USRP2 LTE Transceiver设计

1. 代码架构

top_level

runTransceiver.cpp初始化设备对象，radio接口以及transceiver对象，启动trx相关线程

 

transceiver

Transceiver.h/cpp

TRX层，主要实现收发控制功能和对上层协议栈的接口，共分为四个线程：

mReceiveFIFOServiceLoopThread负责驱动USRP接收，并将数据存入RxFIFO中；mTransmitFIFOServiceLoopThread负责从TxFIFO中获取数据，并驱动USRP发送；mTransmitDataQueueServiceLoopThread负责与上层协议栈的连接，准备发送数据，并存入TxFIFO；

mReceiveDataQueueProcessLoopThread负责从RxFIFO中取出接收数据，并交给上层协议栈处理。

 

radioInterface.h/cpp

无线设备接口，用于驱动设备进行基本的收发，并返回接收buffer

driveTransmitRadio() 将tx databuf存入radiointerface的sendbuf中，并驱动usrp writesamples()；

driveReceiveRadio() 驱动usrp readsamples()并将数据存如RxFIFO中，实际上，radiointerface的fifo和tranceiver的fifo是一个fifo，在runTranceiver中通过引用联系在一起。

 

arch

radioDevice.h/cpp 抽象的设备类，提供设备收发，控制等接口

UHDDevice.h/cpp 实现USRP2的各种操作，初始化，收发数据，打印异步信息等

 

common

Parameters.h 提供系统参数，如采样率，一个subframe的采样点数等宏定义

Common目录下提供了常用的数据类封装，如Thread类／FIFO类／Log类等

2. 关键数据结构 

定点数据的FIFO

class FixPointVectorFIFO : public InterthreadQueueWithWait {};

InterthreadQueueWithWait是线程间同步使用的，支持阻塞读写和等待功能的队列，其底层是链表实现的。

其主要数据成员为

    PointerFIFO mQ;  

    mutable Mutex mLock;

    mutable Signal mWriteSignal;

    mutable Signal mReadSignal;

其中pointerFIFO是基于指针的存储结构，即链表，提供put和get等基本操作，其余成员用于解决竞争和同步等问题。signal是自定义的类型主要对pthread_cond_t封装，利用pthread_cond_wait和pthread_cond_signal等操作。

FIFO的read函数

    /**

       Blocking read.

       @return Pointer to object (will not be NULL).

    */

    T* read()

    {

       mLock.lock();

       T* retVal = (T*)mQ.get();

       while (retVal==NULL) {

           mWriteSignal.wait(mLock);

           retVal = (T*)mQ.get();

       }

       if (mQ.size() < 10)

                {

                    mReadSignal.signal();

                }

       mLock.unlock();

       return retVal;

    }

FIFO的write函数

    /** Non-blocking write. */

    void write(T* val)

    {

       mLock.lock();

       mQ.put(val);

                if (mQ.size() > 10)

                    mWriteSignal.signal();

       mLock.unlock();

    }

 

FIFO的wait函数

    /** Wait until the queue falls below a low water mark. */

    void wait(size_t sz=0)

    {

       mLock.lock();

       while (mQ.size()>sz) mReadSignal.wait(mLock);

       mLock.unlock();

    }

3. 关键数据流

(1) 发送数据流程：

Tx数据准备线程——mTransmitDataQueueServiceLoopThread

void *TransmitDataQueueServiceLoopAdapter(Transceiver *transceiver)

{

  while (1) {

    transceiver->driveTransmitDataQueuePrepare();

    pthread_testcancel();

  }

  return NULL;

}

function：driveTransmitDataQueuePrepare()

a. 会从协议栈获取调制好的数据，目前是从文件中读取的，如果要实时跑协议栈，可以加在这个函数中，替换memcpy。

b. 查看FIFO状态，如果FIFO中存放的subframe的数量大于60，则wait直到subframe的数量小于30，然后再把a中的数据放入FIFO中。（wait会让线程休眠，等待过程不会消耗CPU资源）

Tx数据发送流程——mTransmitFIFOServiceLoopThread

void *TransmitFIFOServiceLoopAdapter(Transceiver *transceiver)

{

  while (1) {

    transceiver-> driveTransmitFIFO();

    pthread_testcancel();

  }

  return NULL;

}

function：driveTransmitFIFO()

driveTransmitFIFO()

——>如果设备打开，调用pushRadioVector()

——>等待FIFO中有数据，取出一个subframe的data，mTransmitFIFO->read()

——>调用无线接口，mRadioInterface->driveTransmitRadio(nextbuffer,false);——>记录nexbuffer到sendbuffer中，并调用mRadio->writeSamples

——>driveTransmitRadio 返回后，删除Tx数据buffer，delete [] nextbuffer;

两个线程之间的同步过程通过FIFO完成，如果组桢太慢，FIFO中没有数据，mTransmitFIFO->read()会阻塞，直到组桢完毕，执行了FIFO->Write，会发送writesignal，唤醒休眠在read上的发送线程，取出数据，驱动发送；如果发送过慢，那么FIFO中就会积累大量的数据，这时组桢线程会wait，直到FIFO中的数据量低于一个阈值为止（每次read都会检测FIFO中剩余的子桢数，小于10的时候会发送readsignal唤醒组桢线程）。

(2) 接收数据流程：

实时接收数据线程——mReceiveFIFOServiceLoopThread

void *ReceiveFIFOServiceLoopAdapter(Transceiver *transceiver)

{

  while (1) {

    transceiver->driveReceiveFIFO();

    pthread_testcancel();

  }

  return NULL;

}

function：driveReceiveFIFO()

a. 检测Rx FIFO状态，如果接收数据积累过多没有处理的话，则不驱动接收线程，否则调用mRadioInterface->driveReceiveRadio();

b.  驱动实时接收driveReceiveRadio()

——>pullBuffer()，调用mRadio->readSamples获取空口上的数据

——>如果rcvSz大于一个subframe的话，则向Rx FIFO中写一子桢的数据

——>驱动系统时间更新，mClock.incTN();

——>更新radiointerface中的接收循环Buffer及其rx cursor（接收循环buffer是为了保证接收数据size不是整数个子桢而设计的，只是保留了openbts原来的设计，正常情况下都是readsample的结果都应该为一个子桢的size＝6250）

 

接收数据处理线程——mReceiveDataQueueProcessLoopThread

void *ReceiveDataQueueProcessLoopAdapter(Transceiver *transceiver)

{

  while (1) {

    transceiver->driveReceiveDataQueueProcess();

    pthread_testcancel();

  }

  return NULL;

}

function：driveReceiveDataQueueProcess()

a. 调用rxdatabuffer = pullRadioVector()，通过mReceiveFIFO->read();取得FIFO中的数据，同样如果没有Rx数据会阻塞；

b. 如果rxdatabuffer不为空，交付上层协议栈处理，处理后delete [] rxdatabuffer;

目前协议栈部分没有添加，如果要处理接收数据的话在这个函数里修改即可。

4. 其他

对于变速率采样的处理，推荐放在协议栈后面，以Tx为例，在driveTransmitDataQueuePrepare()函数中，协议栈组桢完毕，然后对于这个subframe的数据进行变速率采样，过滤波器，将输出结果6250个sample写入Tx FIFO中。

在多处理器并行处理的PC上，上面四个线程可以调度到不同的CPU上执行，减小频繁切换带来的性能损失。

USRP2实验中，必须确保板子A和C两个灯运行时一直亮着，应该表示接收和发送数据连续，否则在log中也会看到异步的错误提示，发送缓冲区空或者发送的时间戳晚于系统时间戳导致丢包等等。