и полосу пропускания каждому подключенному устройству. Подобная группа устройств называется кластером. Описанные соединения относятся к типу «точка-точка» и осуществляются между USB-хостом и USB-устройством. USB-хост с логически подключенными к нему USB-устройствами образует неформальный USB-кластер (поддерживается подключение до 127 устройств).
Однако в определении Wireless USB концентраторы отсутствуют, так как в беспроводной архитектуре они не будут востребованы. WUSB-кластеры сосуществуют в перекрывающейся пространственной среде с минимальными взаимными помехами, что позволяет функционировать нескольким WUSB-кластерам в пределах общей зоны действия всех радиоизлучающих устройств.
При этом данная топология будет поддерживать модель двойного применения, в которой, с некоторыми ограничениями, устройство может выполнять функции хоста. Такая модель позволит мобильным устройствам пользоваться сервисами, которые обеспечивает центральный хост (например, печатать на принтере). Кроме того, подобная модель предоставит устройству доступ к данным, расположенным за пределами этого кластера. Для того чтобы подключиться к устройствам вне указанного кластера, оно должно создать другой кластер, выступая в качестве хоста с ограниченными возможностями.
Поскольку Wireless USB обратно совместим с проводной версией USB, у него имеется возможность создавать прозрачные мосты на проводные USB-устройства и хост-контроллеры, то есть организовывать передачу данных между двумя кластерами. Такая двойная модель использования Wireless USB, где любое устройство может получить ограниченные возможности хост-контроллера, базируется на расширении USB-протокола — USB-On-The-Go. Как известно, в ранних версиях проводного USB такой возможности не было, а появилась она только в USB 2.0.
Но главной особенностью беспроводного интерфейса Wireless USB является быстрая и эффективная масштабируемость трафика. Так, в зависимости от расстояния между хостом и устройством скорость обмена данными может мгновенно изменяться в пределах от 53,3 до 480 Мбит/с. Масштабирование происходит следующим образом:
- на расстоянии до 10 м в реальном многозадачном окружении скорость потока составит до 106,7 Мбит/с;
- на расстоянии до 4 м — 200 Мбит/с;
- на расстоянии до 2 м — до 480 Мбит/с.
Последующие версии стандарта Wireless USB, по предварительным данным, смогут обеспечивать пиковую производительность до 1 Гбит/с.
Что касается безопасности соединения по WUSB, то, по словам разработчиков стандарта, эта беспроводная технология в перспективе будет обладать очень надежной защитой трафика от несанкционированного доступа — на уровне проводного стандарта USB 2.0. В процессе аутентификации WUSB поддерживает шифрование с открытыми ключами, а при передаче данных в первом поколении WUSB будет применено шифрование AES-128 с использованием алгоритма CBC-MAC (Cipher-Block Chaining with Message Authentication Code Protocol) — это стандартный потоковый криптоалгоритм с применением блоков AES (высокоскоростное AES-шифрование широко применяется в VPN-сетях). Архитектура шифрования при смешанных проводных/беспроводных USB-соединениях также предполагает шифрование трафика, проходящего по проводам. Это позволяет избежать путаницы и ошибок при сортировке трафика на проводной и беспроводной.
Что касается программной поддержки Wireless USB на уровне операционной системы, то здесь проблем тоже не будет, так как компания Microsoft, входящая в консорциум Wireless USB Promoter Group, принимала участие в разработке спецификаций WUSB и как никто другой заинтересована в реализации поддержки стандарта на уровне своих платформ. Разумеется, компании пришлось провести некоторые работы по построению инфраструктуры драйверов классов USB и IP для работы с новым интерфейсом. Главные цели, намеченные Microsoft, по словам ее представителей, заключались в как можно более ранней адаптации стандарта, в достижении возможности использования уже существующих драйверов практически без изменения и в написании одного-единственного функционального драйвера для проводных/беспроводных уровней (Protocol Abstraction Layer). Наряду с этим были внесены небольшие изменения в уже существующий пакет USB и IP, а также реализована простая ассоциативная модель с высокой степенью защищенности информации, сравнимой с безопасностью обмена данными по USB-кабелю.
|
|
Беспроводное будущее интерфейса USB
оскольку архитектура и характер использования изделий, поддерживающих Wireless USB, максимально соответствуют всему существующему на данный момент оборудованию с портами USB, то пользователи не будут испытывать неудобств при переходе на новый стандарт. Кроме того, это удешевит разработку готовых изделий и будет способствовать их скорейшему распространению. Все оборудование WUSB будет обратно совместимым с проводным стандартом USB. Заявленная пропускная способность технологии WUSB — 480 Мбит/с, а рабочее расстояние, на котором будет обеспечиваться высокоскоростная передача данных, — до 10 м при низком энергопотреблении. При этом интерфейс WUSB обладает такими достоинствами, как возможность беспроводного высокоскоростного подключения, безопасность, простота использования и обратная совместимость. Таким образом, технология WUSB предоставит всем нам удобное в применении мобильное средство для высокоскоростного подключения внешних устройств: мультимедийной бытовой электроники, периферийных устройств, а также различных других мобильных аппаратов.
Для сравнения: основной современный локальный беспроводной стандарт Bluetooth, который тоже развивался весьма динамично, в соответствии со спецификаций Bluetooth Version 2.0 имеет пиковую производительность до 3 Мбит/с (при средней пропускной способности до 2,1 Мбит/с), а первая версия этого стандарта имела пиковую пропускную способность всего лишь 771 Кбит/с. Что касается производительности интерфейсов Wi-Fi, способных уже сейчас обеспечить трафик до 54 Мбит/с, то в перспективе ожидается увеличение пропускной способности лишь до 100 Мбит/с (обещанная в будущем версия IEEE802.11n). Но ограниченное количество каналов в сочетании с приличным радиусом действия этих интерфейсов рано или поздно даст о себе знать, особенно в мегаполисах. К тому же даже пиковый трафик 100 Мбит/с никак нельзя назвать адекватной альтернативой нынешним 480 Мбит/с у беспроводного WUSB.
Возможно, в самом ближайшем будущем не только исчезнут шнуры у наших компьютерных мышей и клавиатур, но и в телефонных гарнитурах технологии Bluetooth будут вытесняться новым интерфейсом Wireless USB. Причем пострадает не только Bluetooth, но и другие типы традиционных коаксиальных/оптических аудио/видеоинтерфейсов. Например, даже дисплейные цифровые шнуры и AV-интерфейсы, такие как DVI или даже HDMI, могут быть вскоре заменены на беспроводной WUSB.
Радиусы действия беспроводных технологий на персональном, локальном и глобальном уровнях
В целом задачи, поставленные перед WUSB, предполагают скоростной обмен данными в структуре развлекательных центров на базе ПК, игровых приставок, MP3- и DVD-плееров, ТВ-приставок, HDTV-телевизоров, цифровых фото- и видеокамер, внешних DVD-RW/CD-RW-приводов, HDD-накопителей, карманных ПК, мобильных телефонов и смартфонов, карманных видеоплееров (Personal Video Player, PVP) и видеомагнитофонов (Personal Video Recorder, PVR), принтеров, сканеров, проекторов, наушников, колонок и многих других устройств, которым, возможно, понадобится быстрый обмен данными.
Первыми WUSB-устройствами, видимо, станут отдельные контроллеры под шины PCI или PCI Express, а также USB-приставки или интерфейсные платы с портом USB для настольных ПК, компонентов домашнего цифрового дома и карманной электроники. Версии WUSB для ноутбуков под слот ExpressCard появятся уже в нынешнем году, а через год можно ожидать начала выпуска интегрированных контроллеров WUSB и начала процесса встраивания чипов WUSB во всевозможную периферию — от фотоаппаратов и телефонов до принтеров и аудиоколонок. Напомним, что инициатором продвижения этой технологии является компания Intel, так что поддержку WUSB в самом ближайшем будущем следует ожидать и со стороны чипсетов материнских плат.
|
|
Внедрение технологии Wireless USB
недрению технологии WUSB на американском континенте ничего не мешает. Федеральная комиссия связи США (FCC) разрешила эксплуатацию UWB-устройств уже несколько лет назад, так что для WUSB, базирующейся на этой технологии, уже никаких проблем не было. Еще в апреле 2002 года был издан документ, регламентирующий технические характеристики подобного оборудования. В частности, на территории США для передачи UWB-сигналов может задействоваться полоса частот от 3,1 до 10,6 ГГц. При этом излучаемая мощность не должна превышать 41 дБ/МГц, дабы не создавать помех работе таких узкополосных сетей, как 802.11a/b/g (Wi-Fi). Для других стран эта величина может незначительно колебаться, хотя можно предположить, что в конечном счете рекомендации FCC окажутся стандартообразующими.
Несмотря на очевидный прогресс в деле вывода WUSB на американский рынок, в ряде стран регламентирующие документы еще ждут своего часа. По мнению руководителей Intel, весьма многообещающим является рынок Японии, с регулирующими органами которой компания интенсивно взаимодействует.
А пока WUSB-устройства появились в продаже только в Америке, где их мощность и полоса частот уже сертифицированы. В Европе начало продаж ожидается в текущем году. К тому же сегодня наблюдается некоторая неразбериха, так как термин Wireless USB применяется также ко многим Bluetooth- и Wi-Fi-устройствам, подключаемым к ПК по USB-интерфейсу. Настоящие же WUSB-устройства будут промаркированы специальным стикером .
