El Bus en Serie Universal (USB) es uno de los métodos de unión más útiles y frecuentes de hoy. Muchos componentes electrónicos del mercado —de cámaras a computadoras, a teléfonos móviles— poseen conectores USB, pero esas conexiones requieren cables, siempre una limitación para el consumidor. Los hubs fueron creados para permitir que un número mayor de dispositivos, superior al de las uniones físicas disponibles en la computadora, estuvieran relacionados con ella.
Hay al menos tres tipos de USB inalámbrico: USB sin cable, Certificado - USB inalámbrico y convertidor USB-to-TCP/IP. Aquí evaluamos cada uno y concluimos que USB sin cable es el mejor para la ultrabanda ancha sin cables.
Sobre la tecnología de ultrabanda ancha
La ultrabanda ancha (UWB) es una tecnología inalámbrica que transmite una señal de poder muy baja sobre una amplia porción del espectro de radio. A diferencia de los sistemas de radio convencionales que funcionan dentro de una amplitud de banda relativamente estrecha, por ejemplo: Bluetooth, la tecnología inalámbrica IEEE 802.11b y la IEEE 802.11a, la ultrabanda ancha funciona a través de una amplia variedad del espectro de frecuencia transmitiendo una serie de pulsos de poder muy estrechos y bajos. La combinación de espectro más amplio, menor poder requerido y datos pulsados significa que la ultrabanda ancha causa menos interferencia que las soluciones de radio de banda estrecha convencionales, y con performance parecida a un cable en un ambiente inalámbrico de interior. Esto hace que la tecnología resulte ideal para aplicaciones de electrónica de consumo cada vez más ricas en contenidos multimedia.
Hay varios tipos de conectores físicos para USB y, ya que la unión física debe compatibilizarse entre dispositivos, hay mucho potencial para la confusión. Cuando los dispositivos USB se hacen más habituales en hogares y oficinas, es deseable reducir el cableado para permitir una mejor ubicación de los dispositivos y reducir el desorden y la complejidad. Las uniones inalámbricas son la solución obvia. Con tantos dispositivos provenientes de mercados diversos y de una amplia variedad de fabricantes, hay conceptos diferentes para solucionar el problema de deshacerse del cable de USB.
Tres estrategias para un USB sin cables
Hay tres estrategias básicas para transferir señales de USB inalámbricamente:
- La corriente de datos USB consecutiva es convertida directamente en señales de radio de Ultrabanda ancha (UWB). Los dispositivos no tienen que saber si el USB es transportado por un cable o por una señal inalámbrica.
- Usar sólo el conector USB, pero empaquetando de nuevo los datos de modo que el conector realmente envíe algo más, por lo general TCP/IP.
- Redefinir USB internamente dentro de los sistemas electrónicos, y sólo conservar la compatibilidad en la capa de aplicaciones del software.
USB sin cable: la solución transparente
Esta tecnología fue demostrada en CES 2006. USB sin cable es compatible con la Especificación USB 2.0 y totalmente compatible con los estándares USB anteriores. No se requieren cambios de driver ni instalación de software; la tecnología apoya la funcionalidad plug-and-play definida por el USB Implementers Forum, Inc. Con el apoyo de la interfaz Enhanced Host Controller Interface (EHCI) y la interfaz Universal Host Controller Interface (UHCI), no es necesario ningún cambio de host controlador. Estos criterios hacen de USB sin cable una solución muy fácil de usar.
El USB sin cable soporta los principales sistemas operativos, incluidos Microsoft Windows 2000, Windows XP, MAC OS X, Solaris, Unix y Linux, sin modificaciones de drivers ni del sistema operativo. También apoya los tipos de transferencia de USB, incluidos control, bulk, interrupción e isócrono.
La seguridad es la misma que en USB con cable; es proporcionada en la capa UWB PHY/MAC usando el Estándar de Codificación Avanzado (AES), codificación de 128 bits con cambio de clave RSA. La tecnología soporta muchos modelos de asociación y comunicación NFC. El USB sin cable proporciona una prestación equivalente al USB con cable, incluido el soporte de hasta 127 conexiones.
La tecnología de radio DS-UWB permite velocidades de transferencia de datos muy altas con muy bajo poder de transmisión, con la ventaja adicional de requerir muy poco consumo de energía. La regla básica de Freescale para el consumo de energía es un megabit de transmisión para un milliWatt de consumo.
El USB sin cable es un interfaz “USB verdadero” al sistema de radio DS-UWB de alto rendimiento, que estrictamente adhiere a la Especificación USB 2.0. Hay varias ventajas de adherir estrictamente al USB 2.0. Un sistema de conexión DS-UWB puede unirse a un sistema habilitado para USB sin requerir actualización de software, porque está basado en el estándar USB 2.0.
Un sistema DS-UWB puede adoptar un factor de forma de minitarjeta y usar conexiones de USB directamente, sin modificar el sistema anfitrión. Esta aproximación puede ayudar a unir los más de 700 millones de dispositivos USB tal como existen hoy en el mercado, sin cambios, y proporciona una solución para obtener la operación inalámbrica USB. La figura 1 ilustra algunas aplicaciones USB inalámbricas.
La utilización de USB en un ambiente de RF introduce dificultades inherentes de tardanza, latencia y administración de energía.
Al principio, la tecnología ExtremeUSB de Icron fue desarrollada para permitir que dispositivos USB sean usados en ambientes industriales y comerciales donde las exigencias operacionales (típicamente el límite de 5 metros) a menudo exceden las de escritorio para las cuales USB fue diseñado. En particular, esta tecnología vence las limitaciones impuestas por el temporizador de vuelta (TT).
Quitar esta limitación, con la corrección de error, permite usar las técnicas de RF convencionales. Funcionando en la capa de protocolo USB, la pila de ExtremeUSB es independiente de los medios físicos usados para la transmisión de información.
El parámetro TT limita el tiempo que cualquier anfitrión o dispositivo pueden tomar para responder a una petición o reconocer la recepción de datos. El TT fue introducido en el diseño de USB para impedir que un dispositivo errante consuma una cantidad desproporcionada de tiempo en el bus compartido. Esto ayuda a mantener alta ocupación del bus limitando el tiempo que éste espera ocioso una respuesta que puede no llegar.
En el USB de cable, el presupuesto de TT es asignado a varios hubs, cables y dispositivos, constituyendo así la peor topología (la mayor tardanza).
En el USB inalámbrico, hay factores adicionales que pueden llevar el tiempo de vuelta más allá de los límites permitidos. Algunos toman más tiempo que otros para cambiar entre los modos de transmisión/recepción RF. La amplitud de banda de RF restringida puede forzar tiempos de transmisión más largos. Los paquetes perdidos se comparan con un TT infinito. La adición de corrección de error y funciones de codificación aumenta la latencia y consume amplitud de banda adicional.
Otra diferencia principal entre las comunicaciones por cable e inalámbricas es el índice de errores mucho más alto que debe esperarse en la capa física. La compensación requiere el uso de corrección de error y funciones que aumentan y exacerban la cuestión de TT mencionada antes. En el caso restrictivo, cuando el índice de errores se hace muy alto, puede ser requerida la nueva transmisión de un paquete entero.
El USB estándar no fue diseñado con estas cuestiones en mente y no las acomoda bien. En tanto, el USB sin cable está diseñado para permitir a anfitriones de USB estándares, hubs y dispositivos usarlo en situaciones de alta tardanza. Además, cualquier implementación particular puede combinar el soporte de velocidad y variantes de tipo de transferencia como sean requeridos. Con el USB estándar, los dispositivos con diferente velocidad y atributos de tipo de transferencia pueden juntarse y separarse del sistema al azar. El USB sin cable reconoce cada dispositivo automáticamente y proporciona el manejo de protocolo apropiado.
Como se observa en la Figura 2, instalar ExtremeUSB no afecta a los sistemas que conecta, y ninguna instalación de software adicional es requerida. La solución USB sin cable está instrumentada para ser autónoma.
La alternativa TCP/IP: el dongle
El dongle es un pequeño dispositivo de hardware que se conecta en paralelo o a un puerto USB, actuando como protección de copia para una aplicación de software particular. El dongle se conecta del lado del anfitrión (típicamente un ordenador personal). El software debe ser instalado en el ordenador personal. Este software permite que el ordenador intercepte las comunicaciones USB a nivel de software, las reformule y las envíe como una señal de TCP/IP por el conector USB, y luego al aire. Esta, por su parte, es recibida por el hub, que es realmente un convertidor TCP/IP-to-USB.
Esta estrategia asegura compatibilidad hacia atrás usando la existencia de conectores USB, pero realmente requiere actualizaciones de driver y añade una capa de conversión TCP/IP-to-USB.
La desventaja de la solución TCP/IP es que las comunicaciones isócronas no son posibles, lo que significa que los ingenieros en sistemas deben incorporar cantidades extraordinarias de espacio libre de comunicaciones —que significa gasto suplementario— para conseguir performance sin problemas en sistemas audiovisuales.
Aunque los conectores USB existentes están muy difundidos en el mercado, la mejor solución no debería requerir un cambio de software a nivel de drivers para miles y miles de tipos de dispositivo y millones de líneas de código.
Otra limitación importante de esta solución es que TCP/IP está siendo transportado, y este tipo de sistema sólo puede ser una solución interina en el camino al interfuncionamiento con otros sistemas USB Inalámbricos Certificados.
Los productos con esta capacidad incorporada, hasta los dongles, no trabajarán con el estándar USB Inalámbrico emergente y crearán un segundo “nuevo sabor” de USB para que los consumidores deban hacer malabares.
El USB inalámbrico certificado: redefinir el estándar
En esencia, la única parte de USB original que permanecería son las uniones de software desde la capa de aplicaciones dentro del driver de software; todo lo demás deberá ser cambiado, incluyendo hardware, drivers y hasta arquitectura de sistema. Este tipo de sistema es USB casi sólo de nombre y de hecho va hacia una nueva denominación: "USB Inalámbrico Certificado". Esta solución pretende usar un acercamiento diferente a DS-UWB, llamado la Multibanda Multiplexaje por División en Frecuencia Ortogonal (MB-OFDM).
Una ventaja de este tipo de acercamiento es que los sistemas pueden diseñarse para esta especificación y optimizarse para esta solución. Esto es válido para casi cualquier diseño de sistema desde cero. Pero las implicaciones para un ecosistema USB establecido no deberían ser subestimadas.
Entonces, ¿qué proveedor de sistemas se vería motivado por la supuesta ganancia que podría obtener hoy? En lugar de diseñar para el futuro y esperar que lleguen las ventas, la mayor parte de los proveedores se verían obligados a tener tanto una solución USB de cable como una solución USB inalámbrica, con la complejidad apropiada y soluciones de sistema que aseguren manejar correctamente ambos.
Por ejemplo, en el caso de mini-cards implementados en un ordenador personal, las señales de USB de cable estarán presentes ya que la especificación permite que tanto USB como la tecnología PCI EI sean usadas. Por lo tanto, la mayor parte de los sistemas no eliminarían el bus USB de todos modos. Incluso aunque los conectores USB pudieran ser eliminados en los sistemas de ordenador personal que usan inalámbrico, el bus USB permanecería y todavía se requeriría que los desarrolladores de software escribieran nuevo software para este nuevo USB inalámbrico. En otras palabras, este método de poner en práctica USB inalámbrico es siempre un complemento al sistema, no un sustituto.
Finalmente, para subrayar el significado de la cuestión del software, vale la pena notar que los sistemas más empotrados, como los sistemas en videocámaras y teléfonos, corren otros sistemas operativos además de Microsoft Windows. Por lo tanto, la redefinición de drivers de software para USB significa afectar innumerables sistemas de software empotrados.
Obviamente, cuando los fabricantes evalúan sus opciones de tecnología para permitir una solución USB inalámbrica, hay muchas cuestiones para considerar. USB sin cable permite a estos fabricantes usar la base instalada de dispositivos USB, “cerrar” sistemas existentes como teléfonos móviles, videocámaras e impresoras aprovechando las ventajas del USB inalámbrico, soportar una variedad de sistemas operativos y todo lo que los dispositivos USB puedan soportar.
Cuando la tecnología USB sin cable se haga disponible a los consumidores a lo largo de 2006, se espera que la demanda se intensifique. Y en esto puede estar la cuestión más importante a considerar por parte de los fabricantes: la felicidad del consumidor.
Velocidades y compatibilidad con USB 2.0
Esta revisión incorpora la performance más alta que los usuarios finales reclamaban: rápida tasa de transferencia de datos de 480 Mb/s. Al combinar tres tasas de transferencia de datos dentro de la última especificación USB, los periféricos que ya corren a las velocidades más lentas (1.5 Mb/s, 12 Mb/s), cubiertas por las versiones anteriores de la especificación (1.0 y 1.1), se rediseñan para ser totalmente compatibles con otros productos compatibles con la especificación USB 2.0. En este sentido, usted lo enchufa y trabaja.
Todos los sistemas USB 2.0, como laptops, notebooks y computadoras de escritorio, deben soportar por definición tres velocidades de transferencia de datos: 1.5 Mb/s, 12 Mb/s y 480 Mb/s. La naturaleza de los periféricos, sin embargo, crea una situación un poco menos clara. Una clase de periféricos puede estar disponible con una rápida tasa de transferencia de datos, de 480 Mb/s, o con una tasa de transferencia de datos más lenta de 12 Mb/s. Se incluyen:
- Cámaras digitales
- Grabadores de CD-ROM
- Unidades de DVD
- Placas madre
- Lectores de tarjeta flash
- Tarjetas adaptador
- Scanners
- Otros productos
La segunda clase de periféricos funciona a velocidades más lentas porque no necesitan tasas de rápida transferencia de datos. (Y si ellos soportaran tal performance, esto agregaría bastante costo al consumidor.) Estos incluyen:
- Joysticks
- Teclados
- Mouses
- Otros productos
Como la Especificación USB 2.0 satisface todas las velocidades de transferencia de datos USB —bajo (1.5 Mb/s), full (12 Mb/s) y alto (480 Mb/s)— es importante que los fabricantes y vendedores comuniquen claramente el tipo de producto en el embalaje, así como en su mercadotecnia y materiales publicitarios. El uso incoherente de la terminología, en combinación con la falsa idea general de que USB 2.0 es sinónimo de Alta Velocidad USB, y/o el fracaso en mostrar el logotipo “USB Certificado” en productos calificados, crea confusión en el mercado. La nomenclatura correcta para productos USB rápidos es “Alta-Velocidad USB”. La nomenclatura correcta para productos de USB de baja velocidad o full es simplemente “USB”. Esto debería ser tenido en cuenta para nombrar cada producto.
Los logotipos de certificación
Hay 2 logotipos USB Certificado que no son intercambiables (véase abajo). Los productos que funcionan sólo en baja velocidad o full pueden licenciarse para usar sólo la Versión Básica del logotipo (es decir, sin el identificador especial de Alta Velocidad). Sólo los productos que pueden funcionar a alta velocidad pueden licenciarse para usar la versión del logotipo. Los logotipos “USB Certificado” indican productos que han completado con éxito el programa de conformidad del USB-IF.
El logotipo de la Figura a indica que un producto ha completado con éxito el USB-IF, Programa de Pruebas de Conformidad, y soporta Alta Velocidad de transferencia de datos de USB en 480 Mb/s.
El Logotipo (b) USB Certificado es para productos que no requieren las velocidades de transferencia de datos más altas y que han completado con éxito el USB-IF, Programa de Pruebas de Conformidad para dispositivos que funcionan en las velocidades de USB originales (1.5 Mb/s o 12 Mb/s).
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