無線USB協(xié)議的帶寬分析

         無線USB是一種新型互連方法，它為現(xiàn)有USB應(yīng)用提供了一種替代的無線方案。無線USB設(shè)備的開發(fā)人員的首要考慮是保證與以往成熟技術(shù)（如USB 2.0）相當(dāng)?shù)膫鬏斅?。本文?duì)無線USB 帶寬特性作了詳細(xì)分析，并與USB進(jìn)行了比較。然后，利用分析結(jié)果對(duì)幾種單USB 設(shè)備傳輸率需求與一系列有代表性的多USB設(shè)備配置進(jìn)行建模。這些例子表明，大批潛在的USB 設(shè)備亦可以采用無線USB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本文還有助于讀者理解當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的瓶頸，以及進(jìn)一步提升系統(tǒng)流量的可能方案。本文假設(shè)讀者已熟悉了USB 系統(tǒng)架構(gòu)。

介紹

認(rèn)證無線 USB（Certified Wireless USB）是一種新技術(shù)，它提供的無線連接能力建立在強(qiáng)大的 WiMedia 超寬帶（UWB）公共射頻平臺(tái)之上。WiMedia UWB 可以提供高達(dá)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(yīng)用開發(fā)人員將現(xiàn)有 USB 應(yīng)用遷移到無線領(lǐng)域。USB無線技術(shù)應(yīng)用將使便攜硬盤驅(qū)動(dòng)、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、以及諸如PDA或手機(jī)一類的手持設(shè)備受益。

現(xiàn)在人們對(duì)新協(xié)議到底能為應(yīng)用或類驅(qū)動(dòng)（class driver）提供多大的有效帶寬表示關(guān)注。由于其無線特性，總開銷中必須計(jì)入一些額外的部分。無線 USB 能否提供足夠的帶寬以支持應(yīng)用USB的設(shè)備，尤其是那些基于龐大結(jié)構(gòu)和高帶寬要求的應(yīng)用設(shè)備？本文特別關(guān)注無線USB協(xié)議的效率問題。首先，我們將詳細(xì)分析降至幀級(jí)的無線協(xié)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(gè)應(yīng)用實(shí)例。最后，我們會(huì)簡單討論系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的潛在瓶頸以及可能的解決方案。

無線USB協(xié)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(tái)之上，該平臺(tái)包含用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（ad hoc） 個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)（piconet）的一個(gè) UWB 物理（PHY）層，以及整套的分布式介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議。如圖1所示，WiMedia MAC將空中時(shí)間劃分成一種65ms的基本時(shí)序結(jié)構(gòu)，名為超幀（superframe）。然后再進(jìn)一步劃分為 256個(gè)介質(zhì)訪問隙（medium access slot）。每個(gè)超幀都開始于一個(gè)占16個(gè)介質(zhì)分配隙（MAS）的信標(biāo)期（beacon period）。信標(biāo)是WiMedia MAC的核心；每個(gè)活動(dòng)的WiMedia設(shè)備嘗試在信標(biāo)周期內(nèi)傳輸自己的信標(biāo)時(shí)，都必須聆聽其他的信標(biāo)。換句話說，空中時(shí)間的 1/16必須用于WiMedia MAC協(xié)議的信標(biāo)操作。

圖1 基本時(shí)序結(jié)構(gòu)圖

UWB 技術(shù)也不可避免地帶來了數(shù)據(jù)包級(jí)的開銷，如前導(dǎo)（preamble）、PHY 與 MAC頭（PLCP 頭）、IFS。所有這些都將考慮在下面的計(jì)算中。

需要注意的是，即使是最好的有線 USB 技術(shù)，雖然一般情況下比無線技術(shù)要小得多。也同樣存在著通信方法的開銷。一個(gè)典型實(shí)例就是“位填充”。同樣，從應(yīng)用觀點(diǎn)看，在數(shù)據(jù)包級(jí)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(xié)議中的改進(jìn)

為提高無線USB協(xié)議的效率，引入了事務(wù)類型和流量兩種增強(qiáng)方法。

圖2是無線USB與有線USB之間事務(wù)概念的一個(gè)比較圖。在USB 2.0中，傳入或傳出一個(gè)設(shè)備當(dāng)中的任何一個(gè)數(shù)據(jù)包都需要來自USB主機(jī)的一個(gè)令牌。在無線 USB 中，數(shù)據(jù)傳輸則以事務(wù)組（transaction group）的形式完成。事務(wù)組是指微調(diào)度管理指令（MMC）與被分配協(xié)議時(shí)間隙的組合，在時(shí)間隙期間執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)無線 USB 事務(wù)。即，對(duì)無線 USB，并非每個(gè)空中傳輸數(shù)據(jù)包都需要一個(gè)令牌；一組針對(duì)不同端點(diǎn)（EP）管道（甚至是不同設(shè)備）的事務(wù)可以共享同一令牌。

圖2 無線與有線USB事務(wù)概念的比較

無線USB中的傳輸率改進(jìn)是通過定義一種較大的包尺寸（最大為 3584 應(yīng)用負(fù)荷）與數(shù)據(jù)的突發(fā)模式來實(shí)現(xiàn)的。通過使用數(shù)據(jù)突發(fā)模式，幀間距可以從 10μs 減小到 1.875μs。另外，還可以使用突發(fā)先導(dǎo)（5.625μs）來代替標(biāo)準(zhǔn)先導(dǎo)（9.875μs）。

無線USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生了大的有效帶寬。由于其無線特性，不再需要傳統(tǒng)的“樹”狀拓?fù)?，這樣集線器就被省略了。原來消耗在集線器輪詢上的時(shí)間現(xiàn)在可以用于數(shù)據(jù)傳輸。

最后，無線USB 在高級(jí)協(xié)議上作了一些優(yōu)化。例如，對(duì)bulk-in（批量傳入）事務(wù)，無線USB不需要一個(gè)主機(jī)來發(fā)送獨(dú)立的握手包，而是將握手信息嵌入在其后的MMC 中。這樣進(jìn)一步提高了信道的使用效率。另外，還省略了控制傳輸設(shè)置階段的握手（handshake），如果數(shù)據(jù)段后緊接著控制傳輸，則數(shù)據(jù)段令牌將嵌入到設(shè)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(zhì)訪問控制層所帶來的額外開銷，但無線 USB 協(xié)議設(shè)計(jì)者亦采用了一些新方法來提升系統(tǒng)傳輸率。因此，需要把全部因素包括進(jìn)來，以作全面考慮。下面我們將計(jì)算無線 USB 的有效帶寬，并作進(jìn)一步的詳盡描述。

計(jì)算應(yīng)用的有效帶寬

下面的計(jì)算基于一種單設(shè)備的簡單方案。類似方法也可以分析多設(shè)備的情況。理想情況下，如果一個(gè)無線 USB 主機(jī)可以將不同設(shè)備的多個(gè)事務(wù)安排在單一事務(wù)組中，則能夠大大改進(jìn)平均傳輸率數(shù)字（因?yàn)榱钆票旧肀徽J(rèn)為是一種協(xié)議開銷，因此，如果多個(gè)事務(wù)能夠共享一個(gè)令牌，則能減少總開銷）。

現(xiàn)在，我們看看在事務(wù)級(jí)的帶寬特性。此處以批量傳出（bulk-out）事務(wù)為例，批量傳入（bulk-in） 事務(wù)的計(jì)算方法與之相似。此外，由于無線USB協(xié)議省略了bulk-in事務(wù)的獨(dú)立握手包，因此bulk-in 可以實(shí)現(xiàn)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(wù)，前提是這些事務(wù)被組合到一個(gè)事務(wù)組。）

整個(gè)事務(wù)的持續(xù)時(shí)間將為：T=2*SIFS+burstsize*(MIFS+Packetduration)+AckDuration+ MMCOUTDuration。握手與 MMC 持續(xù)時(shí)間的計(jì)算采用一種簡單方法，因?yàn)閮煞N包都是一種預(yù)定義好的格式，有固定的長度。等效有效帶寬的計(jì)算方式如下：B = [本次事務(wù)中傳輸?shù)挠行?yīng)用負(fù)荷/ T] *15/16。

其中，附加的因數(shù) 15/16 用于消除信標(biāo)操作的開銷。

表2列出了不同數(shù)據(jù)包與突發(fā)尺寸配置下的有效應(yīng)用帶寬。

應(yīng)用的全部有效帶寬大約為總帶寬的 75%。

注意，上述計(jì)算是單純基于事務(wù)級(jí)開銷，沒有考慮用于信道保留的 MAC 層共存策略。

USB事務(wù)級(jí)的等效帶寬如表3所示。

應(yīng)用的全部有效帶寬大約為總帶寬的88%。

注意，這一計(jì)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(shí)間。

從USB 轉(zhuǎn)到無線USB有效帶寬的下降是源于射頻的特性：即在發(fā)射（TX）與接收（RX）之間過渡耗時(shí)嚴(yán)重。

與USB相比，無線USB 更適合于批量數(shù)據(jù)傳輸，而對(duì)少量數(shù)據(jù)來說，過渡的成本太高。

另外對(duì) ISO 傳輸，無線USB 定義了一個(gè)限制，即把每個(gè)同步端點(diǎn)對(duì)帶寬的需求限制在不超過 40 Mb/s。這意味著：如果一個(gè)同步端點(diǎn)服務(wù)間隔為 4.096ms，帶寬需求為 40Mb/s，則每個(gè)服務(wù)間隔內(nèi)可移動(dòng) 21475字節(jié)。將這個(gè)數(shù)字與支持大帶寬端點(diǎn)的USB 2.0（最高 192Mb/s）相比較。在準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)需要大帶寬的同步傳輸時(shí)，要牢記這一點(diǎn)。

應(yīng)用實(shí)例

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

總結(jié)

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

實(shí)現(xiàn)建議

如前所述，無線USB協(xié)議通過傳輸批量數(shù)據(jù)可以獲得更好的帶寬性能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)有效地管理緩存，即當(dāng)主機(jī)給出一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間窗口（CTA）時(shí)，設(shè)備應(yīng)總是保有足夠用于發(fā)送的數(shù)據(jù)，或有足夠保存數(shù)據(jù)的緩存空間。緩存管理不僅要考慮來自應(yīng)用的需求，還要考慮無線 USB 的端點(diǎn)成對(duì)描述符（endpoint companion descriptor）。否則，主機(jī)仍要根據(jù)包尺寸與突發(fā)尺寸來安排一個(gè)大的時(shí)間窗口，而事實(shí)上，設(shè)備實(shí)際只用到一部分時(shí)間。這也會(huì)浪費(fèi)整體的總線帶寬。

同樣，如果無線USB主機(jī)可以積累來自較高層的多個(gè)事務(wù)請(qǐng)求，并將它們高效地組織成事務(wù)組，也將提升多設(shè)備配置的總體系統(tǒng)性能。當(dāng)然，主機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)有充足的本地緩存，以保存該事務(wù)組中發(fā)射或接收的數(shù)據(jù)包。