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?

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(shí)間。在大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，無線通信時(shí)，射頻部分大多數(shù)時(shí)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(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較少，但是節(jié)點(diǎn)又要隨時(shí)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(shí)，節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)，無信息接收時(shí)，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(dòng)醒來，查看空中有沒有呼叫信號(hào)，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(hào)時(shí)，接收機(jī)平均功耗較低。

但是如何發(fā)現(xiàn)呼叫信號(hào)，傳統(tǒng)的做法是通過設(shè)定RSSI閾值來判斷，只有信號(hào)強(qiáng)度足夠時(shí)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?cè)诖_定可能低于接收機(jī)底噪聲的信號(hào)是否已經(jīng)使用信道時(shí)，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(gè)問題，可使用信道活動(dòng)檢測(cè)器來檢測(cè)其他LoRa信號(hào)。

LoRa數(shù)據(jù)包由:前導(dǎo)碼、可選報(bào)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(dòng)檢測(cè)模式旨在以盡可能高的功耗效率檢測(cè)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(cè)LoRa數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼。

在CAD過程中會(huì)執(zhí)行以下操作：

uPLL被鎖定

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

u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。

u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(shí)間僅略小于一個(gè)符號(hào)周期。在此期間，電流的消耗大幅減少。

u完成計(jì)算后，調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生CadDone中斷信號(hào)。如果關(guān)聯(lián)成功，則會(huì)同時(shí)產(chǎn)生CadDetected信號(hào)。

u芯片恢復(fù)到待機(jī)模式。

u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(dòng)檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)取決于使用的LoRa調(diào)制設(shè)置。下圖針對(duì)特定配置顯示了典型CAD檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，該時(shí)長(zhǎng)為L(zhǎng)oRa符號(hào)周期的倍數(shù)。CAD檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，芯片在秒鐘處于接收模式，其余時(shí)間則處于低功耗狀態(tài)。

CAD時(shí)長(zhǎng)作為擴(kuò)頻因子的函數(shù)

CAD程序按序列被分解為多個(gè)事件，以更好的對(duì)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

uIDDR_L:全Rx模式

uIDDC_L:低功耗處理

信道活動(dòng)檢測(cè)過程中，接收端僅在前半段時(shí)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(cè)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(cè)時(shí)間，需要設(shè)置合適的前導(dǎo)碼發(fā)送時(shí)間，保證前導(dǎo)碼發(fā)送時(shí)間>節(jié)點(diǎn)定期檢測(cè)時(shí)間，則需要設(shè)定一定的前導(dǎo)碼長(zhǎng)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(zhǎng)度設(shè)置在6-65536之間來改變發(fā)送前導(dǎo)碼長(zhǎng)度。

前導(dǎo)碼長(zhǎng)度配置寄存器

前導(dǎo)碼發(fā)送時(shí)間計(jì)算如下：

其中：

LM400TU是ZLG致遠(yuǎn)電子研發(fā)設(shè)計(jì)的一款工業(yè)級(jí)LoRa組網(wǎng)透?jìng)髂K。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：

u-148dBm超高靈敏度，遠(yuǎn)距離通信

u透明傳輸，實(shí)現(xiàn)極速組網(wǎng)

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

u一鍵輕松自組網(wǎng)

u26個(gè)頻段自動(dòng)切換，有效避免同頻干擾

u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(shí)休眠模式

u基于AMetal平臺(tái)快速二次開發(fā)