LoRa2012 如何減少 SF 輪詢

同一頻點(diǎn)下兼容不同擴(kuò)頻因子的接收設(shè)計(jì)

一個(gè)接收端需要兼顧近端和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)時(shí)，統(tǒng)一使用同一 SF 會(huì)改變各節(jié)點(diǎn)的空中時(shí)間和鏈路余量。較低 SF 可縮短單包空中時(shí)間，較高 SF 可獲得更高處理增益。若接收端一次只配置一個(gè) SF，固件就需要在候選參數(shù)之間輪詢，才能覆蓋不同節(jié)點(diǎn)的上報(bào)。

LoRa2012 的 Multi-SF Receiver 可在同一中心頻率和 LoRa 帶寬下檢測(cè)多個(gè)預(yù)設(shè) SF。接收端可在空閑監(jiān)聽階段同時(shí)搜索這些候選 SF，減少 MCU 反復(fù)改寫調(diào)制參數(shù)和重新進(jìn)入接收的次數(shù)。檢測(cè)到有效前導(dǎo)碼后，接收機(jī)選擇其中一路數(shù)據(jù)包繼續(xù)完成接收。 [1][2]

單 SF 輪詢由 MCU 管理候選參數(shù)

在單 SF 接收配置中，接收機(jī)進(jìn)入接收狀態(tài)前需要確定 SF。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同時(shí)存在 SF7、SF9 和 SF12 等配置時(shí)，MCU 可以依次改寫調(diào)制參數(shù)并重新進(jìn)入接收，但任一時(shí)刻只監(jiān)聽當(dāng)前配置。輪詢周期越長(zhǎng)，接收端未監(jiān)聽其他 SF 的時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)來包更容易落入監(jiān)聽空窗；縮短輪詢周期則會(huì)增加參數(shù)切換和狀態(tài)機(jī)處理。

統(tǒng)一 SF 可以簡(jiǎn)化接收配置，但也會(huì)改變近端節(jié)點(diǎn)的空中時(shí)間或遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的鏈路余量。在項(xiàng)目方統(tǒng)一管理的私有網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的鏈路條件保留多種 SF，再由接收端統(tǒng)一兼容。

圖 1 單 SF 接收機(jī)依次切換候選 SF 查找有效前導(dǎo)碼。

LoRa2012 在接收機(jī)內(nèi)完成多 SF 檢測(cè)

LoRa2012 基于 Semtech LR2012，采用第四代 LoRa IP。LR20xx 接口提供一個(gè)主檢測(cè)器，并可配置最多 3 個(gè)輔助檢測(cè)器。各檢測(cè)器面向不同的預(yù)設(shè) SF，同時(shí)共享相同的中心頻率和 LoRa 帶寬。 [1][2]

空閑監(jiān)聽階段，各檢測(cè)器并行搜索對(duì)應(yīng) SF 的前導(dǎo)碼。某一路檢測(cè)成功后，接收機(jī)按照該 SF 繼續(xù)完成同步、報(bào)頭和載荷接收。主 SF 與輔助 SF 的組合需滿足 Multi-SF Detection 給出的配置約束；此外 LDRO、IQ 方向和同步字等參數(shù)也按當(dāng)前 LR2021/22/12 數(shù)據(jù)手冊(cè)配置。

SF 組合的配置約束

能配進(jìn)接收機(jī)的 SF 組合不是任意的。LR20xx 在 Multi-SF Detection 一節(jié)給出四項(xiàng)約束，配置前需要先核對(duì)。[2]

1. 最小 SF 固定設(shè)在主檢測(cè)器 —— 用 LoRa 基礎(chǔ) API（如 SetLoraModulationParams）設(shè)置時(shí)，最小的那個(gè) SF 必須配在主檢測(cè)器上；CAD Multi-SF 模式方向相反，最大的 SF 才放主檢測(cè)器。
2. 各檢測(cè)器 SF 必須互不相同 —— 參與檢測(cè)的各路 SF 兩兩不同（最多四路）。
3. SF 取值跨度受限 —— SF_max ? SF_min ≤ 4（如 SF7 與 SF12 不能同配）。
4. 帶寬受檢測(cè)器資源約束 —— Σ(Detection Factor) × BW < 32e6>

項(xiàng)目配置表宜同時(shí)記錄中心頻率、帶寬、各檢測(cè)器 SF、同步字和節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期，避免只按距離分組而遺漏實(shí)際調(diào)制參數(shù)。

圖 3 單 SF 輪詢與 LoRa2012 多 SF 檢測(cè)的接收流程對(duì)比。

有無多 SF 檢測(cè)的接收流程差異

兩種方式在數(shù)據(jù)包重疊時(shí)均一次繼續(xù)處理一路。差異發(fā)生在來包前，LoRa2012 由接收機(jī)并行檢測(cè)候選 SF，可減少 MCU 輪詢切換產(chǎn)生的未監(jiān)聽時(shí)間。

近遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)可以保留各自的 SF

環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程灌溉、倉(cāng)儲(chǔ)和小型工業(yè)采集中，節(jié)點(diǎn)到接收端的距離、遮擋和天線安裝條件通常不同。近端節(jié)點(diǎn)可使用較低 SF 縮短單包空中時(shí)間，遠(yuǎn)端或遮擋較多的節(jié)點(diǎn)可使用較高 SF 保留鏈路余量。

節(jié)點(diǎn)共享相同的中心頻率和 LoRa 帶寬，并滿足數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的 SF 組合、同步字、IQ 方向和 LDRO 等接收參數(shù)后，LoRa2012 可以在一套接收配置中監(jiān)測(cè)這些節(jié)點(diǎn)。接收端可保留近端低 SF 和遠(yuǎn)端高 SF 配置，無需為不同節(jié)點(diǎn)分別建立 SF 輪詢窗口。

這項(xiàng)能力適合節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限、上報(bào)周期可控的星型采集網(wǎng)絡(luò)。需要比較不同頻段、功率和接口方案時(shí)，可結(jié)合 LoRa 模塊（SPI）產(chǎn)品目錄 進(jìn)行選型。

同一套固件覆蓋更多現(xiàn)場(chǎng)

同一接收端平臺(tái)可能部署到農(nóng)田、園區(qū)、倉(cāng)庫(kù)或不同樓層，常用 SF 組合會(huì)隨覆蓋條件變化。將頻點(diǎn)、帶寬和檢測(cè)器參數(shù)保存為配置檔后，固件可以按現(xiàn)場(chǎng)載入對(duì)應(yīng)組合，不必為每種組合重新編寫輪詢狀態(tài)機(jī)。

在研發(fā)測(cè)試、生產(chǎn)測(cè)試和售后診斷中，如終端參數(shù)已納入候選組合，同一接收配置也可覆蓋多類終端，減少測(cè)試程序反復(fù)切換 SF 的操作。

發(fā)送節(jié)奏決定重疊包的處理結(jié)果

多 SF 檢測(cè)減少的是接收端在不同 SF 之間切換的時(shí)間。兩個(gè)數(shù)據(jù)包在時(shí)間上重疊到達(dá)時(shí)，接收機(jī)一次選擇其中一路繼續(xù)解調(diào)，另一路可能丟失。相同 SF、相同頻率的重疊發(fā)送存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際能否保留其中一路還會(huì)受到接收功率差和到達(dá)時(shí)序影響。 [3]

周期上報(bào)可通過隨機(jī)延時(shí)或上層調(diào)度分散發(fā)送時(shí)間，告警集中上報(bào)則需要結(jié)合退避和必要的重傳。驗(yàn)證階段除了分別測(cè)試每個(gè) SF，還應(yīng)記錄節(jié)點(diǎn)數(shù)量、SF 組合、發(fā)送間隔、重疊比例和包接收率，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)流量下的實(shí)際表現(xiàn)。

同頻混合 SF、低流量項(xiàng)目更合適

NiceRF LoRa2012 無線模塊 提供 433 / 470 / 868 / 915 MHz 頻段版本，Sub-GHz 最高輸出功率為 22 dBm；在 BW 62.5 kHz、SF12 條件下，接收靈敏度可達(dá) -143 dBm。DCDC 模式下 Sub-GHz 接收電流低于 6 mA，3.3 V 休眠電流不高于 2 μA。多 SF 檢測(cè)與這些射頻、功耗參數(shù)共同構(gòu)成模塊的選型基礎(chǔ)。 [4]

把多 SF 兼容放進(jìn)接收機(jī)

LoRa2012 將多 SF 檢測(cè)放進(jìn)接收機(jī)，使單信道接收端可以在一套配置中兼容多個(gè)預(yù)設(shè) SF。對(duì)于近遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)混合、流量可控并需要復(fù)用接收平臺(tái)的項(xiàng)目，它可以減少 MCU 輪詢、監(jiān)聽空窗和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)統(tǒng)一工作。

可查看 LoRa2012 模塊規(guī)格與資料，或聯(lián)系 NiceRF 技術(shù)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)中心頻率、帶寬、SF 組合、同步字、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和發(fā)送周期確認(rèn)接收配置。

常見問題

LoRa2012 可以同時(shí)檢測(cè)幾個(gè) SF？

LR20xx 提供一個(gè)主檢測(cè)器和最多 3 個(gè)輔助檢測(cè)器。各路 SF 需互不相同、SF_max ? SF_min ≤ 4 且 Σ(Detection Factor)×BW < 32e6>

檢測(cè)到不同 SF 的數(shù)據(jù)包后能否全部接收？

多 SF 檢測(cè)負(fù)責(zé)同時(shí)尋找多個(gè)候選 SF。數(shù)據(jù)包在時(shí)間上重疊時(shí)，接收機(jī)一次選擇其中一路繼續(xù)解調(diào)，其他重疊包可能丟失。

多 SF 檢測(cè)能否跨多個(gè)頻點(diǎn)？

主檢測(cè)器和輔助檢測(cè)器共享同一中心頻率與 LoRa 帶寬。多頻信道同時(shí)接收屬于網(wǎng)關(guān)集中器的應(yīng)用范圍。

LoRa2012 能否用于多信道并發(fā)接收？

LoRa2012 的多 SF 檢測(cè)工作在同一中心頻率和 LoRa 帶寬內(nèi)。需要多個(gè)獨(dú)立頻率信道或多個(gè)重疊數(shù)據(jù)包并行接收時(shí)，更適合采用 SX1302 / SX1303 一類 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)集中器。 [5]

所有節(jié)點(diǎn)都固定為同一 SF 時(shí)如何選型？

固定 SF 鏈路的選型重點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)向靈敏度、接收與休眠電流、輸出功率、頻偏容限、尺寸、接口和認(rèn)證要求。LoRa2012 的射頻、功耗及第四代 LoRa IP 特性仍可作為選型依據(jù)。

參考資料

[1] Semtech LR2012 產(chǎn)品頁(yè)。Multi-SF Receiver 與第四代 LoRa IP

[2] Semtech LR2021/22/12 Datasheet v2.1。 LR2012 Multi-SF Detection 與相關(guān)配置命令

[3] Semtech AN1200.22 LoRa Modulation Basics。LoRa 擴(kuò)頻因子、空中時(shí)間與同信道干擾基礎(chǔ)

[4] NiceRF LoRa2012 Wireless Communication Module。頻段、功率、靈敏度、功耗與模塊資料

[5] Semtech SX1302 產(chǎn)品頁(yè)。用于說明多信道網(wǎng)關(guān)集中器的架構(gòu)邊界