無線USB是一種新型互連方法，它為現有USB應用提供了一種替代的無線方案。無線USB設備的開發人員的首要考慮是保證與以往成熟技術（如USB 2.0）相當的傳輸率。本文對無線USB 帶寬特性作了詳細分析，并與USB進行了比較。然后，利用分析結果對幾種單USB 設備傳輸率需求與一系列有代表性的多USB設備配置進行建模。這些例子表明，大批潛在的USB 設備亦可以采用無線USB 技術實現。本文還有助于讀者理解當前系統實現中可能會出現的瓶頸，以及進一步提升系統流量的可能方案。本文假設讀者已熟悉了USB 系統架構。

介紹

認證無線 USB（Certified Wireless USB）是一種新技術，它提供的無線連接能力建立在強大的 WiMedia 超寬帶（UWB）公共射頻平臺之上。WiMedia UWB 可以提供高達480Mb/s的帶寬，這也是有線USB 2.0的帶寬。因此，它吸引終端用戶與應用開發人員將現有 USB 應用遷移到無線領域。USB無線技術應用將使便攜硬盤驅動、打印機、數碼相機、以及諸如PDA或手機一類的手持設備受益。

現在人們對新協議到底能為應用或類驅動（class driver）提供多大的有效帶寬表示關注。由于其無線特性，總開銷中必須計入一些額外的部分。無線 USB 能否提供足夠的帶寬以支持應用USB的設備，尤其是那些基于龐大結構和高帶寬要求的應用設備？本文特別關注無線USB協議的效率問題。首先，我們將詳細分析降至幀級的無線協議開銷，并提供其與USB的簡單比較作為參考。接下來，我們將研究幾個應用實例。最后，我們會簡單討論系統實現中的潛在瓶頸以及可能的解決方案。

無線USB協議開銷的分析

由于無線USB的自身特性，與有線USB相比，它要有一些“額外”的開銷。無線 USB 建立在 WiMedia UWB 平臺之上，該平臺包含用于點對點（ad hoc） 個人域網絡（piconet）的一個 UWB 物理（PHY）層，以及整套的分布式介質訪問控制（MAC）協議。如圖1所示，WiMedia MAC將空中時間劃分成一種65ms的基本時序結構，名為超幀（superframe）。然后再進一步劃分為 256個介質訪問隙（medium access slot）。每個超幀都開始于一個占16個介質分配隙（MAS）的信標期（beacon period）。信標是WiMedia MAC的核心；每個活動的WiMedia設備嘗試在信標周期內傳輸自己的信標時，都必須聆聽其他的信標。換句話說，空中時間的 1/16必須用于WiMedia MAC協議的信標操作。

圖1 基本時序結構圖

UWB 技術也不可避免地帶來了數據包級的開銷，如前導（preamble）、PHY 與 MAC頭（PLCP 頭）、IFS。所有這些都將考慮在下面的計算中。

需要注意的是，即使是最好的有線 USB 技術，雖然一般情況下比無線技術要小得多。也同樣存在著通信方法的開銷。一個典型實例就是“位填充”。同樣，從應用觀點看，在數據包級也存在著一些可以看作開銷的部分，如 SYNC、EOP和CRC等。

無線 USB協議中的改進

為提高無線USB協議的效率，引入了事務類型和流量兩種增強方法。

圖2是無線USB與有線USB之間事務概念的一個比較圖。在USB 2.0中，傳入或傳出一個設備當中的任何一個數據包都需要來自USB主機的一個令牌。在無線 USB 中，數據傳輸則以事務組（transaction group）的形式完成。事務組是指微調度管理指令（MMC）與被分配協議時間隙的組合，在時間隙期間執行一個或多個無線 USB 事務。即，對無線 USB，并非每個空中傳輸數據包都需要一個令牌；一組針對不同端點（EP）管道（甚至是不同設備）的事務可以共享同一令牌。

圖2 無線與有線USB事務概念的比較

無線USB中的傳輸率改進是通過定義一種較大的包尺寸（最大為 3584 應用負荷）與數據的突發模式來實現的。通過使用數據突發模式，幀間距可以從 10μs 減小到 1.875μs。另外，還可以使用突發先導（5.625μs）來代替標準先導（9.875μs）。

無線USB的拓撲結構產生了大的有效帶寬。由于其無線特性，不再需要傳統的“樹”狀拓撲，這樣集線器就被省略了。原來消耗在集線器輪詢上的時間現在可以用于數據傳輸。

最后，無線USB 在高級協議上作了一些優化。例如，對bulk-in（批量傳入）事務，無線USB不需要一個主機來發送獨立的握手包，而是將握手信息嵌入在其后的MMC 中。這樣進一步提高了信道的使用效率。另外，還省略了控制傳輸設置階段的握手（handshake），如果數據段后緊接著控制傳輸，則數據段令牌將嵌入到設置令牌中。

從上述分析可見，無線USB 有一些由于無線特性以及介質訪問控制層所帶來的額外開銷，但無線 USB 協議設計者亦采用了一些新方法來提升系統傳輸率。因此，需要把全部因素包括進來，以作全面考慮。下面我們將計算無線 USB 的有效帶寬，并作進一步的詳盡描述。

計算應用的有效帶寬

下面的計算基于一種單設備的簡單方案。類似方法也可以分析多設備的情況。理想情況下，如果一個無線 USB 主機可以將不同設備的多個事務安排在單一事務組中，則能夠大大改進平均傳輸率數字（因為令牌本身被認為是一種協議開銷，因此，如果多個事務能夠共享一個令牌，則能減少總開銷）。

現在，我們看看在事務級的帶寬特性。此處以批量傳出（bulk-out）事務為例，批量傳入（bulk-in） 事務的計算方法與之相似。此外，由于無線USB協議省略了bulk-in事務的獨立握手包，因此bulk-in 可以實現比bulk-out更高的流量。（相同的 MMC 可以用于批量傳入（bulk-in）和批量傳出（bulk-out）事務，前提是這些事務被組合到一個事務組。）

整個事務的持續時間將為：T=2*SIFS+burstsize*(MIFS+Packetduration)+AckDuration+ MMCOUTDuration。握手與 MMC 持續時間的計算采用一種簡單方法，因為兩種包都是一種預定義好的格式，有固定的長度。等效有效帶寬的計算方式如下：B = [本次事務中傳輸的有效應用負荷/ T] *15/16。

其中，附加的因數 15/16 用于消除信標操作的開銷。

表2列出了不同數據包與突發尺寸配置下的有效應用帶寬。

應用的全部有效帶寬大約為總帶寬的 75%。

注意，上述計算是單純基于事務級開銷，沒有考慮用于信道保留的 MAC 層共存策略。

USB事務級的等效帶寬如表3所示。

應用的全部有效帶寬大約為總帶寬的88%。

注意，這一計算中尚未包含一些其他因素（雖然不太重要），如SOF和輪詢集線器所消耗的時間。

從USB 轉到無線USB有效帶寬的下降是源于射頻的特性：即在發射（TX）與接收（RX）之間過渡耗時嚴重。

與USB相比，無線USB 更適合于批量數據傳輸，而對少量數據來說，過渡的成本太高。

另外對 ISO 傳輸，無線USB 定義了一個限制，即把每個同步端點對帶寬的需求限制在不超過 40 Mb/s。這意味著：如果一個同步端點服務間隔為 4.096ms，帶寬需求為 40Mb/s，則每個服務間隔內可移動 21475字節。將這個數字與支持大帶寬端點的USB 2.0（最高 192Mb/s）相比較。在準備實現需要大帶寬的同步傳輸時，要牢記這一點。

應用實例

表4是幾個當前使用USB并需要大帶寬的典型應用實例。通過分析這些實例的帶寬需求，就能更好地了解這些應用是否能夠完美地配合于無線 USB 框架。

總結

迄今為止我們所見的大多數應用均可以無縫地遷移到無線USB 上。至于海量存儲這種“貪婪”的應用，無線USB的性能與USB 2.0相比會受到一些影響。這種情況下必須作進一步研究，從而確保在提供特定應用及無線解決方案時，性能的降級程度在可承受范圍內。

實現建議

如前所述，無線USB協議通過傳輸批量數據可以獲得更好的帶寬性能，系統設計者應有效地管理緩存，即當主機給出一個用于數據傳輸的時間窗口（CTA）時，設備應總是保有足夠用于發送的數據，或有足夠保存數據的緩存空間。緩存管理不僅要考慮來自應用的需求，還要考慮無線 USB 的端點成對描述符（endpoint companion descriptor）。否則，主機仍要根據包尺寸與突發尺寸來安排一個大的時間窗口，而事實上，設備實際只用到一部分時間。這也會浪費整體的總線帶寬。

同樣，如果無線USB主機可以積累來自較高層的多個事務請求，并將它們高效地組織成事務組，也將提升多設備配置的總體系統性能。當然，主機實現應有充足的本地緩存，以保存該事務組中發射或接收的數據包。