FiRa® 物理层（PHY）技术规范

目录

1 概述（Overview）

本文档规定了参与超宽带（UWB）会话的设备的 FiRa® 物理层（PHY）需求。FiRa PHY 基于 IEEE 开发的 802.15.4 测距增强技术，并增加了 FiRa 联盟技术工作组（TWG）制定的附加需求。本文档分为以下领域：

• 物理层需求
• 射频（RF）需求
• 定时需求
• 性能需求
• PHY测试模式需求

本文档可与 [MAC]、[LL]、[UCI] 和 [SUS_API] 结合，构成 FiRa 设备的 UWB 子系统（UWBS）。

1.1 FiRa PHY技术需求与[IEEE_802_15_4_2020]和[IEEE_802_15_4z_2020]规范的映射（Mapping of FiRa PHY Technical requirements to IEEE specifications）

本规范中的部分信息引用自和/或衍生自 [IEEE_802_15_4_2020] 和 [IEEE_802_15_4z_2020]。

本文档中提及的 FiRa PHY 技术需求映射到 IEEE 技术规范的各章节如下：

第5.1节 — 物理层需求

第5.1.1节定义了支持的 PHY 协议数据单元（PPDU）格式：SP0（加扰时间戳序列（STS）包配置0）、SP1（STS包配置1）和 SP3（STS包配置3），详见 [IEEE_802_15_4z_2020] 第15.2.1子条款。本FiRa PHY规范不包含 SP2（STS包配置2）的需求。

第5.1.2节定义了基本脉冲重复频率（BPRF）模式的 PHY 报头（PHR）格式（详见 [IEEE_802_15_4_2020] 第15.2.7子条款），以及可选的高脉冲重复频率（HPRF）模式的 PHR 格式（详见 [IEEE_802_15_4z_2020] 第15.2.7子条款）。

第5.1.3节定义了 BPRF 的参数集（详见 [IEEE_802_15_4z_2020] 第15.7子条款），增加了使用短帧起始定界符（SFD）的 SP1 和 SP3 PPDU 格式的可选集（SFD定义于 [IEEE_802_15_4_2020] 第15.2.6.3子条款）。支持可选 HPRF 模式的设备必须支持较低数据速率以及具有0和1个分段的加扰时间戳序列（STS）配置。表3明确了所需的 HPRF 集。HPRF 模式参数描述请参考 [IEEE_802_15_4z_2020] 第15.3.3和15.7子条款。

第5.2节 — FiRa RF 需求

第5.2.1节描述的接收机需求由 FiRa 制定。

第5.2.2节定义了工作频段，详见 [IEEE_802_15_4_2020] 第15.4.1子条款。FiRa 需求仅涉及频带组2。

第5.2.3节的前导码（Ci）定义了 PHY 使用的码索引（Ci）码。这些码在 [IEEE_802_15_4_2020] 和 [IEEE_802_15_4z_2020] 第15.2.6.2子条款中规定。

第5.2.4节的载波频率和符号定时需求、第5.2.5节的基带脉冲响应需求以及第5.2.6节的发射信号质量需求由 FiRa 定义。时域脉冲掩码定义于 [IEEE_802_15_4z_2020] 第15.4.4子条款。

第5.3节的定时需求、第5.4节的性能需求以及第5.5节的 PHY 测试模式需求由 FiRa 制定。

第5.3.1节中与块相关的定时需求容差参考 [IEEE_802_15_4z_2020] 第6.9.7.2子条款。

2 参考文献（References）

3 术语表（Glossary）

3.1 术语定义（Term Definitions）

3.2 缩略语和缩写（Acronyms and Abbreviations）

以下缩略语和缩写适用于本文档。表1中列出的大多数缩略语继承自 [IEEE_802_15_4_2020] 和 [IEEE_802_15_4z_2020] 第3.2节。

4 约定（Conventions）

本文档中的关键词"REQUIRED"、"SHALL（应）"、"SHALL NOT（不应）"、"SHOULD（宜）"、"SHOULD NOT（不宜）"、"RECOMMENDED（推荐）"、"MAY（可）"和"OPTIONAL（可选）"应按照 [RFC_2119] 中的描述进行解释。

遵循以下编码约定：

• 每个八位组由 b0 到 b7 的位表示，其中 b7 是最高有效位（msb），b0 是最低有效位（lsb）。在所有表示中，最左侧的位为 msb。当在单个表项中描述更多位时，编号应从最低有效位（b0）开始。在每个八位组内，msb 在时间上最先发送。
• 所有数字以小端格式发送和接收，即最低有效八位组（小端中编号为0的八位组）在时间上最先发送。
• 八位组数组必须从八位组0开始按递增顺序逐八位组发送。
• 本文档使用以下数字表示法：
  • 数字以十进制（nnn）、二进制（0bnnn）或十六进制（0xnnn，使用大写字母）表示法表示，并指明数字位数。例如，0b001 是一个3位二进制数，值为1；0x001 是一个3位十六进制数，值为1。除非明确另有定义，字段中编码的数字为有符号或无符号整数。其他格式（例如，包含浮点数的字段）在字段定义中注明。
  • 除非字段定义中另有说明，字段中的值应视为无符号值。
  • 二进制值不应包含分隔符。例如：0b11110101。
  • 长度不超过4个八位组的十六进制值不应有分隔符。超过4个八位组的十六进制值可使用"_"（下划线）作为分隔符以提高可读性。例如：0xF5、0xF1F2F3F4、0xF1F2F3F4F5F6F7F8 或 0xF1F2F3F4_F5F6F7F8。
  • Octet[x] 表示八位组数组中索引 x 处的值。
  • Octet[m:n] 表示值的范围。
  • {x, y, z, …} 表示任何一个可能的值。

对于需求编号，使用以下标签约定：

• [PHY-<group>-number]，其中：
  • <group> 是需求组，例如：GEN（通用）、RF（射频）、TX（发射机）、RX（接收机）、TIM（定时）、PERF（性能）。
  • number 是4位数字。编号无特定规则，但同一组内编号应唯一，且两个连续需求编号之差可大于1，以便为未来新增需求预留空间。
• 可选需求的标签末尾附加 [-O]。

5 需求（Requirements）

5.1 物理层需求（Physical Layer Requirements）

5.1.1 PPDU格式（PPDU Formats）

Figure 1 — PHY Supported PPDU Formats (from Figure 15-2a—HRP-ERDEV PPDU formats with RMARKER position [IEEE_802_15_4z_2020]), Reprinted with permission from IEEE. Copyright IEEE 2020. All rights reserved.
图1 — PHY支持的PPDU格式（源自[IEEE_802_15_4z_2020]图15-2a—HRP-ERDEV PPDU格式及RMARKER位置）。经IEEE许可转载。IEEE 2020版权所有。保留所有权利。
（源文档第7页）

5.1.2 PHY报头（PHR）编码（PHY Header (PHR) Encoding）

5.1.3 HRP-ERDEV参数集（HRP-ERDEV Parameter Sets）

5.1.3.1 BPRF模式PHY参数集

表2 — BPRF模式工作参数集（源自 [IEEE_802_15_4z_2020] 表15-15。与 [IEEE_802_15_4z_2020] 表15-15相比，最后一列已修改，新增了第5行和第6行）。经IEEE许可转载。IEEE 2020版权所有。保留所有权利。

5.1.3.2 HPRF模式PHY参数集

表3 — HPRF模式工作参数集（源自 [IEEE_802_15_4z_2020] 表15-16。与 [IEEE_802_15_4z_2020] 相比，新增了最后一列以及 HPRF Set#32 至 #35）。经IEEE许可转载。IEEE 2020版权所有。保留所有权利。

5.2 RF需求（RF Requirements）

5.2.1 接收机需求（Receiver Requirements）

5.2.1.1 接收机SP0和SP1包灵敏度（Receiver SP0 & SP1 Packet Sensitivity）

对于带有 PSDU 的数据包，接收机灵敏度是指在接收机端口测量的、PSDU 错误率为1%时的接收信号功率电平。灵敏度电平基于表4中给出的载荷数据速率确定。对于所有包错误率测量，使用20个八位组的 PSDU。

表4 — 接收机SP0和SP1包灵敏度电平

5.2.1.2 接收机SP3灵敏度（Receiver SP3 Sensitivity）

对于 SP3 数据包，接收机灵敏度是指 PHY 以正确 STS 正确接收99%的 SP3 数据包时的接收信号功率电平。灵敏度电平基于表5中给出的前导码长度确定。

表5 — 接收机SP3灵敏度电平

5.2.1.3 接收机首径动态范围（Receiver First Path Dynamic Range）

接收机首径动态范围定义为：在 ≥ 95% 的试验中，PHY 能够以 ≤ 2.5 ns 的误差确定直接路径时间戳时，直接传播路径与最大反射路径之间的功率差。首径动态范围通过双路径信道模型进行验证，以模拟直接路径和最大反射路径。

为测量首径动态范围，将接收到的反射路径信号强度设置为高于被测包格式所需灵敏度电平30 dB（如第5.2.1.1和5.2.1.2节所定义）。反射路径相对于直接路径的路径延迟为15 ns。

5.2.2 工作频段（Operating Frequency Bands）

表6 — PHY频带分配（源自 [IEEE_802_15_4_2020] 表15-11。新增了强制/可选列）。经IEEE许可转载。IEEE 2020版权所有。保留所有权利。

5.2.3 前导码（Preamble Codes）

5.2.4 载波频率与符号定时（Carrier Frequency and Symbol Timing）

5.2.5 基带脉冲响应（Baseband Impulse Response）

为实现一致的首径检测性能，强烈建议 PHY 发射机的脉冲响应满足某些约束条件。PHY 的脉冲响应通过将发射数据包的前导码部分与预期前导码 Ci 码进行相关，并缩放所得脉冲使其峰值幅度为实数且值为1来估计。

脉冲形状如图15-13a of [IEEE_802_15_4z_2020] 所示，Tp = 2 ns。

5.2.6 发射信号质量（Transmit Signal Quality）

帧某部分的发射信号质量使用归一化均方根误差（NRMSE）度量进行测量，公式如下：

其中：

• N 是帧某部分中复脉冲幅度的数量。
• P̅ 是帧某部分的平均脉冲幅度：P̅ = 1/N · Σ_j=0^N-1 |P_j|
• N_c 是一个块中的码片数，等于 36576 个码片（与 BPRF Set#1、前导码索引9的 SHR 中的码片数相同）。
• P_j 是脉冲 j 的复脉冲幅度，经过以下处理后得到：
  • 从 SYNC（排除前15 μs）估计以下静态 impairment，并在整个帧上进行补偿：
    • 载波频率偏移
    • 码片时钟偏移
    • 相位偏移
  • 根据附录A计算复突发幅度。
  • 将帧划分为块，并执行逐块相位偏移补偿，具体方式如下：
    • 第一个块从帧的第一个码片开始；后续块从前一个块之后的第一个码片开始，最后一个块从码片 N_f − N_c 开始，其中 N_f 是帧中的码片数。
    • 从估计中排除 SHR 的前15 μs。
    • 对于每个块（从第一个块 c=0 开始）：
      1. 估计该块相对于前一个块的差分相位偏移 Δφ_c。如果是第一个块，设前一个块相位 φ̂₋₁ = 0。
      2. 设 φ̂_c = φ̂_c−1 + Δφ_c。
      3. 使用 φ̂_c 的值补偿块中的复幅度，但已在前一次迭代中补偿的复幅度除外。
  • 移除脉冲极性和信号星座零值。

SHR 的前1 μs 视为发射机建立时间，不计入 NRMSE 计算。

5.3 定时需求（Timing Requirements）

5.3.1 块相关定时需求（Block Related Timing Requirements）

5.3.2 测距时钟需求（Ranging Clock Requirements）

5.4 性能需求（Performance Requirements）

5.4.1 测距精度（Ranging Accuracy）

5.4.2 到达角（AoA）精度（Angle of Arrival (AoA) Accuracy）

5.4.3 PHY安全配置参数（PHY Security Configuration Parameters）

设 X_phy 为设备 A 和设备 B 之间的物理距离。在一次测距事件中，A 和 B 之间的测量/报告距离记为 Y_mea。当测量距离小于实际物理距离时，即 Y_mea < X_phy，称此测试为错误接受事件。

对于每个实际应用，PHY 应定义一个特定的关键搜索窗口（CSW），由一组比物理首径更早/更短的定时/距离候选组成。只有当 CSW 内的一个定时/距离候选被识别并报告时，才实现有效攻击。因此，只有当测量/报告距离位于 CSW 内时，即 Y_mea ∈ CSW，才计为一个有效错误接受事件。因此，有效错误接受率（EFA）定义为 EFA ≜ Prob(Y_mea ∈ CSW)，用于衡量安全级别。注意 EFA 可上界为：EFA ≤ |CSW| · p，其中 |CSW| 表示 CSW 的基数，p 表示检查 CSW 内一个候选时的 EFA。进一步地，可通过将 EFA 除以相应 CSW 的长度来定义归一化 EFA（NEFA），即 NEFA ≜ EFA ÷ L，其中 L 表示 CSW 的长度（以米为单位）。

Figure 2 — Example of Critical Search Window (Only Ymea3 is counted as EFA since it lies in CSW. Both Ymea1 and Ymea2 will not sacrifice security since they are outside the CSW.)
图2 — 关键搜索窗口示例（仅 Y_mea3 因为位于 CSW 内而被计为 EFA。Y_mea1 和 Y_mea2 不牺牲安全性，因为它们在 CSW 之外。）
（源文档第15页）

5.5 PHY测试模式需求（PHY Test Mode Requirements）

5.5.1 发射测试模式需求（Transmit Test Mode Requirements）

5.5.1.1 发射数据包间隔（Transmit Packet Interval）

5.5.1.2 发射数据包格式（Transmit Packet Format）

5.5.1.3 发射载荷内容（Transmit Payload content）

5.5.2 接收测试模式需求（Receive Test Mode Requirements）

5.5.2.1 接收数据包间隔（Receive Packet interval）

5.5.2.2 接收数据包格式（Receive Packet Format）

5.5.2.3 接收统计记录（Receive Statistics Recording）

5.5.3 PHY层单边双向测距（SS-TWR）

Figure 3 — PHY Layer SS-TWR Test
图3 — PHY层SS-TWR测试
（源文档第17页）

附录A — NRMSE（Normalized Root Mean Square Error）

归一化均方根误差（NRMSE）计算的目的是衡量在被测设备（DUT）的某些 impairment 被移除后的残余效应。由于预期接收机能够处理一定程度的载波频率偏移和符号时钟偏移（如存在单独的测试需求所示），因此整体载波频率偏移和符号时钟偏移被移除。由于预期接收机能够补偿 SHR 同步与帧后续部分接收之间的一定程度的相位漂移（例如，由于残余载波频率偏移），且该补偿也预期能够处理并非由载波频率偏移引起的缓慢变化的相位漂移，因此逐块的附加相位偏移也被移除。

注意，动态 impairment（符号时钟抖动、相位噪声等）有意保留在信号中，并计入 NRMSE 测量。

Figure 4 — Computation of Error Vectors
图4 — 误差向量计算
（源文档第18页）

在 SHR 和 STS 突发中，脉冲间干扰可忽略不计，通过参考脉冲（见附录B）的匹配滤波来估计复脉冲幅度相对容易。然而，在 PHR 和 PSDU 突发中，脉冲间干扰显著。该测试程序使用下面描述的参考突发的最小二乘拟合来估计突发内的复脉冲幅度。

设 p 为表示参考脉冲采样的列向量。如果 b 表示突发内脉冲的复幅度的列向量，则在理想情况下，突发的采样可以计算为：

其中：

• 
• b = [b_j b_j+1 b_j+2 … b_j+L−1]^T，其中 j 是突发中第一个复幅度的索引，L 是突发的长度。

以下是 PSDU（HPRF，DRHM_HR）中两个突发（单个符号）的示例：

P 是一个 M × L 矩阵，其中 M 是突发中的采样数，L 是突发内的脉冲数。0 是表示脉冲间间隔的零列向量。注意，通常 0 的长度小于 p 的长度；因此存在脉冲间干扰。

下面是一个脉冲及对应 P 矩阵的示例。脉冲间间隔为两个采样（2x 过采样，零列向量 0 = [0 0]^T），脉冲形状由采样 p = [p₀ p₁ p₂ p₃ p₄]^T 给出（同样在2x 过采样）：

要解决的问题是上述过程的逆问题：已知 s，需要找到 b。由于 M ≫ L，上述线性方程组是超定的，无法精确求解。然而，可以找到 b̂ 使得 s 和 ŝ = P b̂ 之间的均方误差最小：

这里，P^† 是 Moore-Penrose 伪逆矩阵：

注意，在 Matlab、Numpy 和其他数值求解器中，可以更高效地解决上述最小二乘问题而无需显式计算 P^†，例如在 Matlab 中写作 b̂ = P \ s。然而，在本例中，由于 P 对于所有相同长度的突发是相同的，仅计算一次 P^† 并与每个突发的采样相乘更为高效。

一旦知道突发的复幅度（b̂），通过移除逐块相位偏移、突发值（b_j）的极性以及星座零值，即可计算 P_j 的值。然后根据第5.2.6节中的公式计算 NRMSE。

以下是应用于创建 P^† 矩阵的突发长度（码片数）：

Figure 5 — Burst Lengths for Pseudoinverse Matrix
图5 — 伪逆矩阵的突发长度
（源文档第20页）

下图说明了帧如何被划分用于估计、补偿和 NRMSE 计算。

注意，估计和补偿相位的编写方式是为了避免出现累积相位旋转超过180°（并翻转符号至 −179.99…°）的情况，这可能导致某个块的相位偏移估计不正确。

Figure 6 — Estimation and Compensation of Impairments before NRMSE Computation
图6 — NRMSE计算前的Impairment估计与补偿
（源文档第21页）

附录B — 参考脉冲形状计算算法（Algorithm for Computing the Reference Pulse Shape）

以下是计算参考脉冲形状的高级描述：

1. 估计并补偿接收信号中的载波频率偏移和码片时钟偏移。
2. 将信号重采样至 (2N × 码片速率)，其中 N ≥ 1。
3. 根据 IEEE 标准创建理想 S_i 符号。
4. 通过零插值将 S_i 符号上采样至与步骤2相同的采样率。
5. 将 S_i 符号与接收数据包的 SYNC 部分进行相关。结果将得到多个相关峰值，每个对应 SYNC 中的一个 S_i 符号。
6. 将相关向量分割为等长分段，将相关峰值对齐在分段中心。
7. 将所有分段相干（使用复数值）平均为单个平均分段，排除以下分段：
   • 包含距离第一个分段起点 ≤ 15 μs 的任何点的分段（与第5.2.6节中指定的排除相同）。
   • 最后一个分段。
   此步骤的输出是一个长度约为 S_i 符号长度的向量，表示 DUT 脉冲形状的估计值。为创建附录A中 NRMSE 计算所使用的参考脉冲，截断至峰值周围指定长度。

附加图片（Additional Figures）

© 2020–2026 FiRa Consortium. All rights reserved. FiRa Consortium, the FiRa logo, FiRa Certification logo and FiRa tagline are trademarks or registered trademarks of FiRa Consortium or its licensor(s)/supplier(s) in the US and other countries and may not be used without permission. All other trademarks, service marks, and product or service names are trademarks or registered trademarks of their respective owners.

本中文翻译仅供内部参考阅读。原文版权归 FiRa Consortium 所有。