- 引言
大多數 ISM 頻段無線電部署既有嚴格的鏈路預算要求，又有非常苛刻的能耗要求。為了滿足這些相互矛盾的設計要求，確定在無線電物理層 （PHY） 和媒體訪問控制 （MAC） 層中所做的選擇之間的權衡可能是一個耗時的過程。當設計人員可以使用新的 PHY 技術時，這個過程會變得更加複雜。LoRa 調製解調器不僅具有獨特的遠距離傳輸功能，還具有針對高於和低於本底噪聲的信號的通道活動檢測功能，所有這些都是為低功耗運行而設計的。
在本文中，我們介紹了 LoRa 功耗計算器，該計算器可以快速簡單地評估給定 LoRa 配置的無線電能耗。
圖1. 用於 LoRa 性能評估的 Calculator 和 Energy Profile g工具打開時的界面
當然，在節點由電池供電的情況下，無線電節點的消耗非常重要。但是，要有意義地估計無線電的消耗，必須考慮網絡中採用的網絡連接和媒體訪問控制 （MAC） 技術。
- 星型網絡連接
由於 LoRa 調製解調器可以實現鏈路預算的增加，因此通常無需通過複雜的網狀網絡協議來擴展範圍（儘管也可以）。因此，大多數應用程序可以採用更簡單的星形網絡拓撲。
為了使這個概念更清晰，下圖顯示了典型的星形網絡配置。在這裡，幾個信息 'Source' 節點將信息反饋給控制器或信息 'Sink' 節點。在這裡，我們認為 Source 節點是能量受限的（即電池供電）。因此，我們專注於 Source 節點的消耗 – 儘管此處應用的技術對 Sink 或 Source 同樣有效。
圖2. 星型網絡拓撲技術
可能性 a） 和 b） 說明了 source 和 sink 之間的單向通信。能量受限的 Source 節點通常會在睡眠模式下花費儘可能長的時間，以最大限度地減少消耗。因此，a） 和 b） 中所示的單向通信需要分別使用占空比（周期性）接收和發送。
可能性 c） 和 d） 涉及 Source 和 Sink 之間的雙向通信。保留了按占空比接收和傳輸的需求，但在每種情況下，初始通信階段之後都進行了確認 - 從而允許對源頭的接收進行詢問或確認。
- 占空比接收器功耗
如上所述，為了最大限度地減少消耗，Source 在有限的占空比下運行。下圖說明了圖 6a） 中所示的情況。此時，接收方會定期喚醒，其周期由 Sink 發送的前導碼長度定義。這是長前導碼採樣 MAC 機制的一個示例。
SX1272 提供了兩種機制，用於在 LoRa 操作的情況下檢查通道活動：
RSSI 檢測，從接收信號強度指示器 （RSSI） 讀取信道功率，並在每次喚醒後進行評估。
信道活動檢測（CAD）：由於 LoRa 可以在低於本底噪聲的情況下工作，因此 LoRa 調製解調器包括一種在與接收器相同的調製設置下檢測前導碼是否存在的方法。這允許準確評估 Source 是否應該保持 “喚醒” 並繼續解調過程。
2.1 通道活動檢測
信道活動檢測過程旨在提供一種快速有效的方法，用於識別信道中是否存在射頻功率，以及是否存在有效的 LoRa 前導碼。
喚醒到 CAD 操作的接收器開啟階段後的第一個晶片 32 周期不可用。接下來是 2^SF 周期的接收階段，此時 ModeReady 中斷被引發。因此，在 Rx 階段的持續時間內，也可以讀取 RSSI。這允許在 CAD 操作完成之前評估通道功率 - 甚至可能基於多個 RSSI 讀取事件。
在接收階段之後，在降低的消耗級別上花費的處理時間很短。信道活動檢測過程完成後，無線電將返回待機模式並設置 CadDone 中斷。此時可以檢查 CadDetected 中斷 - 指示是否存在喚醒接收器的有效前導碼。
請注意，無線電會返回待機模式以允許讀取 CadDetected 和 CadDone 中斷，然後在返回睡眠模式時自動清除這些中斷。
2.2 CAD 期間的能耗
了解 CAD 流程的每種過渡模式所花費的時間以及在每種臨時模式中相應的電流消耗後，都可以計算每次喚醒的電荷消耗，與對於給定的電池電壓下的能耗和理論電池壽命。
為簡單起見，我們在這裡使用 CAD 模式提供占空比接收器的平均電流消耗的詳細信息，
有關特定電池類型的應用，請參閱 LoRa 計算器，該計算器可從
Semtech 網站下載 （www.semtech.com）。
SX1272 在 CAD 模式下的平均電流消耗由調製設置和喚醒事件的周期決定。在這個工作示例中，我們考慮一個 MAC它要求接收器以周期P = 4秒喚醒。鏈路運行使用 LoRa 調製解調器設置：BW = 250 kHz 和 SF = 9。
回想一下，電流是每秒電荷的庫侖流量，在本例中，消耗和CAD 的每個部分的持續時間為：
無線電在執行占空比接收模式時的瞬時消耗如下圖所示：
圖6. 周期消耗量概況（藍色）和平均消耗量（紅色）
這產生大約 40.4 uC 的總電荷消耗，相當於 10 uA 的平均電流（上圖的紅線），然後將此消耗添加到配套 MCU 的電荷或電流消耗中，以確定吸收單元的總消耗。
3 占空比接收器加上 ACK 消耗
下圖顯示了在 LoRa Consumptin Profile 中可以選擇這些相關參數的計算器。
圖8. 協議設置：包括 （Source Receiver） Duty Cycle（（源接收方）占空比）、Acknowledge Packet Length（確認數據包長度）和每天的詢問（Source Transmissions）數量
在這種情況下，計算器的輸出是一條曲線，指示周期性接收過程的瞬時消耗曲線。紅色曲線表示包括所有詢問過程的平均電流消耗。
圖9. 計算器的圖形輸出
除了圖形輸出外，數字顯示屏還指示在每種模式下花費的時間、這些模式下的總電量消耗以及與左下角輸入的性能相對應的電池的後續能量和電池壽命計算。
圖10. 計算器的能耗輸出
4 基於周期傳輸的協議
在單向和雙向角色的周期性傳輸的情況下，通過擴展相同的邏輯，可以進行類似的分析。但是，一個更簡單的提議是使用 LoRa 計算器，該計算器可從 www.semtech.com 下載。
5 總結
使用 LoRa 計算器和能量分布工具，甚至可以在開始基於固件的評估硬體之前預測 MAC 和 PHY 層選擇的性能。此外，它還提供了一種將基於 LoRa 的實現與現有傳統 FSK 解決方案進行比較的快速方法，而無需進行詳細的數據表分析。
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