FiRa标准——MAC实现（一）

在FiRa标准中，MAC的基本数据框架基于IEEE 802.15.4-2020标准，在IEEE保证之上，增加了基于块的测距模式的调度，整体实现也比较复杂，这里先简单进行粗略的框架介绍，后续陆续进行相对完整的讲解。

在FiRa标准的规范中，将设备分为了Controller、Controlee、Initiator以及Responder四种。

设备也分为了四种，如下图：

• Controller + Initiator

• Controlee + Responder

• Controller + Responder

• Controlee + Initiator
  

• 控制器，通过发送控制消息来定义和控制测距流程。

• 受控端，根据控制器发送的消息来执行测距的流程。

• Initiator，通过发送RFRAME测距初始消息（Ranging initiation message, RIM），开始一个测距流程。

• Responder，发送响应消息，应答Initiator发送的RIM消息。

  在FiRa MAC中的调度模式采用：time-scheduled-based ranging（基于时间调度的测距），测距设备由控制器调度在不同的时隙发送测距帧（RFRAME）或测量报告。

  基于时间调度的模式下，FiRa中引入了测距块、测距轮以及测距时隙的概念，在接下来将对基于块的测距模式进行讲解。

1.基于块的测距模式

  对于基于块的测距模式而言，首先要理解其构成框架：每个会话中的测距分为了多个块(Block)，在每个块内有分为若干测距轮（Ranging Round），而每个测距轮内又拆分为更小的测距时隙(Slot)单元。正常情况下，测距过程将在每个块的固定测距轮之内完成。

  基于块的模式，连续测距轮之间的时间是固定的。控制器应在第一个测距块（Block索引为0）的第一个测距轮（Round索引为0）中启动测距会话。（不论Hopping模式与否，都应从Block 0的Round Index 0开启测距）

  为了应对复杂环境中的冲突等考虑，FiRa规范在此基础之上，增加了跳频（Round Hopping）的设计，以便能够在运行过程中动态避开冲突。

  这一机制的实现，如要通过引入Round Hopping，设计了相关的Hopping序列规则，这样在测距中的多方都能够形成先验知识，能够实现有效的同步。

1.1 Round Hopping

  轮次跳转是FiRa设备调到不同的测距轮，以便在下一个测距块中成功执行测距的一个特性。
FiRa设备在下一个测距块中要使用的RR有Hoppoing序列决定。

1.2 Hopping序列

$$\begin{gathered} S(BlockIndex,SessionID,N_{Round})= \\ ((AES(BlockIndex,SessionID)\&0xFFFF)\ast N_{Round})>>16 \end{gathered}$$

$N_{Round}$代表一个测距块中的Ranging Round的数量。

  AES算法应使用AES-128的ECB模式。BlockIndex、SessionID都用零填充到左边以达到AES块大小的要求，分别用于明文和密钥。

注意，BlockIndex为AES的明文，SessionID为AES的密钥。

AES之后的结果与上0xFFFF，然后乘以$N_{Round}$。

跳变序列确定测距块中的Ranging Round的Round Index，当跳变模式启用时需要使用Round Index。

区块索引0（即测距会话中的第一个测距区块）无论是否使能Round Hopping都始终为0。

示例
BlockIndex为1（即当前测距会话的第二个测距块），SessionID为0x10203，每个测距块内有4个RR，在AES处理时都需要在左侧补充0：

• BlockIndex : 0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001
• SessionID : 0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001_0203

通过AES函数处理之后，得到：0x3170_1ba5_ee72_4e1b_5fbf_d519_1c3d_77de,
与0xFFFF执行与操作后得到：0x77de, 乘以RR数量4，得到：0x0001_df78，
右移16bit之后，得到S的值为0x1。

连续的BlockIndex 2/3/4的S的值为0，3和1。
这意味着，对于测距块0，1，2，3，4，测距轮的索引分别为：0，1，0，3，1，如图所示：

1.3 Block Striding

块跨步功能可用于跳过测距块。当不需要频繁测距时，测距设备可以通过跳过测距块来降低功耗。

步幅长度指示在下一次测距之前将跳过多少测距块。如果步幅长度为N，当前的BlockIndex为M，则下一个测距块索引为：M+N+1。