信道探测过程可以分为一个或多个 CS 事件。CS 事件可以由一个或多个 CS 子事件组成。子事件是一组预定义的时隙和频隙，其中两个蓝牙设备同意进行通信并交换一组射频信号。这些交换是双向的，因为两个设备轮流发送和接收射频信号。在 CS 子事件中，使用一个或多个 CS 步骤来执行实际的测距音调和安全数据包的交换（有关蓝牙 CS 安全性的更多详细信息，请参阅节 5）。蓝牙 CS 规范定义了四种 CS 步骤类型：模式 0 到模式 3。每种模式都用于特定用途。

图 3-1 展示了 CS 过程、CS 事件、CS 子事件和 CS 步骤之间的关系。

图 3-1 CS 过程、事件、子事件、步骤层次结构

为了在其他正在进行的低功耗蓝牙连接中灵活调度 CS 过程，可以调度多个 CS 子事件，使其与单个低功耗连接事件错开。CS 子事件偏移用于在时间上分隔多个 CS 子事件。LE 连接事件之间允许的 CS 子事件数量是可选的。

信道探测事件和子事件的一般结构从 LE ACL（异步连接逻辑传输）连接事件锚点的时间偏移处开始，如图 3-2 所示。

图 3-2 信道探测事件和子事件调度

在 CS 上下文中，发起者是启动（发起）CS 过程的蓝牙设备，反射者是响应（反射）CS 过程的蓝牙设备。在启动 CS 过程之前，通过链路层控制消息交换该过程的运行参数。

图 4-1 展示了在 CS 发起者和反射者之间执行基于相位的测距的大致 CS 流程。

图 4-1 基于相位的信道探测测距概要流程

在 CS 子事件开始时，必须执行 CS 模式 0 步骤，以便提供 CS 发起者和反射者之间的频率和定时同步，以供该 CS 子事件内的其余 CS 步骤使用。

多载波相位测距涉及在不同频率下进行相位差测量，而在生成这些频率时发生的任何相对误差（发起者和反射者设备之间）都可能会干扰这些相位测量并在总体距离估算中引入误差。因此，在每个单独的测量过程中，发起者和反射者设备需要保持其载波频率对齐，这一点很重要。根据蓝牙信道探测规范草案，发起者设备需要与发射者保持时间和载波频率对齐。该设备使用初始的模式 0 步骤，通过估算和补偿设备之间的分数频率偏移 (FFO) 来实现此步骤。

CS 模式 0 步骤之后是模式 2 PBR 步骤，其中发起者和反射者设备以不同的通道频率交换未调制的 CS 音调。

在 2.4GHz 无许可证 ISM 频段中的 79 个指定蓝牙信道中，具有 1MHz 信道间隔的 72 个信道可用于低功耗蓝牙、CS PBR（注意：低功耗蓝牙广播通道不适用于 CS PBR）。发起者和反射者都按照频率的函数测量传入音调的相位和振幅。完成所有 PBR 模式 2 步骤后，发起者和反射者设备都可以获得同相和正交相位（I 和 Q）测量形式的相位和振幅信息。接下来，反射者可以在低功耗蓝牙连接事件期间将该测量信息传达给发起者。注意：反之亦然，即发起者也可以将测量结果发送回反射者，以进行进一步处理。

接下来，发起者将来自两个设备的相位和真毒测量结果组合在一起，并执行后处理以估算距离测量值。蓝牙信道探测没有指定特定的算法来计算距离估算值，而是提供了一些使用相位测量值进行距离估算的数学表示。可以使用先进且高效的后处理算法来消除多路径和衰减效应，从而提供可靠的距离估算值。此外，可以使用音调质量信息来过滤因信号干扰和噪声而产生的异常值。可以使用具有不同复杂度和效率的后处理算法来计算距离近似值，同时考虑精度、功耗和计算延迟要求方面的权衡。

蓝牙信道探测规范草案已添加了不同的安全功能，以侦测或防止一种攻击，该攻击可以操纵测距过程，使两个有效 CS 设备之间的距离看起来比实际距离更近。有关安全功能的完整列表，请参阅信道探测规范草案。

用于距离估算的 PBR 过程可能受到中间人攻击的影响，通过执行中间人攻击，可以延迟或操纵正在进行的信号传输的相位，从而使得两个有效设备之间的距离测量值偏小。为了缓解这些攻击，蓝牙信道探测规范规定了 PBR 期间的频率随机跳频，并另外增加了往返时间 (RTT) 测量，这是测量两个设备之间距离的另一种方法。由于使用 1MHz 跳频的 PBR 最大不模糊可测量距离为 150m（有关计算方式，请参阅方程式 1），因此 RTT 飞行时间测量尽管不如 CS PBR 机制精确，但仍然是识别翻转攻击的可行选项。

使用 RTT 飞行时间测量数据进行距离估算如图 5-1 所示。

图 5-1 用于 RTT 估算的到达时间 (ToA)、离开时间 (ToD) 和飞行时间 (ToF)

发起者和反射者之间进行 RTT 数据包交换。这些 RTT 数据包在发起者和反射者处的离开时间 (ToD) 和到达时间 (ToA) 用于估算飞行时间。CS 步骤模式 1 和模式 3 允许进行 RTT 数据包交换。

蓝牙 CS 规范还支持使用随机序列（仅发起者和反射者知道）的 RTT 数据包进行通信，因此越来越有可能测量接收到的 GFSK 调制数据包和预期数据包信号（参考）之间的差异。此测量表示为标准化攻击检测指标 (NADM)，它是一个范围，表明中间人攻击者试图转发 RTT 数据包（通过操纵信号使其提前）以执行 ECLD（提前提交/延迟检测）和 EDLC（提前检测/延迟提交）类型攻击的机会是增加还是减少。NADM 算法用于确定链路两侧每个 CS 设备中接收到的 RTT 数据包的 NADM 值。NADM 算法定义和实现超出了蓝牙 CS 规范的范围。

1. Bluetooth，信道探测规范草案。
2. On the Security of Carrier Phase Based Ranging, Hildur Ólafsdóttir è s, Aanjhan Ranganathan, Srdjan Capkun, ETH Zurich.

基于相位的测距 (PBR) 系统涉及测量两个实体之间传播的无线电信号的相位变化，从而确定它们之间的距离。

下面来看看一个测距例子，其中实体 A（发起者）正在测量其与实体 B（反射者）的距离。在理想的 PBR 系统中，实体 A 通过在特定频率 f 下发送未调制连续波音调启动测试过程。实体 B 接收到此射频信号后，会充当真正的反射者，将本地振荡器锁定到传入射频信号并将其传回给发起者。最后，发起者通过测量接收信号与自身本地振荡器信号之间的相位差来确定距离。图 8-1 展示了射频信号处于特定频率时基于相位的测距。实体 A 是发起者，实体 B 充当真正的反射者，将其 LO 锁定到传入射频信号并将其传回给发起者。

图 8-1 射频信号处于特定频率时基于相位的测距

如果发起者和反射者之间的距离 d 小于信号的波长（即$\frac{2\times f}{c}$，其中 f 是 RF 音调的频率，c 是光速），那么测得的相位偏移或相位差 θ 是：

然而，在实际应用中，需要测量的距离可能长于信号波长。为了做到这一点，必须追踪射频音调在两个实体之间传播时所经过的完整周期数量。假设 n 是经过的完整周期数（整数），则距离 d 的测量公式为：

为了消除追踪经过的完整周期数的需求，采用了多载波相位测距方法。在多载波相位测距系统中，会在多个射频音调频率上进行相位测量（接收到的信号与其自身本地振荡器信号之间的相位差）。在相同距离（因此具有相同的传播时间）传输不同频率的射频信号可能会有不同的相位偏移或相移。

举例来说，假设发起者和反射者设备之间的距离为 d，它们在两个频率 f1 和 f2 上执行 PBR（具体如图 2-1 中所述）。也就是说，设备首先在射频信号频率 f1 上执行 PBR，然后在射频信号频率 f2 上再次执行 PBR。在 f1 和 f2 上测得的相位差如下所示：

通过结合方程式 4 和方程式 5 以消除完整周期数 (n) 的不确定性，距离 d 现在表示为：

为了在实际应用中获得更高的测距精度和分辨率，需要在两个以上频率下进行相位偏移测量。此外，如果将相位偏移测量数据绘制为相位与频率间的关系曲线，则曲线的斜率就代表着发起者和反射者之间的距离 d。请参阅图 8-2 和图 8-3。方程式 6 可以视为一条直线，其斜率与距离成正比：

参考资料 [2] - 图 8-2 展示了发起者和反射者之间两个不同距离 d1 = 10m 和 d2 = 20m 下测得的相位差与频率之间的关系。这些相位差环绕在 2π 周围，可以按照图 8-3 所示进行展开，以计算有效相位斜率并估算发起者和反射者之间的距离。

图 8-2 测得的相位与音调频率间的关系（环绕 2π）

图 8-3 测得的相位与音调频率间的关系（展开后的相位）