PHY MCS 切换

SLE PHY/MCS 配置、RSSI 监控
前置阅读：Hello SLE、RSSI 测距

学习目标

• 理解 PHY 速率（1M/2M/4M）和 MCS 编码（0~12）对吞吐量、通信距离、抗干扰能力的多维 trade-off
• 掌握 sle_set_phy_param() 与 sle_set_mcs() 的两步异步设置流程，理解为何必须先 PHY 后 MCS
• 能够根据 RSSI 实时判断最优 PHY/MCS 组合，实现自适应切换策略
• 理解切换迟滞的必要性，能够配置迟滞参数防止边界抖动导致频繁切换

基本概念

为什么要自适应切换

无线通信环境不是静态的。设备移动、障碍物遮挡、同频干扰都会让信号强度剧烈波动。固定使用一种 PHY 和 MCS 组合，要么在信号好时浪费带宽，要么在信号差时频繁丢包甚至断连。

自适应切换的核心思想是：用 RSSI 作为信号质量的"温度计"，根据它实时选择最合适的 PHY 和 MCS 组合。

flowchart TD
    A[定时读取 RSSI] --> B{判断 RSSI 区间}
    B -->|大于 -48 dBm| C[4M PHY + MCS10<br/>最大吞吐]
    B -->|-48 至 -63 dBm| D[2M PHY + MCS8<br/>速率与抗干扰兼顾]
    B -->|-63 至 -73 dBm| E[1M PHY + MCS4<br/>保证可靠性]
    B -->|小于 -73 dBm| F[1M PHY + MCS0<br/>最远距离兜底]
    C --> G[等待监控间隔]
    D --> G
    E --> G
    F --> G
    G --> A

四档策略的出发点：

档位	RSSI 区间	PHY	MCS	典型吞吐	适用场景
高速档	RSSI > -48 dBm	4M	MCS10	~3 Mbps	设备紧贴或 1m 内，如 OTA 升级
均衡档	-48 ~ -63 dBm	2M	MCS8	~1.5 Mbps	3~5m 室内，如实时音频流
可靠档	-63 ~ -73 dBm	1M	MCS4	~375 Kbps	5~10m，如传感器数据上报
兜底档	RSSI < -73 dBm	1M	MCS0	~125 Kbps	10m+ / 穿墙，保持连接不断

阈值中包含 2 dBm 切换迟滞：从高速档切出需要 RSSI 低于 -50（不是 -48），从低速档切回需要 RSSI 高于 -46。这样避免了 RSSI 在 -48 附近小幅抖动时来回切换。

PHY 与 MCS 的关系

PHY 和 MCS 是两层协同的物理层配置：

• PHY 速率 决定物理层每秒钟发送多少个符号（symbols/s）：1M、2M 或 4M。更高的 PHY 意味着更高的符号速率，但需要更强的信号来保证符号正确解调。
• MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码方案） 决定每个符号携带多少有效比特。MCS 越高，每符号携带的比特越多，但需要更高的信噪比（SNR）。
• 两者没有固定的绑定关系——你可以用 4M PHY + MCS0 获得高符号速率但强抗干扰，也可以用 1M PHY + MCS10 获得较低符号速率但每符号高数据量。

PHY 与 MCS 组合的有效吞吐矩阵如下：

	MCS0 BPSK ¼	MCS4 BPSK 1	MCS8 QPSK 1	MCS10 8PSK ¾
PHY 4M	1.0 Mbps	4.0 Mbps	8.0 Mbps	~3.0 Mbps 实测
PHY 2M	0.5 Mbps	2.0 Mbps	4.0 Mbps	~1.5 Mbps 实测
PHY 1M	0.25 Mbps	1.0 Mbps	2.0 Mbps	~0.75 Mbps 实测
对应距离	>15m 穿墙	10~15m	5~10m	<3m

MCS10~12 虽然理论编码率高，但 8PSK 对信噪比要求苛刻。距离稍远时，高重传率导致有效吞吐反而低于 MCS4~8。表中"实测"值反映了重传开销后的真实可用带宽。

PHY 参数结构

SLE 的 PHY 配置通过结构体 sle_set_phy_t 传递，不只是选 1M/2M/4M 那么简单：

typedef struct {
    uint8_t tx_format;        // 发送无线帧类型（SLE_RADIO_FRAME_*）
    uint8_t rx_format;        // 接收无线帧类型
    uint8_t tx_phy;           // 发送 PHY（SLE_PHY_1M/2M/4M）
    uint8_t rx_phy;           // 接收 PHY
    uint8_t tx_pilot_density; // 发送导频密度（4:1 / 8:1 / 16:1 / 无）
    uint8_t rx_pilot_density; // 接收导频密度
    uint8_t g_feedback;       // 先发链路反馈类型（0-63）
    uint8_t t_feedback;       // 后发链路反馈类型（0-7）
} sle_set_phy_t;

其中导频密度值得关注——导频是收发双方已知的参考信号，用于信道估计。导频越密，信道估计越准确（抗干扰越好），但开销越大（有效吞吐越低）。远距离和复杂环境应使用更密的导频（4:1），近距离可以用稀疏导频（16:1 或无导频）以提升吞吐。

异步设置的必要性

PHY 切换不是本端单方面决定就生效的——协议栈需要与对端设备协商确认，因此 sle_set_phy_param() 采用异步回调模式：

sequenceDiagram
    participant App as 应用任务
    participant Stack as SLE 协议栈
    participant Peer as 对端设备

    App->>Stack: sle_set_phy_param conn_id param
    Note over Stack,Peer: 发起 PHY 协商请求<br/>对端确认
    Stack-->>App: set_phy_cb conn_id status param
    Note over App: 检查 status 确认成功<br/>此时 PHY 已生效
    App->>Stack: sle_set_mcs conn_id target_mcs
    Note over Stack,Peer: MCS 通知对端并即时生效
    Note over Peer: 数据传输使用新 PHY/MCS

两个关键原则：

1. 先 PHY 后 MCS，不可反向：PHY 是整个物理层的"地基"。在 PHY 切换完成（收到 set_phy_cb 成功状态）之前调用 sle_set_mcs()，可能运行在旧的或不一致的 PHY 上，导致 MCS 配置无效。
2. 在 set_phy_cb 中触发 MCS 设置：这是最自然的位置——PHY 确认成功 → 立即设置配套的 MCS，一气呵成。

涉及 API

API	谁调用	用途
sle_connection_register_callbacks()	双方	注册连接管理回调，包括 set_phy_cb（PHY 设置结果通知）
sle_set_phy_param(conn_id, &param)	双方	异步设置 PHY 参数，结果在 set_phy_cb 中返回
sle_set_mcs(conn_id, mcs)	双方	设置 MCS 等级（0~12），应在 PHY 设置成功回调中调用
sle_read_remote_device_rssi(conn_id)	双方	发起 RSSI 读取请求，结果在 read_rssi_cb 中返回

这四个 API 构成自适应切换的最小集合。sle_set_phy_param + sle_set_mcs 是切换动作，sle_read_remote_device_rssi 是决策依据，回调注册是基础设施。

案例说明

做什么

两台 WS63 设备建立 SLE 连接后，Server 端启动 RSSI 监控任务，每 5 秒读取一次信号强度，根据 RSSI 区间自动将链路切换到最优 PHY/MCS 组合，并打印切换日志。

本案例是高吞吐传输的"智能版本"：高吞吐传输 固定使用 4M+MCS10 追求极速，本案例演示的是根据环境动态切换以平衡速率和可靠性——两者对比，可以直观理解"固定配置"和"自适应策略"的区别。

规格与功能

规格项	配置值	说明
设备角色	Server 发起切换，Client 被动响应	任一方向都可发起，本案例 Server 侧实现
RSSI 监控周期	5 秒	避免过于频繁影响通信性能
RSSI 分档	4 档（> -48 / -48~-63 / -63~-73 / < -73）	含 2 dBm 迟滞
PHY 范围	1M / 2M / 4M	与 RSSI 档位对应
MCS 范围	MCS0 / MCS4 / MCS8 / MCS10	与 PHY 档位配套
切换时数据传输	协议栈自动排空队列	应用层无需介入

程序运行流程：

1. Server 与 Client 建立 SLE 连接
2. Server 注册连接回调（含 set_phy_cb 和 read_rssi_cb）
3. Server 创建 RSSI 监控任务，周期 5 秒
4. 监控任务调用 sle_read_remote_device_rssi() 读取信号强度
5. read_rssi_cb 中滤波 RSSI，判断是否跨越迟滞区间
6. 需要切换时：调用 sle_set_phy_param() → 在 set_phy_cb 中调用 sle_set_mcs()
7. 打印切换日志（旧参数 → 新参数 + RSSI）

案例流程

sequenceDiagram
    participant MT as 监控任务
    participant App as 应用层
    participant Stack as SLE 协议栈
    participant Peer as 对端设备

    Note over MT,Peer: ═══ 连接已建立，初始 PHY 1M / MCS4 ═══
    loop 每 5 秒
        MT->>Stack: sle_read_remote_device_rssi conn_id
        Stack-->>MT: read_rssi_cb conn_id rssi status
        Note over MT: 滑动滤波 + 迟滞判断
        alt 需要切换 PHY/MCS
            MT->>Stack: sle_set_phy_param conn_id new_phy
            Note over Stack,Peer: 协议栈与对端协商 PHY
            Stack-->>MT: set_phy_cb conn_id ERRCODE_SUCC param
            MT->>Stack: sle_set_mcs conn_id new_mcs
            Note over Stack,Peer: MCS 即时生效
            MT->>App: osal_printk 切换日志
        else 无需切换
            Note over MT: 保持当前配置
        end
    end

案例操作指导

编译

本案例为概念性代码，无需编译实际 sample。如需运行验证，参考 Hello SLE 的编译配置，在此基础上添加本案例的 PHY/MCS 切换逻辑。

烧录

将编译生成的固件分别烧录到两块 WS63 开发板，其中一块作为 Server（运行切换逻辑），另一块作为 Client。

验证

预期现象：两块板子上电后，RSSI 监控任务每 5 秒输出一次信号强度。当你移动两块板子（靠近或拉远），串口输出反映 PHY/MCS 的自动切换：

[RSSI] conn=0x0000 rssi=-45dBm | mode=HIGH    PHY=4M MCS=10
[RSSI] conn=0x0000 rssi=-44dBm | mode=HIGH    PHY=4M MCS=10
[RSSI] conn=0x0000 rssi=-55dBm | mode=BALANCE PHY=2M MCS=8  ← 拉远后自动降档
[RSSI] conn=0x0000 rssi=-68dBm | mode=RELIABLE PHY=1M MCS=4  ← 继续拉远
[RSSI] conn=0x0000 rssi=-62dBm | mode=BALANCE PHY=2M MCS=8  ← 靠近后自动升档

关键配置

RSSI 阈值与 PHY/MCS 映射

/* RSSI 阈值定义 — 含 2 dBm 迟滞，与切换逻辑配套 */
#define RSSI_THRESH_HIGH     (-48)  // RSSI 高于此值使用高速档
#define RSSI_THRESH_BALANCE  (-63)  // RSSI 高于此值使用均衡档
#define RSSI_THRESH_RELIABLE (-73)  // RSSI 高于此值使用可靠档（低于此值用兜底档）
#define RSSI_HYSTERESIS      2      // 迟滞量 dBm

RSSI 区间与档位映射表

当前档位	降到哪切出	升到哪切回	PHY	MCS	导频密度	典型吞吐
高速档	< -50	-46	4M	MCS10	16:1	~3 Mbps
均衡档	< -65	-61	2M	MCS8	8:1	~1.5 Mbps
可靠档	< -75	-71	1M	MCS4	4:1	~375 Kbps
兜底档	N/A	-71	1M	MCS0	4:1	~125 Kbps

迟滞参数 2 dBm 是经验值：太小（<1 dBm）容易在边界频繁切换，太大（>5 dBm）则切换反应迟钝。2~3 dBm 对大多数室内环境是合适的平衡点。

配置速查表

参数	推荐值	可调范围	调大影响	调小影响
监控周期	5000 ms	1000~30000 ms	省电但反应慢	耗电但反应快
迟滞量	2 dBm	1~5 dBm	切换更保守	边界频繁切换
高速档阈值	-48 dBm	-40~-55	更激进使用4M	更保守用2M
兜底档阈值	-73 dBm	-70~-80	更早降速保证连接	坚持用高速但可能丢包
RSSI 滤波窗口	3 样本	1~10	平滑但响应慢	响应快但易抖动

代码详解

1. 连接回调注册

这段代码解决的核心问题：把 set_phy_cb 和 read_rssi_cb 两个关键回调注册到 SLE 协议栈，让我们的切换逻辑能在 PHY 设置完成和 RSSI 读取完成时被通知。

static sle_connection_callbacks_t g_sle_conn_cbs = {
    .read_rssi_cb = sample_read_rssi_callback,  // RSSI 读取结果回调
    .set_phy_cb   = sample_set_phy_callback,     // PHY 设置结果回调
    // 其他回调按需填充，未使用的保持 NULL
};

void sample_register_connection_callbacks(void)
{
    errcode_t ret = sle_connection_register_callbacks(&g_sle_conn_cbs);
    if (ret != ERRCODE_SUCC) {
        osal_printk("[PHY-MCS] register conn callbacks failed: 0x%x\r\n", ret);
    }
}

回调注册必须在建立连接前完成。set_phy_cb 是整个自适应切换的核心——它通知我们 PHY 切换成功，然后我们才能在回调中紧接着设置 MCS。

2. PHY/MCS 异步设置流程

这段代码实现正式的"先 PHY 后 MCS"两步切换。不能在 set_phy_cb 之前调用 sle_set_mcs()，因为 MCS 需要在新 PHY 的基础上才能正确生效。

/* 根据目标档位填充 PHY 参数 */
static void sample_start_phy_switch(uint16_t conn_id, uint8_t target_tier)
{
    sle_set_phy_t phy_param = {0};
    phy_param.tx_format = SLE_RADIO_FRAME_1;
    phy_param.rx_format = SLE_RADIO_FRAME_1;

    switch (target_tier) {
    case TIER_HIGH:
        phy_param.tx_phy = SLE_PHY_4M;
        phy_param.rx_phy = SLE_PHY_4M;
        phy_param.tx_pilot_density = SLE_PHY_PILOT_DENSITY_16_TO_1; // 强信号用稀疏导频
        phy_param.rx_pilot_density = SLE_PHY_PILOT_DENSITY_16_TO_1;
        break;
    case TIER_BALANCE:
        phy_param.tx_phy = SLE_PHY_2M;
        phy_param.rx_phy = SLE_PHY_2M;
        phy_param.tx_pilot_density = SLE_PHY_PILOT_DENSITY_8_TO_1;
        phy_param.rx_pilot_density = SLE_PHY_PILOT_DENSITY_8_TO_1;
        break;
    case TIER_RELIABLE:
    case TIER_FALLBACK:
        phy_param.tx_phy = SLE_PHY_1M;
        phy_param.rx_phy = SLE_PHY_1M;
        phy_param.tx_pilot_density = SLE_PHY_PILOT_DENSITY_4_TO_1;  // 弱信号用密集导频
        phy_param.rx_pilot_density = SLE_PHY_PILOT_DENSITY_4_TO_1;
        break;
    }
    /* 触发异步 PHY 设置 — 结果在 set_phy_cb 中处理 */
    errcode_t ret = sle_set_phy_param(conn_id, &phy_param);
    if (ret != ERRCODE_SUCC) {
        osal_printk("[PHY-MCS] set phy failed: 0x%x\r\n", ret);
    }
}

/* set_phy_cb — PHY 设置成功后，紧接着设置 MCS */
static void sample_set_phy_callback(uint16_t conn_id, errcode_t status,
                                    const sle_set_phy_t *param)
{
    if (status != ERRCODE_SUCC) {
        osal_printk("[PHY-MCS] set phy callback error: 0x%x\r\n", status);
        return;
    }
    /* 只有在 PHY 确认成功后，才设置配套的 MCS */
    sle_set_mcs(conn_id, g_target_mcs);
    osal_printk("[PHY-MCS] PHY=%dM MCS=%d 已生效\r\n",
                (param->tx_phy == SLE_PHY_4M) ? 4 :
                (param->tx_phy == SLE_PHY_2M) ? 2 : 1,
                g_target_mcs);
}

注意：sle_set_mcs() 在 set_phy_cb 回调上下文中调用。该回调运行于 SLE service 线程，不能阻塞或长时间等待——所以只做轻量的设置和日志打印。

3. RSSI 监控任务

这段代码创建独立的监控线程，以固定周期读取 RSSI，是整个自适应切换的"心跳"。选择独立线程而非定时器回调的原因是：切换逻辑涉及多步异步操作，在线程中更容易管理状态。

#define RSSI_MONITOR_INTERVAL_MS  5000   // 5 秒监控间隔

static void sample_rssi_monitor_task(void *arg)
{
    uint16_t conn_id = *(uint16_t *)arg;

    while (1) {
        /* 发起异步 RSSI 读取 — 结果在 read_rssi_cb 中返回 */
        errcode_t ret = sle_read_remote_device_rssi(conn_id);
        if (ret != ERRCODE_SUCC) {
            osal_printk("[PHY-MCS] read rssi request failed: 0x%x\r\n", ret);
        }
        /* 阻塞等待下一个监控周期，避免忙轮询 */
        osal_msleep(RSSI_MONITOR_INTERVAL_MS);
    }
}

/* 启动监控任务 — 在连接建立后调用 */
osal_task *sample_start_rssi_monitor(uint16_t conn_id)
{
    osal_task *task = osal_kthread_create(
        sample_rssi_monitor_task,     // 任务函数
        (void *)&conn_id,             // 传递连接句柄
        "rssi_monitor",               // 任务名称
        2048                          // 栈大小 2KB
    );
    return task;
}

osal_msleep() 让任务主动休眠，不占用 CPU 资源。选择 5 秒间隔是"感知延迟"和"通信开销"的折中——间隔太短会频繁抢占协议栈资源，间隔太长则对信号变化反应迟钝。

4. RSSI 回调与切换迟滞

这段代码是自适应切换的"大脑"——读取 RSSI 后进行滑动窗口滤波，再根据包含迟滞的阈值判断是否需要切换档位。

static int8_t  g_rssi_buffer[3] = {0};  // 3 样本滑动窗口
static uint8_t g_rssi_buf_idx = 0;
static uint8_t g_current_tier  = TIER_RELIABLE;  // 初始默认可靠档

/* read_rssi_cb — RSSI 结果返回后的处理 */
static void sample_read_rssi_callback(uint16_t conn_id, int8_t rssi,
                                       errcode_t status)
{
    if (status != ERRCODE_SUCC) {
        return;   // RSSI 读取失败，跳过本次判断
    }

    /* 滑动窗口滤波 — 填满后才开始判断 */
    g_rssi_buffer[g_rssi_buf_idx % 3] = rssi;
    g_rssi_buf_idx++;
    if (g_rssi_buf_idx < 3) {
        return;   // 尚未收集足够样本
    }

    /* 计算窗口均值 */
    int16_t avg_rssi = (g_rssi_buffer[0] + g_rssi_buffer[1] +
                        g_rssi_buffer[2]) / 3;

    /* 迟滞判断 — 根据当前档位使用不同的阈值 */
    uint8_t new_tier = g_current_tier;
    int8_t  enter_threshold, exit_threshold;

    switch (g_current_tier) {
    case TIER_HIGH:
        exit_threshold  = RSSI_THRESH_HIGH - RSSI_HYSTERESIS;   // -50
        enter_threshold = 0;   // 无需上升
        if (avg_rssi < exit_threshold) {
            new_tier = TIER_BALANCE;   // 下降一档
        }
        break;
    case TIER_BALANCE:
        enter_threshold = RSSI_THRESH_HIGH + RSSI_HYSTERESIS;   // -46
        exit_threshold  = RSSI_THRESH_BALANCE - RSSI_HYSTERESIS; // -65
        if (avg_rssi > enter_threshold) {
            new_tier = TIER_HIGH;       // 上升一档
        } else if (avg_rssi < exit_threshold) {
            new_tier = TIER_RELIABLE;   // 下降一档
        }
        break;
    /* TIER_RELIABLE / TIER_FALLBACK 同理 */
    }

    /* 需要切换时触发 */
    if (new_tier != g_current_tier) {
        g_current_tier = new_tier;
        sample_start_phy_switch(conn_id, new_tier);
        osal_printk("[PHY-MCS] tier change: %d -> %d, RSSI=%d\r\n",
                    g_current_tier, new_tier, avg_rssi);
    }
}

滑动窗口平均滤波消除 RSSI 瞬时抖动——单次 RSSI 读数可能因为天线瞬时遮挡或协议栈调度延时出现异常值。3 个样本的窗口在平滑度和响应速度之间取得了平衡。

5. 切换时正在传输数据的处理

这个问题不需要应用层写任何代码——协议栈自动处理。

当 sle_set_phy_param() 被调用后，协议栈内部流程为：

1. 暂停向空中接口发送新的数据包
2. 将发送队列中已排队的包发送完毕
3. 与对端协商并切换到新 PHY
4. 新 PHY 生效后，自动恢复发送队列

应用层只需在 set_phy_cb 中打印日志和设置 MCS，无需手动管理数据队列。如果你在应用层维护了自己的发送缓冲区，建议在切换期间（从 sle_set_phy_param 到 set_phy_cb）暂停新数据的投递，避免发送目标 PHY 与实际 PHY 不匹配。

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