Wireless USB. Часть 2

После написания первой вводной части о новом беспроводном протоколе Wireless USB в конце марта 2005 задача о поверхностном (на уровне пользователя) пересказе возможностей и перспектив использования технологии показалась мне в целом выполненной. И действительно: финальных спецификаций стандарта на тот момент еще не было, так что с детальным изложением подробностей для "продвинутых" читателей можно было особенно не спешить.

Действительность оказалась куда проворнее моих неспешных исследований WUSB. В марте 2005 произошли два ключевых события относительно судьбы нового стандарта: были приняты черновые спецификации Wireless USB версии 0.95, плюс примерно в то же время два основных разработчика технологии, альянсы WiMedia Alliance и MBOA-SIG объявили об устранении противоречий и объединении усилий в дальнейшей разработке WUSB.

После этого события развивались более чем стремительно: уже в конце мая на форуме Wireless USB Developers Conference была объявлена финальная версия Wireless USB 1.0, что наконец-то ликвидировало возможности разночтения "сырых" спецификаций и вывело WUSB в разряд ратифицированных, "готовых к употреблению" в коммерческих масштабах стандартов. А мне наконец-то представилась возможность закончить начатое повествование без всяких многоточий.

Итак, сегодня, наряду с базовыми положениями спецификаций Wireless USB 1.0, в этом материале будут изложены прикладные перспективы внедрения стандарта. Разобравшись с физикой процесса и формами реализации Wireless USB, нам останется только ждать появления первых устройств нового стандарта в магазинах.

Дополнительно хотелось бы подчеркнуть, что в рамках этого материала разобраны лишь базовые принципы работы технологии и основы реализации спецификаций; на деле, как и всякий промышленный стандарт, Wireless USB 1.0 описан множеством документов, нормирующих все мыслимые и немыслимые параметры, включая такие страсти, как влажность и атмосферное давление. На самом деле требования стандарта достаточно жесткие и сделано это для достижения полной совместимости изделий многочисленных компаний, которые, несомненно, со временем "застолбят" под себя часть этого многообещающего рынка.

В рамках этого исследования основополагающих документов стандарта будут рассмотрены все ключевые аспекты формирования и передачи сигнала; также немного коснемся реализации Wireless USB 1.0 на практике.

Миссия Wireless USB

Список беспроводных интерфейсов самой различной производительности и назначения в настоящее время столь широк, что невольно возникает законный вопрос: какой там ещё Wireless USB, в какой диапазон его "заталкивать" и нужен ли он на самом деле, не является ли это прихотью производителей?

Место Wireless USB в современном и будущем "беспроводном мире"

На самом деле, при внимательном изучении возможностей современных беспроводных технологий можно заметить приличную брешь: интерфейсов много, но нет ни одного, который был бы "заточен" специально для обмена мощными потоками мультимедийного контента на близкие расстояния, то есть, что-то вроде проводных USB и FireWire. Такие технологии как Bluetooth (даже в самой современной версии 2.0 с максимальным трафиком до 2,1 Мбит/с) и Zigbee могут справиться разве что с передачей стереосигнала на наушники, ни о каком обмене видео речи идти не может.

С другой стороны, имеется пул более производительных интерфейсов Wi-Fi, способных уже сейчас обеспечить трафик до 54 Мбит/с, а в перспективе - до 100 Мбит/с. Но и здесь не без изъяна: интерфейсы эти все же в первую очередь "среднемагистральные" и нацелены в первую очередь на расстояния до 100 метров. Разумеется, никто не помешает пользоваться ими на коротких дистанциях 3 - 10 метров, тем не менее, в силу вступает другая проблема: ограниченное количество каналов в сочетании с приличным радиусом действия рано или поздно даст о себе знать, особенно в мегаполисах. К тому же даже пиковый трафик 100 Мбит/с, который в будущем обещает версия IEEE802.11n, никак нельзя назвать адекватной альтернативой нынешним 480 Мбит/с у проводного USB 2.0.

Рассуждать о возможности альтернатив в виде магистральных и "дальнобойных" стандартов вроде 3G/4G и WiMAX и вовсе как-то неуместно: в первом случае потому, что сотовые сети все же не бесплатны, во втором - все равно что поджаривать яичницу огнемётом, и в обоих случаях смешно говорить о расстояниях до 10 метров.

Иными словами, что-то вроде Wireless USB рано или поздно должно было возникнуть.

Следующий законный вопрос: как разместить новый и, судя по производительности, достаточно широкополосный интерфейс, если нынче частотные диапазоны и без этого более чем загружены? Единственный разумный выход - использование сверширокополосной модуляции (UWB, UltraWideBand) с низкой спектральной плотностью сигнала. Иными словами, сигнал как бы "размазывается" в виде своеобразного белого шума по широкому спектру частот. Использование выделенного для UWB на вторичной основе спектра частот фактически не оказывает влияния на работу других средств связи, поскольку пиковый уровень излучения практически не превышает этого самого эфирного уровня шумов.

Спектральная плотность UWB излучения

Как показано на слайде выше, рекомендованная FCC (Федеральной комиссией по электросвязи США) спектральная плотность излучения не должна превышать определенного уровня -41,3 дБм/МГц. Для других стран этот показатель может незначительно колебаться, хотя, можно предположить, что в конечном итоге рекомендации FCC все равно окажутся стандартообразующими. Ниже приведен сравнительный график ограничений спектральной плотности излучения для некоторых достаточно широко распространенных устройств и интерфейсов.

Сравнение спектральной плотности излучения

Теперь самое время перейти к подробностям реализации базовых основ Wireless USB - использованию частотных диапазонов, физическому PHY (Physical layer protocol) и MAC (Media Access Control) уровням интерфейса, его топологии, вопросам программной и аппаратной поддержки etc.

Топология Wireless USB

По аналогии с проводным USB, устройства Wireless USB обладают собственным адресом, получаемым при подключении или перечислении. Каждое устройство Wireless USB поддерживает один или несколько каналов для связи с хостом.

Каждое устройство Wireless USB может работать как MAC Layer устройство. Стандарт Wireless USB описывает три категории устройств, представляющие разные степени реализации механизма MAC Layer, от автосигнального" (self beaconing) типа до полного отсутствия его поддержки.

Базовыми элементами инфраструктуры WUSB являются концентратор и радиальные линии. В такой топологии хост-контроллер инициирует любой обмен данными между подключенными к нему устройствами, выделяя временные интервалы и полосу пропускания каждому подключенному устройству. Подобная группа называется кластером. Описанные соединения относятся к типу "точка-точка" и осуществляются между WUSB-хостом и WUSB-устройством.

WUSB-хост с логически подключенными к нему WUSB-устройствами (максимально — до 127) образует неформальный WUSB-кластер. Кстати, концентраторы в определении Wireless USB отсутствуют как класс по причине их полной невостребованности в такой архитектуре. WUSB-кластеры сосуществуют в перекрывающейся пространственной среде с минимальными взаимными помехами, что позволяет функционировать нескольким WUSB-кластерам в пределах общей зоны действия радиоизлучающих устройств.

Описываемая топология будет поддерживать модель двойного применения, при которой устройство может в ограниченном объеме выполнять функции хоста. Такая модель позволит мобильным устройствам пользоваться сервисами, которые обеспечивает центральный хост (например, принтерами и устройствами отображения). Кроме того, эта модель позволит устройству получить доступ к данным, расположенным за пределами кластера, к которому в текущий момент подключено это устройство. Для этого устройство должно создать второй кластер, выступая в качестве хоста с ограниченными возможностями.

Поскольку Wireless USB обратно совместим с проводной версией USB, также появляется возможность создавать прозрачные мосты на проводные USB устройства и хост-контроллеры, то есть, организовывать передачу данных между двумя кластерами. Двоякая модель использования Wireless USB, где slave-устройство обладает также ограниченными возможностями хост-контроллера, практически с ходу учитывает недочеты ранних версий проводного USB, устраненных лишь с появлением дополнительного протокола USB 2.0 - USB-On-The-Go.

В финальной версии возможности хост-контроллеров и клиентской части отлично иллюстрируются ниже приведенным слайдом: