LoRa是如何實現(xiàn)空中喚醒的？

作者：ZLG致遠電子時間：2018-12-28 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　在無線傳感網(wǎng)的設(shè)計中，往往大部分終端節(jié)點都需空中喚醒并且還要低功耗設(shè)計，那么LoRa是如何通過CAD來實現(xiàn)的呢?

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201812/396165.htm

　　在無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，往往大部分的無線收發(fā)機節(jié)點都需要低功耗處理。為了降低功耗，只有通過減少無用的工作時間。在大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，無線通信時，射頻部分大多數(shù)時間都處在接收狀態(tài)，也是主要的能量消耗所在。而當在整個無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較少，但是節(jié)點又要隨時準備接收數(shù)據(jù)。理想狀態(tài)是，當有數(shù)據(jù)需要接收時，節(jié)點處于接收狀態(tài)，無信息接收時，節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，這就需要空中喚醒技術(shù)。

　　無線傳感網(wǎng)

　　空中喚醒從現(xiàn)象上看，好像是發(fā)射機把接收機從睡眠中喚醒，實則不然，其實是接收機周期性自動醒來，查看空中有沒有呼叫信號，如果沒有，則繼續(xù)睡眠;如果有，則被喚醒進入接收狀態(tài)。因此，在空中沒有呼叫信號時，接收機平均功耗較低。

　　但是如何發(fā)現(xiàn)呼叫信號，傳統(tǒng)的做法是通過設(shè)定RSSI閾值來判斷，只有信號強度足夠時才認為有效，喚醒節(jié)點，否則相反。隨著擴頻調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，人們在確定可能低于接收機底噪聲的信號是否已經(jīng)使用信道時，面臨重重挑戰(zhàn)。這種情況下，使用RSSI無疑是行不通的。為了解決這個問題，可使用信道活動檢測器來檢測其他LoRa信號。

　　LoRa數(shù)據(jù)包由:前導(dǎo)碼、可選報頭、數(shù)據(jù)有效負載組成，如下圖所示：

　　LoRa數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

　　信道活動檢測模式旨在以盡可能高的功耗效率檢測無線信道上的LoRa前導(dǎo)碼。在CAD模式下， SX1276/77/78快速掃描頻段，以檢測LoRa數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼。

　　在CAD過程中會執(zhí)行以下操作：

　　PLL被鎖定

　　無線接收機從信道獲取數(shù)據(jù)的LoRa前導(dǎo)碼符號。在期間的電流消耗對應(yīng)指定的Rx模式電流。

　　無線接收機及PLL被關(guān)閉，調(diào)制解調(diào)器數(shù)字處理開始執(zhí)行。

　　調(diào)制解調(diào)器搜索芯片所獲取樣本與理想前導(dǎo)碼波形之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。建立這樣的關(guān)聯(lián)關(guān)系所需的時間僅略小于一個符號周期。在此期間，電流的消耗大幅減少。

　　完成計算后，調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生CadDone中斷信號。如果關(guān)聯(lián)成功，則會同時產(chǎn)生CadDetected信號。

　　芯片恢復(fù)到待機模式。

　　如果發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)碼，清除中斷，然后將芯片設(shè)置為Rx單一或連續(xù)模式，從而開始接收數(shù)據(jù)。

　　信道活動檢測時長取決于使用的LoRa調(diào)制設(shè)置。下圖針對特定配置顯示了典型CAD檢測時長，該時長為LoRa符號周期的倍數(shù)。CAD檢測時間內(nèi)，芯片在秒鐘處于接收模式，其余時間則處于低功耗狀態(tài)。

　　CAD時長作為擴頻因子的函數(shù)

　　CAD程序按序列被分解為多個事件，以更好的對程序及功耗進行說明,如下圖所示：

　　CAD過程中功耗消耗情況

　　IDDR_L:全Rx模式

　　IDDC_L:低功耗處理

　　信道活動檢測過程中，接收端僅在前半段時間內(nèi)處于全接收模式，隨后進入低功耗處理階段，期間CAD功耗隨著LoRa帶寬的變化而變化。

　　由于CAD檢測數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼部分，因此要想實現(xiàn)空中喚醒，結(jié)合節(jié)點定期檢測時間，需要設(shè)置合適的前導(dǎo)碼發(fā)送時間，保證前導(dǎo)碼發(fā)送時間>節(jié)點定期檢測時間，則需要設(shè)定一定的前導(dǎo)碼長度，可通過配置RegPreambleMsb和RegPreambleLsb寄存器來實現(xiàn)。如下圖所示，可將前導(dǎo)碼寄存器長度設(shè)置在6-65536之間來改變發(fā)送前導(dǎo)碼長度。

　　前導(dǎo)碼長度配置寄存器

　　前導(dǎo)碼發(fā)送時間計算如下：

　　其中：:速率

：帶寬

SF:擴頻因子

　　:發(fā)送一個symbol的時間

　　：發(fā)送前導(dǎo)碼所需總時間

　　：已設(shè)定前導(dǎo)碼長度大小

　　: 發(fā)每個preamble symbol的時間

　　LM400TU是ZLG致遠電子研發(fā)設(shè)計的一款工業(yè)級LoRa組網(wǎng)透傳模塊。模塊采用源自軍用通信系統(tǒng)的LoRa調(diào)制技術(shù)設(shè)計，結(jié)合獨有的頻譜擴寬處理技術(shù)，完美解決了小數(shù)據(jù)量在復(fù)雜環(huán)境中的超遠距離通信問題。