無線應用再添一樁 WUSB頻寬效能大躍進

2008-04-09
無線USB(Wireless 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線方案。無線USB設備的開發人員主要考慮的是保證與先前成熟技術如USB 2.0相當的傳輸率(Throughput)。本文將對無線USB頻寬特性進行分析,並與USB進行比較。然後,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設備配置進行配置。這些例子表明,大量潛在的USB設備也可以採用無線USB技術,同時還有助於理解當前系統實現中可能會出現的瓶頸,以及進一步提升系統流量的可能方案。
認證無線USB(Certified Wireless USB)是一種新技術,它提供的無線連接能力建立在WiMedia超寬頻(UWB)公共射頻平台之上。WiMedia UWB可以提供高達480Mbit/s的頻寬,這也是有線USB 2.0的頻寬,因此,它吸引終端用戶與應用開發人員將現有USB應用遷移到無線領域。USB無線技術應用將使可攜式硬碟(Portable Hard Disk Drive)、印表機、數位相機以及PDA或手機之類的手持設備受益。  

現在人們非常關注新無線USB協議到底能為應用或類別驅動(Class Driver)提供多大的有效頻寬,以及能否提供足夠的頻寬以支援應用USB的設備,尤其是那些以龐大架構和高頻寬要求為基礎的應用設備。首先,本文將詳細分析降至訊框層級(Frame Level)的無線協議經常性開銷(Overhead),並提供其與USB的簡單比較作為參考。接下來,將研究幾個應用實例。最後,會簡單討論系統實現中的潛在瓶頸以及可能的解決方案。  

無線USB經常性開銷高於有線USB  

由於無線USB的自身特性,與有線USB相比,它需要額外的開銷。無線USB建立在WiMedia UWB平台之上,該平台包含用於點對點(Ad Hoc)微網(Piconet)的一個UWB實體(PHY)層,以及整套的分布式媒體存取控制(MAC)協議。WiMedia MAC將空中時間劃分成一種65毫秒的基本時序架構,名為超訊框(SuperFrame)。然後再進一步劃分為兩百五十六個媒體存取槽(Medium Access Slot, MAS)。每個訊框都開始於一個占十六個MAS的訊標期(Beacon Period)。訊標是WiMedia MAC的核心;每個運作中WiMedia設備嘗試在訊標周期內傳輸自己的訊標時,都必須聆聽其他的訊標。換句話說,空中時間的1/16必須用於WiMedia MAC協議的訊標操作。超訊框相關運作如圖1。

圖1 超訊框相關運作圖

UWB技術也不可避免地帶來了封包級的開銷,如前置碼(Preamble)、PHY與MAC頭--實體層收斂協定頭(PLCP頭)、IFS,這些都將考慮在計算中。  

值得一提的是,即使是最好的有線USB技術,也同樣存在著通訊方法的開銷,雖然一般情況下它比無線技術要小得多。一個典型實例就是位元填塞(Bit Stuffing)。同樣,從應用觀點看,在封包級也存在著一些可以看作開銷的部分,如同步(SYNC)、封包結束(EOP)、循環冗餘核對(CRC)等。  

無線USB傳輸效率再升級  

為提升無線USB協議的效率,引入了一些增強方法,包括處置動作(Transaction)類型與傳輸率等。  

圖2是無線USB與有線USB之間交互作用的一個比較圖。在USB 2.0中,傳入或傳出一個設備當中的任何一個封包都需要來自USB主機的一個標記(Token)。在無線USB中,數據傳輸則以處置動作組(Transaction Group)的形式完成。處置動作組是指微調度管理指令(MMC)與被分發協議時間槽的組合,在時間槽期間執行一個或多個無線USB動作。

圖2 有線與無線USB交互作用比較圖

同樣地,對無線 USB,並非每個空中傳輸封包都需要一個標記;一組針對不同端點(EP)管道,甚至是不同設備的動作都可以共享同一標記。  

無線USB中的傳輸率改進是透過定義一種較大的封包尺寸,最大為 3,584應用負荷(Payload),與數據的突發模式來實現。透過使用數據突發模式,訊框間距可以從10微秒減小到1.875微秒。另外,還可以使用突發前文(5.625微秒)來代替標準前文(9.875微秒)。  

無線USB的拓撲架構具有較大的有效頻寬。由於無線USB的無線特性,因而不再需要傳統的樹狀拓撲,可省略集線器的使用,進而讓原來消耗在集線器輪詢上的時間可以用於數據傳輸。  

最後,無線USB在高級協議上作了一些最佳化。例如,對批量傳入(Bulk-in)動作,無線USB不需要一個主機來發送獨立的交握封包(Handshake Packet),而是將交握訊息嵌入在其後的MMC中。這樣進一步提升了通道(Channel)的使用效率。另外,還省略了控制傳輸設置階段的交握,如果數據段後緊接著控制傳輸,則數據段標記將嵌入到設置訊號中。  

從上述分析可見,無線USB有一些由於無線特性以及媒體存取控制層所帶來的額外開銷,但無線USB協議設計者亦採用了一些新方法來提升系統傳輸率。因此,需要把全部元素包括進來,來作全面考慮。下面我們將計算無線USB的有效頻寬,並作進一步的詳盡描述。  

有效頻寬斤斤計較  

下面的計算基於一種單設備的簡單方案,類似方法也可以分析多設備的情況。理想情況下,如果一個無線USB主機可以將不同設備的多個動作安排在單一動作組中,則能夠大大改進平均傳輸率。理由是因為標記本身被認為是一種協議開銷,因此,如果多個動作能夠共享一個標記,則能減少經常性開銷。  

首先,來查看在無線USB封包級上的開銷。圖3是一個標準無線USB封包的詳細分解圖。其開銷的計算見表1。

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圖3 無線USB封包分解圖

表1 無線USB開銷計算表
Bulk長度 FCS TKID Rev EO SFN 無線USB頭 MIC 總計
 512 4 3 1 2 6 2 8  538
1,024 4 3 1 2 6 2 8 1,050
1,536 4 3 1 2 6 2 8 1,562
2,048 4 3 1 2 6 2 8 2,074
2,560 4 3 1 2 6 2 8 2,586
3,072 4 3 1 2 6 2 8 3,098
3,584 4 3 1 2 6 2 8 3,610

在計算頻寬時將需要封包傳輸的持續時間,透過下列公式,可得計算結果如表2。

表2 封包傳輸所需時間比較表
封包大小 \ 數據速率 538 1,050 1,562 2,074 2,586 3,098 3,610
3.3 94.5375 171.3375 248.1375 324.9375 401.7375 478.5375 555.3375
80 67.4 118.6 169.8 221 272.2 323.4 376.4
106.7 53.83125 92.23125 130.63125 169.03125 207.43125 245.83125 284.23125
160 40.2625 65.8625 91.4625 117.0625 142.6625 168.2625 193.8625
200 31.085 51.565 72.045 92.525 113.005 133.485 153.965
320 22.94375 35.74375 48.54375 61.34375 74.14375 86.94375 99.74375
400 20.23 30.47 40.71 50.95 61.19 71.43 81.67
480 18.42083333 26.95416667 35.4875 44.020833 52.5541667 61.0875 69.620833

封包持續時間(微秒)﹦PSDU+PLCP+PT  

至於在交互作用級的頻寬特性。此處以批量傳出(Bulk-out)處置動作為例,Bulk-in處置動作的計算方法與之相似。此外,由於無線USB協議省略了Bulk-in處置動作的獨立交握封包,因此Bulk-in可以實現比Bulk-in更高的流量。  

要補充的是,相同的MMC可以用於批量傳入和批量傳出處置動作,前提是這些動作被組合到一個處置動作組。  

整個處置動作的時間將為︰
T=2×SIFS+burstsize×(MIFS+Packetduration)+AckDuration+MMCOUTDuration  

交握與MMC持續時間的計算採用一種簡單方法,因為兩種封包都是一種預先定義好的格式,有固定的長度。  

等效有效頻寬的計算模式如下︰
B=[本次動作中傳輸的有效應用負荷/T]×15/16
附加的因數15/16用於消除訊標操作的開銷。傳輸的主從關係如圖4。

圖4 無線USB主從應用圖

表3則列出了不同封包與突發尺寸配置下的有效應用頻寬。其應用全部有效頻寬大約為總頻寬的 75%。而前述計算是單純以處置動作級為基礎的開銷,沒有考慮用於頻道保留的MAC層共存策略。

表3 有效應用頻寬比較表                   單位:Mbit/s
突發 \ 封包尺寸 538 1,050 1,562 2,074 2,586 3,098 3,610
1 48 87 119 146 169 188 205
2 77 131 172 203 228 249 266
3 96 158 202 234 259 278 294
4 109 176 221 253 277 296 311
5 119 189 234 266 290 308 322
6 127 198 244 275 298 316 330
7 133 206 251 282 305 322 336
8 139 212 257 288 310 327 341
9 143 217 262 293 315 331 344
10 146 221 266 296 318 334 347
11 149 224 269 299 321 337 350
12 152 227 272 302 323 339 352
13 154 230 275 304 325 341 353
14 156 232 277 306 327 343 355
15 158 234 279 308 329 344 356
16 160 236 280 310 330 346 357

表4比較了USB處置動作級的等效頻寬,其應用的全部有效頻寬大約為總頻寬的88%。要注意的是,這一計算中尚未包含一些其他元素,如SOF和輪詢集線器所消耗的時間。而從USB轉到無線USB有效頻寬的下降是源於射頻的特性,即在發射(TX)與接收(RX)之間過渡耗時嚴重。與USB相比,無線USB更適合批量數據傳輸,而對少量數據來說,過渡的成本太高。

表4 USB處置動作等效頻寬比較表
數據負荷 最大頻寬(Mbit/s) 每次傳輸的微幀頻寬 最大流量 保留位元組 每個微幀的可用位元組
1 8.512 1% 133 52 133
2 16.768 1% 131 33 262
4 32.512 1% 127 7 508
8 60.928 1% 119 3 952
16 107.52 1% 105 25 1,680
32 176.128 1% 86 18 2,752
64 258.048 2% 63 3 4,032
128 327.68 2% 40 180 5,120
256 393.216 4% 24 36 6,144
512 425.984 8% 13 129 6,656

另外對ISO傳輸,無線USB定義了一個限制,即把每個同步端點對頻寬的需求限制在不超過40 Mbit/s。這意味著如果一個同步端點服務間隔為4.096毫秒,頻寬需求為40Mbit/s,則每個服務間隔內可移動21,475個位元組。將這個數字與支援大頻寬端點的USB 2.0(最高192Mbit/s)相比較,並在準備實現需要大頻寬的同步傳輸時,牢記這一點。  

無線USB大頻寬應用有望  

從幾個當前使用USB並需要大頻寬的典型應用實例來看,透過分析這些實例的頻寬需求,就能進一步了解這些應用是否能夠完美地配合無線USB框架(表5)。

表5 USB應用所需頻寬

USB 2.0應用 負荷頻寬 (bit/s)
USB 2.0 行動硬碟 ~400M
16x DVD-ROM 177.28M
4xDVD 燒錄機 44.32M
MPEG2 視訊 6~15M
MPEG4 數據流 2.254M
MPEG4-AVC/H.264 視訊 1M
5聲道音訊 320K
WLAN 802.11a 卡 54M
HSDPA modem ~7.2M

迄今為止我們所見的大多數應用均可以無縫遷移到無線USB上。至於大量儲存這種應用,無線USB的性能與USB 2.0相比會受到一些影響。這種情況下必須作進一步研究,進而確保在提供特定應用及無線解決方案時,性能的降級程度會在可承受範圍內。  

如前所述,無線USB協議透過傳輸批量數據可以獲得更好的頻寬性能,系統設計者應有效地管理緩存,即當主機給出一個用於數據傳輸的時間窗口(CTA)時,設備應總是保有足夠用於發送的數據,或有足夠保存數據的緩存空間。緩存管理不僅要考慮來自應用的需求,還要考慮無線USB的端點成對描述訊息(Endpoint Companion Descriptor)。否則,主機仍要根據封包尺寸與突發尺寸來安排一個大的時間窗口,而事實上,設備實際只用到一部分時間。這也會浪費整體的匯流排頻寬。  

同樣,如果無線USB主機可以累積來自較高層的多個處置動作請求,並將它們高效組織成處置動作組,也將提升多設備配置的總體系統性能。當然,主機實現應有充足的本地緩存,以保存該處置動作組中發射或接收的封包。  

(本文作者任職於恩智浦半導體)

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