Drahltlos USB-Standard Wireless USB - 500 mal schneller als Bluetooth und ZigBee

Autor / Redakteur: Adam Chen und Joachim Lehmann* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

USB ist ein erfolgreicher Standard: Peripheriegeräte lassen sich einfach und schnell verbinden. Doch das Kabel ist ein limitierender Faktor. Mit der hier vorgestellten drahtlosen Verbindung sind gleiche Übertragungsraten wie beim kabelgebundenen USB möglich. Wireless USB überträgt mit 480 MBit/s und hat eine 500 mal höhere Bandbreite als die Wireless-Standards Bluetooth oder ZigBee.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Das zertifizierte Wireless USB (CWUSB) stellt mit der Übernahme durch das USB Implementer Forum eine offizielle Erweiterung des USB-Standards dar. Grundlage des erweiterten Standards ist das WiMedia-Ultra-Wideband-(UWB-)-Protokoll. Mit 480 MBit/s ist die Übertragungsrate genauso schnell wie beim kabelgebundenen USB. Der drahtlose USB-Standard hat eine 500 mal höhere Bandbreite als vergleichbare Wireless-Standards wie Bluetooth oder ZigBee. Somit lassen sich ganz neuartige Applikationen entwickeln. Certified Wireless hat das Ziel, die intuitive Bedienung und die Funktionalität von USB komplett auf eine drahtlose Verbindung zu übertragen. Erste Certified Wireless USB basierende Produkte kommen gerade auf den Markt.

Kabelgebundenes USB ist ein erfolgreicher Standard. Einzelne Geräte lassen sich anbinden und mit entsprechenden Hubs erweitern. Die Wireless-Variante ermöglicht es dem Endanwender, Bilder von der Kamera zu holen oder Musikdateien auf einen Player zu laden. Alles ohne Kabel oder eine Speicherkarte via Lesegerät anstecken zu müssen. Ein Drucker kann beispielsweise dort stehen, wo er nicht stört.

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Mehr Möglichkeiten durch breites Frequenzspektrum

Hinter Wireless USB stehen Firmen wie Intel, Microsoft, NEC, Samsung, Philips oder HP. Der Industriestandard sorgt für Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller. Das Host/Peripheral Modell von USB bleibt erhalten. Es gibt weiterhin einen Host, meist ein PC, der mehrere Geräte verbindet. Die UWB- (Ultra Breitband Technologie-) Spezifikation der WiMedia Alliance definiert das Funkprotokoll, das von Certified Wireless USB eingesetzt wird.

UWB überträgt die Daten in einem Frequenzspektrum von 3,1 bis 10,6 GHz. Wireless USB nutzt die Frequenzen von 3,4 bis 5,0 GHz, auch Band Group 1 genannt. Ein derart breites Spektrum hat einerseits den Vorteil, dass Bandbreitenkonflikte zwischen verschiedenen Teilnehmern wie im 2,4-GHz-Bereich weitgehend eliminiert sind. Überschreitet die spektrale Leistungsdichte den Noise-Level von –41 dBm/MHz, wird das Frequenzband kostenpflichtig und die Reichweite von WiMedia UWB ist auf etwa 10 m limitiert. Somit ergibt sich ein komplett anderes Anwendungsgebiet, als bei den Wireless-Technologien Bluetooth, ZigBee oder Wi-Fi.

Für Protokolle mit dem gleichen Frequenzspektrum (WiNet, Bluetooth 3.0) ist eine Koexistenz von Wireless USB möglich, indem WiMedia UWB ein Distributed Reservation Protocol (DRP) definiert. In einer lokalen Gruppe reserviert jedes Gerät Zeitfenster, in denen es senden darf. Einige Intervalle bleiben für zusätzliche Geräte frei, die sich in dieser Zeit anmelden und eigene Sendezeiten beantragen können. Im Falle von Wireless USB kann der Host das beaconing, also das Reservieren der Sendeintervalle für das Peripheriegerät, übernehmen.

Neue Hardware wird durch Assoziieren eingebunden

Mit Certified Wireless USB lässt sich ein breitbandiges drahtloses Netzwerk in einem Radius von ungefähr 10 m um einen PC realisieren. Die Daten werden mit 128 Bit AES (Advanced Encryption Standard) verschlüsselt, um einen Sicherheitsstandard wie bei einer Kabelverbindung zu erreichen. Sämtliche Daten werden mit 480 MBit/s übertragen. Die Host/Peripherie-Modelle und Treiber lassen sich weiter nutzen. Sämtliche drahtlose USB Geräte lassen sich mit denselben Host-Treiber betreiben.

Zur Simulation eines Kabels wird eine Assoziierung benötigt. Es wird eine gesicherte Verbindung zwischen Host und Peripherie aufgebaut, was den unerwünschten Zugriff eines Hosts auf das Peripheriegerät verhindert. Ist ein Gerät schon assoziiert, werden die Geräteinformationen im Host hinterlegt und neue Hardware verbindet sich automatisch, sobald sie in Reichweite kommt. Wie beim verkabelten USB Gerät kann die drahtlose Variante immer wieder mit einem neuen Host assoziiert werden. Die Anmeldung ist aber nicht parallel möglich. Zwei Methoden zum Assoziieren sind erlaubt: Kabel oder numerisch.

Kabelassoziierung erfordert einmaliges kabelgebundenes Anstecken

Kabelassoziierung erfordert das einmalige kabelgebundene Anstecken. Sobald der Host erfolgreich assoziiert ist, kann das Kabel entfernt werden und wird nicht mehr benötigt. Bei der numerischen Variante funktioniert das drahtlos. Der Benutzer startet beispielsweise durch Drücken einer Taste am Gerät und Ausführen eines Hilfsprogramms auf dem Host. Zum Abschluss ist eine Bestätigung notwendig. Danach ist die Assoziierung abgeschlossen.

Die USB Spezifikation verlangt, dass alle Geräte mit herkömmlicher USB Anbindung Kabelassoziierung unterstützen, während alle Geräte mit einem Display numerische Assoziierung unterstützen müssen. Certified Wireless USB Hosts müssen beide Methoden ermöglichen. Um eine Anbindung existierender USB Geräte oder eine Aufrüstung bestehender USB Hosts zu ermöglichen, definiert die Certified Wireless USB Spezifikation zwei Bridges: Den Host Wire Adapter (HWA) und den Device Wire Adapter (DWA). Dabei müssen HWAs und DWAs nicht paarweise auftreten. HWAs können native wireless USB Geräte ansprechen, also Geräte die selbst über ein wireless USB Interface verfügen und keine Bridge brauchen. Über DWAs lassen sich normale USB Geräte an native Certified Wireless USB Hosts anbinden. Diese Adapter werden vermutlich die ersten für Endanwender verfügbaren Geräte am Markt sein.

Ein universeller Certified Wireless USB Controller

Native Certified Wireless USB Geräte werden in größerer Anzahl für die zweite Hälfte 2008 erwartet. Wenn Hersteller ihren bestehenden Produkten ein wireless Upgrade vergeben und gleichzeitig kabelgebundenes USB bieten wollen, müssen sie die Kabelassoziierung anbieten und dementsprechend ihre Firmware anpassen. Das Firmware Upgrade erfordert viel Know-how und könnte eine erhebliche Hürde darstellen.

Eine Lösung ist ein universeller Certified Wireless USB Controller, den die Firma LucidPort Technology (Vertrieb: HY-LINE Computer Components) vorstellt. Der L800 bindet Hi-Speed USB und Certified Wireless USB an und ist für die Integration in native Certified Wireless USB Geräte vorgesehen. Er lässt sich an den Memory Bus einer CPU oder eines Microcontrollers anbinden. Er unterstützt beide Assoziierungsarten, Verschlüsselung und self-beaconing. Letzteres ist das selbstständige Aushandeln von Sendeintervallen im WiMedia Verbund durch das Gerät.

Lucidport bietet ein PCI basiertes Development Kit mit dem L800 an, das einen herkömmlichen PC in ein Certified Wireless USB-Gerät verwandelt. So kann mit der Firmware-Entwicklung für neue Geräte bereits begonnen werden, bevor die Hardware fertig ist. Firmware Framework und API werden im Source Code mitgeliefert. Standardgeräte wie Massenspeicher, Drucker oder Kamera können mit der mitgelieferten Software „Out-of-the-Box“ emuliert werden und benötigen neben den Certified-Wireless-USB-Host-Treibern keine Veränderung an den Standard USB Treibern. Selbst mit Windows oder Linux als Betriebssystem.

Die proprietären Host-Treiber bei nativen Hosts werden wie bei OHCI/EHCI durch die standardisierte Schnittstelle WHCI ersetzt, so dass in zukünftig jedes Betriebssystem Certified Wireless USB Hosts ohne Installation zusätzlicher Treiber ansprechen wird. Auf der Host-Seite stehen für Entwickler ein PCI-Board von NEC und ein HWA von Intel zur Verfügung.

Das USB-IF hat Certified Wireless USB zertifiziert: Die Geräte müssen eine Testreihe durchlaufen, um die Kompatibilität zum Standard zu gewährleisten. Zusätzlich verschiedene Interoperabilitätstests, bevor sie das Certified Wireless USB Logo tragen dürfen.

Das kann drahtloses USB

Certified Wireless USB (CWUSB) basiert auf der UWB-(OFDM-)Technologie, die durch die WiMedia Alliance definiert wird. Übertragungsraten sind bis zu 480 MBit/s möglich, die aber entfernungsabhängig ist. Spezifiziert sind 480 MBit/s bis 3 m Entfernung und 110 MBit/s bis 10 m Entfernung. Es existieren jedoch bereits Chipsätze, die 480 MBit/s in bis zu 9 m Entfernung ermöglichen.

Die Übertragung erfolgt dabei im Frequenzbereich zwischen 3,1 und 10,6 GHz, welcher in fünf Bandgruppen aufgeteilt ist. Die Bandgruppen eins bis vier sind in jeweils drei Bänder und die Bandgruppe fünf in zwei Bänder aufgeteilt. Ein Band ist mit einer Bandbreite von 528 MHz definiert. Die ersten Geräte werden für die Bandgruppe eins (3168 bis 4488 MHz) erwartet, wobei dieser Frequenzbereich noch nicht weltweit für diese Technologie freigegeben ist. Dies wird bis spätestens 2010 erwartet. In Europa wird gemäß Entscheidung der Europäischen Kommission für diese Technologie ab 2010 nur der Frequenzbereich 6 bis 8,5 GHz freigegeben.

*Adam Chen ist stellvertretender Marketingleiter bei LucidPort Technology und Joachim Lehmann ist Field Application Engineer bei HY-LINE Computer Components.

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