无线链路自适应（PHY/MCS）

使用技术：SLE (SparkLink Low Energy) RSSI (Received Signal Strength Indicator) 读取、PHY (Physical Layer) 更新、MCS (Modulation and Coding Scheme) 设置、平均窗口和迟滞状态机

前置阅读：Hello SLE

学习目标

• 理解 PHY、MCS 的含义及其对链路速率和鲁棒性的影响，以及 PHY/MCS 切换与连接参数动态更新的区别。
• 掌握 sle_read_remote_device_rssi()、sle_set_phy_param() 和 sle_set_mcs() 的调用关系。
• 根据 RSSI 在 Robust、Balanced、Fast 三个链路档位之间自适应切换。
• 理解平均窗口、迟滞门限和连续窗口确认如何抑制档位抖动。
• 能使用两块 WS53 开发板观察并验证 RSSI 触发的 PHY/MCS 自动升档和降档。

案例说明

本案例定期读取连接设备的 RSSI，并将其作为当前链路质量的观测量。RSSI 较高时，示例切换到更高的 PHY/MCS 档位；RSSI 较低时，示例回退到更稳健的档位，从而在吞吐能力和链路鲁棒性之间进行选择。

PHY 和 MCS 是什么

• PHY（Physical Layer，物理层）决定无线信号采用哪种基础传输速率，例如本案例使用的 1M、2M 和 4M。速率越高，发送同样数据所需的时间越短，但对信号质量的要求也越高。
• MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码方案）决定数据采用什么调制方式，以及加入多少纠错保护。较低的 MCS 传输速度较慢，但抗干扰能力更强；较高的 MCS 可以传输更多数据，但在信号较弱时更容易出现丢包和重传。

可以将 PHY 理解为基础传输速率，将 MCS 理解为调制方式与编码保护的组合。两者共同影响链路吞吐能力和鲁棒性：

PHY/MCS 选择	吞吐方向	对链路质量的要求	适用方向
较低档位	较低	较低，弱信号下更稳健	距离较远、遮挡或干扰较强
较高档位	较高	较高，弱信号下更容易出现重传	距离较近、信号条件良好

PHY/MCS 并不是越高越好。实际吞吐和丢包率还与业务数据长度、发射功率、天线、多径、干扰及重传有关，本案例不把档位名称作为产品性能规格。

系统组成

本案例使用两块 WS53 开发板：

• Server 广播设备名 sle_phy_mcs_server。
• Client 扫描并连接 Server。
• Server 建链后先设置 Robust 档位，再周期读取 Client 的 RSSI。
• Server 根据平均 RSSI、迟滞门限和连续确认窗口选择目标档位。
• Server 先异步更新 PHY，收到成功回调后再设置 MCS。
• Client 输出控制器应用的 PHY 更新结果。
• 断连后 Server 重新广播，Client 重新扫描。

案例源码位于：

src/application/samples/bt/sle/sle_phy_mcs_switch/

与连接参数动态更新的区别

对比项	连接参数动态更新	无线链路自适应（PHY/MCS）
调整对象	连接间隔、max_latency、监督超时	收发 PHY、导频密度和 MCS
示例输入	编译期选择的低功耗、均衡或低时延 profile	周期读取的连接态 RSSI
主要目标	平衡功耗与响应时延	平衡吞吐能力与链路鲁棒性
核心 API	sle_update_connect_param()	sle_set_phy_param()、sle_set_mcs()

连接参数决定“多久通信一次”，PHY/MCS 决定“每次用多快、多稳的方式通信”，二者可以同时使用。

切换策略

示例档位

WS53 源码定义了以下三个有效档位，三档的导频密度均为 SLE_PHY_PILOT_DENSITY_16_TO_1：

档位	PHY	MCS	调制编码	方向
Robust	1M	0	BPSK 1/4	链路鲁棒性优先
Balanced	2M	4	QPSK 1/2	吞吐与鲁棒性平衡
Fast	4M	10	8PSK 3/4	吞吐能力优先

档位组合和 RSSI 门限是教学示例，不是产品性能规格。实际产品必须结合天线、结构、发射功率、吞吐、丢包率和功耗进行实测标定。

RSSI 平均与迟滞

Server 每 1000 ms 请求一次 RSSI。每收到 4 个有效样本计算一次平均值；只有连续 2 个平均窗口选择同一个新档位时，才发起切换。

当前档位	平均 RSSI 条件	目标档位
Robust	RSSI ≥ -70 dBm	Balanced
Balanced	RSSI ≤ -78 dBm	Robust
Balanced	RSSI ≥ -50 dBm	Fast
Fast	RSSI ≤ -62 dBm	Balanced

升档和降档使用不同门限，形成迟滞区间。例如，Balanced 升到 Fast 需要达到 -50 dBm，而 Fast 降回 Balanced 需要降低到 -62 dBm 或更低。RSSI 在 -62～-50 dBm 之间波动时，当前档位保持不变。

在 RSSI 请求连续成功且没有 PHY 更新占用任务的情况下，一个平均窗口约需 4 秒，连续确认两个窗口最快约需 8 秒。因此，RSSI 跨过门限后不会立即切换。

工作流程

sequenceDiagram
    participant S as Server
    participant C as Client

    S->>S: 广播 sle_phy_mcs_server
    C->>S: 扫描并建立连接
    S->>S: 初始请求 Robust 1M/MCS0
    loop 每 1000 ms
        S->>S: sle_read_remote_device_rssi()
        Note right of S: read_rssi_cb
        S->>S: 4 点平均、迟滞判断
        S->>S: 连续 2 个窗口确认
    end
    S->>S: sle_set_phy_param()
    Note right of S: set_phy_cb(status)
    alt PHY 更新成功
        S->>S: sle_set_mcs()
        S->>S: 更新当前档位
    else PHY 更新失败
        S->>S: 清除 pending，保持原档位
    end
    Note over S,C: Client 的 set_phy_cb 输出实际 PHY

sle_set_phy_param() 是异步操作。API 返回成功表示请求已提交，最终结果由 set_phy_cb 的 status 报告。Server 仅在 PHY 回调成功后调用 sle_set_mcs()；切换期间 g_phy_update_pending 保持为 true，避免重复读取 RSSI 或重入切换。

链路断开时，Server 会清除当前档位、目标档位、候选窗口和 RSSI 累加状态并恢复广播；Client 会清除目标标志并重新扫描。

涉及 API

API	调用方	用途
enable_sle()	双方	启动 SLE 协议栈。
sle_announce_seek_register_callbacks()	双方	注册广播或扫描回调。
sle_connection_register_callbacks()	双方	注册连接、RSSI 读取和 PHY 更新回调。
sle_set_announce_param() / sle_start_announce()	Server	配置并启动 sle_phy_mcs_server 广播。
sle_set_seek_param() / sle_start_seek()	Client	配置并启动主动扫描。
sle_connect_remote_device()	Client	连接匹配名称的 Server。
sle_read_remote_device_rssi()	Server	异步读取对端连接态 RSSI。
sle_set_phy_param()	Server	异步设置收发 PHY、帧格式和导频密度。
sle_set_mcs()	Server	PHY 更新成功后设置 MCS。

代码目录

sle_phy_mcs_switch/
├── CMakeLists.txt
├── Kconfig
├── README.md
├── sle_phy_mcs_switch.c
├── sle_phy_mcs_switch_server/
│   ├── CMakeLists.txt
│   └── src/
│       ├── sle_phy_mcs_switch_server.c
│       ├── sle_phy_mcs_switch_server.h
│       ├── sle_phy_mcs_switch_server_adv.c
│       └── sle_phy_mcs_switch_server_adv.h
└── sle_phy_mcs_switch_client/
    ├── CMakeLists.txt
    └── src/
        ├── sle_phy_mcs_switch_client.c
        └── sle_phy_mcs_switch_client.h

顶层 sle_phy_mcs_switch.c 根据 Kconfig 创建 Server 或 Client 任务。Server 目录负责广播、RSSI 采样、档位决策和 PHY/MCS 切换；Client 目录负责扫描、连接和 PHY 更新观察。

角色选项为：

CONFIG_SAMPLE_SUPPORT_SLE_PHY_MCS_SWITCH_SERVER_SAMPLE
CONFIG_SAMPLE_SUPPORT_SLE_PHY_MCS_SWITCH_CLIENT_SAMPLE

这两个选项位于同一个 SLE 案例Kconfig choice 中，角色互斥构建。

关键代码

档位定义

static const sle_phy_mcs_profile_t PROFILES[] = {
    {"invalid", SLE_PHY_1M, SLE_MCS_00, SLE_PHY_PILOT_DENSITY_16_TO_1},
    {"robust", SLE_PHY_1M, SLE_MCS_00, SLE_PHY_PILOT_DENSITY_16_TO_1},
    {"balanced", SLE_PHY_2M, SLE_MCS_04, SLE_PHY_PILOT_DENSITY_16_TO_1},
    {"fast", SLE_PHY_4M, SLE_MCS_10, SLE_PHY_PILOT_DENSITY_16_TO_1},
};

invalid 是尚未设置初始档位时的内部状态，不是用户档位。建链后的自适应任务会先请求 Robust。

周期读取 RSSI

案例创建名为 SLEPhyAdapt 的 OSAL (Operating System Abstraction Layer) 任务。任务在已连接且没有 PHY 更新进行时读取 RSSI：

static void *sle_phy_mcs_adapt_task(const char *arg)
{
    unused(arg);
    while (1) {
        if (!g_connected || g_phy_update_pending) {
            (void)osal_msleep(SLE_PHY_MCS_SAMPLE_INTERVAL_MS);
            continue;
        }
        if (g_current_profile == SLE_PHY_MCS_PROFILE_INVALID) {
            (void)sle_phy_mcs_request_profile(SLE_PHY_MCS_PROFILE_ROBUST);
        } else {
            errcode_t ret = sle_read_remote_device_rssi(g_conn_id);
            if (ret != ERRCODE_SLE_SUCCESS) {
                osal_printk("%s RSSI request failed: 0x%x\r\n", SLE_PHY_MCS_SERVER_LOG, ret);
            }
        }
        (void)osal_msleep(SLE_PHY_MCS_SAMPLE_INTERVAL_MS);
    }
    return NULL;
}

RSSI 回调累加样本，达到 4 点后计算整数平均值。选中的新档位必须连续出现 2 个窗口，才会调用 sle_phy_mcs_request_profile()。

PHY 更新后设置 MCS

请求阶段根据目标 profile 同时设置 TX/RX PHY 和导频密度：

g_target_profile = profile_id;
g_phy_update_pending = true;
ret = sle_set_phy_param(g_conn_id, &phy_param);

PHY 更新完成回调中，只有 status 成功才继续设置 MCS：

if (status != ERRCODE_SLE_SUCCESS) {
    g_phy_update_pending = false;
    g_candidate_windows = 0;
    return;
}
ret = sle_set_mcs(conn_id, target->mcs);
if (ret == ERRCODE_SLE_SUCCESS) {
    g_current_profile = g_target_profile;
}
g_phy_update_pending = false;
g_candidate_windows = 0;

案例操作指导

以下命令中的 <SERVER_COM> 和 <CLIENT_COM> 是占位符，请替换为两块 WS53 开发板对应的串口号。构建 Client 会覆盖同一目标的固件包，因此应先构建并烧录 Server，再切换角色构建 Client。

第一步：构建并烧录 Server

fbb config set CONFIG_ENABLE_BT_SAMPLE=y --target ws53_liteos_app
fbb config set CONFIG_SAMPLE_SUPPORT_SLE_SAMPLE=y --target ws53_liteos_app
fbb config set CONFIG_SAMPLE_SUPPORT_SLE_PHY_MCS_SWITCH_SERVER_SAMPLE=y --target ws53_liteos_app
fbb build ws53_liteos_app --clean
fbb flash ws53_liteos_app --port <SERVER_COM> --json-summary

第二步：构建并烧录 Client

fbb config set CONFIG_ENABLE_BT_SAMPLE=y --target ws53_liteos_app
fbb config set CONFIG_SAMPLE_SUPPORT_SLE_SAMPLE=y --target ws53_liteos_app
fbb config set CONFIG_SAMPLE_SUPPORT_SLE_PHY_MCS_SWITCH_CLIENT_SAMPLE=y --target ws53_liteos_app
fbb build ws53_liteos_app --clean
fbb flash ws53_liteos_app --port <CLIENT_COM> --json-summary

第三步：验证 Server

先让 Server 上电并开始广播，再复位 Client。监控 Server 串口：

fbb monitor --port <SERVER_COM> --reset

首先应看到建链和 Robust 初始化：

[sle phy mcs server] policy: robust<-78/-70, balanced<-62/-50, 4 samples x 2 windows
[sle phy mcs server] start announce, name=sle_phy_mcs_server
[sle phy mcs server] connected, conn_id=0x00
[sle phy mcs server] switch complete: profile=robust, phy=1M, mcs=0, status=0x0

信号满足升档门限后，应依次出现平均窗口、候选确认和切换完成日志：

[sle phy mcs server] RSSI window: average=<rssi> dBm, current=robust, selected=balanced
[sle phy mcs server] candidate=balanced, confirm=2/2
[sle phy mcs server] switch complete: profile=balanced, phy=2M, mcs=4, status=0x0
[sle phy mcs server] RSSI window: average=<rssi> dBm, current=balanced, selected=fast
[sle phy mcs server] candidate=fast, confirm=2/2
[sle phy mcs server] switch complete: profile=fast, phy=4M, mcs=10, status=0x0

第四步：验证 Client

监控 Client 串口：

fbb monitor --port <CLIENT_COM> --reset

Client 会输出连接状态和控制器实际应用的 PHY：

[sle phy mcs client] connected, conn_id=0x00
[sle phy mcs client] PHY changed: conn_id=0x00, status=0x0, tx_phy=1M, rx_phy=1M
[sle phy mcs client] PHY changed: conn_id=0x00, status=0x0, tx_phy=2M, rx_phy=2M
[sle phy mcs client] PHY changed: conn_id=0x00, status=0x0, tx_phy=4M, rx_phy=4M

Client 的回调只报告 PHY，不打印 MCS；MCS 设置结果应查看 Server 的 switch complete 或 sle_set_mcs failed 日志。

第五步：验证降档

保持两端串口监控，逐步增加两块板之间的距离，或加入可重复的遮挡和衰减。当平均 RSSI 连续两个窗口满足降档门限时，应看到 Fast → Balanced → Robust。恢复良好信号后，应按相反方向逐级升档。

避免用手直接接触天线区域；人体遮挡会引入较大且不稳定的衰减，不利于重复验证。

验证结论

WS53 案例源码 README 记录：Robust 1M/MCS0、Balanced 2M/MCS4 和 Fast 4M/MCS10 三个档位均已完成双板上板验证。该结论验证档位和调用链可以生效，不表示本文门限适用于所有产品环境。

常见问题

RSSI 变化但没有立即切换

这是预期行为。案例每 4 个样本计算一个平均窗口，并要求连续 2 个窗口选择同一新档位。采样连续成功时，最快也约需 8 秒完成确认。

PHY 更新成功但没有出现 switch complete

检查 Server 是否输出 sle_set_mcs failed。案例只有在 PHY 回调成功且 sle_set_mcs() 返回成功后，才将目标档位写入当前档位。

档位一直保持 Robust

• 检查是否持续出现 RSSI request failed 或 RSSI read failed。
• 检查平均 RSSI 是否达到 Robust → Balanced 的 -70 dBm 门限。
• 确认候选档位是否连续出现两次 confirm=2/2。

Client 扫描不到 Server

• 确认 Server 日志出现 start announce, name=sle_phy_mcs_server。
• 确认两块板烧录的是不同角色，而不是同一个固件。
• 确认 Client 日志出现 start seek。

限制

• RSSI 只反映接收信号强度，不能直接代表吞吐、误包率或干扰水平。
• RSSI 会受遮挡、天线方向、多径和环境干扰影响，门限需要在产品现场重新标定。
• 本示例只演示链路自适应，不提供吞吐量、丢包率或功耗的定量测量。
• Fast 降档等门限触发需要实际改变射频环境，切换至少包含两个统计窗口。
• Server 与 Client 角色互斥构建，不需要外接硬件。