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date created: 星期三, 十一月 26日 2025, 10:25:55 晚上
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date modified: 星期三, 十一月 26日 2025, 10:28:06 晚上
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# 2.6.3 相干处理间隔对齐机制 (CPI Alignment Mechanism)
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## TL;DR
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本节确立了 **“原地乱序重组 (In-Place Scatter Assembly)”** 的基线策略。
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利用 **脉冲索引 (Pulse Index)** 直接计算内存偏移量，将网络包数据直接写入预分配的页锁定内存（Pinned Memory），实现**零拷贝组装**。配合 **“空间/时间双重触发”** 的提交机制和 **“有限零填充”** 的容错策略，在抗网络抖动与保障实时性之间取得平衡。
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## 一、 约束输入与对齐 (Constraints & Alignment)
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基于前序章节（2.1, 2.2, 2.6.2），我们面临以下硬性约束：
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1. **数据形态**：
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- **输入**：UDP JUMBO Frame (9KB)。每个包可能包含 1 个或多个脉冲的回波数据，带有 `BatchID` (CPI ID) 和 `PulseIndex`。
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- **输出**：符合 **2.2.6** 定义的显存布局 `[Channel][Pulse][Range]` (Padding 对齐)。
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2. **时序特性**：
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- 网络抖动（Jitter）客观存在，数据包到达顺序不一定严格均等。
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- 算法要求：多普勒处理（FFT）要求脉冲间隔（PRI）是均匀的。如果数据包晚到，我们不能“等”太久，否则会阻塞流水线；如果包丢了，矩阵就“穿孔”了。
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3. **内存模型**：必须在 **2.2.1** 确立的 `MemoryPool`（页锁定内存）中直接操作，避免额外的 `memcpy`。
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## 二、 权衡分析与选项呈现 (Trade-off Matrix)
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### 议题 1：组装策略 (Assembly Strategy)
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| 选项 | A. 顺序追加 + 排序 (Append & Sort) | B. 原地乱序重组 (In-Place Scatter) **(推荐)** |
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| :--- | :--- | :--- |
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| **机制** | 收到一个包就 push\_back 到 buffer，凑够数量后按 `PulseIndex` 排序整理内存。 | 根据包头的 `PulseIndex` 直接计算目标地址偏移 `offset`，写入最终位置。 |
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| **内存拷贝** | **2 次** (接收 -\>临时 Buf-\>排序后 Buf)。 | **1 次** (接收 -\>最终 Buf)。 |
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| **乱序容忍** | 好，但整理开销大。 | **极佳**。先到的包占坑，后到的包填坑，无视顺序。 |
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| **CPU 开销** | 高 (排序算法)。 | **极低** (O(1) 地址计算)。 |
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### 议题 2：CPI 提交触发机制 (Commit Trigger)
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| 选项 | A. 严格计数触发 (Strict Count) | B. 严格时间触发 (Strict Timer) | C. 混合双触发 (Hybrid) **(推荐)** |
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| :--- | :--- | :--- | :--- |
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| **机制** | 必须收齐 N 个脉冲才提交。少一个就死等。 | 无论收多少，每隔 T 毫秒强制提交一次。 | **收齐 N 个** OR **首包到达后超时 T\_max**，满足其一即提交。 |
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| **实时性** | **差**。一个包丢了会导致该 CPI 永远卡死，甚至阻塞后续 CPI。 | **中**。可能切断正在传输的完整 CPI。 | **高**。既保证了完整性，又防止了死锁。 |
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| **丢包处理** | 无法处理。 | 截断。 | **自适应**。超时未齐则标记为“残缺 CPI”。 |
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### 议题 3：残缺数据处理 (Incomplete Data Policy)
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当触发超时提交时，CPI 矩阵中会有“空洞”（丢包导致的缺失脉冲）。
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| 选项 | A. 整块丢弃 (Drop All) | B. 零填充 (Zero Padding) **(推荐)** |
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| :--- | :--- | :--- |
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| **机制** | 只要不完整，整个 CPI 扔掉。 | 缺失的脉冲位置填 0，强行送入 GPU。 |
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| **算法影响** | **断续**。航迹会中断，但没噪音。 | **信噪比下降**。FFT 旁瓣升高，可能产生假目标。 |
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| **工程价值** | 简单，适合严苛场景。 | **鲁棒**。偶尔丢 1-2 个包不影响大局，通过 CFAR 阈值抑制旁瓣。 |
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## 三、 基线确立与实施规范
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为了在 1GbE 的物理限制下榨干性能，我们确立 **B. 原地乱序重组** + **C. 混合双触发** 为基线。
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### 1\. 数据结构：智能 CPI 容器 (`AssemblyBuffer`)
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我们在 `DataReceiver` 中维护一个“正在组装”的 CPI 池。
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```cpp
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struct AssemblyBuffer {
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// 基础元数据
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uint64_t batch_id = 0;
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uint64_t first_packet_time_us = 0; // 首包到达时间 (用于超时判定)
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uint32_t packets_received = 0; // 已收包计数
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uint32_t total_packets_expected = 0; // 预期总包数 (由波位参数决定)
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// 内存指针 (指向 MemoryPool 中的一块 Pinned Memory)
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// 物理布局严格遵循 [Channel][Pulse][Range]
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Complex* data_ptr = nullptr;
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// 位图 (Bitmap)：用于快速标记哪些 Pulse 已经收到了
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// 相比 vector<bool> 更快，且方便检查完整性
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std::bitset<MAX_PULSES_PER_CPI> reception_mask;
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// 状态
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enum State { IDLE, ASSEMBLING, READY, DAMAGED };
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State state = IDLE;
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};
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```
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### 2\. 原地重组逻辑 (In-Place Assembly Logic)
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这是 **I/O 线程** 的核心循环逻辑：
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1. **接收**：`recvmmsg` 收到一个 UDP 包。
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2. **解析**：读取包头，获取 `BatchID` (CPI ID) 和 `PulseIndex`。
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3. **寻址**：
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- 若 `BatchID` 是新的，从 `MemoryPool` 申请一块新 `AssemblyBuffer`。
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- 若 `BatchID` 已存在，命中缓存。
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4. **计算偏移 (关键)**：
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- 利用 **2.2.6** 确定的 Pitch (行对齐步长)。
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- `TargetAddr = BufferBase + (PulseIndex * Pitch_Bytes)`。
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5. **写入**：将 UDP Payload 直接 `memcpy` 到 `TargetAddr`。
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- *注*：这是数据进入系统的**唯一一次拷贝**。
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6. **标记**：`reception_mask.set(PulseIndex)`；`packets_received++`。
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### 3\. 提交与超时策略 (Commit & Timeout)
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我们需要一个**低频**（如 1kHz）的检查器（可以在 I/O 线程的空闲间隙运行，或由定时器触发）：
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- **完整性检查**：`if (packets_received == total_packets_expected)` -\> **立即提交** (Push to GPU Queue)。
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- **超时检查**：`if (Now() - first_packet_time_us > MAX_JITTER_WINDOW_US)` -\> **强制提交**。
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- *基线值*：`MAX_JITTER_WINDOW_US` 建议设为 **CPI 时长的 10%**（例如 CPI 为 5ms，则抖动容忍窗为 500us）。
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### 4\. 容错与填充规范
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当 **强制提交** 发生时（即丢包）：
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- **丢包率判定**：
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- 若 `LossRate < 5%` (如 128 个脉冲丢了 \< 6 个)：执行 **零填充 (Zero Padding)**。将 `reception_mask` 中为 0 的位置对应的内存置零（`memset`）。标记数据质量为 `DEGRADED`。
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- 若 `LossRate >= 5%`：**整块丢弃**。FFT 在缺失大量数据时结果不可信。记录 `WARNING` 日志。
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## 四、 自我反驳与边界修正 (Self-Rebuttal)
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- **反驳 1**：原地乱序重组需要预知 `PulseIndex`，如果 UDP 包头里没有这个字段怎么办？
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- *修正*：协议层（2.1.2）必须强制要求 FPGA/DPU 打包时带上 `PulseIndex`。如果前端不可控，则必须在 `DataReceiver` 维护一个软件计数器，但这会失去抗乱序能力，属于**降级方案**。
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- **反驳 2**：`memset` 清零操作在大内存（如 64MB）下也是耗时的。
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- *修正*：我们使用了 `MemoryPool`。在归还 Block 时，是否需要清零？不，我们在**申请 Block 时不清零**，而是依赖**全覆盖写入**。因此，对于没收到的脉冲，**必须显式清零**，否则会残留上一个 CPI 的脏数据（鬼影目标）。
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- *优化*：只对 `reception_mask` 为 0 的那些行（Pitch）做 `memset`，而不是整个 Buffer。
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## 总结：2.6.3 基线图谱
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| 维度 | 核心基线 | 关键技术点 |
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| :--- | :--- | :--- |
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| **组装模式** | **In-Place Scatter (原地乱序)** | `Addr = Base + PulseIdx * Pitch`，O(1) 复杂度。 |
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| **内存操作** | **Single Copy (单次拷贝)** | 从 UDP 接收缓冲区直接到 Pinned Memory。 |
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| **提交触发** | **Hybrid (满额即发 / 超时强发)** | 抖动窗口建议为 CPI 时长的 10%。 |
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| **容错策略** | **Conditional Padding (条件填充)** | 丢包 \< 5% 补零；\> 5% 丢弃。需显式清除脏数据。 |
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