02 - WUSB

Introdução

Conceitos básicos

Unindo as características do padrão USB com a facilidade e a praticidade da transmissão de dados sem-fio, foi criado o padrão Wireless USB ou, comumente chamado, USB sem-fio. Tal padrão foi definido pelo mesmo fórum mantenedor do padrão USB e consiste no uso de redes UWB, Ultra Wide Band, para transmissão de dados a curtas distâncias, com baixa latência e alta largura de banda.

• Ultra Wide band (UWB) é usado para referenciar qualquer tecnologia de rádio em que se use uma largura de banda maior de 500 MHZ , de acordo com a FCC (Federal Communications Commission) dos Estados Unidos.

Mantendo a compatibilidade com os dispositivos USB, o padrão Wireless USB mantém as mesmas características básicas do USB. Algumas outras propriedades foram definidas com o propósito de atender às características relacionadas à dispositivos sem-fio, como o caso da autorização de conexão ao barramento, que deve ser realizada antes da conexão de qualquer dispositivo.

Em teoria, o WUSB suporta taxas de transmissão de até 480 Mbps a distâncias de até 3 metros e 110 Mbps a até 10 metros. Como o sinal utiliza uma potência muito baixa, o WUSB é adequado para interligar aparelhos dentro do mesmo ambiente sem que existam obstáculos importantes entre eles.

O objetivo do dessa tecnologia é conectar periféricos tais como impressoras, discos rígidos externos, placas de som, tocadores de mídia e até mesmo monitores de vídeo ao micro sem a utilização de fios. Isto pode ser feito de duas formas, se o micro e/ou o dispositivo não tiver suporte ao WUSB, você precisará instalar um adaptador para converter uma porta USB convencional em uma porta WUSB. Se o micro e/ou o dispositivo já tiver suporte ao WUSB – ou seja, se eles já vierem com uma antena WUSB – nenhum dispositivo extra será necessário. Pode-se alcançar a quantidade de até 127 periféricos conectados usando uma única antena no micro.

Dado que não existe mais a necessidade de um dispositivo HUB, uma vez que as entradas físicas não são mais necessárias, esse dispositivo passou a ser desconsiderado pelo padrão WUSB. Contudo, outro dispositivo especial passou a existir. Este é chamado de DWA, Device Wire Adaptor, e tem a função de permitir a conexão entre dispositivos com fio no barramento sem-fio, fornecendo não só a conexão no barramento mais também a potência elétrica necessária para o seu funcionamento.

Fornecedores/desenvolvedores

O Wireless USB foi desenvolvido pela WiMedia Allience que é um consórcio contendo várias grandes empresas do ramo de tecnologia e informática que são a Intel Corporation, HP, LSI Logic, Microsoft Corporation, NEC Corporation, NXP Semiconductors e Samsung Electronics.

E entre as empresas que promovem essa tecnologia estão, além das que a desenvolveram, a Ericsson, Renesas, Asus, entre outras.

Cronologia

A versão 1.0 do padrão USB foi lançada em janeiro de 1996. No entanto, ele só se tornou disponível para computadores pessoais com o lançamento da versão “OEM Service Release 2” do Windows 95, na primavera de 1996. O seu uso ainda era muito limitado, visto que não havia muitos periféricos que utilizavam este barramento, e o suporte técnico desta versão ainda possuía muitos erros. Por volta de 1998, a quantidade de periféricos desenvolvidos com o padrão USB havia aumentado muito, e o lançamento do Windows 98 e de sua versão subseqüente, o “Windows 98 Second Edition”, que corrigiu alguns erros da anterior, permitiram que o USB se tornasse uma interface bastante popular. Em setembro de 1998 foi lançada a versão 1.1 do padrão USB. Ambas as versões (citadas em conjunto como USB 1.x) permitiam duas velocidades, chamadas Low-Speed (1,5 Mbps) e Full-Speed (12 Mbps).

Com o aumento na popularidade do USB 1.x, tornou-se aparente a necessidade de se aumentar a velocidade do barramento. Visto isso, foi lançado em abril de 2000 a versão 2.0 do padrão USB, que introduziu uma nova velocidade de transferência: Hi-Speed (480 Mbps). Este valor não foi escolhido por acaso: pesquisas mostraram que para uma velocidade de transmissão possibilitar compatibilidade reversa com as velocidades anteriores, ela deveria ser 40 vezes maior do que aFull Speed. Esta nova velocidade tornou o USB mais atrativo para periféricos como dispositivos de armazenamento e impressoras.

Em dezembro de 2001, foi lançado um suplemento para o USB 2.0, chamado USB On-The-Go, que permitiu a conexão direta entre periféricos, ao contrário da implementação padrão, que exige a conexão do periférico a um computador.

O USB 3.0 surgiu em novembro de 2008, com taxas de aproximadamente 5 Gbps.

O UWB foi escolhido em 2004 para servir como base para Wireless USB. A especificação oficial, lançado como versão 1.0 em maio de 2005 pelo Grupo Promotor USB sem fio, foi revisto para receber uma nova versão 1.1 ainda em 2008 e assim adicionar atualizações para melhor eficiência de energia e suporte para freqüências acima de 6 GHz. E essa tecnologia ainda está em plena pesquisa e desenvolvimento.

Pontos relevantes

As taxas de 480 e 110 Mbps divulgadas são as taxas de transmissão "brutas", que não incluem as perdas causadas pelo protocolo de transmissão, correção de erros, atenuação do sinal e assim por diante. As taxas obtidas na prática, sobretudo a distâncias maiores do que 3 ou 4 metros são muito inferiores, de forma que, em termos de velocidade, o WUSB não se compara diretamente ao USB 2.0.

A segurança da transmissão dos dados - entre o host e o dispositivo - passou a ser descrita na especificação WUSB. Essa preocupação não existia no padrão USB, pois o próprio meio de comunicação (fio) utilizado garantia a segurança desejada, uma vez que os fios dos dispositivos USB são curtos o suficiente para serem observados pelo seu utilizador.

Desta forma, como os dispositivos USB com-fio, os dispositivos USB sem-fio também ganharam um logo que indica sua compatibilidade com o padrão WUSB. O logo agora representa não só uma boa comunicação, mas uma comunicação segura.

Além de dispositivos com transmissores WUSB nativos, existem dois tipos de adaptadores. O primeiro é um transmissor que permite que PCs sem transmissores se comuniquem com dispositivos WUSB. Ele é parecido com um pendrive ou adaptador bluetooth, que você pluga em uma porta USB disponível e se chama WHA. O segundo é uma espécie de "hub" (chamado de WDA), destinado a ligar dispositivos USB ao PC com o transmissor. Você poderia ligar sua impressora USB no WDA e assim acessá-la a partir do seu PC com um transmissor WUSB.

Funcionamento

Princípios básicos de funcionamento e elementos importantes

O princípio de funcionamento é bem simples, sendo que há a transmissão de sinal wireless entre os dispositivos por meio de uma antena, que viabiliza a comunicação entre eles.

E pelo fato de não existir uma conexão física entre o host e o dispositivo, uma série de premissas devem que ser cumpridas para que se estabeleça uma conexão lógica. Para essa comunicação, o dispositivo WUSB assume vários estados que são relevantes para o host. O objetivo de seguir esses critérios é não só a criação de uma conexão, mas sim uma conexão segura antes que dados críticos passem no canal.

Existem dispositivos com transmissores e recptores WUSB nativos, e também dois tipos de adaptadores. O primeiro é um transmissor que permite que PCs sem transmissores se comuniquem com dispositivos WUSB. Ele é parecido com um pendrive ou adaptador bluetooth, que você pluga em uma porta USB disponível e se chama WHA. O segundo é uma espécie de "hub" (chamado de WDA), destinado a ligar dispositivos USB ao PC com o transmissor. Você poderia ligar sua impressora USB no WDA e assim acessá-la a partir do seu PC com um transmissor WUSB.

Fluxo de transmissão/recepção

Como o USB wired, cada transferência consiste logicamente em três pacotes: token, dados, e handshake. Entretanto, para aumentar a eficiência do uso da camada física eliminando transições caras entre a emissão e a recepção, os hosts combinam a informação de token múltipla em um único pacote. Nesse pacote, o host indica o tempo específico que os dispositivos apropriados devem aguardar até escutar um pacote de dados OUT, ou transmite um pacote de dados IN ou um handshake. O USB wireless pode definir novos tamanhos máximos do pacote para aumentar a eficiência do canal.

A camada física wireless formata as transmissões de rádio em uma faixa de freqüências, através de várias técnicas, em um canal através do qual as informações básicas são transmitidas e recebidas. A camada de ligação de dados codifica/decodifica as informações de entrada/saída (no alto da camada PHY - physical layer of the OSI model) dos pacotes de dados, e fornece o conhecimento do protocolo da transmissão, a gerência e maneja os erros na camada física, no controle de fluxo e na sincronização do frame. A camada de ligação de dados inclui o MAC (Media Access Control) e LLC (Logical Link Control) para o controle da informação sobre o canal físico. As camadas de aplicação utilizam os serviços de baixo nível do canal fornecidos pelo MAC e pelo PHY.

Desenhar topologia/arquitetura

• Topologia física

No padrão WUSB não há conexões físicas dos dispositivos com o host. Entretanto, os dispositivos que estão dispostos num raio de até 10 metros distância são capazes de estabelecer comunicação com o host. A Figura exemplifica a topologia física de uma rede de dispositivos WUSB, incluindo o uso de um dispositivo adaptador para USB com fio (Device Wire Adapter, DWA).

• Topologia lógica

Utilizando um modelo hub and spoke, onde o hub do modelo, no centro, é o host e os dispositivos são as pontas finais de cada spoke, sendo cada spoke uma conexão ponto-a-ponto entre o dispositivo e o host. Dado que os dispositivos WUSB não dependem de portas físicas, a limitação de conexão de dispositivos depende diretamente da quantidade de dispositivos sem-fio suportada pelo protocolo, sendo este limite de 127 dispositivos. A Figura ilustra o modelo da topologia WUSB.

Protocolos e tipos de acesso

O WUSB utiliza formatos de pacotes definidos na subcamada MAC (Media Access Control – Controle de Acesso ao Meio) da camada enlace. Existem quatro tipos básicos de pacote utilizados neste protocolo:

• Pacotes MMC (Micro-scheduled Management Command – Comando de Gerenciamento Microescalonado): são pacotes de controle da transmissão de rádio. Estes pacotes endereçam todos os dispositivos da rede WUSB e são transmitidos utilizando encapsulamento seguro de pacotes. Devem ser transmitidos sempre pelo host da rede e à taxa de bits mais confiável do protocolo, que é a taxa básica de sinalização da camada física.
• Pacotes de dados: estes pacotes podem ser transmitidos tanto por um host como por um dispositivo e carregam dados específicos da aplicação. Podem ser transmitidos a qualquer taxa de bits que seja permitida pela implementação.
• Pacotes de “handshake”: são pacotes pequenos que indicam sucesso das transações. Transmitidos sempre pelos dispositivos da rede WUSB, são parte importante do protocolo, e por isso devem ser transmitidos, assim como os pacotes MMC, à taxa de bits mais confiável do mesmo.
• Pacotes de notificação: podem ser transmitidos apenas por dispositivos e são utilizados para carregar informações de notificação específicas para o host.

O protocolo do Wireless USB utiliza a modulação por tempo conhecida como TDMA (Time Division multiple Access). No Wireless USB a taxa de transmissão é escalonável, isso ocorre pelo fato de utilizar mecanismo de correção de erros (FEC) só quando é necessário (quando está ocorrendo um número muito grande erros e pedidos de retransmissão), ou seja, quando a conexão não está sofrendo interferências, a transmissão é feita com os pacotes puros, mas quando a conexão está muito "turbulenta", entra o FEC que acaba diminuindo um pouco o desempenho da conexão, mais em compensação continua com ela estabelecida. Os comandos sinalizadores do Wireless USB são análogos aos do USB. Para evitar um desperdícios de mandar vários pacotes com os sinalizadores e com cada um com chances de chegarem com erro, é criado um pacote único com todos esses sinalizadores juntos que é enviado ao seu destino, evitando assim o envio de muitos pacotes seguido de tempo de espera da resposta. Alem disso, para aumentar o desempenho do sistema, o Wireless USB ainda pode mudar o tamanho do pacote dependendo da situação do meio de comunicação.

Estágio atual

Estado da arte

A tecnologia Wireless USB está pronta para venda e utilização das pessoas e se encontra em pleno desenvolvimento e aprimoramento por parte das empresas que o concebeu. Uma nova versão 1.1 foi lançada ainda em 2008 e assim, adicionou atualizações para melhor eficiência de energia e suporte.

O concorrente mais direto seria o Bluetooth, que também é um padrão para interligar dispositivos a curtas distâncias e cumpre muitas das funções a que o WUSB se destina (ele permite transferir dados entre dispositivos e pode ser usado por teclados e mouses, por exemplo). A vantagem do WUSB sobre o padrão Bluetooth atual é que, além de ser muito mais rápido, os transmissores consomem menos energia. Com base nisto, é possível que o WUSB substitua o Bluetooth em diversas aplicações. O maior problema é o WUSB é um padrão muito novo, cuja adoção ainda está indefinida.

Para que ele se popularize, é necessário que o custo dos transmissores caia para uma faixa igual ou inferior ao que os transmissores Bluetooth custam hoje em dia, o que só acontece quando eles passam a ser produzidos em grande quantidade.

Problemas

Os eventuais problemas do Wireless USB são a sua capacidade limitada de potência, sendo que seu uso fica limitado a ambientes pequenos de no máximo 10 metros e o desvanecimento do sinal, que pode cair muito dependendo da distância e da quantidade de obstáculos que há no local de utilização.

Um outro problema do WUSB é o fato de a pessoas não se propuserem a pagar mais caro pelos seus dispositivos e preferirem a utilização de cabos, que são relativamente curtos e não causam muitas dificuldades de uso aos usuários. Além da diferença de custo (um cabo USB será sempre mais barato que um par de transmissores e os demais circuitos relacionados a tecnologia sem fio) o USB cabeado oferece a vantagem de fornecer energia, o que permite que diversos modelos de mp3players e outros dispositivos sejam carregados através da porta USB, sem falar nas gavetas para HDs de 2.5", que acionam o HD utilizando a própria energia fornecida pela porta, sem precisar de fonte. Para eles, não faz sentido migrar para o WUSB, já que ele não resolve o problema da alimentação elétrica.

Há também o fato de poucos equipamentos disporem da tecnologia wireless na sua estrutura, e desta forma não há como o computador, mesmo que possuindo o WUSB, se comunicar com a maioria dos periféricos e outros dispositivos disponíveis no mercado.

Exemplos

1º Exemplo: Site que mostra o lançamento de um dispositivo que utiliza o WUSB para enviar stream de vídeo do laptop para a TV.

2º Exemplo: Hub WUS.

3º Exemplo: Monitor LCD da ASUS com suporte nativo ao WUSB.

4º Exemplo: Patente concedida à HP sobre "Sistemas e métodos para conexão de dispositivos WUSB para múltiplos hosts WUSB". em 2009.

5º Exemplo: Interface de controle para utilização dos dispositivos WUSB no Windows.

Características técnicas

Espectro de frequência

O Wireless USB emprega a tecnologia wireless Ultra Wide-Band (UWB) que opera na faixa de frequência de 3.1 a 10.6 GHz.

Modulação

O protocolo do Wireless USB utiliza a modulação por acesso múltiplo por divisão do tempo, o TDMA (Time Division Multiple Access).

Acesso

O acesso ocorre pela multiplexação por divisão ortogonal de frequência, o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

O WUSB utiliza formatos de pacotes definidos na subcamada MAC (Media Access Control – Controle de Acesso ao Meio) da camada enlace. Existem quatro tipos básicos de pacote utilizados neste protocolo:

• Pacotes MMC (Micro-scheduled Management Command – Comando de Gerenciamento Microescalonado): são pacotes de controle da transmissão de rádio. Estes pacotes endereçam todos os dispositivos da rede WUSB e são transmitidos utilizando encapsulamento seguro de pacotes. Devem ser transmitidos sempre pelo host da rede e à taxa de bits mais confiável do protocolo, que é a taxa básica de sinalização da camada física.
• Pacotes de dados: estes pacotes podem ser transmitidos tanto por um host como por um dispositivo e carregam dados específicos da aplicação. Podem ser transmitidos a qualquer taxa de bits que seja permitida pela implementação.
• Pacotes de “handshake”: são pacotes pequenos que indicam sucesso das transações. Transmitidos sempre pelos dispositivos da rede WUSB, são parte importante do protocolo, e por isso devem ser transmitidos, assim como os pacotes MMC, à taxa de bits mais confiável do mesmo.
• Pacotes de notificação: podem ser transmitidos apenas por dispositivos e são utilizados para carregar informações de notificação específicas para o host.

Potência (W)

Não foi encontrada a potência específica utilizada pelo dispositivo WUSB, apenas que ele utiliza uma baixa potência.

Alcance (Mts)

Em teoria, o WUSB suporta taxas de transmissão de até 480 Mbps a distâncias de até 3 metros e 110 Mbps a até 10 metros.

Consumo (Autonomia)

Os dispositivos WUSB podem ser alimentados por uma conexão usb com o host servidor ou pela alimentação elétrica convencional, sendo que devido a variedade de equipamentos que utilizam essa tecnologia, não há como especificar a sua autonomia.

Protocolos

O protocolo utilizado no Wireless USB é denominado protocolo WUSB e possui características próprias e definidas dependendo de cada aplicação. Algumas das características próprias do protocolo encontradas são descritas abaixo:

Para o acesso o protocolo WUSB utliza formatos de pacotes definidos na subcamada MAC (Media Access Control – Controle de Acesso ao Meio) da camada enlace, em que os quatro tipos básicos de pacote utilizados neste protocolo são os pacotes MMC (Micro-scheduled Management Command), pacotes de dados, pacotes de "handshake" e pacotes de notificação, que foram abordados anteriormente.

Para transferência de dados é utilizado o protocolo UDP (User Datagram Protocol).

Normas

As normas são definidas pelos participantes do consórcio que desenvolveu o Wireless USB, a WiMedia Allience, que contêm várias grandes empresas do ramo de tecnologia. E usuários comuns não tem acesso a elas, apenas os desenvolvedores participantes do consórcio.

Referências

Livro

• M. Ghavami, L. B. Michael, R. Kohno, Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering, 2ª Edição, Ed. John Wiley & Sons, 2007.

• AXELSON, J., USB Complete: Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals, 3ª edição, Ed. Lakeview Research LLC, 2005.

Artigo

• KOLIC, Rafael. Wireless USB Brings Greater Convenience and Mobility to Devices. Intel’s Corporate Tecnology Group, 2004. Disponível em: <http://www.deviceforge.com/articles/AT9015145687.html>.

• WUSB Specification. Disponível em: <http://www.usb.org/developers/wusb/wusb_2007_0214.zip>.

• “Wireless Universal Serial Bus Specification”, revision 1.0, May 2005.

• “Universal Serial Bus Specification“, revision 2.0, April 2000.

Internet

• BUCCI, Andrea, COSTA, Newton. A Interface USB: Uma Visão Geral. Universidade Estadual de Campinas, 2006. Disponível em:<http://www.ic.unicamp.br/~rodolfo/Cursos/mc722/2s2006/Trabalho/g17-apresentacao.pdf>.

• Intel Web Site - Certified Wireless USB,< http://www.intel.com/technology/comms/wusb/index.html>.

• <http://www.everythingusb.com/wireless-usb.html>.

• <http://www.wired.com/gadgetlab/tag/wusb/>.

• <http://www.wimedia.org/en/index.asp>.

• <http://www.wireless-usb.eu/wusb/?page_id=14>.

• <http://www.freepatentsonline.com/EP1655912.pdf>.