1 概述（Overview）
本文件规定了参与超宽带（Ultra-Wideband, UWB）会话的设备所应满足的 FiRa® 介质访问控制（Medium Access Control, MAC）要求。FiRa MAC 基于 IEEE 制定的 802.15.4 测距增强功能，并附加了由 FiRa 联盟技术工作组（Technical Working Group, TWG）制定的额外要求。本文件描述以下内容：
- 设备类型（Device Types）与设备角色（Device Roles）
- 飞行时间（Time of Flight, ToF）报告
- STS 数据包配置（STS Packet Configuration）
- 测距方法（Ranging Methods）
- 多节点模式（Multi-node Mode）
- 调度模式（Scheduling Mode）
- 延迟模式与非延迟模式（Deferred and Non-Deferred Modes）
- 基于块的模式（Block-based Mode）
- UWB 消息（UWB Messages）
- MAC 数据传输模式（MAC Data Transfer Mode）
- MAC 要求（MAC Requirements）
本文件可与 [PHY]、[UCI]、[LL] 及 [SUS_API] 结合，共同构成 FiRa 设备的 UWB 子系统（UWB Subsystem, UWBS）。
1.1 FiRa MAC 技术要求与 [IEEE_802_15_4_2020] 及 [IEEE_802_15_4z_2020] 规范的映射关系
FiRa 联盟感谢 IEEE，因为本规范中的部分信息引用自 [IEEE_802_15_4_2020] 与 [IEEE_802_15_4z_2020] 规范和/或由其派生而来，这两份规范可直接从 https://www.ieee.org/ 获取。
本文件所述的 FiRa MAC 技术要求映射至 [IEEE_802_15_4_2020] 与 [IEEE_802_15_4z_2020] 技术规范的多个章节。具体而言，本文件第 5 章描述的 MAC 特性映射至 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6、7 和 15 章以及 [IEEE_802_15_4_2020] 第 7.4 章中的规范。FiRa 设备基于 [IEEE_802_15_4z_2020] 中定义的增强测距能力设备（Enhanced Ranging capable Device, ERDEV）。
- 第 5.1 节描述的设备类型对应 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.7 节中的规定。
- 第 5.3 节描述的 STS 数据包配置对应 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 15.2.1 节中的规定。
- 第 5.4 节描述的多节点模式对应 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.7 节中的规定。
- 本文件详述单播（unicast）与 O2M 测距。单播在本文件中称为 O2O 测距。多对多（many to many）测距模式的描述不在本文件范围之内。
- [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.7.2 节规定了 FiRa 设备在测距期间应遵循的测距块（ranging block）与测距轮（round）结构。
- 在 FiRa 中，测距块是测距的最小时间周期；通过块跨越（block striding），可在若干测距块中跳过测距。
- [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.7.3 节规定了两种测距模式——基于间隔的模式（interval-based mode）与基于块的模式（block-based mode）。但 FiRa 仅使用基于块的模式，基于间隔的测距模式不在本文件范围之内。
- 附录 A 与附录 B 展示了 FiRa 用于 SS-TWR 与 DS-TWR 的测距消息序列。
- 第 5.6 节描述的调度测距对应 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.7.1 节中的规定。
- 第 5.7 节描述测距过程的延迟模式与非延迟模式，对应 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.6.3 节与第 6.9.6.6 节中的规定。
- 本文件第 5.9 节规定的 UWB 消息格式基于 [IEEE_802_15_4_2020] 的厂商特定 IE（第 7.4.2.2 节）与厂商特定嵌套 IE（第 7.4.4.30 节）。本规范不使用 [IEEE_802_15_4_2020] 中定义的任何 IE，而是所有消息格式均采用 [IEEE_802_15_4_2020] 中描述的厂商特定头部 IE（Vendor Specific Header IE）与厂商特定嵌套 IE（Vendor Specific Nested IE）。
- 第 5.8 节描述基于块的模式特性，对应 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.7.3.3 节中的规定。
- 第 5.8.1 节描述称为轮跳（round hopping）的可选特性。
- 第 5.8.2 节描述启用轮跳时 FiRa 设备应遵循的跳频序列，对应 [IEEE_802_15_4z_2020] 第 6.9.7.3.3 节中针对基于块模式的规定。
- 第 5.8.3 节描述基于块测距模式中称为块跨越（block striding）的可选特性，该特性未在 [IEEE_802_15_4z_2020] 中规定。
第 6.4 节描述 FiRa 设备的安全要求，规定了密钥派生（针对 [IEEE_802_15_4z_2020] 中规定的各类密钥）与加密过程。各类密钥从 FiRa 到 [IEEE_802_15_4z_2020] 的映射关系，在描述密钥派生的相应章节中给出。
2 参考文档（References）
| 参考标识 | 描述 |
|---|---|
| IEEE_802_15_4_2020 | IEEE Std 802.15.4-2020 —— 低速率无线网络标准。电气与电子工程师协会（IEEE），2020 年。获取地址：https://standards.ieee.org/standard/802_15_4-2020.html |
| IEEE_802_15_4z_2020 | IEEE Std 802.15.4z-2020 —— 低速率无线网络标准——修正案 1：增强超宽带（UWB）物理层（PHY）及相关测距技术。电气与电子工程师协会（IEEE），2020 年。获取地址：https://standards.ieee.org/standard/802_15_4z-2020.html |
| FIPS_197 | 高级加密标准（AES）[FIPS 197]。美国国家标准与技术研究院（NIST），2001 年。获取地址：https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/FIPS/NIST.FIPS.197-upd1.pdf |
| LL | FiRa® 链路层（Link Layer, LL）技术规范 v4.0.0。FiRa 联盟公司，2025 年 11 月。获取地址：https://groups.firaconsortium.org/wg/members/document/folder/96 及 https://firaconsortium.org/resource-hub/specifications |
| NIST_SP_800_108 | 使用伪随机函数的密钥派生（NIST 特别出版物 800-108r1-upd1）。美国国家标准与技术研究院（NIST），2024 年 2 月。获取地址：https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/SpecialPublications/NIST.SP.800-108r1-upd1.pdf |
| NIST_SP_800_38A | 分组密码工作模式推荐：方法与技术（NIST 特别出版物 800-38A）。美国国家标准与技术研究院（NIST），2001 年 12 月。获取地址：https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-38a/final |
| NIST_SP_800_38B | 分组密码工作模式推荐：用于认证的 CMAC 模式（NIST 特别出版物 800-38B）。美国国家标准与技术研究院（NIST），2016 年 10 月。获取地址：https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-38b/final |
| PHY | FiRa® 物理层（Physical Layer, PHY）技术规范 v4.0.0。FiRa 联盟公司，2025 年 11 月。获取地址：https://groups.firaconsortium.org/wg/members/document/folder/96 及 https://firaconsortium.org/resource-hub/specifications |
| RFC_2119 | Bradner, S.（1997）。用于指示 RFC 中要求级别的关键词。RFC 2119。互联网工程任务组（IETF），1997 年 3 月。获取地址：https://www.ietf.org/rfc/rfc2119.txt |
| RFC_5652 | 加密消息语法（CMS）（RFC 5652）。互联网工程任务组（IETF），1997 年 3 月。获取地址：https://www.ietf.org/rfc/rfc5652.txt |
| SUS_API | FiRa® 安全 UWB 服务 API 技术规范 v4.0.0。FiRa 联盟公司，2025 年 11 月。获取地址：https://groups.firaconsortium.org/wg/members/document/folder/96 及 https://firaconsortium.org/resource-hub/specifications |
| UCI | FiRa® UWB 命令接口（UWB Command Interface, UCI）技术规范 v4.0.0。FiRa 联盟公司，2025 年 11 月。获取地址：https://groups.firaconsortium.org/wg/members/document/folder/96 及 https://firaconsortium.org/resource-hub/specifications |
3 术语表（Glossary）
以下缩略语、首字母缩写词和术语适用于本文件。
3.1 术语与定义（Terms and Definitions）
表 1 - 术语（Terms）
| 术语 | 定义 |
|---|---|
| 应用数据（Application Data） | 上层（Upper Layer）的数据报或数据报分段，由上层通过 UCI 暴露给 UWBS，或由 UWBS 通过 UCI 发送给上层。 |
| 受控器（Controlee） | 一种 FiRa 设备，利用由控制器（Controller）通过控制消息（Control Message）配置的测距特性。 |
| 控制器（Controller） | 一种 FiRa 设备，通过发送控制消息来定义并控制测距特性。 |
| Final DTM | 由发起方 DT 锚点（Initiator DT-Anchor）在接收到来自响应方 DT 锚点（Responder DT-Anchor）的 Response DTM 之后所发送的 UWB 消息。 |
| FiRa 设备（FiRa Device） | 满足 FiRa 要求的测距/数据传输设备。 |
| HUS 控制器（HUS Controller） | HUS 控制器通过发送 CM Type 3 来调度 HUS 测距阶段（HUS Ranging Phase）。HUS 控制器可作为控制器或受控器参与 HUS 测距阶段。 |
| HUS 受控器（HUS Controlee） | HUS 受控器通过接收 CM Type 3 与 HUS 会话同步。HUS 受控器可作为 HUS 次级会话（HUS secondary session）的控制器或受控器参与 HUS 测距阶段。 |
| 发起方（Initiator） | 一种 FiRa 设备，通过发送第一个 RFRAME（即 RIM）来发起测距交互。 |
| Poll DTM | 由发起方 DT 锚点发送以发起 TDoA 测距轮的 UWB 消息。 |
| 测距计时刻度（Ranging Ticks） | 通常用于测距 ToF 与 TDoA 估算的时间戳刻度。每个刻度约表示 15.65 ps，即 499.2 MHz 码片周期（chipping period）的 2⁻⁷ [IEEE_802_15_4z_2020]。 |
| 响应方（Responder） | 一种 FiRa 设备，对从发起方接收到的测距发起消息（ranging initiation message）作出响应。 |
| Response DTM | 由响应方 DT 锚点作为对 Poll DTM 的响应所发送的 UWB 消息。 |
| UWB 消息（UWB Message） | 由 FiRa 设备在测距轮中发送的载荷 IE（payload IE）。 |
3.2 缩略语与首字母缩写词（Acronyms and Abbreviations）
表 2 - 缩略语与首字母缩写词（Acronyms and Abbreviations）
| 缩略语 | 定义（英文全称 / 中文） |
|---|---|
| ACK | Acknowledgement —— 确认 |
| aDS-TWR | Alternative DS-TWR —— 替代型双边双向测距 |
| AE | Authenticated Encryption —— 认证加密 |
| AES | Advanced Encryption Standard —— 高级加密标准 |
| AoA | Angle of Arrival —— 到达角 |
| BPRF | Base Pulse Repetition Frequency —— 基础脉冲重复频率 |
| CAP | Contention Access Period —— 竞争接入周期 |
| CCM | counter mode encryption and cipher block chaining message authentication code —— 计数器模式加密与密码分组链消息认证码（定义见 [IEEE_802_15_4_2020]） |
| CCM* | 计数器模式加密与密码分组链消息认证的扩展（定义见 [IEEE_802_15_4_2020]） |
| CFO | Clock Frequency Offset —— 时钟频率偏移 |
| CFP | Contention Free Period —— 无竞争周期 |
| CM | Control Message —— 控制消息 |
| CRC | Cyclic Redundancy Check —— 循环冗余校验 |
| CRUM | Control Update Message —— 控制更新消息 |
| CSM | Common Service & Management —— 公共服务与管理 |
| DL-TDoA | Downlink TDoA —— 下行 TDoA |
| DM | Data Message —— 数据消息 |
| DOP | Dilution of Precision —— 精度衰减因子 |
| DRBG | Deterministic Random Bit Generator —— 确定性随机比特发生器 |
| DS-TWR | Double-Sided Two-Way Ranging —— 双边双向测距 |
| DTM | DL-TDoA Message —— DL-TDoA 消息 |
| DTPCM | Data Transfer Protocol Control Message —— 数据传输协议控制消息 |
| DTPML | Data Transfer Protocol Management List —— 数据传输协议管理列表 |
| ERDEV | Enhanced Ranging capable Device —— 增强测距能力设备 |
| eSS-TWR | Enhanced SS-TWR —— 增强型单边双向测距 |
| HPRF | Higher Pulse Repetition Frequency —— 高脉冲重复频率 |
| HRP | High Rate Pulse —— 高速率脉冲 |
| FCS | Frame Check Sequence —— 帧校验序列 |
| FoM | Figure of Merit —— 品质因数 |
| HUS | Hybrid UWB Scheduling —— 混合 UWB 调度 |
| IE | Information Element —— 信息元素 |
| IV | Initialization Vector —— 初始化向量 |
| IFI | Inter-Frame-Interval —— 帧间隔 |
| IFI_GT | Inter-Frame-Interval Guard Time —— 帧间隔保护时间 |
| IFI_BGT | Inter-Frame-Interval Block Guard Time —— 帧间隔块保护时间 |
| LL | Link Layer —— 链路层 |
| lsb | least significant bit —— 最低有效位 |
| MAC | Medium Access Control Layer —— 介质访问控制层 |
| MDSDU | MAC Data Service Data Unit —— MAC 数据服务数据单元，即：由 LL 交付给 MAC，或由 MAC 发送给 LL 的数据单元。 |
| MRM | Measurement Report Message —— 测量报告消息 |
| MRP | Measurement Report Phase —— 测量报告阶段 |
| msb | most significant bit —— 最高有效位 |
| O2M | One-to-Many —— 一对多 |
| O2O | One-to-One —— 一对一 |
| OOB | Out-of-Band —— 带外 |
| OUI | Organizationally Unique Identifier —— 组织唯一标识符 |
| OWR | One-Way Ranging —— 单向测距 |
| PAN | Personal Area Network —— 个域网 |
| PAN ID | PAN Identifier —— 个域网标识符 |
| PDU | Protocol Data Unit —— 协议数据单元 |
| PHR | PHY Header —— 物理层头部 |
| PHY | Physical Layer —— 物理层 |
| PIB | PAN Information Base —— 个域网信息库 |
| PPDU | PHY PDU —— 物理层协议数据单元 |
| PSDU | PHY SDU —— 物理层服务数据单元 |
| PRF | Pulse Repetition Frequency —— 脉冲重复频率 |
| RCP | Ranging Control Phase —— 测距控制阶段 |
| RDML | Ranging Device Management List —— 测距设备管理列表 |
| RFRAME | Ranging Frame —— 测距帧 |
| RFM | Ranging Final Message —— 测距终结消息 |
| RFP | Ranging Final Phase —— 测距终结阶段 |
| RIM | Ranging Initiation Message —— 测距发起消息 |
| RIP | Ranging Initiation Phase —— 测距发起阶段 |
| RML | Responder Management List —— 响应方管理列表 |
| RP | Ranging Phase —— 测距阶段 |
| RMM | Ranging Management Message —— 测距管理消息 |
| RRM | Ranging Response Message —— 测距响应消息 |
| RRML | Ranging Round Management List —— 测距轮管理列表 |
| RRRM | Ranging Result Report Message —— 测距结果报告消息 |
| RRP | Ranging Response Phase —— 测距响应阶段 |
| RSTU | Ranging Scheduling Time Unit —— 测距调度时间单元 |
| RTLS | Real-Time Location System —— 实时定位系统 |
| SDU | Service Data Unit —— 服务数据单元 |
| SFD | Start of Frame Delimiter —— 帧起始定界符 |
| SS-TWR | Single-Sided Two-Way Ranging —— 单边双向测距 |
| STS | Scrambled Timestamp Sequence —— 加扰时间戳序列 |
| SP0 | STS Packet Configuration 0 —— STS 数据包配置 0 |
| SP1 | STS Packet Configuration 1 —— STS 数据包配置 1 |
| SP3 | STS Packet Configuration 3 —— STS 数据包配置 3 |
| TDoA | Time Difference of Arrival —— 到达时间差 |
| ToF | Time of Flight —— 飞行时间 |
| TWG | FiRa Consortium Technical Working Group —— FiRa 联盟技术工作组 |
| UCI | UWB Command Interface —— UWB 命令接口 |
| UL-TDoA | Uplink TDoA —— 上行 TDoA |
| UTM | Uplink TDoA Message —— 上行 TDoA 消息 |
| UWB | Ultra-wideband —— 超宽带 |
| UWBS | UWB Subsystem —— UWB 子系统 |
4 约定（Conventions）
本文件中的关键词“必须（MUST）”“禁止（MUST NOT）”“要求（REQUIRED）”“应（SHALL）”“不应（SHALL NOT）”“宜（SHOULD）”“不宜（SHOULD NOT）”“推荐（RECOMMENDED）”“可（MAY）”以及“可选（OPTIONAL）”，应按 [RFC_2119] 中的描述加以解释。
标记为“已分配（Assigned）”的参数值表示该值已为某一特定未来用例分配，其用法将在未来版本中规定。“RFU”表示“保留供未来使用（Reserved for Future Use）”，用于表明在本文件发布时尚无指定用途，但保留供未来使用。
任何保留字段（reserved field）中的每一位在发送时均应置为零，在接收时均应被忽略。FiRa 设备的行为不应基于任何保留字段的内容而改变。
本文件遵循以下编码约定：
- 每个八位位组（octet）由比特 b0 至 b7 表示，其中 b7 为最高有效位（msb），b0 为最低有效位（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比特时，编号应从最低有效位（b0）开始。在每个八位位组内，msb 在时间上最先发送。
- 所有数字均以小端（Little Endian）格式发送和接收，这意味着最低有效八位位组（即小端格式中编号为 0 的八位位组）在时间上最先发送。
- 八位位组数组必须从八位位组 0 开始按递增顺序逐八位位组发送。
- 本文件对数字使用以下表示法：
- 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，并标明位数。例如，0b001 是值为 1 的 3 位二进制数，0x001 是值为 1 的 3 位十六进制数。除非另有明确定义，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）在适用时于字段定义中说明。
- 除非在字段定义中另有说明，字段中的值应视为无符号值。
- 二进制值不应有分隔符。
- 示例：
0b11110101
- 示例：
- 长度小于或等于 4 个八位位组的十六进制值不应有分隔符。长度大于 4 个八位位组的十六进制值可在有助于提高可读性时使用“_”（下划线）作为分隔符。
- 示例：
0xF5；0xF1F2F3F4；0xF1F2F3F4F5F6F7F8或0xF1F2F3F4_F5F6F7F8
- 示例：
Octet[x]指八位位组数组中索引 x 处的值。Octet[m:n]指值的范围。{x, y, z ..}表示任一可能取值。
📌 第一卷完。第 1–4 章（概述、参考文档、术语表、约定）翻译完毕，含表 1、表 2 全表。下一卷为第 5 章“特性描述（Feature Description）”，含图 1–图 50 及大量消息格式表格，将分多个分卷陆续交付。