Wireless USB. Часть 1

На волне всеобщей индустриальной тенденции по превращению привычных проводных интерфейсов в беспроводные идея продвижения Wireless USB, то есть, затея по избавлению привычного интерфейса USB от проводов, выглядит вполне логичной и вполне заманчиво. Почему бы и нет, если у нас скоро всё будет беспроводное? Так то оно так, да смущает лишь одна мелочь: надо ли городить огород, если на рынке и без этого предостаточное разнообразие проводных и беспроводных интерфейсов на любой вкус и цвет?

До того, как мы погрузимся во второй части статьи в особенности реализации спецификаций Wireless USB, также называемого для краткости WUSB, попробуем для начала вкратце определиться, так ли необходимо возникновение нового интерфейса, зачем он, собственно, придуман?

На кой он, Wireless USB?

...Понадобилось всего несколько лет для того, чтобы линейка наиболее популярных интерфейсов для настольных, портативных и карманных ПК совершенно видоизменилась. Сейчас даже представить трудно, как жили люди в каменном веке "до-USB" эпохи, а ведь жили, болезные, мучались и страдали...

Важнейшими тенденциями современного рынка компьютерной электроники можно назвать, пожалуй, две: замену всех параллельных шин на последовательные шины и переход на беспроводные соединения. Под натиском практичных USB/FireWire скоропостижно помер старичок LPT, эффективные Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS) метят на место могильщиков SCSI. Да что там, даже старая добрая шина PCI понемногу вытесняется новомодной последовательной PCI-Express...

Таких примеров в индустрии множество, тенденциозность перехода на последовательные интерфейсы везде и всюду видна невооруженным глазом. Однако, даже самые прогрессивные проводные шины нынче подпадают под влияние моды на "отрезание проводов" и переход на беспроводные решения.

Особенно восприимчивым к новым тенденциям оказался сектор локальных интерфейсов - все, что работает на расстоянии до 10 метров, обеспечивает обмен данными и/или связь всевозможной электроники с периферией или друг с другом и т.п. В конце концов, перебрав массу всевозможных вариантов - COM, LPT, IrDA и иже с ними, индустрия остановилась с молчаливого одобрения потребителей на наиболее универсальных, удобных и востребованных - проводных USB/FireWire и беспроводном Bluetooth. Оставив прежние пережитки для обратной совместимости да ради удобства применения в различных нишевых случаях.

Нельзя сказать, что современные фавориты рынка исчерпали свои возможности и застыли в своем развитии. Тот же USB, изначально нацеленный на подключение периферии, после ратификации скоростной 480 Мбит/с версии USB 2.0 дополнительно обзавелся расширением "On-The-Go", наконец-то позволившим создавать одноранговые соединения класса "периферия-периферия". Мультимедийный 400 Мбит/с интерфейс FireWire, даже в изначальной версии IEEE1394a не страдавший иерархической болезнью USB, в последнее время обзавелся скоростной 800 Мбит/с инкарнацией IEEE1394b и увеличенной длиной интерфейсного кабеля. Хорошо? Превосходно! Одна беда, все это - совершенно неуместные в наш век проводные соединения, особенно нелепые на столь небольших расстояниях.

Список устройств, которым уже сейчас очень пригодился бы беспроводной USB, достаточно широк, однако помимо традиционных сфер применения привычного проводного USB, который, без сомнения, со временем в значительной степени будет вытеснен своим UWB тезкой, есть подозрение, что наряду с этим беспроводная инкарнация интерфейса будет востребована в случаях, которые пока совершенно невозможно представить.

Основной современный беспроводной "боец ближнего боя" - широкополосный стандарт Bluetooth, также развивается весьма динамично. Уже в 2005 году ожидается появление множества новинок с поддержкой спецификаций Bluetooth Version 2.0 и производительностью до 2,1 Мбит/с и даже до 3 Мбит/с (при нынешних пиковых 771 Кбит/с) наряду с удешевлением чипов, снижением энергопотребления и возможностью обслуживания одновременно нескольких приложений. Прогресс? Несомненно, да! Пользователи мобильников, КПК и смартфонов будут очень рады. Однако, не думаю, что пиковой скорости обмена "аж до 3 Мбит/с" обрадуются желающие, например, организовать real-time обмен видео контентом. Что и говорить, хорош Bluetooth, хорош. Однако... как бы это помягче... сечение "дырочки" этого канала по-прежнему узковато. Как и у подобных проектов вроде Zigbee.

Не удивлюсь, когда выяснится, что наряду с частичным вытеснением Bluetooth в секторе мобильных устройств WUSB сможет подкузьмить распространенности традиционных коаксиальных/оптических AV-интерфейсов, в том числе цифровых вроде DVI и даже новоявленного HDMI.

Итак, задача проста: хочется без проводов, на расстояние до 10 метров и чтобы не хуже, чем у распространенных проводных интерфейсов (иначе, на кой заваривать всю эту кашу?). Стандарт Bluetooth, при всех его плюсах, оказывается "жидковат" даже в новой производительной версии. Может быть, подойдет Wi-Fi? Прямым и недвусмысленным ответом будет: да, но только частично. Возьмите скорость обмена наиболее современных версий, IEEE802.11a/g - до 54 Мбит/с. Даже удвоив ее за счет алгоритмов уплотнения, все равно на пушечный выстрел не приблизиться к пропускной способности проводных USB/FireWire. Как и в случае с Wi-Fi, скорость обмена данными в случае применения WUSB также падает в зависимости от расстояния между портами, однако, обратите внимание на график ниже и что называется, оцените разницу на ближних расстояниях:

А ведь есть еще такой фактор, как ограниченное количество каналов, некритичный сейчас, при малом распространении Wi-Fi, но запросто превращающийся в беду в случае, например, многоэтажного дома с точками доступа в каждой квартире. Ну и разумеется, такая "мелочь", как относительно высокая цена Wi-Fi оборудования.

Кстати сказать, цели, которые в глобальной перспективе ставили перед Wi-Fi его разработчики, честно говоря, все же ближе к задачам LAN, нежели к USB. В то же время задачи, поставленные перед WUSB, достаточно близки к списку типичных задач нынешнего USB и предполагают скоростной обмен данными в структуре развлекательных центров на базе ПК, игровых приставок, MP3 и DVD плееров, ТВ-приставок, HDTV телевизоров. Со временем WUSB также станет "родным интерфейсом" для цифровых фото- и видеокамер, внешних DVD-RW/CD-RW приводов и 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 еще тысячи и одного устройства с претензиями на быстрый обмен данными.

Словом, судя по всему, пустующая ниша среди современных интерфейсов еще имеется, и Wireless USB вполне может рассчитывать на место под солнцем.

Самое главное о Wireless USB

Для понимания сути стандарта Wireless USB придется обратиться к пониманию главного в концепции платформы сверхширокополосной (Ultra Wideband, UWB) беспроводной технологии. Классическое определение UWB звучит так:

UWB - это беспроводная технология, предназначенная для передачи данных на короткие - до 10 метров, расстояния, с высокой пропускной способностью (до 480 Мбит/с) и низкой потребляемой мощностью. UWB - это решение для беспроводной передачи высококачественного мультимедийного контента, например видео, между устройствами бытовой электроники и периферийными устройствами ПК. Одно из основных преимуществ технологии UWB заключается в том, что она не создает помех для других беспроводных технологий, используемых в настоящее время, - таких как Wi-Fi, WiMAX и сотовой связи.

Обратите внимание на вышеприведенную иллюстрацию: главный факт, который стоит уяснить для себя с самого начала для понимания принципа работы Wireless USB заключается в том, что стандарт подразумевает использование двух основных "слоев" для обмена данными - транспортного и физического уровня. Транспортный уровень как раз и базируется на сверхширокополосной (UWB) технологии, физический представляет собой уровень формирования среды передачи данных, где помимо WUSB с легкостью могут фигурировать W1394 (Wireless FireWire), Bluetooth и прочие, к настоящему времени еще не изобретенные и не сформулированные протоколы. Просто Wireless USB станет одной из первых UWB-технологий, доведенных до состояния коммерческого стандарта.

Что такое сверхширокополосная модуляция (UWB), многие могут примерно представить себе на примере Bluetooth. Схематически принцип UWB подразумевает генерацию передатчиком миллиардов импульсов в очень широком - порядка нескольких гигагерц, частотном спектре. Приемная часть преобразовывает импульсы в данные путем отслеживания схожих последовательностей импульсов.

Современная технология UWB описывает принцип модуляции сигнала как мультиплексирование по ортогональным несущим частотам (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Использование модуляции OFDM в совокупности с использованием ряда частотных диапазонов дает нам представление о технологии MultiBand OFDM. Основной плюс такой подачи технологии заключается в возможности быстрой адаптации к требованиям комитетов электросвязи любых государств за счет гибкой манипуляции набором подходящих (не запрещенных или не занятых военными) частотных диапазонов, а также перспектива оперативного наращивания производительности за счет добавления разрешенных каналов с сохранением обратной совместимости (расширение производительности за счет суммирования пропускной способности нескольких каналов).

Если попробовать изложить вышесказанное более простым языком, технология UWB подразумевает передачу сигнала в широком спектре, перекрывающем частоты многих уже используемых диапазонов. Однако специфический принцип модуляции и отсутствие несущей частоты приводят к своеобразному широкополосному "размазыванию" сигнала по всему спектру - что-то вроде широкополосного "белого шума", не превышающего по уровню обычные фоновые помехи, обладающего в то же время высокой защищенностью информации из-за импульсного характера передачи.

Для общего понимания принципа работы интерфейса WUSB следует также упомянуть, что пакеты данных, передача которых осуществляется c использованием технологии UWB и применением вышеупомянутой модуляции OFDM, формируются по принципу транзакций USB 2.0, а переносятся с помощью уже известного протокола множественного доступа с разделением каналов по времени, то есть, TDMA (Time Division Multiple Access).

Здесь самое время упомянуть, что долгое время разработку технологий стандарта IEEE 802.15.3a, то есть, UWB, вели практически параллельно сразу две отраслевые группы - WiMedia Alliance и Multi-band OFDM Alliance (MBOA). Множество компаний вступили в оба альянса и долгое время вели работу над обоими проектами. Тактика, в целом, конечно, выигрышная, но в конце концов всем надоело частично дублировать разработки друг друга. Тем более что успехи рабочих групп несколько разнились. Так, WiMedia Alliance больше работала с программной частью, Protocol Abstraction Layer (PAL), а MBOA трудилась над спецификациями MAC-контроллеров и PHY-чипов.

Кончилась вся эта история недавно сделанным заявлением о слиянии групп WiMedia Alliance и Multi-band OFDM Alliance (MBOA) ради продолжения совместной работы над чистовой версией технологии. Как будет называться объединенная рабочая группа пока неизвестно (возможно, что-то определенное станет известно к концу марта), однако к июню обещано завершение процесса слияния WiMedia - OFDM и публикация финальной версии 1.0 стандарта. Дальнейшим продвижением Wireless USB будет заниматься индустриальная группа Wireless USB Promoter Group.

Сейчас спецификации Wireless USB находятся в состоянии черновой версии 0.95, а финальная версия WUSB 1.0 и детальные рекомендации для разработчиков коммерческого оборудования будут оглашены на организованной USB Implementers Forum конференции Wireless USB Developers Conference, которая состоится 23 - 25 мая 2005 года в Сан-Франциско, Калифорния. К настоящему времени стандарт поддерживается более чем сотней компаний отрасли.

Собственно говоря, на этом научно-популярная часть моей заметки закончилась. Для тех, кто заканчивает ее чтение на этом месте, добавлю, что появление первых коммерческих продуктов на базе стандартов UWB ожидает вас уже в конце 2005 или в начале 2006 года. Для плавного перехода к использованию новой технологии предполагается широко задействовать проводную инфраструктуру USB, включая драйверы и готовые устройства, к которым будут первоначально подключаться своеобразные UWB-мостики.

Скорее всего, первыми WUSB устройствами станут контроллеры под шины PCI, PCI Express или интерфейсные платы с портом USB 2.0 для настольных ПК, компонентов домашнего цифрового дома и карманной электроники. Многочисленные версии WUSB для ноутбуков под слот ExpressCard появятся в 2006 году. Далее, в 2007 году, можно ожидать начала выпуска интегрированных контроллеров WUSB и начала эпохи встроенных чипов WUSB во всевозможную периферию - от фотоаппаратов и телефонов до принтеров и колонок. Рынок USB-периферии к тому времени, по мнению аналитиков InStat, составит более 3,5 млрд. устройств.

Вот для первого знакомства и все. Вторая часть материала, которая выйдет чуть позже, рассчитана на подготовленных читателей, интересующихся детальными подробностями стандарта.