USB inalámbrico

Wireless USB es una versión del protocolo de comunicación inalámbrica USB (Universal Serial Bus ) de corto alcance y alto ancho de banda, creada por el Wireless USB Promoter Group. No guarda relación con Wi-Fi ni con Cypress Wireless USB. Su mantenimiento estuvo a cargo de WiMedia Alliance , que cesó sus operaciones en 2009.

El USB inalámbrico se basa en la plataforma de radio común de banda ultraancha (UWB) de WiMedia Alliance ^{[ 1 ]} , que es capaz de enviar 480 Mbit/s a distancias de hasta 3 metros (9,8 pies) y 110 Mbit/s a distancias de hasta 10 metros (33 pies) . Está diseñado para operar en el rango de frecuencia de 3,1 a 10,6 GHz , aunque las políticas regulatorias locales pueden restringir el rango de operación legal en algunos países.     

El desarrollo y la adopción comercial de USB inalámbrico disminuyeron tras la disolución de la WiMedia Alliance en 2009 ^{[ 2 ]} y la transición de la industria hacia Wi-Fi , Bluetooth y tecnologías inalámbricas de 60 GHz como WiGig . El estándar ahora se considera obsoleto.

El soporte para el estándar se dejó de dar en uso en Linux 5.4 ^{[ 3 ] [ 4 ]} y se eliminó en Linux 5.7. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La razón de ser de esta especificación fue el rotundo éxito de USB como base para periféricos en todas partes; entre las razones citadas se incluyen su extrema facilidad de uso y su bajo costo, que permiten la existencia de una arquitectura de puerto bidireccional y rápida omnipresente . La definición de banda ultraancha (UWB) se ajusta muy bien a las capacidades y velocidades de transferencia de USB (desde 1,5 y 12  Mbit/s hasta 480  Mbit/s para USB  2.0) y constituye una extensión inalámbrica natural de USB a corta distancia (3 metros, hasta 10 a una velocidad reducida de 110  Mbit/s). Sin embargo, ya no existía un bus físico para alimentar los periféricos, y la ausencia de cables implica que algunas propiedades que normalmente se dan por sentadas en los sistemas USB deben lograrse por otros medios.

El objetivo de la especificación era preservar el modelo funcional de USB , basado en hosts inteligentes y dispositivos de comportamiento sencillo, permitiendo a la vez su funcionamiento en un entorno inalámbrico y manteniendo la seguridad a la par de los niveles que ofrecen los sistemas cableados tradicionales. Asimismo, busca ser igualmente eficiente en el consumo de energía. Para lograrlo, utiliza un estándar existente que define una capa física y un control de acceso al medio adecuados , mediante los cuales se puede alcanzar el rendimiento deseado, y le añade una capa de convergencia para integrar ambos esfuerzos arquitectónicos.

W-USB se definió como un bus, lógico y no físico, que permite conectar simultáneamente un host con varios periféricos. El host distribuye el ancho de banda disponible mediante acceso múltiple por división de tiempo (TDMA). Mantiene la capacidad de USB para gestionar dispositivos de forma segura en tiempo real . Los hosts pueden comunicarse con dispositivos situados a una distancia de hasta 10 metros.

El USB inalámbrico tenía usos potenciales en controladores de juegos , impresoras , escáneres , cámaras digitales , reproductores multimedia portátiles , discos duros y unidades flash USB ^{[ 7 ]} . También era adecuado para transferir flujos de video paralelos, utilizando USB sobre protocolos de banda ultraancha .

El Grupo Promotor de USB Inalámbrico se formó en febrero de 2004 para definir el protocolo USB inalámbrico . El grupo estaba compuesto por Agere Systems (ahora fusionada con LSI Corporation ^{[ 8 ]} ), Hewlett-Packard , Intel , Microsoft , NEC Corporation , Philips Semiconductors y Samsung . ^{[ 9 ]}

En mayo de 2005, el Wireless USB Promoter Group anunció la versión 1.0 de la especificación Wireless USB. ^{[ 10 ]}

En junio de 2006, cinco empresas presentaron la primera demostración de interoperabilidad entre múltiples proveedores de USB inalámbrico. Se utilizó una computadora portátil con un adaptador de host Intel que empleaba un PHY de Alereon para transferir video de alta definición desde un semiconductor inalámbrico de Philips con un PHY de Staccato Communications, todo ello utilizando controladores de Microsoft Windows XP desarrollados para USB inalámbrico. ^{[ 11 ]}

En octubre de 2006, la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. (FCC) aprobó los adaptadores USB inalámbricos Host Wire Adapter (HWA) y Device Wire Adapter (DWA) de WiQuest Communications para uso en interiores y exteriores. El primer producto comercial fue enviado por IOGEAR utilizando silicio de Alereon , Intel y NEC a mediados de 2007. Casi al mismo tiempo, Belkin, Dell, Lenovo y D-Link comenzaron a enviar productos que incorporaban la tecnología WiQuest. Estos productos incluían tarjetas integradas en computadoras portátiles o adaptadores para aquellas PC que no incluían USB inalámbrico. En 2008, Dell lanzó una nueva estación de acoplamiento USB inalámbrica de Kensington. Este producto fue único, ya que fue el primero en el mercado en admitir video y gráficos a través de una conexión USB mediante la tecnología gráfica DisplayLink USB. Kensington lanzó una estación de acoplamiento universal USB inalámbrica en agosto de 2008 para la conectividad inalámbrica entre una computadora portátil y un monitor externo, altavoces y periféricos USB con cable existentes. Imation anunció la disponibilidad en el cuarto trimestre de 2008 de un nuevo disco duro externo inalámbrico. ^{[ 12 ]}

El 16 de marzo de 2009, la WiMedia Alliance anunció acuerdos de transferencia para las especificaciones de banda ultraancha (UWB) de WiMedia. WiMedia transfirió las especificaciones al Bluetooth Special Interest Group (SIG), al Wireless USB Promoter Group y al USB Implementers Forum . Tras la transferencia de tecnología, la WiMedia Alliance cesó sus operaciones. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} En octubre de 2009, el Bluetooth Special Interest Group abandonó el desarrollo de UWB como parte de la tecnología alternativa MAC/PHY, Bluetooth 3.0/High Speed. Un número pequeño, pero significativo, de antiguos miembros de WiMedia no había firmado ni firmaría los acuerdos necesarios para la transferencia de propiedad intelectual . El grupo Bluetooth entonces centró su atención de UWB a 60 GHz . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

La versión 1.1 de la especificación USB inalámbrica, anunciada el 29 de septiembre de 2010, es la última revisión importante publicada para este estándar y sigue siendo la versión finalizada más reciente. Desde entonces, la tecnología no ha recibido más actualizaciones de especificación ni desarrollo activo, y USB inalámbrica se considera ahora obsoleta, sin actualizaciones significativas de hardware ni de estándares posteriores a 2010. ^{[ 19 ]}

Ofreció varias mejoras compatibles con versiones anteriores: compatibilidad con la banda superior UWB para frecuencias de 6  GHz y superiores, gestión y consumo de energía mejorados, y compatibilidad con NFC y asociación basada en proximidad.

Como ya se mencionó, se conserva el modelo USB y, en general, se realizan ajustes menores para adaptarlo a las necesidades específicas de un sistema inalámbrico. Los cambios son los siguientes, de arriba a abajo:

• La capa de funciones solo sufre cambios menores para aumentar la eficiencia y admitir el isocronismo .
• La capa de dispositivos incluye funciones de seguridad y gestión de dispositivos orientadas a la conexión inalámbrica.
• La capa de bus no cambia su funcionalidad, pero se adapta sustancialmente para mejorar la eficiencia y la seguridad en redes inalámbricas.

Las transacciones utilizan la microprogramación TDMA, respetando la semántica USB. Se emplea un protocolo de transacciones divididas para permitir la ejecución simultánea de múltiples transacciones. Esto se relaciona con el concepto de grupo de transacciones, que consta de un comando de gestión microprogramado (MMC) y ranuras de tiempo asignadas para la ejecución de su carga de trabajo asociada.

Las transferencias de datos inalámbricas suelen generar una sobrecarga considerable. Para mitigarla, W-USB la reemplaza con la fase de datos en modo ráfaga , que agrupa uno o más paquetes de datos, reduciendo los delimitadores y los espacios de separación, a diferencia de la regla USB de un paquete de datos por transacción. El grado de aplicación de esta práctica puede ajustarse, lo que resulta en una mayor equidad entre los dispositivos que compiten.

La especificación define cuatro tipos particulares de transferencia de datos; sus características distintivas se resumen aquí.

• Las transferencias masivas utilizan el canal según la disponibilidad de ancho de banda. La entrega está garantizada, pero no así la velocidad de transferencia ni la latencia, aunque el host puede intentar aprovechar las transferencias o los puntos finales pendientes. Se utilizan para transferencias de alto volumen con un comportamiento que varía bruscamente con el tiempo. Utilizan canales unidireccionales.
• Las transferencias interrumpidas se utilizan para transacciones cortas que requieren alta fiabilidad y baja latencia. Se garantiza el período máximo de servicio, así como el número de reintentos durante dicho período.
• Las transferencias isócronas proporcionan velocidades de transferencia garantizadas y una latencia limitada para los intentos de transmisión, así como una tasa de datos constante en promedio (aunque depende del medio, generalmente comparable a las velocidades que se pueden lograr con USB cableado). También hay al menos un reintento garantizado durante el período de servicio, y admite una mayor fiabilidad frente a ráfagas de errores al agregar retardo al flujo según la capacidad del búfer; los tamaños de carga útil se pueden ajustar. Sin embargo, eventualmente puede ser necesario descartar los datos más antiguos en los búferes (el receptor puede ser informado de la cantidad de información descartada mientras el canal no está disponible). Los hosts solo descartarán datos si expira el tiempo de presentación de un paquete.
• Las transferencias de control son las mismas que en USB 2.0. El sistema utiliza una política de mejor esfuerzo, pero el software puede restringir el acceso al canal y el ancho de banda disponible para los dispositivos.

La gestión de energía también puede afectar la transmisión de datos, ya que los dispositivos pueden controlar su consumo energético a su discreción. El hecho de que el protocolo de comunicación se base en TDMA implica que tanto el host como los dispositivos saben con precisión cuándo no se requiere su presencia y pueden utilizar esta información para activar modos de ahorro de energía. Los dispositivos pueden apagar sus radios de forma transparente para el host, manteniendo la conexión. También pueden permanecer apagados durante periodos prolongados si previamente notifican al host, ya que ignorarán todas las comunicaciones provenientes de este. Finalmente, el dispositivo activará el procedimiento de activación y comprobará si hay tareas pendientes.

A su vez, el host normalmente apagará su radio cuando no la necesite. Si decide interrumpir el canal, permanecer inactivo temporalmente o entrar en estado de hibernación o apagado, debe notificar a los dispositivos antes de hacerlo.

La arquitectura WUSB permite conectar hasta 127 dispositivos directamente a un host. Al no utilizar cables ni puertos, ya no se necesitan concentradores.

Sin embargo, para facilitar la migración de la conexión por cable a la inalámbrica, WUSB introdujo una nueva clase de adaptador de cable para dispositivos (DWA) . A veces denominado "concentrador WUSB", un DWA permite utilizar dispositivos USB 2.0 existentes de forma inalámbrica con un host WUSB.

La funcionalidad de host WUSB se puede agregar a las PC existentes mediante el uso de un adaptador de cable de host (HWA) . El HWA es un dispositivo USB 2.0 que se conecta externamente al puerto USB de una computadora de escritorio o portátil, o internamente a la interfaz MiniCard de una computadora portátil.

WUSB también admite dispositivos de doble función (DRD) , que, además de ser un dispositivo WUSB, pueden funcionar como host con capacidades limitadas. Por ejemplo, una cámara digital podría funcionar como dispositivo cuando se conecta a una computadora y como host cuando transfiere imágenes directamente a una impresora.

W-USB puede formar sistemas USB auténticos, compuestos por un host, dispositivos y soporte de interconexión. Implementa el modelo de concentrador USB , en el que hasta 127 dispositivos inalámbricos pueden establecer enlaces punto a punto (radios) con el host (el concentrador). El controlador del host es único en el sistema y suele estar integrado en un ordenador en funcionamiento, aunque también puede conectarse a él mediante una conexión USB simple, posiblemente inalámbrica. Esta topología es similar a una red en estrella (pero todas las comunicaciones son estrictamente punto a punto, nunca entre dispositivos).

Para permitir la conexión de dispositivos USB cableados comunes, la especificación define adaptadores de cable para dispositivos . Asimismo, los hosts se conectan a sistemas W-USB mediante un adaptador de cable para host . Si bien la capa física se basa en banda ultraancha (UWB), los dispositivos W-USB cuentan con una interfaz USB totalmente compatible. La capa física admite una amplia gama de velocidades de transferencia, de las cuales tres son obligatorias: 53,3, 106,7 y 200  Mbit/s. Las demás velocidades UWB son opcionales para los dispositivos (los hosts deben admitirlas todas).

Los dispositivos W-USB se clasifican de la misma manera que los USB tradicionales. Gracias a la existencia de adaptadores de cable, no se necesitan concentradores USB tradicionales. Un dispositivo admite uno o más canales de comunicación con el host y asigna el punto final 0 para el canal de control USB. La información sobre el tipo de dispositivo está disponible a través de este canal.

La conexión con el host se establece mediante un mensaje de establecimiento enviado en un momento dado. Tanto el host como el dispositivo pueden autenticarse utilizando sus claves únicas; si el proceso es exitoso, el host asigna una dirección USB única al dispositivo, tras lo cual este se vuelve visible para el protocolo USB. Dado que el modelo de conectividad permite la desconexión instantánea y sin previo aviso, las conexiones deben permanecer siempre activas. Además de las desconexiones forzadas por el host o el dispositivo, los períodos prolongados de inactividad pueden activar los mismos mecanismos de terminación.

Además, los hosts W-USB tienen otras responsabilidades que van más allá de las de un host cableado; concretamente, su subcapa MAC se encarga de supervisar la idoneidad de las capas MAC de los dispositivos. Si es necesario, esto implica ayudarlos en sus funciones de balizamiento y procesar los datos de balizamiento que se les puedan enviar. Asimismo, la radio UWB y el ancho de banda asociado pueden compartirse con otras entidades, y el host debe asegurarse de que se cumplan las políticas definidas; según el uso compartido (que puede coordinarse para evitar interferencias), podrá ofrecer una funcionalidad completa o parcial.

UWB es un término general para la comunicación por radio que utiliza pulsos de energía que distribuyen la energía de radiofrecuencia emitida en  un espectro de más de 500 MHz o que supera el 20 % del ancho de banda fraccional dentro del rango de frecuencia de 3,1  GHz a 10,6  GHz, según lo definido por la normativa de la FCC emitida para UWB en febrero de 2002. UWB no es exclusivo de WiMedia ni de ninguna otra empresa o grupo, y de hecho existen varios grupos y empresas que desarrollan tecnología UWB totalmente ajena a WiMedia. WUSB fue un protocolo promulgado por el USB Implementers Forum que utilizaba la plataforma de radio UWB de WiMedia. Otros protocolos que anunciaron su intención de utilizar la plataforma de radio UWB de WiMedia fueron Bluetooth y el Protocolo de Control de Enlace Lógico de WiMedia.

Existen algunas diferencias entre Wireless USB y otros estándares propuestos/competidores que utilizan  la banda de 60 GHz, como WiGig :

Línea de visión

A 60  GHz, la comunicación por radio se ve bloqueada por cualquier objeto intermedio, lo que implica la necesidad de una línea de visión directa . El USB inalámbrico se basa en la plataforma de banda ultraancha (UWB), que opera en el rango de frecuencia de 3,1 a 10,6  GHz y, por lo tanto, puede atravesar cuerpos intermedios.

Movilidad

La  tecnología de 60 GHz resultaba atractiva para el mercado de vídeo inalámbrico porque prometía comunicaciones inalámbricas a velocidad multigigabit. ^{[ 20 ]} Para soportar estas exigencias, la capa MAC subyacente debía ser capaz de procesar esta enorme cantidad de datos. Para cumplir con estos requisitos, los productos basados ​​en 60  GHz necesitaban un mayor consumo de energía y más componentes electrónicos, lo que los hacía menos adecuados para unidades o dispositivos móviles.

La robustez es uno de los aspectos fundamentales de la especificación, por lo que la gestión de recursos y la conexión/desconexión de dispositivos cobran aún mayor importancia que en las conexiones USB cableadas. La pérdida y la corrupción de paquetes se gestionan mediante tiempos de espera , almacenamiento en búfer por hardware, reintentos garantizados (como se menciona en la descripción de los modelos de transferencia) y otros métodos de control de flujo . Si no se pueden mantener las políticas de sincronización, los errores se pueden gestionar mediante hardware o software (reintentos, fallo del número máximo de reintentos, decisiones de recuperación ante fallos, etc.).

El host W-USB intenta mitigar la falta de fiabilidad de los medios inalámbricos (una tasa de error del 10 % se considera aceptable para  paquetes de 1 kB; en medios cableados, este valor suele rondar el 10⁻⁹ ⁾ , manteniendo contadores y estadísticas para cada dispositivo y, si es necesario, solicitando información a los mismos. También puede acceder y modificar las funciones de control de potencia de transmisión de cada dispositivo, así como cambiar parámetros de transmisión como el tamaño de la carga útil de datos y los ajustes de ancho de banda.

El objetivo principal es ofrecer una calidad de servicio comparable a la del USB tradicional. Los cables ofrecen un nivel de seguridad muy alto (en un entorno de trabajo típico y fiable), por lo que el USB estándar no lo gestiona, aunque esto no dificulta su aplicabilidad ni su implementación. W-USB gestiona la seguridad de forma explícita, pero en lugar de aprovechar la base de UWB, diseña un modelo válido para USB en general. Por este motivo, debe integrarse en el plano de control de dispositivos USB común .

Para que exista la comunicación, deben establecerse relaciones seguras. Estas deben tener un propósito definido y restringir la pertenencia al grupo, que sirve como base de confianza para llevar a cabo el trabajo deseado. En los sistemas cableados, la transferencia de datos implica una conexión física controlada; esto se traduce en el dominio inalámbrico mediante el concepto de propiedad : el usuario otorga confianza a los dispositivos, que a su vez demuestran esta confianza a otros (interactuando en las llamadas ceremonias ) para formar las asociaciones deseadas. El identificador de dirección USB es un token de la confianza del propietario. Las aplicaciones pueden requerir otras bases de confianza no compatibles directamente con este modelo específico de USB, en cuyo caso pueden implementarse sobre la pila USB principal.

Además, es fundamental mantener la confianza, de lo contrario, esta caducará. Tras recibir la clave de grupo de un clúster, un dispositivo debe mantener la conexión activa confirmando su presencia dentro del límite de tiempo de espera de confianza , que está configurado en cuatro segundos. Si no logra cumplir con este requisito, se le solicitará que vuelva a autenticarse.

Debido a la asimetría inherente del USB, el host inicia todos los procesos (excepto la señalización), y la seguridad no es una excepción. Se realizan solicitudes de seguridad a los dispositivos para determinar sus capacidades de seguridad, tras lo cual se seleccionan los dispositivos adecuados. El método de cifrado simétrico estándar es AES-128 con CCM , aunque se puede utilizar el cifrado de clave pública para la autenticación inicial (es decir, solo el envío de la clave CCM inicial), siempre que el nivel de seguridad alcanzado sea comparable (en la práctica, mediante RSA de 3072 bits y SHA-256 para el hash).

Cabe destacar que existe una diferencia entre las claves maestras y las claves de sesión . Las claves maestras tienen una vida útil prolongada y suelen funcionar como un secreto compartido o como un medio para distribuir las claves de sesión, las cuales, a su vez, no sobreviven a la conexión para la que fueron creadas y generalmente sirven como mecanismo funcional de cifrado/descifrado. Un campo de encabezado específico indica cuál de las claves posibles debe utilizarse. También es importante tener en cuenta que los mecanismos de prevención de repetición requieren el mantenimiento de contadores que se actualizan con cada recepción válida. El rango de estos contadores limita aún más la vida útil de las claves de sesión.

Existen otras formas de USB inalámbrico, como las basadas en la tecnología de secuencia directa de banda ultraancha de Cable-Free USB. ^{[ 23 ]} Lo mismo ocurría con otros sistemas de reemplazo de cables basados ​​en radiofrecuencia que podían transmitir USB. Como resultado, se adoptó el nombre de USB inalámbrico certificado para que los consumidores pudieran identificar qué productos se ajustaban al estándar y admitían el protocolo y las velocidades de datos correctas.

También existía USB sobre IP, que podría haber utilizado redes basadas en IP para transferir tráfico USB de forma inalámbrica. Por ejemplo, con los controladores adecuados, el host podría haber utilizado Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac (o Ethernet cableada ) para comunicarse con el dispositivo. ^{[ 24 ]}

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