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LoRa 是如何实现空中唤醒的？

时间：2018-12-28 09:57来源：ZLG致远电子

摘要：在无线传感网的设计中，往往大部分终端节点都需空中唤醒并且还要低功耗设计，那么LoRa是如何通过CAD来实现的呢？

在无线传感网的设计中，往往大部分终端节点都需空中唤醒并且还要低功耗设计，那么LoRa是如何通过CAD来实现的呢？

在无线传感网络设计中，往往大部分的无线收发机节点都需要低功耗处理。为了降低功耗，只有通过减少无用的工作时间。在大多数的物联网应用中，无线通信时，射频部分大多数时间都处在接收状态，也是主要的能量消耗所在。而当在整个无线网络中数据量较少，但是节点又要随时准备接收数据。理想状态是，当有数据需要接收时，节点处于接收状态，无信息接收时，节点处于睡眠状态，这就需要空中唤醒技术。

 
无线传感网
 
空中唤醒从现象上看，好像是发射机把接收机从睡眠中唤醒，实则不然，其实是接收机周期性自动醒来，查看空中有没有呼叫信号，如果没有，则继续睡眠；如果有，则被唤醒进入接收状态。因此，在空中没有呼叫信号时，接收机平均功耗较低。

但是如何发现呼叫信号，传统的做法是通过设定RSSI阈值来判断，只有信号强度足够时才认为有效，唤醒节点，否则相反。随着扩频调制技术的应用，人们在确定可能低于接收机底噪声的信号是否已经使用信道时，面临重重挑战。这种情况下，使用RSSI无疑是行不通的。为了解决这个问题，可使用信道活动检测器来检测其他LoRa信号。

LoRa数据包由:前导码、可选报头、数据有效负载组成，如下图所示：

 
LoRa数据包结构
 
信道活动检测模式旨在以尽可能高的功耗效率检测无线信道上的LoRa前导码。在CAD模式下， SX1276/77/78快速扫描频段，以检测LoRa数据包前导码。

在CAD过程中会执行以下操作：
• PLL被锁定
• 无线接收机从信道获取数据的LoRa前导码符号。在期间的电流消耗对应指定的Rx模式电流。
• 无线接收机及PLL被关闭，调制解调器数字处理开始执行。
• 调制解调器搜索芯片所获取样本与理想前导码波形之间的关联关系。建立这样的关联关系所需的时间仅略小于一个符号周期。在此期间，电流的消耗大幅减少。
• 完成计算后，调制解调器产生CadDone中断信号。如果关联成功，则会同时产生CadDetected信号。
• 芯片恢复到待机模式。
• 如果发现前导码，清除中断，然后将芯片设置为Rx单一或连续模式，从而开始接收数据。

信道活动检测时长取决于使用的LoRa调制设置。下图针对特定配置显示了典型CAD检测时长，该时长为LoRa符号周期的倍数。CAD检测时间内，芯片在秒钟处于接收模式，其余时间则处于低功耗状态。

 
CAD时长作为扩频因子的函数
 
CAD程序按序列被分解为多个事件，以更好的对程序及功耗进行说明,如下图所示：

 
CAD过程中功耗消耗情况
 
• IDDR_L:全Rx模式
• IDDC_L:低功耗处理

信道活动检测过程中，接收端仅在前半段时间内处于全接收模式，随后进入低功耗处理阶段，期间CAD功耗随着LoRa带宽的变化而变化。

由于CAD检测数据包的前导码部分，因此要想实现空中唤醒，结合节点定期检测时间，需要设置合适的前导码发送时间，保证前导码发送时间>节点定期检测时间，则需要设定一定的前导码长度，可通过配置RegPreambleMsb和RegPreambleLsb寄存器来实现。如下图所示，可将前导码寄存器长度设置在6-65536之间来改变发送前导码长度。

 
前导码长度配置寄存器
 
前导码发送时间计算如下：

 
 
 

其中：  

:速率
：带宽
SF:扩频因子
:发送一个symbol的时间
：发送前导码所需总时间
：已设定前导码长度大小
: 发每个preamble symbol的时间

LM400TU是ZLG致远电子研发设计的一款工业级LoRa组网透传模块。模块采用源自军用通信系统的LoRa调制技术设计，结合独有的频谱扩宽处理技术，完美解决了小数据量在复杂环境中的超远距离通信问题。

 
LM400TU模块
 
其优点如下：
• -148dBm超高灵敏度，远距离通信
• 透明传输，实现极速组网
• 支持多种协议标准：LoRaNET、CLAA、LoRaWAN
• 一键轻松自组网
• 26个频段自动切换，有效避免同频干扰
• 预设三种典型工作模式：正常工作模式、远程唤醒模式和定时休眠模式
• 基于AMetal平台快速二次开发
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