無(wú)線(xiàn)USB協(xié)議的帶寬分析

         無(wú)線(xiàn)USB是一種新型互連方法，它為現有USB應用提供了一種替代的無(wú)線(xiàn)方案。無(wú)線(xiàn)USB設備的開(kāi)發(fā)人員的首要考慮是保證與以往成熟技術(shù)（如USB 2.0）相當的傳輸率。本文對無(wú)線(xiàn)USB 帶寬特性作了詳細分析，并與USB進(jìn)行了比較。然后，利用分析結果對幾種單USB 設備傳輸率需求與一系列有代表性的多USB設備配置進(jìn)行建模。這些例子表明，大批潛在的USB 設備亦可以采用無(wú)線(xiàn)USB 技術(shù)實(shí)現。本文還有助于讀者理解當前系統實(shí)現中可能會(huì )出現的瓶頸，以及進(jìn)一步提升系統流量的可能方案。本文假設讀者已熟悉了USB 系統架構。

介紹

認證無(wú)線(xiàn) USB（Certified Wireless USB）是一種新技術(shù)，它提供的無(wú)線(xiàn)連接能力建立在強大的 WiMedia 超寬帶（UWB）公共射頻平臺之上。WiMedia UWB 可以提供高達480Mb/s的帶寬，這也是有線(xiàn)USB 2.0的帶寬。因此，它吸引終端用戶(hù)與應用開(kāi)發(fā)人員將現有 USB 應用遷移到無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域。USB無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用將使便攜硬盤(pán)驅動(dòng)、打印機、數碼相機、以及諸如PDA或手機一類(lèi)的手持設備受益。

現在人們對新協(xié)議到底能為應用或類(lèi)驅動(dòng)（class driver）提供多大的有效帶寬表示關(guān)注。由于其無(wú)線(xiàn)特性，總開(kāi)銷(xiāo)中必須計入一些額外的部分。無(wú)線(xiàn) USB 能否提供足夠的帶寬以支持應用USB的設備，尤其是那些基于龐大結構和高帶寬要求的應用設備？本文特別關(guān)注無(wú)線(xiàn)USB協(xié)議的效率問(wèn)題。首先，我們將詳細分析降至幀級的無(wú)線(xiàn)協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，并提供其與USB的簡(jiǎn)單比較作為參考。接下來(lái)，我們將研究幾個(gè)應用實(shí)例。最后，我們會(huì )簡(jiǎn)單討論系統實(shí)現中的潛在瓶頸以及可能的解決方案。

無(wú)線(xiàn)USB協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)的分析

由于無(wú)線(xiàn)USB的自身特性，與有線(xiàn)USB相比，它要有一些“額外”的開(kāi)銷(xiāo)。無(wú)線(xiàn) USB 建立在 WiMedia UWB 平臺之上，該平臺包含用于點(diǎn)對點(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(fǎng)問(wèn)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)序結構，名為超幀（superframe）。然后再進(jìn)一步劃分為 256個(gè)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)隙（medium access slot）。每個(gè)超幀都開(kāi)始于一個(gè)占16個(gè)介質(zhì)分配隙（MAS）的信標期（beacon period）。信標是WiMedia MAC的核心；每個(gè)活動(dòng)的WiMedia設備嘗試在信標周期內傳輸自己的信標時(shí)，都必須聆聽(tīng)其他的信標。換句話(huà)說(shuō)，空中時(shí)間的 1/16必須用于WiMedia MAC協(xié)議的信標操作。

圖1 基本時(shí)序結構圖

UWB 技術(shù)也不可避免地帶來(lái)了數據包級的開(kāi)銷(xiāo)，如前導（preamble）、PHY 與 MAC頭（PLCP 頭）、IFS。所有這些都將考慮在下面的計算中。

需要注意的是，即使是最好的有線(xiàn) USB 技術(shù)，雖然一般情況下比無(wú)線(xiàn)技術(shù)要小得多。也同樣存在著(zhù)通信方法的開(kāi)銷(xiāo)。一個(gè)典型實(shí)例就是“位填充”。同樣，從應用觀(guān)點(diǎn)看，在數據包級也存在著(zhù)一些可以看作開(kāi)銷(xiāo)的部分，如 SYNC、EOP和CRC等。

無(wú)線(xiàn) USB協(xié)議中的改進(jìn)

為提高無(wú)線(xiàn)USB協(xié)議的效率，引入了事務(wù)類(lèi)型和流量?jì)煞N增強方法。

圖2是無(wú)線(xiàn)USB與有線(xiàn)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)設備當中的任何一個(gè)數據包都需要來(lái)自USB主機的一個(gè)令牌。在無(wú)線(xiàn) USB 中，數據傳輸則以事務(wù)組（transaction group）的形式完成。事務(wù)組是指微調度管理指令（MMC）與被分配協(xié)議時(shí)間隙的組合，在時(shí)間隙期間執行一個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn) USB 事務(wù)。即，對無(wú)線(xiàn) USB，并非每個(gè)空中傳輸數據包都需要一個(gè)令牌；一組針對不同端點(diǎn)（EP）管道（甚至是不同設備）的事務(wù)可以共享同一令牌。

圖2 無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)USB事務(wù)概念的比較

無(wú)線(xiàn)USB中的傳輸率改進(jìn)是通過(guò)定義一種較大的包尺寸（最大為 3584 應用負荷）與數據的突發(fā)模式來(lái)實(shí)現的。通過(guò)使用數據突發(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（5.625μs）來(lái)代替標準先導（9.875μs）。

無(wú)線(xiàn)USB的拓撲結構產(chǎn)生了大的有效帶寬。由于其無(wú)線(xiàn)特性，不再需要傳統的“樹(shù)”狀拓撲，這樣集線(xiàn)器就被省略了。原來(lái)消耗在集線(xiàn)器輪詢(xún)上的時(shí)間現在可以用于數據傳輸。

最后，無(wú)線(xiàn)USB 在高級協(xié)議上作了一些優(yōu)化。例如，對bulk-in（批量傳入）事務(wù)，無(wú)線(xiàn)USB不需要一個(gè)主機來(lái)發(fā)送獨立的握手包，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置階段的握手（handshake），如果數據段后緊接著(zhù)控制傳輸，則數據段令牌將嵌入到設置令牌中。

從上述分析可見(jiàn)，無(wú)線(xiàn)USB 有一些由于無(wú)線(xiàn)特性以及介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層所帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)，但無(wú)線(xiàn) USB 協(xié)議設計者亦采用了一些新方法來(lái)提升系統傳輸率。因此，需要把全部因素包括進(jìn)來(lái)，以作全面考慮。下面我們將計算無(wú)線(xiàn) USB 的有效帶寬，并作進(jìn)一步的詳盡描述。

計算應用的有效帶寬

下面的計算基于一種單設備的簡(jiǎn)單方案。類(lèi)似方法也可以分析多設備的情況。理想情況下，如果一個(gè)無(wú)線(xiàn) USB 主機可以將不同設備的多個(gè)事務(wù)安排在單一事務(wù)組中，則能夠大大改進(jìn)平均傳輸率數字（因為令牌本身被認為是一種協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，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(kāi)銷(xiāo)）。

現在，我們看看在事務(wù)級的帶寬特性。此處以批量傳出（bulk-out）事務(wù)為例，批量傳入（bulk-in） 事務(wù)的計算方法與之相似。此外，由于無(wú)線(xiàn)USB協(xié)議省略了bulk-in事務(wù)的獨立握手包，因此bulk-in 可以實(shí)現比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)的持續時(shí)間將為：T=2*SIFS+burstsize*(MIFS+Packetduration)+AckDuration+ MMCOUTDuration。握手與 MMC 持續時(shí)間的計算采用一種簡(jiǎn)單方法，因為兩種包都是一種預定義好的格式，有固定的長(cháng)度。等效有效帶寬的計算方式如下：B = [本次事務(wù)中傳輸的有效應用負荷/ T] *15/16。

其中，附加的因數 15/16 用于消除信標操作的開(kāi)銷(xiāo)。

表2列出了不同數據包與突發(fā)尺寸配置下的有效應用帶寬。

應用的全部有效帶寬大約為總帶寬的 75%。

注意，上述計算是單純基于事務(wù)級開(kāi)銷(xiāo)，沒(méi)有考慮用于信道保留的 MAC 層共存策略。

USB事務(wù)級的等效帶寬如表3所示。

應用的全部有效帶寬大約為總帶寬的88%。

注意，這一計算中尚未包含一些其他因素（雖然不太重要），如SOF和輪詢(xún)集線(xiàn)器所消耗的時(shí)間。

從USB 轉到無(wú)線(xiàn)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(guò)渡耗時(shí)嚴重。

與USB相比，無(wú)線(xiàn)USB 更適合于批量數據傳輸，而對少量數據來(lái)說(shuō)，過(guò)渡的成本太高。

另外對 ISO 傳輸，無(wú)線(xiàn)USB 定義了一個(gè)限制，即把每個(gè)同步端點(diǎn)對帶寬的需求限制在不超過(guò) 40 Mb/s。這意味著(zhù)：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)間隔內可移動(dòng) 21475字節。將這個(gè)數字與支持大帶寬端點(diǎn)的USB 2.0（最高 192Mb/s）相比較。在準備實(shí)現需要大帶寬的同步傳輸時(shí)，要牢記這一點(diǎn)。

應用實(shí)例

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

總結

迄今為止我們所見(jiàn)的大多數應用均可以無(wú)縫地遷移到無(wú)線(xiàn)USB 上。至于海量存儲這種“貪婪”的應用，無(wú)線(xiàn)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用及無(wú)線(xiàn)解決方案時(shí)，性能的降級程度在可承受范圍內。

實(shí)現建議

如前所述，無(wú)線(xiàn)USB協(xié)議通過(guò)傳輸批量數據可以獲得更好的帶寬性能，系統設計者應有效地管理緩存，即當主機給出一個(gè)用于數據傳輸的時(shí)間窗口（CTA）時(shí)，設備應總是保有足夠用于發(fā)送的數據，或有足夠保存數據的緩存空間。緩存管理不僅要考慮來(lái)自應用的需求，還要考慮無(wú)線(xiàn) USB 的端點(diǎn)成對描述符（endpoint companion descriptor）。否則，主機仍要根據包尺寸與突發(fā)尺寸來(lái)安排一個(gè)大的時(shí)間窗口，而事實(shí)上，設備實(shí)際只用到一部分時(shí)間。這也會(huì )浪費整體的總線(xiàn)帶寬。

同樣，如果無(wú)線(xiàn)USB主機可以積累來(lái)自較高層的多個(gè)事務(wù)請求，并將它們高效地組織成事務(wù)組，也將提升多設備配置的總體系統性能。當然，主機實(shí)現應有充足的本地緩存，以保存該事務(wù)組中發(fā)射或接收的數據包。