SX1276 FSK模式下的空中耗时计算

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前言

最近和国内某大厂对接了一个项目，计划采用TDMA协议架构，单时隙长度为2ms。这时间要求远比LoRaWAN Class B的时隙间隔快多了，此场景下LoRa不适用，决定采用SX1278的另一种调制方式 – FSK。

抽空研究了FSK的空中耗时，因此做个笔记分享下，看过这篇文章将会对FSK调制的空中耗时有个大致概念。

同时，很多朋友常问我这样的问题，ZigBee每秒可以发多少字节? SX1276每秒可以发多少字节? 其实没那么深奥，就是简单的数据量/速率 = 时长。看过这篇文章，也将了解到基本计算原理，以后可以自己动手来计算咯。

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SX1276 FSK 的帧长度

要分析空中耗时，肯定要先了解到具体的数据长度，从了应用层载荷之外，物理层帧格式还需要多少字节。

学习了datasheet，总结SX1276的FSK有两种帧格式。

初步以可变帧长度来分析，大致包括如下部分：

i.前导码 PreambleLen ：0~65535 字节 // 常见的是4字节前导码。LoRa官方例程是5字节。
ii.同步字 SyncSize ：0~8 字节 // 可以为0，特别是大规模网络，信道已然很拥堵，可将该Size降为0。
iii.固定长度 FixLen： 0 或者 1 字节 // 可变帧模式时，此位要占用1字节。
iv.地址域 NodeAddress：0 或者 1 字节 // 如果应用层有自己协议，这边就可以省略，本质上这也是应用层。
v.应用层载荷：
vi.校验域 CrcOn： 0 或者 2 字节 // 如果应用层校验，这边就不校验。

因此FSK的物理层要占用5~8字节，先初步认为是8字节。

FSK模式的空中耗时计算

对数据量有了大致把握后，就可以根据速率进行时长的计算。在讨论FSK的耗时计算前，我们先从github上看到了SX1276的空中耗时计算函数。这其中还包含了LoRa的耗时计算，但此处略过先不提。


uint32_t SX1276GetTimeOnAir( RadioModems_t modem, uint8_t pktLen )
{
    uint32_t airTime = 0;

    switch( modem )
    {
    case MODEM_FSK:
        {
            airTime = round( ( 8 * ( SX1276.Settings.Fsk.PreambleLen +
                                     ( ( SX1276Read( REG_SYNCCONFIG ) & ~RF_SYNCCONFIG_SYNCSIZE_MASK ) + 1 ) +
                                     ( ( SX1276.Settings.Fsk.FixLen == 0x01 ) ? 0.0 : 1.0 ) +
                                     ( ( ( SX1276Read( REG_PACKETCONFIG1 ) & ~RF_PACKETCONFIG1_ADDRSFILTERING_MASK ) != 0x00 ) ? 1.0 : 0 ) +
                                     pktLen +
                                     ( ( SX1276.Settings.Fsk.CrcOn == 0x01 ) ? 2.0 : 0 ) ) /
                                     SX1276.Settings.Fsk.Datarate ) * 1e3 );
        }
        break;
    case MODEM_LORA:
        {
		...
		}
		break;
    }
    return airTime;
}

经过上一节的帧格式解析，我们对FSK格式的前导码、同步字等等概念都有了理解。因此将这个公式精简一下，转化过来：

airTime = 8 * FSK数据帧长度 / 速率 * 1e3，速率单位为bps。

这个乘数8是配合比特率转化为字节率，1e3只是配合将速率单位中的s换算成ms。所以本质上，这个函数公式就是 帧长度/速率 得到 空中耗时，也就是简单的 数据量/速率 = 时长 。

举个例子来算算

现在来个例子，加深下印象。

如果FSK调制工作在250Kbps速率下，假设应用层载荷长度为20字节。
那么可以计算出空中大致耗时为，8*(20+8)/250=0.9ms

实际耗时还要再考虑一些因素

前面已经基本了解了空中耗时的计算方法。但这个耗时还只是个理论值，实际情况还要考虑多重因素。

实际发送数据时先要对SX1276进行多条的SPI操作，操作完毕SX1276还需要等待晶振响应，准备锁相环，之后才能发出数据。如下图所示：

这个等待晶振响应的TS_OSC大致为250us，准备锁相环的TS_FS大致为60us，再加上SPI操作预估大致也需要几十us，所以原本250Kbps下20字节的耗时就会从0.9ms变长到1.3ms左右。

拓展开，说说ZigBee的耗时

FSK还只是个物理层调制，简单粗暴，不用考虑重传，不用考虑路由寻址等等。如果换成同样250Kbps速率的ZigBee，那计算则要复杂多了。

ZigBee resides on IEEE 802.15.4 transceivers, which in the 2.4 GHz space communicate at 250 kilobits per second (kbps), but by the time retries, encryption/decryption, and the fully acknowledged mesh protocol is applied, the actual through-put is closer to 25 kbps.

ZigBee物理层为IEEE 802.15.4，速率确实能达到250kbps，但是考虑重传、编解码、mesh协议等等因素，实际的速率约为 25 kbps。