LoRa是如何實(shí)現(xiàn)空中喚醒的

在無線傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，往往大部分終端節(jié)點(diǎn)都需空中喚醒并且還要低功耗設(shè)計(jì)，那么LoRa是如何通過CAD來實(shí)現(xiàn)的呢？本文將為你揭曉。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，往往大部分的無線收發(fā)機(jī)節(jié)點(diǎn)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(dāng)在整個無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較少，但是節(jié)點(diǎn)又要隨時準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。理想狀態(tài)是，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收時，節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)，無信息接收時，節(jié)點(diǎn)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(jī)把接收機(jī)從睡眠中喚醒，實(shí)則不然，其實(shí)是接收機(jī)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(jìn)入接收狀態(tài)。因此，在空中沒有呼叫信號時，接收機(jī)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(qiáng)度足夠時才認(rèn)為有效，喚醒節(jié)點(diǎn)，否則相反。隨著擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，人們在確定可能低于接收機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)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(jì)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(jī)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（2SF＋32）／BW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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)空中喚醒，結(jié)合節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(jì)算如下：

其中：

RS：速率

BW：帶寬

SF：擴(kuò)頻因子

TS：發(fā)送一個symbol的時間

Tpremble：發(fā)送前導(dǎo)碼所需總時間

npremble：已設(shè)定前導(dǎo)碼長度大小

Tsym： 發(fā)每個preamble symbol的時間

LM400TU是ZLG致遠(yuǎn)電子研發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)，結(jié)合獨(dú)有的頻譜擴(kuò)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(yuǎn)距離通信問題。

LM400TU模塊

其優(yōu)點(diǎn)如下：

－148dBm超高靈敏度，遠(yuǎn)距離通信

透明傳輸，實(shí)現(xiàn)極速組網(wǎng)

支持多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：LoRaNET、CLAA、LoRaWAN

一鍵輕松自組網(wǎng)

26個頻段自動切換，有效避免同頻干擾

預(yù)設(shè)三種典型工作模式：正常工作模式、遠(yuǎn)程喚醒模式和定時休眠模式

基于AMetal平臺快速二次開發(fā)