OpenIPC開源FPV之Adaptive-Link天空端代碼解析

1. 源由
2. 框架代碼
- 2.1 消息機制
- 2.2 超時機制
3. 報文處理
- 3.1 special報文
- 3.2 普通報文
4. 工作流程
- 4.1 `Profile` 競選
- 4.2 `Profile` 研判
- - 4.2.1 回退策略
  - 4.2.2 保持策略
- 4.3 `Profile` 應用
5. 總結
6. 參考資料
7. 補充資料
- 7.1 RSSI 和 SNR 的物理含義
- 7.2 信號質量加權的理論依據
- 7.3 實際應用中的加權方法
- 7.4 加權方法的優化
- 7.5 綜合考慮信號質量的模型
- 7.6 8812EU WiFi模塊

1. 源由

在《OpenIPC開源FPV之Adaptive-Link工程解析》中，已經有了整個工程的大體概念，接下來再對代碼進行逐步分析。

首先，對天空端的代碼進行分析：ALink42n.c

2. 框架代碼

ALink42n.c相對來說，代碼量最少，也是最為基本的一份代碼。

目前，尚不太清楚具體n/p/q之間的差異，邏輯上看應該是關于切換配置profile的條件計算方式不太一樣，對于穩定性、可靠性方面應該有所差異。

The relationship between .c and binary files #7

注：感興趣的朋友，可以跟下帖子，不過隨著代碼的深入了解，以及性能測試數據，也能慢慢明晰之間的差異。

2.1 消息機制

加載配置 - “/etc/alink.conf”
加載Profile - “/etc/txprofiles.conf”
majestic：80
wfb-cli：8000
Terminal：bash
綁定默認IP - 10.5.0.10:9999

n/p/q只有q寫的是10.5.0.10，其他是10.5.0.2，應該有筆誤。

接受兩種UDP報文：special報文和普通報文

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 超時機制

當長時間未收到報文，則進行最大功率設置。

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. 報文處理

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

3.1 special報文

報文格式：

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

代碼流程：

處理pause_adaptive/resume_adaptive/request_keyframe命令

special_command_message├──> "pause_adaptive"│   └──> paused = true├──> "resume_adaptive"│   └──> paused = false├──> "drop_gop"│   └──> // 已經注釋掉，代碼暫時保留├──> "request_keyframe"│   └──> < > request_keyframe_interval_ms> `idrCommand`└──> "Unknown"

3.2 普通報文

報文格式：

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

代碼流程：

解析地面端報文反饋的RF信號參數，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` 競選

當 2.1 paused 為 false 時，滿足觸發條件則進行 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：這里采用了 rssi 和 snr 權重方式。

4.2 `Profile` 研判

當 Profile 競選成功后，在實際應用時，需要檢查觸發條件，比如：如果當前為需要切換的 Profile則無需觸發。

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)

無縫的觸發場景判斷，能夠確保信號的穩定傳輸和平滑切換：

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

4.2.1 回退策略

滿足下面條件，無需觸發回退策略；反之，則進入最大發射效率模式。

前一次 Profile 已經指向 index=0
最近一次檢測時間沒有超過 hold_fallback_mode_s 設置

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

原因：回退策略是確保無接收端信號時，保持最大發射效率（Do the Best）。

4.2.2 保持策略

滿足下面條件，觸發保持策略；反之，則進入執行當前 Profile 切換。

前一次 Profile 比當前競選 Profile發射效率更大
最近一次檢測時間沒有超過 hold_modes_down_s 設置

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

原因：發射效率降低時，保持并不影響信號傳輸質量（信號傳輸并非功率敏感應用）。

4.3 `Profile` 應用

這里需要注意幾個細節：

功率增加/減小其命令執行順序不一致
綜合信號質量來選擇不同的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	rangeMax	setGI	setMCS	setFecK	setFecN	setBitrate	setGop	wfbPower	ROIqp
999	999	long	0	12	15	3332	1.0	61	0,0,0,0
1000	1150	long	0	12	15	3333	1.0	60	0,0,0,0
1151	1300	long	1	12	15	6667	1.0	59	12,12,12,12
1301	1700	long	2	12	15	10000	1.0	58	12,8,8,12
1701	1850	long	3	12	15	12500	1.0	56	8,0,0,8
1851	2001	short	3	12	15	14000	1.0	56	4,0,0,4

rangeMin: Starting value of the range.
rangeMax: Ending value of the range.
setGI: 是無線通信系統中的 保護間隔（GI，Guard Interval）。短GI（400 ns）和長GI（800 ns）是兩種常見的保護間隔設置，用于管理OFDM（正交頻分復用）符號之間的時間間隔。選擇短GI或長GI會影響性能和抗干擾能力。它通常在無線通信協議的 物理層（PHY） 中進行設置，比如Wi-Fi（802.11標準）。
setMCS: 定義了用于數據傳輸的調制和編碼方案。MCS決定了數據是如何編碼的（調制類型），以及為錯誤糾正添加了多少冗余數據（編碼率）。在Wi-Fi（802.11n/ac/ax）中，MCS值通常從0到9（或更高，取決于Wi-Fi版本）。MCS索引是802.11協議標準的一部分，并且可以根據鏈路質量和信號強度進行調整。
setFecK: 指的是前向錯誤糾正（FEC）方案，特別是表示在應用錯誤糾正之前的數據位數（K值）。FEC用于通過添加冗余數據來提高無線通信的可靠性，從而使接收方能夠糾正噪聲或干擾引起的錯誤。K值通常是Reed-Solomon編碼或卷積編碼中的一個參數。
setFecN: 表示應用FEC后的總位數（包括數據位和校驗位）。 K/N的比率給出了編碼率，這決定了為錯誤糾正添加的冗余程度。較低的FEC值（例如1/2）表示更多的冗余和錯誤糾正能力，而較高的值（如3/4或5/6）則提供更高的吞吐量，但錯誤糾正能力較弱。
setBitrate: 表示通過無線鏈路傳輸數據的速度，通常以Mbps（兆比特每秒）為單位。該值受到調制方案、編碼率和信號強度的影響。在Wi-Fi網絡中，通常會根據這些因素動態調整比特率，以優化吞吐量，同時保持穩定的連接。
setGop: GOP設置與視頻編碼相關，尤其是在像H.264或H.265這樣的壓縮方案中。定義了關鍵幀（I幀）之間的間隔。短GOP意味著更頻繁的關鍵幀（更高的視頻質量，較低的壓縮），而長GOP意味著較少的關鍵幀（更高的壓縮，較低的質量）。在無線通信中，這個設置對于視頻流的傳輸有很大影響。
wfbPower: 指的是無線前端（WFB）硬件的發射功率。發射功率是無線通信中的一個關鍵參數，影響無線信號的范圍和質量。在Wi-Fi設備中，功率通常可以根據法規限制、設備能力和網絡狀況進行調整。wfbPower值可能用于配置設備中射頻（RF）部分的放大器。
ROIqp: ROI QP values as a comma-separated string (e.g., 0,0,0,0).

5. 總結

Profile 是一個經驗值(測試值)，依賴于具體場景應用。
配置參數（如：hold_fallback_mode_s/hold_modes_down_s）也是一個經驗參數，依賴于具體應用場景。
RSSI SNR 權重 RF信號質量計算模型，也是一個經驗方法，可以調整更優的算法。

基于上述邏輯，對于這些內容的優化，就能更好的將FPV視頻無縫的應用于實際環境 - 取決于大量的測試和優化。

注：這里感覺缺少心跳報文丟失的處理，以應對極端情況。

6. 參考資料

【1】OpenIPC開源FPV之Adaptive-Link工程解析

7. 補充資料

RSSI（接收信號強度指示）和SNR（信噪比）是衡量信號質量的常用指標。

加權 RSSI 和 SNR 以綜合評估信號質量的做法，基于以下幾個理論依據：

RSSI 反映信號強度，而 SNR 反映信號與噪聲的比率，兩者結合能夠更全面地評估信號質量。
加權方式可以根據應用場景和環境的變化，動態調整各個參數的影響，優化信號質量的評估。
加權系數的調整通常是基于實際的應用需求和實驗數據優化的。

通過加權結合這兩個指標，可以更準確地反映無線通信中的實際信號質量，進而為系統做出更合理的決策（如選擇最佳基站、調整發射功率、優化資源分配等）。

7.1 RSSI 和 SNR 的物理含義

RSSI：表示接收到的信號強度，是衡量信號功率強度的一個指標。通常情況下，RSSI 越高，表示信號接收的質量越好。然而，RSSI 只反映了信號的強度，并不直接考慮噪聲的影響。
SNR：表示信號與噪聲的比值，是衡量信號質量的一個重要指標。SNR 越高，意味著信號在噪聲背景下越清晰，通信質量越高。高的 SNR 值通常意味著信號更容易被準確解碼，而低的 SNR 值則容易導致誤碼或通信失敗。

7.2 信號質量加權的理論依據

信號強度與噪聲的相對重要性：
單獨依賴 RSSI 來衡量信號質量可能會產生誤導。因為高強度的信號也可能伴隨著較強的噪聲，而高噪聲水平會影響信號的清晰度。因此，SNR 提供了一個更全面的衡量標準，考慮了信號的強度與噪聲的關系。加權方式結合了這兩個指標，能夠更準確地反映實際信號質量。
加權的數學模型：
一種常見的做法是將 RSSI 和 SNR 作為輸入參數，通過某種加權函數或線性組合來得到一個綜合的信號質量指標。可以根據具體場景的需求調整權重值。例如：
$w_1 \cdot \text{RSSI} + w_2 \cdot \text{SNR}$
其中，$ w_1 $ 和 $ w_2 $ 是 RSSI 和 SNR 的權重系數，表示它們在信號質量計算中的相對重要性。
- 選擇合適的權重系數：
  權重的設置需要根據具體的應用需求和實驗數據來優化。在一些應用中，SNR 可能更為關鍵，因為它直接影響到數據傳輸的錯誤率，而在其他場景中，RSSI 可能更重要，因為信號強度直接決定了通信的覆蓋范圍。

7.3 實際應用中的加權方法

無線通信系統：在無線通信中，RSSI 和 SNR 都是評估信號質量的重要指標。將兩者加權后，系統可以更好地判斷信號的穩定性和傳輸質量。例如，在 Wi-Fi 或移動通信中，基站或接入點會同時考慮這兩個參數，以確保數據傳輸的可靠性。
動態信號質量評估：無線環境通常是動態變化的，信號強度和噪聲水平可能隨時間和位置變化。通過加權方式，可以更靈活地反映當前信號的質量，特別是在復雜的多徑傳播和干擾環境中。

7.4 加權方法的優化

信道的特性：在不同的無線信道中，RSSI 和 SNR 對信號質量的影響可能不同。例如，在高干擾環境下，SNR 的作用更為突出，因此可以為 SNR 分配更大的權重。而在信號強度較好的環境中，RSSI 可能會更重要。
基于經驗的調整：通過實際測試和仿真，可以根據不同的環境條件和通信需求，調整 RSSI 和 SNR 的權重。例如，在一個需要長距離傳輸的場景中，可能會更側重于 RSSI；而在一個要求高數據速率和低錯誤率的場景中，可能會更關注 SNR。

7.5 綜合考慮信號質量的模型

在一些高級的信號質量評估模型中，除了直接的 RSSI 和 SNR 之外，可能還會考慮其他因素，比如：

路徑損耗：信號在傳播過程中的衰減。
干擾：來自其他無線設備或環境的噪聲。
調制方式：不同的調制方式對信號質量的敏感度不同。

這些因素也可能在加權過程中作為附加的輸入，進一步提升信號質量評估的準確性。

7.6 8812EU WiFi模塊

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

功率設置兩個方法： 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.