OpenIPC开源FPV之Adaptive-Link天空端代码解析

1. 源由

在《OpenIPC开源FPV之Adaptive-Link工程解析》中，已经有了整个工程的大体概念，接下来再对代码进行逐步分析。

首先，对天空端的代码进行分析：ALink42n.c

2. 框架代码

ALink42n.c相对来说，代码量最少，也是最为基本的一份代码。

目前，尚不太清楚具体n/p/q之间的差异，逻辑上看应该是关于切换配置profile的条件计算方式不太一样，对于稳定性、可靠性方面应该有所差异。

• The relationship between .c and binary files #7

注：感兴趣的朋友，可以跟下帖子，不过随着代码的深入了解，以及性能测试数据，也能慢慢明晰之间的差异。

2.1 消息机制

• 加载配置 - “/etc/alink.conf”
• 加载Profile - “/etc/txprofiles.conf”
• majestic：80
• wfb-cli：8000
• Terminal：bash
• 绑定默认IP - 10.5.0.10:9999

n/p/q只有q写的是10.5.0.10，其他是10.5.0.2，应该有笔误。

• 接受两种UDP报文：special报文和普通报文

main
 ├──> load_config(CONFIG_FILE); // "/etc/alink.conf"
 ├──> load_profiles(PROFILE_FILE); // "/etc/txprofiles.conf"
 ├──> bind DEFAULT_IP(10.5.0.10) DEFAULT_PORT(9999)
 ├──>loop recvfrom
 │   ├──> <special:> special_command_message(message);
 │   └──> process_message(message);
 └──> close(sockfd);

2.2 超时机制

当长时间未收到报文，则进行最大功率设置。

count_messages (void *arg)
│
├──> while (1)                                   // Infinite loop
│   ├──> usleep(fallback_ms * 1000);              // Sleep for 'fallback_ms' milliseconds
│   │
│   ├──> pthread_mutex_lock(&count_mutex);       // Lock the count_mutex to safely access shared data
│   │   ├── local_count = message_count;        // Store current message count into local_count
│   │   ├── message_count = 0;                  // Reset the message count to 0
│   │   └── pthread_mutex_unlock(&count_mutex); // Unlock the count_mutex after accessing shared data
│   │
│   ├──> pthread_mutex_lock(&pause_mutex);       // Lock the pause_mutex to safely check and change 'paused'
│   │   ├──> if (local_count == 0 && !paused) {  // If no messages received and not paused:
│   │   │   ├──> printf("No messages received in %dms, sending 999\n", fallback_ms);
│   │   │   └──> start_selection(999, 1000);    // Call start_selection with parameters 999 and 1000
│   │   ├──> else {                              // If messages are received or paused:
│   │   │   ├──> if (verbose_mode) {             // If verbose mode is enabled:
│   │   │   │   └──> printf("Messages per %dms: %d\n", fallback_ms, local_count);
│   │   │   └──> }                               // End of verbose_mode check
│   │   └──> }                                   // End of else block
│   └──> pthread_mutex_unlock(&pause_mutex);     // Unlock the pause_mutex after checking 'paused' status
│
└──> return NULL;                                 // Return NULL from the function (indicates thread termination)

3. 报文处理

+--------------+---------------+-------------+
|              | special? (8B) | Msg content |
| Msg len (4B) |---------------+-------------|
|              | RF Signal Estimated Values  |
+--------------+---------------+-------------+

3.1 special报文

• 报文格式：

+--------------+---------------+-------------+
| Msg len (4B) | special? (8B) | Msg content |
+--------------+---------------+-------------+

• 代码流程：

处理pause_adaptive/resume_adaptive/request_keyframe命令

special_command_message
 ├──> "pause_adaptive"
 │   └──> paused = true
 ├──> "resume_adaptive"
 │   └──> paused = false
 ├──> "drop_gop"
 │   └──> // 已经注释掉，代码暂时保留
 ├──> "request_keyframe"
 │   └──> < > request_keyframe_interval_ms> `idrCommand`
 └──> "Unknown"

3.2 普通报文

• 报文格式：

+--------------+------------------+-----------------+----------------+-----------+------+-------+-------+---------------+
| Msg len (4B) | transmitted_time | link_value_rssi | link_value_snr | recovered | lost | rssi1 | rssi2 | rssi3 | rssi4 |
+--------------+------------------+-----------------+----------------+-----------+------+-------+-------+---------------+

• 代码流程：

解析地面端报文反馈的RF信号参数，比如：RSSI/SNR等

process_message
 ├──> [index/token parse]
 │   ├──> <0> transmitted_time = atoi(token);
 │   ├──> <1> link_value_rssi = atoi(token);
 │   ├──> <2> link_value_snr = atoi(token);
 │   ├──> <3> recovered = atoi(token);
 │   ├──> <4> lost = atoi(token);
 │   ├──> <5> rssi1 = atoi(token);
 │   ├──> <6> rssi2 = atoi(token);
 │   ├──> <7> rssi3 = atoi(token);
 │   ├──> <8> rssi4 = atoi(token);
 │   └──> <.> Ignore extra tokens
 ├──> <!time_synced> settimeofday(&tv, NULL)
 └──> <!paused> start_selection(link_value_rssi, link_value_snr);

4. 工作流程

4.1 Profile 竞选

当 2.1 paused 为 false 时，满足触发条件则进行 start_selection：

start_selection
 ├──> <selection_busy> return
 ├──> <rssi_score == 999> value_chooses_profile(999); // Default settings
 │   └──> return
 ├──> int combined_value = floor(rssi_score * w_rssi + snr_score * w_snr);
 ├──> constrain(1000, 2000, combined_value)
 ├──> float percent_change = fabs((float)(value - baseline_value) / baseline_value) * 100;
 └──> <percent_change >= hysteresis_percent>
     └──> <time_diff_ms >= min_between_changes_ms> value_chooses_profile(value); // apply new settings

注：这里采用了 rssi 和 snr 权重方式。

4.2 Profile 研判

当 Profile 竞选成功后，在实际应用时，需要检查触发条件，比如：如果当前为需要切换的 Profile则无需触发。

value_chooses_profile
 ├──> Profile* selectedProfile = get_profile(input_value);
 ├──> [Find the index of the selected profile]
 ├──> <previousProfile == currentProfile> return // no changes
 ├──> <previousProfile == 0 && timeElapsed <= hold_fallback_mode_s> return // first profile in fallback time
 ├──> <(currentProfile - previousProfile == 1) && timeElapsed <= hold_modes_down_s> // just one step difference in hold time
 └──> apply_profile(selectedProfile)

无缝的触发场景判断，能够确保信号的稳定传输和平滑切换：

• what’s the difference between hold_fallback_mode_s and hold_modes_down_s? #9

4.2.1 回退策略

满足下面条件，无需触发回退策略；反之，则进入最大发射效率模式。

• 前一次 Profile 已经指向 index=0
• 最近一次检测时间没有超过 hold_fallback_mode_s 设置

    if (previousProfile == 0 && timeElapsed <= hold_fallback_mode_s) {
        if (verbose_mode) {
			puts("Holding fallback...");
		}
		return false;
    }

原因：回退策略是确保无接收端信号时，保持最大发射效率（Do the Best）。

4.2.2 保持策略

满足下面条件，触发保持策略；反之，则进入执行当前 Profile 切换。

• 前一次 Profile 比当前竞选 Profile发射效率更大
• 最近一次检测时间没有超过 hold_modes_down_s 设置

    if (previousProfile < currentProfile && timeElapsed <= hold_modes_down_s) {
        if (verbose_mode) {
			puts("Holding mode down...");
		}
		return false;
    }

原因：发射效率降低时，保持并不影响信号传输质量（信号传输并非功率敏感应用）。

4.3 Profile 应用

这里需要注意几个细节：

• 功率增加/减小其命令执行顺序不一致
• 综合信号质量来选择不同的GI/MCS/FecK/FecN/Bitrate/Gop/Power/ROIqp

apply_profile
├──> Local Variables Initialization
│   └──> Command Templates and Time Calculation
├──> Load Profile Variables into Local Variables
│   └── Copy values from `profile` into local variables
├──> Profile Comparison (currentProfile vs previousProfile)
│   ├──> If currentProfile > previousProfile:
│   │   ├──> Execute Power Command if changed      // "iw dev wlan0 set txpower fixed %d"
│   │   ├──> Execute GOP Command if changed        // "curl -s 'http://localhost/api/v1/set?video0.gopSize=%f'"
│   │   ├──> Execute MCS Command if changed        // "wfb_tx_cmd 8000 set_radio -B 20 -G %s -S 1 -L 1 -M %d"
│   │   ├──> Execute FEC Command if changed        // "wfb_tx_cmd 8000 set_fec -k %d -n %d"
│   │   ├──> Execute Bitrate Command if changed    // "curl -s 'http://localhost/api/v1/set?video0.bitrate=%d'"
│   │   ├──> Execute ROI Command if changed        // "curl -s 'http://localhost/api/v1/set?fpv.roiQp=%s'"
│   │   └──> Execute IDR Command if enabled        // "curl localhost/request/idr"
│   └──> Else (if currentProfile <= previousProfile):
│       └──> Execute commands in different order
└──> Display Stats (msposdCommand)
    └──> Execute `msposdCommand`                   // "echo '%ld s %d M:%d %s F:%d/%d P:%d G:%.1f&L30&F28 CPU:&C &Tc %s' >/tmp/MSPOSD.msg"

• rangeMin: Starting value of the range.

• rangeMax: Ending value of the range.

• setGI: 是无线通信系统中的 保护间隔（GI，Guard Interval）。短GI（400 ns）和长GI（800 ns）是两种常见的保护间隔设置，用于管理OFDM（正交频分复用）符号之间的时间间隔。选择短GI或长GI会影响性能和抗干扰能力。它通常在无线通信协议的 物理层（PHY） 中进行设置，比如Wi-Fi（802.11标准）。

• setMCS: 定义了用于数据传输的调制和编码方案。MCS决定了数据是如何编码的（调制类型），以及为错误纠正添加了多少冗余数据（编码率）。在Wi-Fi（802.11n/ac/ax）中，MCS值通常从0到9（或更高，取决于Wi-Fi版本）。MCS索引是802.11协议标准的一部分，并且可以根据链路质量和信号强度进行调整。

• setFecK: 指的是前向错误纠正（FEC）方案，特别是表示在应用错误纠正之前的数据位数（K值）。FEC用于通过添加冗余数据来提高无线通信的可靠性，从而使接收方能够纠正噪声或干扰引起的错误。K值通常是Reed-Solomon编码或卷积编码中的一个参数。

• setFecN: 表示应用FEC后的总位数（包括数据位和校验位）。 K/N的比率给出了编码率，这决定了为错误纠正添加的冗余程度。较低的FEC值（例如1/2）表示更多的冗余和错误纠正能力，而较高的值（如3/4或5/6）则提供更高的吞吐量，但错误纠正能力较弱。

• setBitrate: 表示通过无线链路传输数据的速度，通常以Mbps（兆比特每秒）为单位。该值受到调制方案、编码率和信号强度的影响。在Wi-Fi网络中，通常会根据这些因素动态调整比特率，以优化吞吐量，同时保持稳定的连接。

• setGop: GOP设置与视频编码相关，尤其是在像H.264或H.265这样的压缩方案中。定义了关键帧（I帧）之间的间隔。短GOP意味着更频繁的关键帧（更高的视频质量，较低的压缩），而长GOP意味着较少的关键帧（更高的压缩，较低的质量）。在无线通信中，这个设置对于视频流的传输有很大影响。

• wfbPower: 指的是无线前端（WFB）硬件的发射功率。发射功率是无线通信中的一个关键参数，影响无线信号的范围和质量。在Wi-Fi设备中，功率通常可以根据法规限制、设备能力和网络状况进行调整。wfbPower值可能用于配置设备中射频（RF）部分的放大器。

• ROIqp: ROI QP values as a comma-separated string (e.g., 0,0,0,0).

5. 总结

• Profile 是一个经验值(测试值)，依赖于具体场景应用。
• 配置参数（如：hold_fallback_mode_s/hold_modes_down_s） 也是一个经验参数，依赖于具体应用场景。
• RSSI SNR 权重 RF信号质量计算模型，也是一个经验方法，可以调整更优的算法。

基于上述逻辑，对于这些内容的优化，就能更好的将FPV视频无缝的应用于实际环境 - 取决于大量的测试和优化。

注：这里感觉缺少心跳报文丢失的处理，以应对极端情况。

6. 参考资料

【1】OpenIPC开源FPV之Adaptive-Link工程解析

7. 补充资料

RSSI（接收信号强度指示）和SNR（信噪比）是衡量信号质量的常用指标。

加权 RSSI 和 SNR 以综合评估信号质量的做法，基于以下几个理论依据：

1. RSSI 反映信号强度，而 SNR 反映信号与噪声的比率，两者结合能够更全面地评估信号质量。
2. 加权方式可以根据应用场景和环境的变化，动态调整各个参数的影响，优化信号质量的评估。
3. 加权系数的调整通常是基于实际的应用需求和实验数据优化的。

通过加权结合这两个指标，可以更准确地反映无线通信中的实际信号质量，进而为系统做出更合理的决策（如选择最佳基站、调整发射功率、优化资源分配等）。

7.1 RSSI 和 SNR 的物理含义

• RSSI：表示接收到的信号强度，是衡量信号功率强度的一个指标。通常情况下，RSSI 越高，表示信号接收的质量越好。然而，RSSI 只反映了信号的强度，并不直接考虑噪声的影响。

• SNR：表示信号与噪声的比值，是衡量信号质量的一个重要指标。SNR 越高，意味着信号在噪声背景下越清晰，通信质量越高。高的 SNR 值通常意味着信号更容易被准确解码，而低的 SNR 值则容易导致误码或通信失败。

7.2 信号质量加权的理论依据

• 信号强度与噪声的相对重要性：
  单独依赖 RSSI 来衡量信号质量可能会产生误导。因为高强度的信号也可能伴随着较强的噪声，而高噪声水平会影响信号的清晰度。因此，SNR 提供了一个更全面的衡量标准，考虑了信号的强度与噪声的关系。加权方式结合了这两个指标，能够更准确地反映实际信号质量。

• 加权的数学模型：
  一种常见的做法是将 RSSI 和 SNR 作为输入参数，通过某种加权函数或线性组合来得到一个综合的信号质量指标。可以根据具体场景的需求调整权重值。例如：
  $$Q=w_1\cdot \text{RSSI}+w_2\cdot \text{SNR}$$
  其中，$ w_1 $ 和 $ w_2 $ 是 RSSI 和 SNR 的权重系数，表示它们在信号质量计算中的相对重要性。

  • 选择合适的权重系数：
    权重的设置需要根据具体的应用需求和实验数据来优化。在一些应用中，SNR 可能更为关键，因为它直接影响到数据传输的错误率，而在其他场景中，RSSI 可能更重要，因为信号强度直接决定了通信的覆盖范围。

7.3 实际应用中的加权方法

• 无线通信系统：在无线通信中，RSSI 和 SNR 都是评估信号质量的重要指标。将两者加权后，系统可以更好地判断信号的稳定性和传输质量。例如，在 Wi-Fi 或移动通信中，基站或接入点会同时考虑这两个参数，以确保数据传输的可靠性。

• 动态信号质量评估：无线环境通常是动态变化的，信号强度和噪声水平可能随时间和位置变化。通过加权方式，可以更灵活地反映当前信号的质量，特别是在复杂的多径传播和干扰环境中。

7.4 加权方法的优化

• 信道的特性：在不同的无线信道中，RSSI 和 SNR 对信号质量的影响可能不同。例如，在高干扰环境下，SNR 的作用更为突出，因此可以为 SNR 分配更大的权重。而在信号强度较好的环境中，RSSI 可能会更重要。

• 基于经验的调整：通过实际测试和仿真，可以根据不同的环境条件和通信需求，调整 RSSI 和 SNR 的权重。例如，在一个需要长距离传输的场景中，可能会更侧重于 RSSI；而在一个要求高数据速率和低错误率的场景中，可能会更关注 SNR。

7.5 综合考虑信号质量的模型

在一些高级的信号质量评估模型中，除了直接的 RSSI 和 SNR 之外，可能还会考虑其他因素，比如：

• 路径损耗：信号在传播过程中的衰减。
• 干扰：来自其他无线设备或环境的噪声。
• 调制方式：不同的调制方式对信号质量的敏感度不同。

这些因素也可能在加权过程中作为附加的输入，进一步提升信号质量评估的准确性。

7.6 8812EU WiFi模块

• M8812EU2 2T2R 802.11a/n/ac WiFi Module
• Using BL-M8812EU2 (or other RTL8812EU-based) Wi-Fi Module

功率设置两个方法： WIP: Add support for RTL8812EU-based Wi-Fi adapters for FPV firmware #1344

• driver_txpower_overridein /etc/wfb.conf. The range is 0~63
• iw dev <wlan0> set txpower fixed <mBm>. The range is 0~3150, and can be set dynamically when transmitting.