無庸置疑的，通用同步匯流排（USB）已經成為迄今為止最為成功的PC週邊連接設備，深受PC及外部設備生產商的青睞。預計到2005年底，將有超過五億個USB產品投入使用。USB之所以能取得勢不可擋的商業成功，源於以下幾個特點：

無線技術日趨發展成熟，成本也日益降低。尤其是超寬頻（UWB）技術，特別適用於無線USB，能在三公尺的距離內實現480Mbps的高頻寬。WirelessUSB（WUSB）的功能在於其避免了複雜的纜線，因此為所連結設備提供了高度的可攜性。無線功能可增強用戶體驗，但也面臨著安全性、可靠性、降低功耗及其他挑戰。

WUSB是由Agere、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦和三星共同開發的，為USB廠商向無線邁進提供了正確的演進途徑。

WUSB概述

WUSB的運行採用MBOA–MAC架構，同時保留了主從架構，和USB 2.0一樣，它也能處理控制、突發、中斷和同步（Control、Bulk、Interrupt and Isochronous）所有這四種傳輸形式。主機和WUSB設備合稱WUSB叢集，採用星型拓撲；與USB 2.0. A的樹型拓撲不同，WUSB主機能直接連接多達127個設備，因此在WUSB叢集中不需要包含WUSB集線器。而由於WUSB沒有纜線，因此，所有的WUSB設備都必須自行供電（self-powered）。

USB 2.0支援高速480 Mbps、全速12 Mbps和低速1.5 Mbps的資料傳輸。WUSB主機支援以下資料傳輸率：53.3Mbps、106.7Mbps、200Mbps、80Mbps、160Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。WUSB設備必須支援53.3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps，其他五種為可選資料傳輸率。53.3Mbps是基本信號速率，為所有的USB標準控制請求、MMC（Micro-scheduled Management Commands）、信號交換（Handshakes）、和設備通知（Device Notifications；DN）提供更高的可靠性。

WUSB主機必須符合多頻帶正交多頻分工聯盟（Multi-band OFDM Alliance；MBOA）聯盟信標協議，以解決干擾問題。另一方面，WUSB設備還有以下三種選擇：

WUSB和USB 2.0的資料通信拓撲類似，共分三層：功能層、設備層和匯流排層。除了同步設備之外，USB 2.0的其他大多數功能層軟體元件都可以在WUSB中重新使用。無線同步設備需要 一個重試機制，以改進在欠佳的媒體上進行資料封包傳輸的可靠性，同時還需要一個更大的緩衝器，以實現4毫秒或更長的服務時間。設備層可增強安全性，擴展無線媒體管理 。匯流排層因無線媒體性質的不同，在資料傳輸方面有很大差異。

WUSB的資料傳輸

一般來說，每次USB傳輸都需要經過三個階段：Token、資料和信號交換。在一次完整的傳輸中， Token、資料和信號交換階段是不分開的，階段間的周轉時間為18FS（full-time）位元時間（18奈秒×83奈秒=1.5微秒）。為了分開傳輸，USB Token、資料和信號交換階段會與其他傳輸的同等階段交叉進行。

對WUSB而言，傳輸和接收之間的交換時間超過10微秒。為將交換時間縮至最短，WUSB採用分割傳輸（split transaction）以及群組處理（groups transaction），「封包」傳輸順序依次為Tokens、Data OUT and Data IN。為將Token階段的持續時間縮至更短，WUSB將所有的Token整合在一個控制封包中，即微調度管理指令（Micro scheduled management or MMC）。

如(圖一)所示，首先，主機傳輸一個MMC；然後，WUSB叢集中的設備讀取這一包含主機時脈資訊、下一個MMC的開始時間、通道時間分配（CTA）和通道管理資訊的MMC。 每個CTA包含設備與主機進行通信的進度安排。主機確定CTA的進度，MMC之後緊接著是輸出傳輸，然後是輸入傳輸，最後是輸出的信號交換。WUSB設備根據CTA接收和傳輸封包，其餘時段處於休眠狀態，其時脈和主機時脈同步。

《圖一　WUSB和USB 2.0的傳輸比較》

為避免傳輸過程中每次交易的功耗，WUSB將特定設備的交易整合在資料突發（data bursts）中。如(圖二)所示，資料突發的範圍可介於一個資料封包和十六個資料封包之間。具有資料突發功能的設備在其描述符號中報告其突發能力。主機可以選擇任何它可以啟動傳輸設備的突發組合。控制和中斷的末端不支援資料突發。

《圖二　WUSB的數據突發》

(表一)是WUSB和USB 2.0的簡單對比：

非同步設備通知

USB 2.0 設備使用纜線傳輸電子信號來通知「連接」、「中斷連接」或「遠端啟動」等多種主機事件。而 WUSB 設備則採用空中DN封包的方式來通知相同的主機事件，包括：連接DN、切斷DN和遠端啟動DN等。WUSB 主機通過DN CTA傳輸 MMC 後，設備將根據Slotted-Aloha 來爭取 DN 時隙並向主機傳輸設備通知事件。

流程控制

USB 2.0設備採用NAK和 NYET進行流程控制。由於 WUSB 設備支援中斷傳輸和同步傳輸等週期性傳輸方式，所以即使設備對先前的輸入或輸出等處理回應為NAK，主機也能夠在下一個服務時段為這些權杖處理安排進度。而在控制和突發等非週期性傳輸中，一旦在處理時接收到設備發出的NAK回應，主機只有在接收到DN_EPReady通知後，才會為這些特定端點的傳輸安排進度。這種DN_EPReady流程控制機制可幫助主機和設備節約功耗和節省頻寬。

WUSB 面臨的挑戰

相聯（Association）

所有相聯處理過程都包含三個階段：

使用USB 纜線，USB 2.0設備能安全可靠地與主機進行通信：

而在 WUSB 內，主機和設備也遵循同樣的識別—認證—授權步驟：

WUSB 採用了兩種相聯方式：

安全性

完成相聯之後，主機和設備就能夠透過 ASE 128 位元秘密引擎進行安全通信。

可靠性

無線 USB 媒介的資料包錯誤率（PER）可以達到10-6級，性能非常可靠。UWB媒介的PER維持在10-1級，高於有線媒介。為了降低資料封包錯誤率，WUSB主機透過控制以下參數來支援連接調適：

節約功耗

由於射頻（RF）佔用了將近70％的功率資源，所以節約功耗最簡便易行的方法就是關掉射頻。

此外，由於WUSB基於TDMA進行傳輸，設備能夠精確識別收發時間。因此還能透過以下方式來節約功耗：

為了盡可能地降低中斷鍵盤、滑鼠、遊戲搖桿等設備時所造成的功耗，WUSB支持低功耗中斷對CTA沒有回應的設備，並進入休眠狀態。在沒有資料傳輸的時候，這種低功耗中斷設備可休眠四秒鐘。

主機纜線配接器和設備纜線配接器（HWA和DWA）

WUSB定義了一個新的USB設備類別—纜線配接器（Wire Adapter）。

主機纜線配接器（HWA）是一種採用 USB 2.0 纜線介面進行上游連接的USB設備， 可作為主機到叢集下游的WUSB設備。設備纜線配接器（DWA）則是一種採用WUSB介面進行上游連接的USB設備，可作為連接至其下游埠設備的有線USB 2.0主機，如(圖三)所示。

纜線配接器設備類別為HWA和DWA指定了USB介面。還描述了資料傳輸模式。兩種WA都為資料傳輸提供了一個通知中斷端點和一個突發端點對（IN and OUT）。

《圖三　HWA與DWA的拓撲圖》

MBOA MAC

WUSB採用多頻帶OFDM聯盟（MBOA）作為媒體存取控制（MAC）層。MBOA-MAC採用能夠提供480Mbps空中資料連接速度的UWB技術。UWB的頻率範圍則介於無須執照的3.1～10.6GHz之間。

MBOA MAC屬於分散式MAC協定，專為無線個人區域網路（PAN）而設計，透過再利用通話時間（air-time）、解決干擾和保持低能耗等方法拓展了設備的使用空間。所有MBOA設備都在點對點（ad-hoc）模式下運行。

每個MBOA MAC設備都有一個唯一的64位元MAC位址（EUI-64）。為了減少架構冗餘，MBOA將64位元MAC映射到一個16位元設備位址—DevAddr。兩條跳線以上的MBOA設備可在毫無衝突的情況下再利用通話時間。這些通話時間可能在分散式預約協議（DRP）預約和信標時隙間進行自由競爭，也可能是基於競爭的區分優先順序競爭訪問（PCA）。此外，16位元設備位址在空間上同樣也能再利用。

為了管理通話時間，MBOA定義了媒體存取間隙（Medium Access Slot；MAS）。每個MAS的長度為256微秒；256MAS組成了一個時間長度為65毫秒的超幀（super-frame）。MBOA將使每個超幀與最慢的時脈保持同步，以控制設備中的時脈漂移。

在節省功率方面，設備能夠在一個時隙裏接聽所有信標幀，因此MBOA指定所有信標在一個信標週期（BP）內進行傳輸。BP保留了每個超幀中的前32MAS（8毫秒）。

《圖四　WUSB處理過程中的超幀示意圖》

結語

WUSB技術是從最為成功且最為普及的產業標準—USB 2.0演化而來的。由於WUSB保留了現有USB 2.0標準的大部分基礎架構，如設備驅動器、資料流程、 連接速度及拓撲結構，因而是一種非常易於採用的技術。WUSB還為用戶提供了HWA和DWA，使現有的USB 2.0硬體能夠進行升級，與WUSB標準相相容。

採用MBOA MAC和UWB技術後，未來的WUSB資料傳輸速率將增加到1Gbps。除現有的USB應用外，WUSB將實現許多全新的應用，如家用定位（home position），家用搜索（home ranging）及家用網路（home networking）等應用。（作者為飛利浦半導體高級軟體工程師）

延 伸 閱 讀

UWB的技術研究約在60年代，最初只是研究時域（Time Domain）下的脈衝響應控制，之後成為70年代軍用雷達所採行的一項技術，80年代演變成無載波（Carrier）式無線電技術，至1989年正式由美國國防部稱為UWB。毫無疑問的，UWB與Smart Antenna（智慧型天線）、Phased Array Radar（相位陣列雷達，類似技術即是今日IEEE 802.11g所即將用上的MIMO）等相同，皆是由軍方先行研發運用的無線技術。相關介紹請見「 UWB技術特性評析」一文。 以近身網路為焦點的藍牙在歷經多年的奮戰後，市場已經熱絡許多，然而更新的WUSB技術卻也呼之欲出，未來會是誰的天下？你可在「近身網路市場勃興WUSB打敗藍牙」一文中得到進一步的介紹。 將時間拉回1998年，當Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba等五家業者聯合提出藍芽（Bluetooth）技術時，許多人都認為Bluetooth將成為一統3C的無線通訊方式，理由是五家業者各是3C領域的龍頭廠商，Ericsson、Noki主通訊，IBM、Intel主資訊，Toshiba主消費性電子，因此Bluetooth必將成為最主流的無線新標準。在「WUSB失色？ ZigBee退讓？拒絕滅種 Bluetooth力求雙線再進化」一文為你做了相關的評析。

市場動態

Cypress Semiconductor宣布，Thomson集團旗下Gyration採用Cypress WirelessUSB無線系統單晶片（radio-system-on-a-chip）開發其最新型無線滑鼠與鍵盤。相關介紹請見「Gyration採用Cypress WirelessUSB無線單晶片系統」一文。 USB技術及解決方案廠商Cypress Semiconductor宣佈開始供應WirelessUSB N：1開發套件。WirelessUSB N：1透過一套高成本效益、低耗電、高可靠度的無線解決方案來取代低傳輸率、高節點密度的有線系統。你可在「 Cypress推出WirelessUSB感測器網路開發套件」一文中得到進一步的介紹。 飛思卡爾半導體（Freescale）與Icron Technologies展示首個使用超寬頻（UWB）技術的USB 2.0無線解決方案，該解決方案將Icron的ExtremeUSB與飛思卡爾的UWB晶片組相結合，使PC、週邊設備和消費型電子應用廠商能讓其USB產品支援無線方式。在「飛思卡爾與Icron利用UWB打造無線USB 2.0解決方案」一文為你做了相關的評析。