ワイヤレスUSBはなぜ失敗したのか
(oldvcr.blogspot.com)- ケーブルなしでUSB 2.0級の周辺機器を接続しようとしたワイヤレスUSBは、UWB標準競争と実用性能の低さ、ドライバ・互換性の問題、内蔵対応の不足が重なり、急速に姿を消した
- 技術的基盤は、短距離で高帯域幅を狙う UWB であり、2002年のFCC承認後、IEEE 802.15.3aとWiMedia Allianceを中心に高速WPANの標準化が進められた
- 市場はMotorola/Freescaleの DS-UWB・Cable-Free USB と、Intel・USB-IFの MB-OFDM・Certified Wireless USB に分裂し、両方式に互換性はなかった
- 実際の製品は動作こそしたが、1.09GBのファイルコピーに約10〜11分かかり、映像ミラーリングではフレームドロップが発生するなど、公称480Mb/s とは大きな隔たりがあった
- Wi-FiとBluetoothが、プリンタ、カメラ、HID、ファイル転送、AirDrop・Quick Shareのような近距離接続を吸収したことで、WPANの約束は ワイヤレスUSBなしで 実現された
ワイヤレスUSBが解決しようとした不便
- Palm OSベースのFossil Wrist PDAスマートウォッチにはオンボードのネットワーキングライブラリがないが、Palm m505のライブラリを使えば、USBシリアルポート経由で PPP を使える
- 問題は、腕時計を常にUSBポートに挿しておかなければならない点であり、それを避ける手段として、実際に発売されていた ワイヤレスUSB機器 が検討された
- ワイヤレスUSBは一時期製品として存在したが、競合標準が市場を分断し、関連技術は比較的短期間で消えていった
- 検討範囲は、ワイヤレスUSBの技術的背景、競合標準の動作方式、実製品の性能、Palmスマートウォッチのような旧型機器に役立つかどうかである
UWBとWPANの技術的背景
- 802.11 Wi-Fiが1997年に登場し、Appleが1999年のiBook G3に802.11bを採用したことで、さまざまな機器を完全ワイヤレス化できるのではないかという期待が高まった
- コンピュータ1台と、その周辺にいるユーザーの短距離ネットワークは、この流れの中で PAN/WPAN と呼ばれるようになった
- Bluetoothはこの領域に先に参入したが、高いデータレートを必要とする周辺機器向けには設計されておらず、現代の高速Bluetoothでも仕様上50Mb/sを超えない
- 高速WPANの基盤技術として選ばれたのが UWB(ultra wide-band) だった
- UWBは、500MHzを超える広い周波数範囲に弱い信号を拡散し、短距離で高帯域幅チャネルを作る方式である
- 低電力で送信するため既存の狭帯域通信への干渉を抑えられるが、到達距離は最大でも数十〜100m程度に制限される
- パルス長が短いため飛行時間測定の精度が高く、位置測定にも有用である
- FCCは2002年2月、UWBの低電力・免許不要利用を承認し、通信システムは3.1GHz〜10.6GHzの上位帯域で許可された
二つに分かれた標準競争
- IEEE 802.15 Working GroupはWPAN技術を扱っており、その中でも802.15.3は 高帯域幅アプリケーション を対象としていた
- 2002年12月、802.15.3aは画像およびマルチメディアデータの高速転送に向けた拡張を進め、23件の提案は最終的にDS-UWBとMB-OFDMの二方式に絞られた
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DS-UWBとCable-Free USB
- DS-UWB は、使用周波数帯域全体にパルスでデータを送る方式である
- 複数の送信機が互いに干渉しないよう、CDMAに似た符号分割多元接続を用いる
- Motorolaと、のちのFreescaleがDS-UWB陣営を主導し、FreescaleはワイヤレスUSBの概念を先に小売製品として押し出そうとした
- 製品名はW-USBからCord-Free USB、Cable-Free USBへと変わり、本文ではCF-USBと略す
- CF-USBは有線USBにより近い構造だった
- ポイントツーポイント接続しかできなかったが、すべてのUSB機能と転送タイプをサポートした
- リアルタイムデータ向けのアイソクロナス転送もサポートした
- コンピュータからは通常のUSBハブのように見えるため、ソフトウェア更新は不要だった
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MB-OFDMとCertified Wireless USB
- MB-OFDM は、多数のサブキャリアを使ってデータを並列転送する方式である
- 承認された帯域を528MHzのサブバンド14個に分割し、各サブバンドは128本のサブキャリアを持つ
- そのうち100本はデータ転送に使われ、残りはゼロ、ガードトーン、パイロット信号に使われる
- 多元接続は、所定パターンで送信周波数を移動させる time-frequency coding によって実現する
- Texas InstrumentsやIntelなどがMultiBand OFDM Allianceを結成し、その後WiMedia Allianceに統合された
- IntelはUSB-IFに影響力を行使し、WiMediaのMB-OFDM版を高速無線機器向けの公式USB解決策として採用させた
- USB-IF側の名称は最終的に CW-USB(Certified Wireless USB) となった
- CW-USBは仮想バスの柔軟性が高く、機器が別の機器のホストになれる一方、すべてのUSB機器との完全な下位互換性はなく、新しいドライバとOS対応を必要とした
標準化の失敗と初期製品の挫折
- MotorolaはDS-UWB機器とMB-OFDM機器が共存できるよう、低速の Common Signaling Mode を提案したが、論争は続き、2004年にWiMedia Allianceを離れてUWB Forumを設立した
- IEEEの標準化の試みは事実上停止し、WiMediaは独自仕様をEcmaに提出して ECMA-368 として発行した
- 802.15.3a Task Groupは2006年1月に解散した
- FreescaleベースのCF-USB機器は開発がより早く進み、Belkin Cable-Free USB kitとGefen Wireless USB Extenderが2006年のWinter CESとMacworldで実演された
- しかしFreescaleとMotorolaが2006年4月にUWB Forumから離脱したことで、CF-USB製品は店頭に並ばなかった
- Belkinは最終的にMB-OFDMベースへ再設計した
- GefenはUWBを断念し、別のワイヤレスUSBシステムへ移行した
- Freescaleチームはその後、経営陣の離脱に見舞われ、追加のCF-USBハードウェアを出せなかった
- UWB Forumは2007年に崩壊した
CW-USBの構造とペアリング
- CW-USBで既存の有線機器を接続する際、コンピュータ側アダプタは HWA(Host Wireless Adapter)、機器側アダプタは DWA(Device Wireless Adapter) と呼ばれる
- HWAとDWAは規格準拠ハードウェアに内蔵されることもあり得たが、実際の製品の多くはPC側ドングルと機器側ハブを必要とした
- CW-USBは最大127台の機器をサポートし、無線リンクはAES-128で暗号化される
- 接続前には association の過程が必要である
- AES-128のセッションキーを生成し、128ビットのホストIDと128ビットの機器IDを記録する
- 共有される384ビットのassociation contextは、明示的に無効化されるまで保持される
- 機器は複数のHWAとassociationできる
- association方式は3種類ある
- 工場出荷時に事前associationする方式
- 画面コードや機器底面のPINを使う数字association
- 機器をUSBケーブルで直接接続し、鍵生成と配布をケーブル内で完結させる cable association
- cable associationは両機器を物理的に所持している必要があり、鍵生成・配布が無線に出ないため最も安全な方式である
- ただし他のassociation方式をブラックリストで防ぐことはできず、一部機器はPIN変更に対応していたが、すべての機器がそうだったわけではない
実際のCW-USB機器テスト
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D-Link DUB-9240
- D-Linkのスターターキットは、DUB-2240 4ポートDWA USB 2.0ハブとDUB-1210 HWAで構成されていた
- 当初のMSRPは約170ドルで、2025年ドル換算では約225ドルに相当する
- Windows XP SP3とVistaをサポートし、テストはSnow Leopard 10.6.8を実行するIntel MacBook上のVMware Fusion 4の64ビットWindows Vista Businessで行われた
- インストール時には、まずDWAハブをケーブルでassociationしてからHWAドングルを接続する
- USBフラッシュドライブはWindowsが機器種別を判別できなかったが、Prolific PL-2303 RS232-to-USBアダプタは認識され、COMポートとして動作した
- Fossil Wrist PDAも無線ハブ経由で新しいUSB機器として現れたが、Fossilの2001年頃のドライバが署名されていなかったため、Windows Vistaでは読み込めず、HotSyncは進まなかった
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Atlona AT-PCLink Wireless USB DisplayDock
- Atlona AT-PCLinkは、DVI映像、3.5mmオーディオ、USBポート2基を提供するドッキングステーションである
- ドック自体がCW-USB機器なのではなく、付属のDWAをドックに挿して使う
- HWAとDWAはWisair WSR601シングルチップシステムをベースにしている
- Mac OS X LeopardとSnow Leopardにも対応すると表示されており、テストに使ったドライバは120.36.1.0である
- Intel MacBookのSnow Leopardでは接続に成功し、新しいUSBバスを作成してドックを認識した
- インストールパッケージとペイロードはUniversalだったが、PowerBook G4 Leopard 10.5.8ではHWAがSystem Profilerに表示されても、カーネル拡張が認識しなかった
- DisplayLinkドライバ1.7を導入すると外部仮想モニタが現れ、画面ミラーリングと拡張が可能になった
Palmスマートウォッチ接続実験
- Snow LeopardにはRosettaがあるため、Fossil CDのPalm DesktopをIntel Macにインストールして実行できた
- Fossil AbacusスマートウォッチをAtlonaドック背面のUSBポートに接続してHotSyncを開始すると、HotSync conduitが応答し、同期はエラーなく完了した
- この構成では、腕時計とMacBookの間に直接ケーブルがなくても動作した
- AtlonaドライバのWireless USB Managerは、機器名の変更とブロックには対応していたが、新規機器association機能は提供しなかった
- Atlonaのassociationデータは
/System/Library/WUSB/CBA.app/Contents/Resources/DB.plistに保存されており、bandgroup 1、128ビットのホスト・機器ID、384ビットのassociation contextを確認できた - 新しい機器項目をplistに追加することはできても、相手機器が使うAESキーがわからないため、有効なcontextは計算できなかった
性能は約束と違っていた
- CW-USBの主なユースケースはケーブル不要の高帯域幅であり、Intelは3mでUSB 2.0のフル480Mb/s、10mで110Mb/sを主張していた
- Belkinの再設計されたMB-OFDMベースのドングル・ハブキットは2007年に販売されたが、レビューでは、機器が1フィート離れた時点でスループットが 80%低下 し、4フィートではさらに30%低下したと評価された
- Atlona AT-PCLinkの映像ミラーリングは動作したが、高解像度動画再生ではわずかな遅延と多数のフレームドロップが見られた
- 独立した拡張モニタとして使う方がまだ良かったが、USBストレージ性能は低かった
- 1.09GBのMac OS X 10.6.8コンボインストールファイルを直結USBドライブからコピーすると、およそ1分で終わる
- Atlonaドック経由では約10分かかり、およそ1.9MB/s、つまり15Mb/s程度だった
- 接続範囲は予想より良く、角や壁をいくつか越えた約10フィート先でも維持されたが、廊下の先まで移動するとリンクは切れた
- 範囲外に長く出るとMacが機器消失と判断することがあり、マウントされたファイルシステムには不向きだった
TRULinkとGefen/Icronの別アプローチ
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TRULink Wireless USB to VGA and Audio Kit
- TRULink #29596は、VGAモニタ用機器、アナログオーディオ用機器、HWAで構成される
- Atlonaと違って、ドライバは別機器とのassociation機能を提供しており、マニュアルにも文書化されている
- 画面と音声の共有だけを提供し、USBハブ機能はない
- PIN associationラベルとPIN変更機能があったが、対応PINは4桁で、変更ツールはVista 64ビットで動作しなかった
- AtlonaのMacドライバはTRULink HWAと通信できなかった
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Gefen Wireless USB 2.0 ExtenderとIcron WiRanger
- GefenはFreescaleのCF-USBが揺らいだ後、UWBを離れ、802.11gベースのUSB over Wi-Fi 方式へ移行した
- 2007年発売のGefen Wireless USB 2.0 Extenderは、Icron WiRangerのリブランド製品である
- 送信機と受信機はそれぞれ電源アダプタが必要で、受信機側には4ポートハブがある
- OSに専用ドライバは不要で、コンピュータからは通常のUSBハブのように見える
- 802.11gを使うため全体帯域幅は54Mb/sで、最大14台の接続機器でこれを共有する
- Gefenの文書ではアイソクロナス転送非対応、Icronの文書ではバルク転送非対応とされており、両文書ともUVCウェブカメラのような高帯域幅機器には適さないと警告している
- ペアリングは出荷時に済んでいるか、両機器のIRウィンドウを向かい合わせて新しい共有キーを生成できる
- 暗号化は64ビットWEPに限定され、到達距離が約100フィートとCW-USBより長い点は、セキュリティ面では欠点になり得る
Gefen/Icronの実使用結果
- iMac G4 Tiger 10.4.11では、送信機と受信機が範囲内に入ると約10秒で自動接続され、新しいUSBハブが現れた
- MacBookでも同じ1.09GBファイルコピーをテストし、送信機と受信機の間が約3フィートのとき11分かかった
- 54Mb/sの無線なのでAtlonaよりはるかに遅いと予想されたが、実際にはAtlonaの約10分と大差なかった
- FossilスマートウォッチのHotSyncは
pilot-xferで成功し、1777KBの転送に132秒かかり、13.46KB/s、すなわち107.68Kb/s程度だった - 有線同期より約10倍遅く、転送はバースト的だったが、完了自体は成功した
- USB-TCP Bridgeを使ってスマートウォッチからPPPを開始し、別の部屋でGopherspaceを閲覧することもできた
- 直結に比べて体感速度差は大きくなく、安定性も大きく劣らなかったが、受信機はより多くのバッテリー電力を消費し、接続先ホストも必要だった
市場失敗の原因
- 2008年までにCW-USBを内蔵したノートPCは少なく、Lenovo ThinkPad X200のような機種でもオプションに近かった
- ほとんどのコンピュータは依然としてHWAドングルを必要としたためUSBポートを1つ消費し、HWAは十分な数量が生産されず、価格も下がらなかった
- 約束された最大帯域幅に近い性能は、実環境ではほとんど観測されなかった
- 機器メーカーはCW-USB対応コンピュータの普及を待っていたが、その普及は起こらなかった
- 結果として、内蔵CW-USBコンピュータもCW-USB機器も大量生産されず、標準は放置された
Bluetooth 3.0+HSとUWBの最後の試み
- UWB機器相互接続の最後の試みは、2009年の Bluetooth 3.0+HS のオプション高速仕様だった
- 3.0+HSはAMP(Alternative MAC/PHY)を導入し、低速Bluetoothでリンクを確立し、高速データ交換は第2の伝送手段で行おうとした
- 初期の第2伝送手段はMB-OFDMだった
- しかしCW-USBが市場から消えると、WiMedia Allianceは2009年に閉鎖され、既存の作業をUSB-IF、W-USB Promoter Group、Bluetooth SIGへ引き渡した
- この移管は一部のWiMedia会員にとって論争の的となり、新しい後継グループへの知的財産アクセスを認めない者もいた
- AMPは最終的に802.11ベースとなったが、ほとんど使われないままBluetooth 5.3で削除された
失敗したのはUWBではなくワイヤレスUSBだった
- ワイヤレスUSBの失敗は、UWB自体の失敗を意味しない
- UWBは今日でも広く使われており、Apple U1・U2チップやAirTagのようなiOS近接機器が代表例である
- UWBチップは精密な位置測定とローカルな相互作用に引き続き使われている
- NFLの試合中の選手追跡、工場組立工程での部品追跡、自動運転車のような用途にもUWBは使われている
- ただし、高帯域幅アプリケーションでUWBが復活することはなかった
- BluetoothとWi-Fiが、当時UWBシリコンが約束したスループットと使いやすさを上回ったからである
- Quick ShareはBluetoothで同じWi-Fiネットワーク上の近くの機器を識別し、可能ならWi-Fiでデータを転送する
- AirDropもBluetoothを使ってピアツーピアWi-Fiリンクを作る
- プリンタ、カメラ、スキャナ、複合機などはWi-Fiを使い、キーボード・マウス・ゲームコントローラのような低帯域幅HIDはBluetoothで接続される
- WPANの約束は既存の無線技術の漸進的進化によって実現され、その過程で ワイヤレスUSBは不要だった
1件のコメント
Hacker News の意見
2008〜2010年ごろにワイヤレス USB チップ設計をしていたが、実際に動作しており、USB 2.0 の最大速度級の接続も無線で可能で、デモもかなり良かった。
採用における最大の問題は、有線 USB が電源供給も同時に行ってくれる点だったと思う。携帯電話の同期より充電に USB を使う人のほうがはるかに多いので、無線接続が良くても、結局いつかはケーブルに挿すか交換式バッテリーを使う必要があり、価値提案がぼやけてしまう。
次は典型的な鶏と卵の問題だった。ノート PC メーカーは必須の周辺機器がないためコストが増えるだけだと見なし、周辺機器メーカーは標準的なノート PC でそのまま使えないため、WUSB ドングルなしでは製品を作りにくかった。それでも作業自体は本当に楽しかった。
デモ機で 480Mbit の性能を見たのなら、デモテーブルから完成品に至るまでの間に何がうまくいかなかったのか気になる。
https://hardwarerecs.stackexchange.com/questions/18983/wirel...
この記事は本当に興味深かったが、かなり重要な時期が抜けているように見える。802.11ad（2011）/ 802.11ay（2021）/ WiGig がある。
主に映像伝送で知られ、今では VR ヘッドセットにも使われているが、USB を含む 802.11ad ドッキングステーションもかなり多く、ほとんどが10年ほど前の製品だ。Intel tri-band 17265（2015）は Wi-Fi+WiGig+Bluetooth ホストアダプターとして当時ある程度使われており、こうしたドックのいくつかと互換性がある。
https://www.intel.com/content/www/us/en/products/sku/86451/i...
ドックと WiGig mPCIe カードを買って試してみようかと考えたことがある。当時は価格が高すぎ、距離・速度・遅延などの制約も大きかっただろうが、オフィスやパティオ周りのケーブルを減らすのには実際に役立ったかもしれない。ただ Linux 対応がないと理解していたので試さなかった。
UWB 中心ではないが、IP 対応の UWB システム上でも動作できる usb-ip システムがもっと出てくるとよい。DIY ではかなりうまく動き、何十年近くその状態だったが、製品化と標準化は望み薄に見えるし、知っている企業ほど独自規格や不快なフックを入れる可能性が高そうに思える。
https://usbip.sourceforge.net
USB 専用ではないが、少し言及されていた 802.15.4 グループが 6〜9GHz UWB の作業を発展させ続けているのもかなり素晴らしい。IEEE 802.15.4ab も近いうちに出るようだ。例えば Spark Microsystems は最近、最大 40Mbps と非常に低い遅延をサポートする超低消費電力の SR1120 トランシーバーを発表しており、汎用周辺機器接続に使われるとよいと思う。
https://www.hackster.io/news/spark-microsystems-unveils-its-...
ワイヤレス USB は「ハンマーしか持っていないと、すべてが釘に見える」という事例だったのかもしれない。
つまり、この取り組みはソフトウェアよりハードウェア寄りの USB-IF が主導しており、関心のある企業がすぐ採用できる新しいチップセット中心の解決策を出したかったように見える。
しかし、採用時の摩擦や遅延、すでに始まりつつあった ARM ベースのシングルボードコンピューターと Wi-Fi の普及を十分に反映できていなかった。当時も iPAQ のような携帯機器はあった。
結局、想定されていた用途の大半はシングルボードコンピューターや Bluetooth に持っていかれ、振り返ると USB 標準の付加価値として USB over IP のような純粋なソフトウェア解決策を標準化するほうが、より理にかなっていたように思う。
https://en.wikipedia.org/wiki/Law_of_the_instrument#Abraham_...
https://www.usb.org/about
https://en.wikipedia.org/wiki/IPAQ
https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_USB#Uses
ワイヤレス USB が存在したことは後から知ったが、それでも HDMI も伝送する送信機・受信機のペアを入手し、受信機側をバッテリーでバックパック内で動かし、さらに別のモバイルバッテリーと一緒に Oculus DK1 に接続した。
意外にもバッテリー持ちは問題ではなかった。受信機内の WUSB チップがそれよりずっと早く過熱してスロットリングがかかり、その結果ヘッドトラッキングがガタつき始めた。
後で分かったが、その WUSB チップの過熱は広く知られた問題だった。
動作させるには信号を上下上下に反転させる必要があった点も、助けにはならなかった。
興味深いことに、Wireless USB と競合していたチップセットの一つは、今でもRCカー操縦用市場の上位にいる Spektrum 無線送信機の中で生きている。
DSMx プロトコルは Cypress Semiconductor 製品をベースにしており、これらの製品は新規設計には推奨されていないものの、今でも市場で入手できる。
ただし「最高」というわけではなく、最高との評価は Semtech LoRa 製品ベースのオープンソース ExpressLRS に集まっている。
2017年の Essential Phone は、磁石で装着され電源供給も受けるモジュール式アクセサリとのデータ通信に無線USBを使用していた。発売されたアクセサリは360度カメラ1つだけだった。
無線USBのより根本的な問題は、「Wireless USB」が意味のある問題の解決策というより、もっともらしい言葉の組み合わせだった点かもしれない。
無線USBハブはケーブルを正確に1本だけなくすだけで、内蔵型の無線USBは Wi-Fi と同じ数の無線デバイスを必要とする。それでも「Wireless USB」は、「何を作っているの？」という質問に対して、かなり格好よく見える答えになる。
USBケーブル1本を無線化してなくしたいという中心的な需要は、すでにドングル式の無線マウス市場が成熟する中で満たされつつあった。例えば Wi-Fi プリンタもすでに存在し、プリンタ共有という昔からの問題によく合っており、無線USBがオンライン利用体験を改善する可能性も低かった。
「Wireless USB」は短く未来的に聞こえ、人々に自分はその意味を分かっていると感じさせる、優れた宣伝文句だった。実際、ここ5年か10年のどこかの時点で「無線USBでよさそうだ」と思って検索し、結局ちゃんと存在しないことを知って、eBayで長いケーブルを買った記憶がある。
著者へ：写真の少なくとも1枚では、人間が読める PIN は隠しているが、すぐ下の対応するバーコードは隠していないようなので注意したほうがよい。
この記事を見て、Intel CEO がノートPC向けの無線電力と接続性をデモしていたことを思い出した。
基本的には、ノートPCを机の上に「ただ」置くだけで、最近のスマートフォンのように自動的に電源が供給され、同じ机の上のディスプレイへ映像も送信されるという方式だった。
結局どこにも行き着かなかったのは残念で、実際に便利で、かなり格好よかったはずだと思う。