Timestamp 是 OpenBTS 实现TDMA时隙同步的一个非常精彩的方案,对于其他SDR系统有很多参考价值。更多关于硬件接口部分代码的解读总结在一个小文档中(http://www.gnuradio.cc/read.php?tid-707.html) 本文整理自 www.gnuradio.cc 论坛中meteor的一些帖子，加上了我的理解。
由于计算机不能精确定时，OpenBTS采用时间戳Timestamp的方式来保证计算机能得到精确的定时。也就是计算机告诉USRP，我要在某个准确的时间发送信号，USRP就会在那个时间发送，不会受到计算机内部处理时延不确定的影响。
USRP与OpenBTS的接口
OpenBTS软件与USRP硬件通过USB交换IQ数据。两者之间交换的数据遵循以下格式。
首先，每个数据包的长度都是512字节，其中前8个字节是控制字段，后面504个字节是IQ数据。
接收方向
下图是数据包的构成：包括一些控制比特，数据包长度，时间戳，数据。
前两个字节的控制比特包括：
在IQ数据部分，I路和Q路数据交替存放，每一个采样值用16bit即2字节表示。
在接收方向上，每次都收126个sample，连续不断的读入一个缓冲区，然后再从缓冲区中读出需要的数据，一般是一次读出4个时隙。对应的函数是USRPDevice.cpp中的：
1 | int USRPDevice::readSamples(short *buf, int len, bool *overrun,TIMESTAMP timestamp,bool *underrun, unsigned *RSSI) |
发射方向
与接收方向类似：
发射信号时，OpenBTS系统每次发送4个时隙的数据，一共625个sample。这625个sample被拆成5个包发送出去，126/126/126/126/121。对应的函数是USRPDevice.cpp中的：
1 | int USRPDevice::writeSamples(short *buf, int len, bool *underrun, |
接口时延
在Transceiver，Radiointerface以及USRPDevice中都有各自的时间变量，用于记录这个模块当前的时刻。每个时间变量，都会根据输入时间参数来更新当前时间。
GSM::Time mTransmitDeadlineClock 表示目前该发送什么时间的数据包了，因为待发送的数据是按时间顺序排列在缓存里的，因此可以理解为是当前时间需要发送的数据包的序号，所以每发送完一次都需要加一个时隙。
因为PC到USRP有时延，因此我们必须提前把要发送的数据包发送到USRP中，USRP中也按时间顺序存储，这时候时间标号被翻译成了timestamp,而不是用gsm:time了。
但是我们也不能给数据太早，怎么办？这里采用了一个发送时延mtransmitlatency，用来控制给数据的速度，如果当前时间为radio->clock() 那么我们我们需要发送的数据是 radio->clock()+mtransmitlatency>mTransmitDeadlineClock 了，这个说明mTransmitDeadlineClock -radio->clock()已经小于我们的传送时延了，所以必须马上将数据发送出去。如果mTransmitDeadlineClock -radio->clock()仍然大于mtransmitlatency，那么说明数据包还不急着给USRP。
用Timestamp实现精确定时
计算机和USRP都维持一个timestamp的64位变量作为时间标记，为了便于区分
- 计算机端的timestamp我们称之为c_timestamp
- USRP端的timestamp 我们称之为 u_timestamp
之前说到，在不同的模块中有不同的变量来记录时间。c_timestamp假设为其中某个模块的时间变量。它可以通过接收sample的数目进行更新，比如接收到了625个sample以后，c_timestamp = c_timestamp + 625。另外c_timestamp 也成了时间戳与GSM时钟的桥梁，因为c_timestamp每增加625，则时隙GSM时钟增加4个时隙。
u_timestamp 是USRP的FPGA中的一个硬件计数器，以采样速率计数。每增加一个sample，计数器值会增加1。
在接收方向上，即往计算机打包数据时，会将每一个包中第一个sample对应的u_timestamp封装在数据包头处。而这个值可以通过USRPDevice中的readsamples获取。
在发送方向上，发送的timestamp是PC在每发一个包的时候添加的，如果当前的timestamp=1000，那么我如果需要在1000个sample以后发送一组数据，那么发送数据的timestamp就是2000，USRP的FPGA的定时器到达2000的时候，就会将需要的数据发送出去。
下面以一个实例来说明。
首先下行方向。在USRPDevice.cpp的writeSamples函数中添加log。在
1 | pkt[1] = timestamp & 0x0ffffffffll; |
之后，记录timestamp的值。它表示，计算机发送给USRP的每一个数据包中，第一个sample的时刻。
于是我们在日志文件test.TRX.out中可以看到以下记录：
1 | 1337762965.3137 DEBUG 3078122352 USRPDevice.cpp:566:writeSamples: TIMESTAMP: 25000 |
可以看出从25000这一时刻开始，依次发送了时间间隔为126, 126, 126, 126, 121, 126, 126, 126, 126, 121…的数据包。4*126+121=625个samples。这恰好是4个时隙的数据。因此可以看出4个时隙的数据是被拆分成5个数据包发出的。
再看上行方向。在USRPDevice.cpp的readSamples函数中添加log。在
1 | TIMESTAMP pktTimestamp = usrp_to_host_u32(tmpBuf[1]); |
之后，记录pktTimestamp的值。它表示，USRP发送给USRP的每一个数据包的第一个sample的时刻。
在日志文件test.TRX.out中可以看到以下记录：
1 | 1337762965.3179 DEBUG 3078122352 USRPDevice.cpp:413:readSamples: timestamp: 24822 |
可以发现，当计算机读取USB数据包时，并没有以625个samples为单位来读，而是每次都读取126个samples，存入临时缓冲区readBuf。然后再拷贝到USRPDevice的一个循环缓冲区data中。readSamples这个函数则会根据输入参数timestamp，从循环缓冲区data中读出625个sample。
时延校准
这一节是想说明USRPDevice中updateAlignment这个函数的作用。updateAlignment用于校准时延，这个时延指的是从FPGA的计数器到信号出现在天线之间的时延。因为这部分时延不在计数器的控制范围之内，所以需要校准一下。它的目的是要知道发送时间戳和接收时间戳之间的偏差是多少。
上图是时延问题的说明。
FPGA中有两个计数器分别是发射和接收的时间戳计数器。两个计数器是同步的，即同步增加，而且数值是一样的。但是一个数据包从FPGA出来，到真正完成DA变换，加上一些模拟器件的时延，到达天线发送出来，是有一定时延的。所以当发送和接收的时间戳相同时，它们并不是同时出现在空中的。
假设数据包A到达发射天线的时刻是A’，此时收到一个数据包B，时间是B’。 A’=B’。
当数据包B到达FPGA，打上了时间戳B。那么B与A实际上就是在同一时刻出现在空中，但B≠A。有一个变量记录了这个偏差，timestampOffset = B-A，它是USRPDevice的一个成员变量。
接下来看看updateAlighment做了些什么。updateAlignment函数会发送一个“Control”类型的数据包，其中包含时间戳timestamp_tx = T1。FGPA收到这个数据包之后，马上给数据包打上一个新的时间戳timestamp_rx = T2。接着在PC侧，收到一个返回的“Control”类型的数据包。然后更新如下变量：
1 | timestamp -= timestampOffset; |
PINGOFFSET是一个常数，等于272。它反映的是DA到AD之间的时延，是一个固定的时延。不同的FPGA image这个常数是不同的。所以 timestampOffset = T2-T1+PINGOFFSET。
用另外一个方法也可以测量这个timestampOffset。用USRPping来发送一个特殊的序列，把TX和RX设为同频，同时接收这个序列，然后检测这个特殊序列出现的时刻。同样可以算出timestampOffset。
USRP中FPGA的Verilog代码
FPGA的Verilog代码在这里：
http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki/USRP_inband_FPGA
https://github.com/closehaulcom/usrp1_openbts
有不明白的地方可以看看源码。