CCC联盟数字车钥匙（三）——UWB MAC时间网格同步及Hopping

本文继续上一篇UWB MAC时间网格继续介绍UWB MAC中关于时间同步相关内容。

3、MAC时间网格同步

  每个测距会话的定义都基于相对的指定时钟参考$UW{B}_{time0}^k$，相对于发起者的内部时钟定义。
时钟参考$UW{B}_{time0}^k$为第k个测距会话建立MAC层时间网格。

  假设在发起者和响应者之间没有非常严格的时钟级同步，则应在每个应答器（响应者设备）建立MAC层时钟网格，基于相对合理的精度范围。这允许每个responder（响应者设备上）确定何时期望从发起者接收Pre-Poll消息，何时需要发送其应答消息给发起者，以及何时期望从发起者接收Final以及Final_Data消息。

每个Responder的大致MAC层时间网格的建立按照如下操作：

• 在每个测距会话的协商阶段，发起者需要发送$UW{B}_{time0}^k$到需要连接到第k次测距会话的响应者设备。
• 每个响应者通过以下方法估计发起者的MAC层时间网格：
  • 响应者使用专用的out-of-band（OOB，带外数据）时钟同步（例如通过BLE控制信道）。通过使用OOB时钟同步方法，发起者告知响应设备何时测距会话开始，估计协调器的参考MAC时钟网格$UW{B}_{time0\_Responder\#l}^k$。对于第（l+1）个Responder的参考时钟，时刻到达后，响应者打开UWB接收机，开始搜寻、等待第一帧UWB包。
  • 接收到UWB包之后 ，响应者进一步使用从发起者收到的UWB包持续改善，更加精细化估计MAC时间网格，假设在其专用时隙（dedicated slot）开始之前，每个传入的数据包不是由发起方启动的。
  • 飞行时间的计算应不受MAC时间网格的影响。（时间戳信息从UWB来获得，不影响飞行时间计算。从接收到发送，再到收到Final帧，通过来回测量时间戳信息，可以一定程度上消除UWB时钟偏差带来的影响）

  在测距会话建立以及同步的过程中，协调器告知所有应答者设备，会话将要开启的时刻，即从多久之后整个测距会话正式启动，协调器将开始发送第一个UWB包。

  MAC层时间网络，以发起者为参考，同步也以发起者为基准。其他Responder的数据包，不用于同步。此外，对于车辆等应用而言，也无需接收其他Responder的数据。

  对于第k个测距会话，近似MAC网格和时间参考的建立，在第l个responder被标记为，与发起者的时钟参考的关系为：
$$UW{B}_{time0\_Responder\#l}^k=UW{B}_{time0}^k+ϵ(k,l)$$

其中，误差依赖于采用接收的UWB数据包$ϵ(k,l)={ϵ}_{UWB}(k,l)$还是OOB时钟同步协议($ϵ(k,l)={ϵ}_{OOB}(k,l)$)，用于估计近似MAC层时间网格。此误差的特征以及最小化误差超过了CCC规范的范围，所以并没有在其规范中进行详细的描述，需要在实现时去考虑。

在底层块时间同步处理流程参考示意如下图：

对于Responder设备，会基于预估的同步时钟，提前开启接收机，等待第一帧信号（Pre-Poll信号），进而完成这一轮的测距操作。

4/多跳标记与轮次索引

  对于给定RAN的第k个测距会话中的发起者将默认地在第一测距块（Ranging Block 0）的第一个测距轮（Ranging Round 0）中启动UWB测距流程。这假设响应方设备已经通过OOB方法实现了块同步，如果没有，则永久地监听Pre-Poll消息帧。
  在发起者端，假设没有资源冲突发生，将根据在测距会话设置中的hopping模式，来确定下一个测距块（i+1）的$Hop\_Fla{g}^k(i+1)$、$Round\_Id{x}^k(i+1)$：

• 若多跳模式设置为“no hopping”，发起者可以继续使用相同与测距块k相同的测距round 编号。

$$Round\_Id{x}^k(i+1)=Round\_Id{x}^k(i)=0$$

$Hop\_Fla{g}^k(i+1)$设置为0。在这种情况下，$Hop\_Fla{g}^k(i+1)$与接收机无关，应该被忽略。相应的，即使在测距工作过程中，由于冲突、干扰等原因导致无法正常进行测距，那也没有办法避免。

• 若多跳模式设置为“continuous hopping”，发起者将使用第$S_{i+1}^k$测距轮（Ranging Round），
  $$Round\_Id{x}^k(i+1)=S^k(i+1)$$

此时Hop_Flag设置为1，同样，$Hop\_Fla{g}^k(i+1)$与接收机无关，需要被忽略。（为固定值）

• 若多跳模式设置为“adaptive hopping”，那么在发起者，针对下一个测距块（i+1）的$Hop\_Fla{g}^k(i+1)$和$Round\_Id{x}^k(i+1)$按照以下方式计算：

  • 若发起者决定round是干净，即没有冲突的且当前的测距轮次测距成功，发起者应停留在当前的测距轮，同时设置：$Hop\_Fla{g}^k(i+1)=0$，$Round\_Id{x}^k(i+1)=Round\_Id{x}^k(i)$。即，暂时不再往hopping的下一个序列去跳。
  • 若发起者发现在当前的round有干扰，或测距不成功，发起者就应该跳到下一个不同的round（已知的Hopping序列，在发起者和接收者两端一致）。

$$Hop\_Fla{g}^k(i+1)=1$$
$$Round\_Id{x}^k(i+1)=S^k(i+1)$$

此时，发起者需要发送下一次测距块的$Hop\_Fla{g}^k(i+1)$和$Round\_Id{x}^k(i+1)$到响应者设备。该数据作为包含在当前测距序列最后的Final_Data的数据包内。
在响应者设备，针对随后的测距轮次的多跳标记与轮次号，需要按照如下伪代码进行设置：

if Final_Data packet is received
{
    Hop_Flag_k(i+1) = Final_Data.Hop_Flag
    if(Hop_Flag_k(i+1)=0)
    {
        set Round_Idx_k(i+1) = Round_Idx_k(i)
    }
    elseif (Hop_Flag_k(i+1)=1)
    {
        set Round_Idx_k(i+1) = S_k(i+1)
    }
}
else
{
    set Round_Idx_k(i+1) = S_k(i+1)
}

处理思路解析：
1、没有收到Final_Data，假设测距是失败的，需要跳到Hopping序列的下一个测距轮。
2、收到Final_Data，按照数据段的Hop_Flag信息判断是否Hopping，若要Hopping，则跳到对应的测距轮次的索引，否则在下一个测距块中保持当前的测距轮索引。

注意：发起者基于干扰等级或数据包的冲突概率来决定是否触发多跳（即Hop_Flag =1）。决策的数据可以通过当前的数据交换，或一系列从应答设备接收到的应答帧来获取（历史数据）。在发起者端，触发多跳的具体标准超出了本规范的范围，有设备供应商来自行决定实现机制。但是，对于所有标准而言都需要满足的是，若没有接收到任何的相应，设备就应该触发多跳。

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3、CCC联盟数字车钥匙（二）——UWB MAC时间网格