柏士(Cypress)開發的無線USB(WirelessUSB)技術，正成為無線人機介面裝置(HID)系統的產業標準。無線USB使用免執照的2.4GHz頻段，由於此頻段在大多數國家都有類似的頻寬規範，因此不須要變更頻率或傳輸功率就可以在世界各地通行無阻...
柏士(Cypress)開發的無線USB(WirelessUSB)技術，正成為無線人機介面裝置(HID)系統的產業標準。無線USB使用免執照的2.4GHz頻段，由於此頻段在大多數國家都有類似的頻寬規範，因此不須要變更頻率或傳輸功率就可以在世界各地通行無阻。最近柏士在無線USB的標準化過程中更加入愛特梅爾(Atmel)為第二家夥伴，另外，無線USB已經通過FCC、ETSI與ARIB的規格測試，而且FDA也批准無線USB應用於手術室環境。
以往大多數低速無線感測器網路都是採用各家獨自研發的專屬技術，自從無線USB和ZigBee技術問世之後，現在這些系統都可享有低成本的解決方案。
ZigBee是一項相當新的業界標準，這項標準試圖解決內含多個節點而且複雜的網路問題，並針對網狀網路(Mesh Network)與叢集樹型網路(Cluster Tree Network)提供最佳化的設計，以實現點對點的通訊模式。
當設計低成本、低電耗的無線感測器網路時，成本、電池續航力、傳輸範圍、抗干擾性，以及安全性等都是必須考量的因素，而無線USB恰好可以滿足這些需求，另一項因素是僅讀記憶體/隨機存取記憶體(ROM/RAM)的大小和成本也必須納入考量。以下將一一討論這些問題，並簡單介紹柏士推出的可程式系統單晶片(PSoC)混合訊號陣列在這些應用上所帶來的相關效益。
無線感測器網路的主要考量之一，在於某一節點與無線基地台之間有多遠的傳輸距離，即訊號範圍，而傳輸功率、接收敏感度、以及天線增益(Antenna Gain)是構成無線射頻裝置訊號範圍的三個要素，這三個要素會影響無線電模組的效能表現。由無線USB LR晶片與平面倒F形天線(PCB Trace Inverted “F” Antenna, PIFA)所構成的無線電模組在內部功率放大器(PA)值為7，但沒有外接PA的情況下，可以涵蓋100公尺以上的訊號範圍。雖然PIFA天線需要有鄰近的地線面(Ground Plane)才能達到良好的發射效果，不過由於這種天線提供最低的遞增成本，通常是組裝與提高良率的最佳選擇。
由於無線USB可涵蓋50公尺以上的範圍，因此無線USB感測器網路不須要使用路由器來建構長距離星狀網路，通常只有在感測器位於無線基地台範圍外的情況下，才須要在網路上使用路由器。路由器的主要功能在於當某個節點因為收發訊號的範圍有限，不能獨自與基地台進行傳輸時，可透過路由器轉送該節點的封包。
目前無線USB無線電可分為無線USB LS和無線USB LR兩種，無線USB LS在不外接功率放大器時，其傳輸範圍可達10公尺，非常適用於人機介面裝置與消費性電子元件等只需短距和低功率傳輸的無線裝置；無線USB LR不外接功率放大器時，可涵蓋50公尺以上的傳輸範圍，而當外接功率放大器時，其傳輸範圍可達500公尺以上，若使用定向天線時，其傳輸範圍可以更大。無線USB LR無線電相當適用於中距離與低功率傳輸的無線感測器(圖1)。
若要延長無線感測器系統的電池續航力，最重要的關鍵是將工作週期(開/關週期)降到最低，由於無線USB感測器節點可能絕大多數時間都處於睡眠模式，無線電實際進行發送或接收的時間可能不到整體時間的0.1%，平均的電流消耗因此也相當低。電池續航力主要取決於平均電流的高低，即使像CR2477鋰電池之類的袖珍電池，也可讓無線USB感測器節點達到五年以上的電池續航力。
然而，有些因素會嚴重影響無線節點的電池續航力，例如電容器、電阻器與電感器等外接元件，在感測器處於靜止狀態下仍然不斷消耗電力。表1與表2所列舉的電池使用情況，內含所有會影響感測器平均耗電量的主要因素，表1顯示無線USB LR感測器的基本電池續航力(情境1)；表2顯示其他元件的例行耗電量加倍時，電池續航力所受的影響(情境2)，兩者對照之下，可見感測器的電池續航力縮短將近一半。
如果要讓所使用的AA電池之續航力超過十年以上，就必須將微處理器與無線電之外的元件之靜態電流控制在低於50μA的情況。若使用AAA電池或鋰電池，則其他元件的靜態電流必須低於20μA。此外，如果採用3.6V的鋰電池，通常就不使用線性穩壓器(LDO)，如此可大幅降低感測器在睡眠模式下的電流消耗量。
無線USB採用直接序列展頻(DSSS)訊號，這種訊號具備比傳統窄頻無線電技術更短且更寬的特性，DSSS訊號將整個頻寬分成79個1MHz的獨立頻率通道。由於無線USB能提供較多的通道數目，因此多個無線USB裝置可在同一個實體空間中並存運作，也使無線USB可在其他訊號之間找到「閒置」的通道(圖2)。
DSSS系統以展頻(Pseudo Noise, PN)碼的形式傳送每一個資料位元，PN碼的每個元素稱為Chip。當環境有訊號干擾的狀況發生時，或接近傳輸範圍的邊界時，PN碼的某些Chip在傳輸時常會發生毀損現象。
DSSS接收器使用資料關聯器(Data Correlator)將傳入的資料流解碼，如果Chip發生錯誤的數目低於關聯器錯誤的門檻，接收的資料仍可正確無誤。因此即使無線USB所用頻率均受到干擾而導致Chip的錯誤率超過10%以上，無線USB系統還是可正確無誤地接收資料。無線USB可以使用每位元內含32或64Chip的PN碼。
如果Chip的錯誤程度超過關聯器的錯誤門檻，所接收的資料位元並不會毀損，而是被「清除」。然而，資料被清除的機會比較大，至於資料真正受到毀損的機率微乎其微，因為只有在傳入的資料流遇到跟一般邏輯狀態相反的PN碼時，才會讓大部分的Chip被毀損。被清除的資料比發生錯誤的資料更容易被修正，因為只要將每個資料位元組進行戶斥或(XOR)運算，然後以運算結果的封包值(Checksum)作為每個封包的最後一組位元傳送，這樣可以運用這個封包值來修正被接收封包的每個位元位置中的一項錯誤。
由於採用DSSS訊號的優點是可兼備穩固性與強而有力的錯誤校正功能，因此可讓無線USB適用於絕大多數的運作環境，但如果無線USB系統鄰近有過強訊號帶來的外來干擾，例如WiFi或無線電話所造成的干擾，這些過強的訊號還是可以對2.4GHz ISM頻寬造成干擾。
為了和這些過強干擾的訊號彼此共存，無線USB可以在目前進行傳輸的頻道環境遭受過度干擾時，自行變更訊號傳輸頻道。無線USB會監測遭毀損的封包頻率以及該通道的訊號強度，如果干擾訊號一直很強，無線USB會改用訊號傳輸比較不會受到干擾的頻道。這樣的設計可以避免受到較強訊號如WiFi的干擾，但不會在每次遇到跳頻裝置如藍芽裝置，在相同頻道傳送封包時就更換傳輸頻道。
柏士在無線USB中採用微加密演算法(Tiny Encryption Algorithm, TEA)，TEA是日前速度最快以及效率最高的密碼編譯演算法之ㄧ，是運用XOR、ADD與SHIFT等混合(正交)代數運算方式的費斯妥(Feistel)密碼。柏士無線USB使用128位元的金鑰將資料以每64位元為單位的方式進行加密，另外這種演算法對差動密碼分析法(Differential Cryptanalysis)具備相當高的抵禦能力。這種演算法只要進行六次後就可以具有完整的擴散效果，也就是原文(Plaintext)中一個位元的差異，大約會造成密文(Ciphertext)中32位元的差異。在柏士公司無線USB LS鍵盤與滑鼠參考設計套件中，TEA加密韌體只需不到800位元的ROM以及40位元的RAM之記憶體空間。
由於星狀拓樸結構相當簡單而精確，因此無線USB精簡功能元件(Reduced Function Devices, RFD)在傳輸協議堆疊方面只需要不到6kB的ROM與不到100位元的RAM之記憶體空間，而且可結合低成本之8kB微控制器與256位元的RAM，即可建構一個RFD元件。
作為星狀網路的中樞，無線USB全功能元件(Full Function Devices, FFD)需要12kB的ROM和4kB的RAM來控制256個節點的網路。如果應用資料只從RFD傳送到FFD設備，則FFD只需要256位元組RAM的記憶體空間。
柏士目前已開始供應28針腳SOIC與48接腳QFN封裝型態的無線USB LS收發器(CY6934)，大宗量購之單價低於2美元。另外還有提供較長傳輸距離無線USB LR之工業版的收發器(C6935)，大宗量購之單價約為3美元。
適用於無線USB RFD的微控制器為32針腳的CY8C21434-24LFXI，這項元件整合8kB的ROM以及512位元的RAM，大宗量購之單價約為1美元。而柏士具備較強勁功能的PSoC系列產品內含16kB至32kB ROM以及256位元至2kB RAM的容量，相當適用於無線USB FFD，大宗量購之單價約為2美元。
因此整個無線USB RFD晶片組的成本約為3美元，而無線USB FFD晶片組則約為4美元。相較之下，同等級的網狀無線感測器網路晶片解決方案，其成本則超過6.5美元。
然而，網狀以及叢集樹型網路因較為複雜且耗用的資源較高，因此為許多其他無線感測器網路的成本添增不必要的成本。從圖3可以看出，網狀網路所需的全功能元件數量比星狀網路要高許多。
Zigbee的精簡功能元件需要大約32kB的ROM以及4kB的RAM，但Zigbee全功能元件至少需要64kB ROM以及8kB RAM的資料儲存容量，換而言之，Zigbee無線感測器不能採用低成本的8kB或16kB ROM之微控制器來運作。
柏士所開發的PSoC微控制器相當適合應用於無線USB感測器網路，PSoC是一種真正的系統單晶片架構，採用可編程式的混合訊號陣列，並整合微控制器以及一些嵌入式設計中常見的相關周邊電路。
所有的PSoC元件都可以提供動態重新組態的功能，讓設計人員可即時建構新的系統功能。由於可以將同一個矽片在後續的時脈週期中設定為不同的功能，內部元件資源常可達到120%以上的使用率，因此除促使元件具備獨特的最佳化設計與富有彈性的特性，也降低整體材料清單(BOM)之成本。
無線USB設計能夠滿足無線感測器網路在成本、電池續航力、傳輸範圍、抗干擾性，以及安全性等的嚴格要求，是低速與低成本無線感測器網路的理想解決方案。