无线USB协议的带宽分析

无线USB是一种新型互连方法，它为现有USB应用提供了一种替代的无线方案。无线USB设备的开发人员的首要考虑是保证与以往成熟技术（如USB 2.0）相当的传输率。本文对无线USB 带宽特性作了详细分析，并与USB进行了比较。然后，利用分析结果对几种单USB 设备传输率需求与一系列有代表性的多USB设备配置进行建模。这些例子表明，大批潜在的USB 设备亦可以采用无线USB 技术实现。本文还有助于读者理解当前系统实现中可能会出现的瓶颈，以及进一步提升系统流量的可能方案。本文假设读者已熟悉了USB 系统架构。

介绍

认证无线 USB（Certified Wireless USB）是一种新技术，它提供的无线连接能力建立在强大的 WiMedia 超宽带（UWB）公共射频平台之上。WiMedia UWB 可以提供高达480Mb/s的带宽，这也是有线USB 2.0的带宽。因此，它吸引终端用户与应用开发人员将现有 USB 应用迁移到无线领域。USB无线技术应用将使便携硬盘驱动、打印机、数码相机、以及诸如PDA或手机一类的手持设备受益。

现在人们对新协议到底能为应用或类驱动（class driver）提供多大的有效带宽表示关注。由于其无线特性，总开销中必须计入一些额外的部分。无线 USB 能否提供足够的带宽以支持应用USB的设备，尤其是那些基于庞大结构和高带宽要求的应用设备？本文特别关注无线USB协议的效率问题。首先，我们将详细分析降至帧级的无线协议开销，并提供其与USB的简单比较作为参考。接下来，我们将研究几个应用实例。最后，我们会简单讨论系统实现中的潜在瓶颈以及可能的解决方案。

无线USB协议开销的分析

由于无线USB的自身特性，与有线USB相比，它要有一些“额外”的开销。无线 USB 建立在 WiMedia UWB 平台之上，该平台包含用于点对点（ad hoc） 个人域网络（piconet）的一个 UWB 物理（PHY）层，以及整套的分布式介质访问控制（MAC）协议。如图1所示，WiMedia MAC将空中时间划分成一种65ms的基本时序结构，名为超帧（superframe）。然后再进一步划分为 256个介质访问隙（medium access slot）。每个超帧都开始于一个占16个介质分配隙（MAS）的信标期（beacon period）。信标是WiMedia MAC的核心；每个活动的WiMedia设备尝试在信标周期内传输自己的信标时，都必须聆听其他的信标。换句话说，空中时间的 1/16必须用于WiMedia MAC协议的信标操作。

图1 基本时序结构图

UWB 技术也不可避免地带来了数据包级的开销，如前导（preamble）、PHY 与 MAC头（PLCP 头）、IFS。所有这些都将考虑在下面的计算中。

需要注意的是，即使是最好的有线 USB 技术，虽然一般情况下比无线技术要小得多。也同样存在着通信方法的开销。一个典型实例就是“位填充”。同样，从应用观点看，在数据包级也存在着一些可以看作开销的部分，如 SYNC、EOP和CRC等。

无线 USB协议中的改进

为提高无线USB协议的效率，引入了事务类型和流量两种增强方法。

图2是无线USB与有线USB之间事务概念的一个比较图。在USB 2.0中，传入或传出一个设备当中的任何一个数据包都需要来自USB主机的一个令牌。在无线 USB 中，数据传输则以事务组（transaction group）的形式完成。事务组是指微调度管理指令（MMC）与被分配协议时间隙的组合，在时间隙期间执行一个或多个无线 USB 事务。即，对无线 USB，并非每个空中传输数据包都需要一个令牌；一组针对不同端点（EP）管道（甚至是不同设备）的事务可以共享同一令牌。

图2 无线与有线USB事务概念的比较

无线USB中的传输率改进是通过定义一种较大的包尺寸（最大为 3584 应用负荷）与数据的突发模式来实现的。通过使用数据突发模式，帧间距可以从 10μs 减小到 1.875μs。另外，还可以使用突发先导（5.625μs）来代替标准先导（9.875μs）。

无线USB的拓扑结构产生了大的有效带宽。由于其无线特性，不再需要传统的“树”状拓扑，这样集线器就被省略了。原来消耗在集线器轮询上的时间现在可以用于数据传输。

最后，无线USB 在高级协议上作了一些优化。例如，对bulk-in（批量传入）事务，无线USB不需要一个主机来发送独立的握手包，而是将握手信息嵌入在其后的MMC 中。这样进一步提高了信道的使用效率。另外，还省略了控制传输设置阶段的握手（handshake），如果数据段后紧接着控制传输，则数据段令牌将嵌入到设置令牌中。

从上述分析可见，无线USB 有一些由于无线特性以及介质访问控制层所带来的额外开销，但无线 USB 协议设计者亦采用了一些新方法来提升系统传输率。因此，需要把全部因素包括进来，以作全面考虑。下面我们将计算无线 USB 的有效带宽，并作进一步的详尽描述。

计算应用的有效带宽

下面的计算基于一种单设备的简单方案。类似方法也可以分析多设备的情况。理想情况下，如果一个无线 USB 主机可以将不同设备的多个事务安排在单一事务组中，则能够大大改进平均传输率数字（因为令牌本身被认为是一种协议开销，因此，如果多个事务能够共享一个令牌，则能减少总开销）。

表1是一个标准无线USB数据包开销的计算。

现在，我们看看在事务级的带宽特性。此处以批量传出（bulk-out）事务为例，批量传入（bulk-in） 事务的计算方法与之相似。此外，由于无线USB协议省略了bulk-in事务的独立握手包，因此bulk-in 可以实现比bulk-out更高的流量。（相同的 MMC 可以用于批量传入（bulk-in）和批量传出（bulk-out）事务，前提是这些事务被组合到一个事务组。）

整个事务的持续时间将为：T=2*SIFS+burstsize*(MIFS+Packetduration)+AckDuration+ MMCOUTDuration。握手与 MMC 持续时间的计算采用一种简单方法，因为两种包都是一种预定义好的格式，有固定的长度。等效有效带宽的计算方式如下：B = [本次事务中传输的有效应用负荷/ T] *15/16。

其中，附加的因数 15/16 用于消除信标操作的开销。

表2列出了不同数据包与突发尺寸配置下的有效应用带宽。

应用的全部有效带宽大约为总带宽的 75%。

注意，上述计算是单纯基于事务级开销，没有考虑用于信道保留的 MAC 层共存策略。

USB事务级的等效带宽如表3所示。

应用的全部有效带宽大约为总带宽的88%。

注意，这一计算中尚未包含一些其他因素（虽然不太重要），如SOF和轮询集线器所消耗的时间。

从USB 转到无线USB有效带宽的下降是源于射频的特性：即在发射（TX）与接收（RX）之间过渡耗时严重。

与USB相比，无线USB 更适合于批量数据传输，而对少量数据来说，过渡的成本太高。

另外对 ISO 传输，无线USB 定义了一个限制，即把每个同步端点对带宽的需求限制在不超过 40 Mb/s。这意味着：如果一个同步端点服务间隔为 4.096ms，带宽需求为 40Mb/s，则每个服务间隔内可移动 21475字节。将这个数字与支持大带宽端点的USB 2.0（最高 192Mb/s）相比较。在准备实现需要大带宽的同步传输时，要牢记这一点。

应用实例

表4是几个当前使用USB并需要大带宽的典型应用实例。通过分析这些实例的带宽需求，就能更好地了解这些应用是否能够完美地配合于无线 USB 框架。

总结

迄今为止我们所见的大多数应用均可以无缝地迁移到无线USB 上。至于海量存储这种“贪婪”的应用，无线USB的性能与USB 2.0相比会受到一些影响。这种情况下必须作进一步研究，从而确保在提供特定应用及无线解决方案时，性能的降级程度在可承受范围内。

实现建议

如前所述，无线USB协议通过传输批量数据可以获得更好的带宽性能，系统设计者应有效地管理缓存，即当主机给出一个用于数据传输的时间窗口（CTA）时，设备应总是保有足够用于发送的数据，或有足够保存数据的缓存空间。缓存管理不仅要考虑来自应用的需求，还要考虑无线 USB 的端点成对描述符（endpoint companion descriptor）。否则，主机仍要根据包尺寸与突发尺寸来安排一个大的时间窗口，而事实上，设备实际只用到一部分时间。这也会浪费整体的总线带宽。

同样，如果无线USB主机可以积累来自较高层的多个事务请求，并将它们高效地组织成事务组，也将提升多设备配置的总体系统性能。当然，主机实现应有充足的本地缓存，以保存该事务组中发射或接收的数据包。