Bluetooth Channel Sounding中关于CS Step及Phase Based Ranging相应Mode介绍

目录

BLE CS中Step定义

BLE CS中交互的数据包/波形格式

BLE CS中Step的不同Mode

BLE CS中Step的执行过程

Mode0介绍

Mode0 步骤的作用

Mode0步骤的执行过程

Mode0步骤的执行时间

Mode0步骤的时间精度要求

Mode2介绍

Mode2步骤的作用和执行过程

 Mode2步骤的执行时间

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BLE CS中Step定义

        BLE CS中的Step定义为BLE CS双方（initiator和reflector）一次双向交互的过程。多个相关的BLE CS Steps组成了BLE CS中的Subevent。

        在BLE CS中的Step中，主要根据应用层选择的CS方法（PBR: phase based ranging 或/和 RTT: round-trip time），在BLE CS双方设备间完成射频信号的交互。

BLE CS中交互的数据包/波形格式

        BLE CS中交互的数据包格式是CS过程独有的，与BLE其他过程，如广播、连接态等模式下的数据包格式都不同。

        BLE CS过程中交互的数据包波形，从命名上有两种，分别是：CS_SYNC和CS Tone。在不同的CS Mode中，使用两种数据包的不同组合。CS_SYNC数据包主要是用于RTT交互使用，具有指定的格式，具体可以参考：Vol 6, Part H 2 PACKET FORMATS FOR CHANNEL SOUNDIN，如下图所示：

        CS Tone波形，严格意义上来说是没有包格式说法的，因为本质上该段波形，是对芯片载波的一种ASK调制，也就是在发送阶段，直接发送的是芯片的载波正弦信号。在BLE CS的PBR功能下，大部分的Step双方只交互CS Tone波形，已完成跳频测相并计算距离。

BLE CS中Step的不同Mode

        Bluetooth规范中，定义了CS过程中可以使用的4中模式（Mode），分别是Mode0~Mode3，分别作用为：

1. Mode0：为RTT或者PBR，测量CS双方的频偏情况；
2. Mode1：测量CS双方的RTT
3. Mode2：测量CS双方由于距离导致的跳频相位变换情况，也就是这个模式才是基于相位的高精度测距模式；
4. Mode3：同时测量RTT和跳频相位情况。

        BLE CS Step过程中，CS双方通过空口进行通信的数据包格式由Vol 6, Part H 2 PACKET FORMATS FOR CHANNEL SOUNDING中定义。根据当前Step中收发的Mode不同，主要是CS_SYNC和Tone两种包的组合形式。

BLE CS中Step的执行过程

        在每个CS的Subevent中，CS的每个Step时间宽度可能由于模式不同而不同，另外不同模式情况下，每个Subevent中包含的CS Step数量也不一定相同。因此，我们没有在常规的LL_CS_IND数据包中，看到关于BLE CS Step的Length、Interval等参数。这些参数在CS Step层面，大部分是由BLE控制器自动根据规范完成双方的约束。详细的Subevent和Step中关于Mode的时序，参考Vol 6, Part H 4.4 Channel Sounding subevent and mode sequencing。

        Bluetooth中规范：在一个CS Subevent设定的T_SUBEVENT_LEN内，如果一个CS Step执行完毕后，剩余的时间超过需要执行的Step时间长度，那么LL层可以再安排一个Step，否则的话这个Subevent内的后续时间将保持空闲。下图展示了一个BLE Subevent内插入最多Step数量的情况。

BLE CS 子事件最大CS Step占用宽度

        每个Subevent中最少step由N_MIN_STEPS_PER_SUBEVENT表示，规范中该值为2。而每个Subevent中最多step由N_MAX_STEPS_PER_SUBEVENT表示，规范中该值为160。而单个PROCEDURE中，不管有多少个Subevent，最大的Steps数量由N_STEPS_MAX表示，该参数规范中设定为256。

        而BLE CS Step的分隔的确定方式，如下图所示。Bluetooth中规范了两个BLE CS Step直接使用物理层的频率跳频进行分割。

BLE CS Step间隔确定方法：由跳频时间固定分割

        规范中留个跳频的时间定义为T_FCS，BLE硬件在这段时间内需要完成跳频、设置并稳定输出信号功率、必要的校准等动作。规范中定义了多个T_FCS值可以选择，最小值为15us，最大为150us。需要注意的是，规范中仅150us是需要所有BLE设备都强制支持的，其他都是可选支持，因此该值取决于芯片设计公司。

        在一个BLE CS Procedure中T_FCS需要保持一致。另外，在T_FCS和具体的CS Step内，reflector RF端口处的信号功率要至少相差40dB以上。

        由于BLE的CS本质上是提供了RTT和PBR两种测距过程。由于RTT的精度较差，此处仅关系PBR相关的Mode。

Mode0介绍

Mode0 步骤的作用

        支持BLE CS的设备，必须要支持此模式，主要用于测量获得BLE CS双方的存在频率偏差。具体来说，是BLS CS中的initiator设备用此模式获得reflector设备与自身的频率偏差。获得该频率偏差后，initiator通过LE CS Subevent Result event中的Step_Data-Measured_Freq_Offset上报至Host，以便用于后续测距算法时的误差补偿。

Mode0步骤的执行过程

        具体此模式下，收发双方在CS Step中的详细操作如下图所示。

        首先是Initiator设备发送CS_SYNC_0_I数据包，该数据包中仅包含CS_SYNC部分，且此部分的CS_SYNC不带可选的sounding或者random sequence部分。在确定的延时之后（T_RD+T_IP1），reflector设备发送一个CS_SYNC+CS Tone数据包。Initiator设备收到reflector发送的CS_SYNC，在固定的时间窗口通过测量CS Tone，获得reflector与自身的载波偏差。

        在规范中，Initiator设备测量的载波偏差称为Fractional Frequency Offset(FFO)。该FFO的测量，与当前采样的CS Tone信号以及reflector设备提供的Mode-0 FAE表格有关，具体可以参考：Vol 6, Part A 3.5.1 Fractional frequency offset，而关于Initiator和reflector的本地FAE误差校准，可以参考Vol 6, Part A 6.3 Frequency actuation error correction。

Mode0步骤的执行时间

        一次Mode0双方设备的交互时间，可以通过以下方式测算。首先，Initiator发送CS_SYNC数据包。此时CS_SYNC数据包占用的时间T_SY，对于1Mpbs码率PHY，传输bit数量为8+32+4=44，对应需要44us；对于2Mbps码率PHY，传输bit数量为16+32+4=48，对应需要24us。

        Initiator发送完CS_SYNC后，定义了一个5us的T_RD时间。此时间主要用于Initiator关闭RF发射机，使得空口无射频能量。规范要求CS_SYNC发送阶段和T_RD后的射频功率要至少相差40dB以上。

        接下来是Initiator发送完至reflector发送前之间的空闲时间T_IP1。这段时间一般可以用于硬件的校准，或者reflector准备RF输出。规范中T_IP1也是多种值可配置。但强制要求芯片支持的仅有145us，也就是说规范中强制要求支持的T_IP1+T_RD=150us。

        T_IP1空闲时间后，reflector发送CS_SYNC_0_R数据包，该数据包是CS_SYNC后外加一个CS Tone，如下图所示，具体参考：Vol 6, Part H，2.6 Channel Sounding extended packet formats。

        其中CS_SYNC占用时间与Initiator发送的一致，取决于PHY码率的设置；CS_SYNC和CS Tone之间的Guard时间T_GD固定为10us；用于Initiator频率测量的CS Tone时间T_FM在Mode0中固定为80us。同样reflector发送完CS_SYNC_0_R数据包后，仍然预留了5us的T_RD时间。

        需要注意的是，在BLE CS中规范了收发的Anchor Point和Offset后，在固定的CS Step中如果reflector没有收到Initiator发送的CS_SYNC数据包，那么reflector仍然需要在固定的时间上发送CS_SYNC_0_R数据包，尽管此时reflector没有收到，或者收到Initiator发送的CS_SYNC数据包有较多的误比特。

        最终，我们可以计算Mode0 CS中一个Step所占用的时间为：

2*T_SY+2*TRD+TGD+TFM+TIP1

T_SY为44us或者24us，TRD固定为5us，TGD固定为10us，TFM 固定为80us，TIP1可以配置。因此Mode0步骤的执行时间最长是TIP1为强制要求的145us，此时总的Mode0执行时间约为：289us或者269us。当芯片能够支持的TIP1达到最小的10us时，总的Mode0执行时间约为：154us或者134us。

Mode0步骤的时间精度要求

        如果定义为Initiator设备在第m个step上Mode0数据包的发出时间。对应第一个Step，根据定义我们可以设定。而整个Step执行时间分为Step时间和跳频时间T_FCS，如果PHY确定的情况下，整个Step执行时间是固定的。例如当T_FCS也满足强制执行时间150us时，整个Step执行的预测时间应该为：

该时间为439us或者419us，本质上是在Mode0步骤执行时间上增加了150us的时间。

        BLE规范中要求第m个数据包Initiator的实际发出时间与预测时间，在所有的Mode0 的M个Steps上要误差要小于0.25us，即：

Mode2介绍

Mode2步骤的作用和执行过程

        Mode2步骤主要是实现BLE CS中PBR测距功能。

        Mode2的执行过程也相对较为简单，如下图所示。先由initiator设备在规定的时间节点发送一个CS Tone，然后等规定的时间间隔后，reflector在相同的频点发送一个CS Tone。可以发现，在Mode2的执行过程中，initiator和reflector设备间是没有带调制的信息传递的。

 Mode2步骤的执行时间

由上图可知，initiator设备在发送CS Tone时，所需要花费的时间为：

其中：

        是开关切换时间，如果单天线执行BLE CS，那就是不需要开关切换，此时可以设置为0；但如果用到多天线进行BLE CS，那么的时间取决于RF Switch的切换时间，规范中可以选择的分别为1，2，4和10us，如下图所示。

        是相位测量时间。规范中运行的相位测量时间分别为10us，20us和40us，其中40us是需要强制支持的时间，而前面两个是可选支持的时间。

         是路径支持个数。这个参数是由于支持BLE CS的规范，是允许外置多天线进行不同路径的CS过程。这也是前面预留进行开关切换选择传输天线的时间。目前规范中最多支持的路径由4个，由Antenna Configuration Index进行唯一选择，如下图所示。

        为了确保BLE CS中Mode2的安全攻击等级，Mode2的每个路径传输中，都插入了一个CS Tone 扩展槽位（Extension Slot），其中占用的时间与当前时间一致，也就等效又额外增加了一个路径的传输使时间。关于Extension Slot介绍Vol 6, Part H 4.4.1 Tone extension slots，可以参考。因此，最终initiator发送CS Tone过程，需要占用的时间为：。此时reflector在对应的时间，分别接收来自不同天线路径的initiator载波信号。

        Initiator发送完所有的CS Tone后，预留了固定5us的T_RD时间来关闭Initiator的发射机。接下来，是一个收发机角色切换时间T_IP2，即initiator由发射切换到接收，而reflector由接收切换到发射。T_IP2和T_IP1一样，规范中也是有10us开始至145us有多参数可以选择，其中145us是规范中需要所有蓝牙设备必须支持的间隔，其他都是可选支持。在规范中T_IP1和T_IP2是两个独立的参数，是可以配置成不一样的数值的。

         T_IP2延时时间后，那么由reflector在相同的信道上发送CS Tone，其中发送时间和initiator一致，也需要考虑天线路径个数和插入的extension slot，因此占用的时间也同样为：

        最终，同样预留了5us的T_RD时间，来让reflector关闭发射机，并结束当前Mode2过程。

        下面举例说明多天线路径是的Mode2过程。如果配置是选择的ACI=2，那么此时总共存在3条设备A到设备B的路径，此时，分别对应三天线的A设备和一天线的B设备，此时对应的传输路径如下图所示。

        此时Mode2的执行过程如下图所示。首先是initiator依次通过开关切换，依次在三个天线上实现了CS Tone的发送。最终预留了一个extension slot，此时天线尽管不需要切换，但是切换时间仍然需要预留。然后由CS DRBG模块决定当前slot是否要发送CS Tone。接下来就是T_RD+ T_IP2的等待时间。然后就是reflector依次向各个initiator的天线发送CS Tone，直至当前Mode结束。

        最终，根据规范，Mode2执行过程需要的总时间为：

当BLE CS双方只有一条天线路径，即时。此时，而选择强制支持的40us，T_IP2选择强制支持的145us，那么Mode2执行一次的时间为：315us。

        另外，我们可以计算理想情况下，initiator天线发射端从开始CS Tone发射，到reflector天线端开始CS Tone发射的时间间隔应该为：

用于计算Mode2双方应该经过的理想延时，此参数将在频率误差校准中使用，具体参考：Vol 6, Part A  6.3 Frequency actuation error correction。