蓝牙终结者——无线USB技术分析
技术空间
如今，越来越多的电子设备采用了USB接口，如数码相机、打印机、外置硬盘、扫描仪、手机等。我们在享受即插即用、高速数据传输所带来的快乐的同时，也不免为那些冗长、杂乱的USB数据线而烦恼。如何摆脱这些烦人的“小尾巴”？别急，无线USB技术将告诉我们正确答案。
无线USB的发展
无线USB技术的开发由来已久，早期Cypress的WUSB（Wireless USB，无线USB）技术在人机互动的操作性外设（如鼠标、键盘、游戏杆等）中已有广泛应用。但Cypress无线USB的传输速率只有31.25Kbps～62.5Kbps，远低于USB 1.1的12Mbps，更达不到USB 2.0的480Mbps了。为了尽快实现电子产品无线化、宽带化的发展目标，业界选中了UWB（Ultra Wide Band，超宽带）无线传输技术作为无线USB的基础。
UWB诞生于冷战时代，长期以来一直用于军用雷达设备。但由于它是一种低功耗、高带宽和相对简单的无线通信技术，其实很适合于家庭内部多种设备的高速无线接入。与其他通信方式相比，在同等信噪比的条件下，UWB信号能量密度很低，例如在数十米的范围内，所需功率小于1mW。而且因为带宽特别宽，以至于它能直接发射1纳秒左右的脉冲信号（无需载波），即每秒可发送10亿个脉冲，这一特性使UWB省去了传统无线通讯所必需的载波过程，简化了系统结构。
制定一种全新的无线USB标准，使PC主机能方便地连接更多的外设或消费电子设备，一直是USB-IF（USB实施者论坛）的一个愿望，许多组织也做出了极大的努力，其中就包括MBOA（Multiband OFDM Alliance，多频带OFDM联盟）和WiMedia无线宽带联盟。前者的任务就是支持和促进在全球范围内形成一个统一的UWB技术规范；后者的任务是促进多媒体内容在无线领域的交换和协同工作。
2005年3月，在美国旧金山举行的春季Intel Developer Forum（IDF）上，MBOA和WiMedia宣布了它们合并。2005年5月15日，WUPG（Wireless USB Promoter Group，无线USB促进组织）完成了WUSB 1.0规范的制定，并将该规范的管理权提交给USB-IF。英特尔、Agere System（杰尔系统）、HP、微软、NEC、诺基亚、飞利浦、索尼、三星等100多家公司均是WUPG的成员。
WUSB 1.0采用3.1GHz～10.6GHz的频段进行通讯，并且具有根据距离动态调整传输速率的功能。有效传输距离为10米，目前最高传输速率为480Mbps。WUSB 1.0的核心是一种称为OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）的调制技术。OFDM的优势在于“正交”：当两路信号正交时，它们虽然使用的频率有所重叠也不会相互干扰。OFDM通过相位和幅度调制，使各子频段信号正交，不必在两个相邻频段间设置隔离频段，大幅提高了带宽资源的利用率。目前常见的DSL以及基于IEEE 802.11x协议的无线网络等都采用了这种调制方式。
无线USB的优势
1.高速率
与有线Hi-Speed USB 2.0相同的是，WUSB 1.0最高可支持480Mbps的数据传输率，它可依距离不同而自动调整（共支持53.3Mbps、80Mbps、106.7Mbps、160Mbps、200Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps等传输率），其中3米内的传输速率在480Mbps，而当速率降至110Mbps时，距离可延长至10米以上。480Mbps并不是无线USB的终极速度，未来的WUSB标准支持的最高数据传输率将达到惊人的2000Mbps！
相对而言，蓝牙技术的最大通信距离虽然也能达到10米，但它的数据传输率仅为1Mbps。红外线技术的通信距离只有1米，数据传输率最高为16Mbps。而Wi-Fi的最高数据传输率为54Mbps，通信距离在100米左右。1G～3G的手机通信通常只能达到64Kbps～384Kbps，最大不超过2Mbps。可见无线USB在数据传输率上有巨大的优势，特别适合人们对高质量音视频数据无线传输的要求（如高分辨率电视使用3Mbps～7Mbps的传输速率，HDTV则需要19Mbps～24Mbps的传输速率）。
2.多连接
由于无线USB的许多技术都是源自有线USB 2.0 Hi-Speed，因此无线USB具有很好的兼容性，能兼容现有的USB设备。无线USB的基本连接方式是网络集线器和拓扑结构，所有无线USB设备一律与主机（Host）直接相连，主机给设备指定不同的地址和带宽，这些设备都是通过点对点方式来传输数据的。
此外，无线USB还允许多个设备同时进行数据传输，它能以无线方式把多达127个设备连接到主机（通常是一台PC）上。更为方便的是，无线USB还允许每个设备具有一定的自主能力，无需PC主机即可相互连接。例如，如果你的MP3播放器和音箱都支持无线USB规范，那你可以把MP3播放器放在音箱旁边，直接实现音乐的播放，无需PC的干涉，这一点与USB On-The-Go技术非常相似。
3.低功耗
无线USB设备具有休眠、监听和唤醒等三种工作模式，即在闲置时段，设备发送休眠请求，要求主机关闭信号，暂不传输任何数据，然后进入休眠模式。当设备再次想与主机通讯，设备给主机发送远程激活请求。如此一来，无线USB设备的休眠时间有很多，再加上无线USB设备的数据传输距离被限制在10米以内，因此其平均发射功率可以控制得很低，仅在几十微瓦到几百微瓦之间。超低的发射功率，使得无线USB不易对其它电子设备产生干扰，一般干扰只在几英寸的距离才会体现出来。
相比之下，蓝牙或Wi-Fi设备的功耗就“自惭形秽”了。蓝牙的发射功率在1毫瓦左右，而Wi-Fi的发射功率达到了60毫瓦～70毫瓦，手机的发射功率更高达200毫瓦～1瓦，可见无线USB设备的省电优势非常明显。
4.较高的安全性
无线连接的安全性问题历来受到用户的高度关注。对于无线USB体系来说，主机和设备必须遵循一个“识别—认证—授权”的过程，即设备在相互连接时必须通过验证，才能进行数据传输，这样便可以在很大程度上阻止恶意设备窃听信息。
（1）主机通过128 位连接主机标志符（CHID），设备通过128 位连接设备标志符（CDID）进行互相识别。此时形成独特的CHID-CDID配对。
（2）首次相连时，通过内无线方式, 主机与设备间利用 Deffie-Hellman 公开密钥协议，传输128位CHID-CDID配对连接密钥。当主机和设备再次连接时，主机和设备将使用连接密钥启动一个四路应答交换过程，彼此进行识别验证。
5.低成本
单纯就生产成本来说，无线USB具有“平民”化的先天优势。由于使用脉冲电波作为传输载体，无线USB的控制芯片主要是发送/接收逻辑和编解码电路的信号，这对晶体管的数量要求不多，芯片尺寸可以做得很小，甚至集成到芯片组中，使成本更加低廉。如果加上多连接特性，无线USB从整体来看还会节省大量的接口费用。
无线USB面临的问题
无线USB的传输尽管有很多优势，可是它有待解决的地方也不少。比如数据通信的安全性、软硬件的兼容性、USB设备之间的互相识别和冲突等等。除技术难题外，政策障碍也是摆在无线USB规范制定者和相关厂商面前的一道关卡，目前只有美国联邦通信委员会（FCC）为UWB发放了许可证，要让世界上其他国家为UWB开放频谱是一件很棘手的任务。
无线USB标准推广、应用的最大难题在于消费者所接受的过程，这个过程可能是一两年，也许是三四年甚至更长。可以预见的是，向无线USB的进军之途不会像向有线USB 2.0升级那样一路平坦，后者由于沿用了上一代软件，从制定规范到被集成入主板芯片组只用了大约1年的时间。尽管面临不少困难，但无线USB的革命已箭在弦上。
写在最后
无线USB技术致力于向消费电子产品或通信产品提供短距离高速通信，因此它的作用是替代有线USB标准，让所有USB设备摆脱连接线缆的束缚。与此同时，无线USB也会抢夺蓝牙和红外线技术的市场份额，其中蓝牙将是主要竞争对手。此外，无线USB与Wi-Fi也将形成一种相互补充的关系。比如，在家庭应用领域，Wi-Fi为台式电脑、笔记本、无线路由器、无线音响和游戏机提供外部连接，而无线USB则为台式电脑提供与无线键鼠、摄像头、DV、DC、打印机、MP3和外置硬盘等设备的连接；无线USB还可以为游戏机提供与无线手柄、操纵杆和电视机的连接。
USB实施者论坛的主席Jeff·Ravencraft日前表示，越来越多的支持无线USB标准的设备或产品将在2006年第三季度开始推向市场。按照现在的发展趋势预测，无线USB在未来将成为标准的配置，就像现在的USB接口一样。这一普及过程很可能和USB 2.0当初的情况类似，即芯片制造商率先推出专用芯片，接着英特尔等芯片组生产商将把它集成在南桥芯片或一体化芯片中。此外，便携式数字媒体播放器（PMP）、DC和DV等设备和外设也将把无线USB作为通用接口。
由于无线USB具备高速率、低功耗和低成本等优势，因此它的实现很有可能会带动一次新的产业升级和设备换代，这对国内外厂商来说都是一次很好的机遇。不过，目前无线USB的核心技术掌握在国外公司手中，而国内厂商普遍持观望态度。要摆脱跟随者的命运，我们必须加快上游技术的研发工作。
