随着计算机、控制、通信和网络等技术的发展，家居环境正朝着数字化、智能化、网络化方向发展。近几年来，PC、高清电视和数码相机等消费电子产品和信息家电相继进入普通家庭。然而，它们大都以信息孤岛的形式存在，人们越来越希望把它们连接起来组成一个家庭多媒体网络。与双绞线、同轴电缆、电力线等有线组网方式相比，无线组网具有无需布线、支持移动设备、扩展性好、易于诊断故障等优点，更适合于家庭组网。在众多的无线传输技术中，新兴的无线USB (Wireless USB，WUSB)是唯一能够满足传输速率、功耗、安全性、抗干扰性、兼容性以及成本等要求的技术，将在家庭多媒体网络中得到广泛应用。

1家庭无线多媒体网络的特点

与公用网络相比，家庭网络更多地进行多媒体通信和控制信号传输。因此，家庭无线网络的技术要求与公用无线网络有所不同[1]。就多媒体通信而言，可以从以下几个方面分析。

(1) 传输速率

音、视频数据流是最典型的多媒体数据，实时性强，对传输速率要求较高，是制约无线技术的首要因素。例如，传输MPEG2视频流需要3 Mbps以上的传输速率，标清电视(SDTV)和高清电视(HDTV)分别需要3~7 Mbps和19~24 Mbps的传输速率。

(2) 服务质量

与有线方式相比，用于家庭多媒体网络的无线技术必须提供较高的服务质量（QoS），而不能依靠IP网络的“最大努力”，否则用户将马上抛弃这项技术。如无线传输HDTV流除了需要很高的速率外，还需极高的信号质量。

(3) 功耗

目前，大量消费电子产品（如PDA、MP3）均采用自行供电方式，用户不希望因引入无线传输而频繁地更换电池或充电，故所使用的无线技术必须具有低功耗的特点。

2WUSB技术综述

2.1发展背景

WUSB是一种无线接口标准，目的是取代目前的USB。其在无线技术方面将使用超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术。UWB是一种无载波通信技术[2]，利用ns级的非正弦波窄脉冲传输信号，支持数据、语音和图像的传输，适用于高速、近距离的无线个人通信。

2004年英特尔技术峰会上，由英特尔、杰尔系统、微软、NEC、惠普、飞利浦和三星7家公司组成的WUSB促进组织宣布成立。2005年5月，该组织公布了WUSB 1.0标准[3]，标准的制定得到了100多家贡献会员的支持。

2.2逻辑模型

WUSB采用经典的分层逻辑模型[4]，如图1所示。正是这种模型使得WUSB具有UWB的高速率、低功耗以及USB的兼容性、易用性等优点。物理层和MAC层基于UWB技术(英特尔为首倡导的MBOA或摩托罗拉为首倡导的DSCDMA，两者的区别主要在频带的使用上)，但具体采用何种技术正是WUSB标准之争所在。WUSB 1.0标准采用了MBOA。会聚层根据服务类型提供相应的功能，应用层提供面向用户的应用，两者与USB2.0完全兼容。

图1WUSB的分层逻辑模型

2.3传输速率

WUSB物理层可提供8种传输速率[3]： 53. 3 Mbps、80 Mbps、106.7 Mbps、160 Mbps、200 Mbps、320 Mbps、400 Mbps和480 Mbps。WUSB主机必须支持上述全部传输速率；而WUSB设备只需实现53. 3 Mbps、106.7 Mbps和200 Mbps 三种传输速率，其他5种可选。WUSB在3 m范围内的传输速率可达480 Mbps(相当于USB2.0的数据传输速率)，即使在足以覆盖当今家庭居室的10 m处仍可达106.7 Mbps。此外，WUSB还具有根据距离动态调整传输速率的功能，较好地支持了移动设备。

2.4功耗

WUSB沿用USB的“睡眠”、“监听”及“唤醒”3种工作状态，并使用间歇的脉冲来发送数据，以降低功耗。在高速通信时系统的功耗仅为几百μW至几十mW；在不发送数据时自动切换到“睡眠”状态，“睡眠”电流仅为1 μA。此外，伴随低功耗的低辐射使WUSB非常适合于家庭网络。

2.5与其他无线传输技术的比较

用于家庭网络的无线传输技术可谓层出不穷，各有优缺点，表1将WUSB与部分无线传输技术进行了比较[13，56]。HomeRF由于存在抗干扰能力差、价格昂贵等不足，支持厂商少，渐渐淡出了无线联网市场；802.11a和802.11b可用于传输SDTV，但无法满足多HDTV流的速率和服务质量要求；Bluetooth主要用于语音的无线传输；ZigBee在家庭中主要用于家电控制、传感器等低速场合。

表1WUSB与其他无线传输技术的比较

2.6应用领域

WUSB的应用大体可分为三大领域： PC、家庭多媒体网络和移动终端。

① PC无疑将是WUSB技术最先应用的场合。现有的PC只需内置或外接一个WUSB适配器，就可以与周边的WUSB外设（键盘、鼠标、移动存储器等）通信了。目前，市场上已经出现了类似的产品。

② 由信息家电和消费电子组成的家庭多媒体网络将是WUSB的重要应用场合之一。WUSB不仅具有很高传输速率，而且加入了对流媒体的支持，显然比其他无线技术更能胜任多媒体信号的无线传输。

③ 蓝牙技术由于兼容性、安全性、成本等问题遭到了众多用户的拒绝。WUSB不仅具有极佳的兼容性，而且性价比高，被誉为蓝牙的替代者。

3WUSB实现家庭多媒体网络的关键问题

3.1拓扑结构

WUSB基本的拓扑结构[3]为“Hub and Spoke”，或称为“簇”。每个“簇”由一个位于中心的WUSB主机(Hub)和最多127个WUSB设备(Spoke)构成。WUSB主机负责初始化所有与其相连接的WUSB设备的数据速率，分配相应的信道和带宽。“簇”与“簇”之间能够相互叠加，只要工作在相同的频谱上，便可方便地交换数据。此外，WUSB拓扑结构还支持双角色(Dual Role)模式[3，7]，即一个设备能够提供有限的主机功能，被其他设备访问。例如，数码相机可以直接访问作为设备的打印机。双角色设备的存在大大提高了WUSB的易用性和实用性。

采用WUSB的上述两种拓扑结构，以PC为中心组建家庭多媒体网络，结构简单、易于实现，如图2所示。设备只需实现WUSB功能，复杂的Internet等功能由PC来实现。一方面，有利于降低成本；另一方面，有利于避免由Internet带来的安全问题。系统提供的功能包括： 通过家庭影院的高清电视和音响系统来欣赏在电脑上播放的电影；数码相机和摄像机的内容可以无线地拷贝到PC以进行相应的处理；利用PDA无线控制信息家电；从PC中的MP3库无线下载歌曲到MP3中等。

图2基于WUSB以PC为中心的家庭多媒体网络

3.2安全性

智能家居环境的隐私性要求采用的无线技术必须在其传输距离内提供充分的安全保障。WUSB采用3种安全策略[3]： 安全认证机制、加密通信和物理信号安全性，如图3所示。WUSB内置了安全认证机制，只有经过识别、认证和许可3个步骤，设备方可与主机建立连接，获得通信所必需的信息。安全认证机制防止了非法连接和用户无意识的不当操作。连接建立后，双方使用高级128位对称算法AES128/CCM进行加密通信。WUSB信号收发模块采用UWB技术，在物理层确保了安全性。UWB脉冲信号分布在极宽的频段间(3.1~10.6 GHz)，非常短、弱，因此很难被侦测出。此外，接收方必须知道发送方的脉冲序列，并将接收到的信号按事先确定的辨识方式进行转换，才能得到正确的数据[8]。

图3WUSB的安全性

3.3抗干扰性

智能家居中可能同时存在多种无线信号，作为新的无线传输技术，WUSB信号既不能干扰其他无线信号，又不能受到其他无线信号的干扰。一方面，WUSB所使用的UWB技术工作在同样无需申请的3.1~10.6 GHz频段，从而避开了拥挤不堪的2.4 GHz频段；另一方面，极宽的频段、短而弱的脉冲使得UWB能够避免多路传输的信号干扰问题，同时减小与其他无线信号间产生干扰的可能性[8]。因此，不仅“簇”内和“簇”间的大量WUSB设备不会相互干扰，而且在紧邻ZigBee、802.11等系统时，也几乎不会受到干扰。

3.4过渡方案

新技术的普及大多需要一个过渡的过程，WUSB对此做了充分的考虑。一个简单的过渡方案[3]是将现有的USB主机或设备外接主机线缆适配器(Host Wire Adapter，HWA)或设备线缆适配器(Device Wire Adapter，DWA)，以实现WUSB的功能，如图4所示。事实上，最早的WUSB产品就是HWA和DWA。

图4USB设备实现WUSB功能

结语

WUSB综合了UWB和USB技术的优点，非常适合智能家居中多媒体设备的无线组网。本文提出的基于WUSB以PC为中心的家庭多媒体网络，简单、容易实现，并且具有很高的安全性和抗干扰能力。可以预见，随着WUSB的日趋成熟，家庭多媒体网络将真正迎来无线时代。