CCC标准——PHY

1.介绍

UWB物理层使用基于频带受限脉冲的脉冲无线电信号波形。UWB物理层主要用于测距，但也可以用于数据通信。在CCC标准中，物理层的具体定义依然基于IEEE 802.15.4z标准中的HRP UWB PHY，支持更高的脉冲重复频率。

对于增强测距设备（Enhanced ranging devices, ERDEV)的安全性的提升的关键在于引入了STS技术。STS包含在IEEE 802.15.4z规定的PPDU格式中，分为4种模式，不同配置下STS在PPDU中的位置有所不同。

在IEEE标准中定义了相对灵活的UWB PHY。其灵活性通过调整参数来实现，如前导码（SYNC）长度、前导码编码、帧分割符（SFD）长度与编码，脉冲重复频率以及数据率等。

而在CCC的物理层规范中，并不要求实现所有的参数和模式，根据汽车数字钥匙的特定应用场景需求进行了规范。

对于链路两端的ERDEV，应预先协商用于安全测距会话的具体参数。协商参数可以在上层完成或通过BLE。

2.UWB PHY框图

框图与IEEE 802.15.4z HRP UWB PHY定义一致，PHR使用SECDED编码、Payload使用RS编码。

对应的在接收端，将根据不同的类型进行处理：

3.UWB包格式

在CCC中规范中，包类型仅包含两种（IEEE 802.15.4z中为4种）：STS Packet type 3（SP3）、STS Packet type 0（SP0）。

对于SP3，通过确定性随机位生成器DRBG STS引擎生成4096 bits加密码，用于创建STS波形（二元脉冲编码），同时没有PHR段也没有数据段。

由于SP3是不包含数据信息的，因此，用于UWB测距的相关分组、时隙信息、配置消息等应该是提前同步到各设备。（SP3为测距数据帧，仅用于安全测距，收发设备上记录各自高精度时间戳即可，具体是哪个设备发送的，通过SP0来定义。）

SP0包含SYNC、SFD、PHR、PSDU组成。

配置信息可以通过BLE链路，也可以通过SP0数据帧来进行。在CCC中，推荐使用BLE链路，通过带外通道来同步，可以减少UWB信道的暂用，同时也可以降低整机的功耗（当前UWB收发功率依然远高于BLE）。

SP3旨在用于安全测距交换，针对已知设备，因此发送和接收设备之间需要相同的/已知的STS，以保证连接设备的正常工作。

在CCC中，所有测距会话中的包，使用的平均PRF不低于62.4 MHz。也就是说，IEEE 802.15.4a中支持的15.6 MHz等设备、参数不能应用于ERDEV。

4.UWB帧元素

在CCC中对于物理层支持的配置比较有限，仅支持下表所示配置内容：

可以看到，CCC PHY的相关限制要求比较高，对于STS段的时间长度也进行了明确的规定，与FiRa PHY中的限制相似，对于SP3帧也限定为1段且长度为64个Symbols，相应的整个传输时间会比较好估计，同时对于设备实现上可以降低设备实现的难度（可以简化设计）。

4.1 BPRF SYNC

SYNC段用于负责接收机算法相关的AGC设置、定时捕获、粗略/精准频率恢复、数据包分组与帧同步实现。

在IEEE的标准中强制要求支持SYNC长度16、64、1024、4096个Symbols长度，而在CCC规范中仅要求支持64个符号的短前导码。

对于CCC定义的ERDEV应支持长度为127的三元编码，每个前导码为{-1 0 1}构成的序列，对于BPRF模式下，支持9-12的编码，对于127长度的三元编码，可以基于其完美的自相关特性得到较好的同步效果。

在本规范中，ERDEV应当在CH5与CH9工作，需要支持前导码编码：9、10、11、12。对于13-16、21-24为可选序列。

4.2 BPRF SFD

SFD增加到UWB帧中用于建立接收机的帧时序。
在CCC规范中，仅支持长度为8的SFD。三元编码SFD为[0 +1 0 -1 +1 0 0 -1]，为了提高性能，设备应该支持二元序列[-1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 -1]。

4.3 STS

为防止注入信号能量攻击，STS提供AES生成的测距波形以防止攻击欺骗。基于DRBG的STS能够低于各种类型的距离攻击，如Brute force attack, Cicada attack, 前导码注入工具和前导码EDLC。STS的位映射到脉冲如下：

• Bit 1 映射负脉冲
• Bit 0 映射正脉冲

对于BPRF模式（64 MHz PRF），一个脉冲对应8个chips（展开因子为8）。

4.4 BPRF PHR

包含了PSDU段的数据率，当前帧前导码的长度，以及payload的长度。附加了6bit的奇偶校验位，用于进一步保护PHR不受传播信道错误的影响。
对于PRF 64MHz，PHR数据率为850 Kbps。

关于SECDED相关值的构成关于如下：

4.5 标准兼容数据段

标准数据段应按照如下构成：

• 使用增加了48奇偶位的对称R-S块（Reed-Solomon）对PSDU进行编码。
• 使用对称卷积编码器对RS编码输出进行编码。如果调制的Viterbi数量被定义为1，那么卷积编码器将被旁路。
• 使用BPM-BPSK对编码块进行扩频和调制。

5.脉冲形状组合

兼容发射机应该在传统的对称根升余弦脉冲和Precursor-Free Pulse（无前体脉冲）之间选择。
在CCC-PHY中，对UWB脉冲的形状规范有相对更多的兼容性，相关脉冲形状的参数定义如下。

5.1 对称根升余弦函数 - PulseShape 0x0

$$r(t)=\frac{4\beta }{\pi \sqrt{T_p}}\frac{cos[(1+\beta )\pi t/T_p]+\frac{sin[(1-\beta )\pi t/T_p]}{4\beta (t/T_p)}}{1-(4\beta t/T_p{)}^2}$$

$\beta$ = 滚降系数，0.45 ± 0.05
$T_p$ = 脉冲周期，为chip旁路的导数（1/499.2MHz ≈ 2ns）

以下为Pyhon实现的最小相位脉冲波形，包括脉冲形状0x0的有限脉冲响应（FIR）样本，使用0.45的β值，每个chip采用32倍过采样，总跨度8个chip。

def min_phase(firseq, fft_pts):
"""
A function to convert a FIR impulse response to min-phase
A function that calculates the minimum-phase equivalent of a 
FIR impulse response based on a Discrete Hilbert Transform
applied in the frequency domain.
"""
# Recommended fft_pts >= 32768
# For guidelines on the required number of FFT points, see:
# N. Damera-Venkata, B. L. Evans and S. R. McCaslin,
# "Design of optimal minimum-phase digital FIR filters using
# discrete Hilbert transforms," in IEEE Transactions on Signal
# Processing, vol. 48, no. 5, pp. 1491-1495, May 2000.
max_phase = np.real(np.fft.ifft( \
    np.exp(hilbert(np.real(np.log(np.fft.fft( \
    firseq, fft_pts)))))))
tmp_min_phase = max_phase[::-1] # reverse max phase
return tmp_min_phase[0:len(firseq)] # maintain length
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

5.2 无前体脉冲 - PulseShape 0x1

一般来说，“无前体”是指脉冲的特性，即单调的将上升到最大峰，也表示器主瓣是第一个峰值。

5.2.1 Precuursor-Free Pulse - PulseShape 0x2

脉冲波形0x2为脉冲波形0x1的一种特殊情况，通过使用相关方法将脉冲形状转化为最小相位。

如果发送机选择无前体脉冲，建议尽量使用脉冲波形2（最小相位）。

6. 测距Marker

在IEEE标准中定义RMARKER，支持进行时间戳测量。RMARKER与STS包的位置如下图：

7. UWB RF标准

7.1 工作频段与信道分配

在CCC规范中，ERDEV应该工作在高频段，CH5和CH9。
CH5中心频率6489.6 MHz，CH9中心频率为7987.2 MHz。

7.2 频率源要求

RF中心频率和符号时钟频率应该来自相同的参考时钟（clk_ref），该时钟通常为晶体振荡器（XO）。时钟和所有发送、接收机活动的时钟与相同的公共clk_ref绑定。

clk_ref的要求

• 对于移动设备而言，clk_ref的偏差应该在±10ppm以内。
• 对于车辆端，clk_ref的偏差应该在±15ppm以内。

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参考文献：

1. IEEE 802.15-4z-2020 - IEEE Standard for Low-Rate Wireless Networks, Amendment 1: Enhanced Ultra Wideband (UWB) Physical Layers (PHYs) and Associated Ranging Techniques, June 2020。
2. Car Connectivity Consortium Digital Key Release 3, Technical Specification, Version 1.1.0。