LoRa信道活动检测(CAD)机制通过快速扫描前导码实现节能监听，在接收端以极短时间(约1%正常接收功耗)检测信道中的LoRa信号特征。当芯片检测到匹配的频段与扩频因子信号时立即唤醒主控，否则保持休眠唤醒主控，否则保持休眠，这种”嗅探式”检测使终端设备功耗降低至微安级，同时保障95%以上的数据包捕获率，是LoRaWAN实现超低功耗的关键技术之一。
一、CAD的定义与基本原理
LoRa信道活动检测(Channel Activity Detection, CAD)是一种专为扩频调制技术设计的信道占用检测机制，用于高效识别无线信道上是否存在其他LoRa信号。其核心原理是通过检测LoRa数据包的前导码(而非依赖信号强度)判断信道状态，解决了传统RSSI(接收信号强度指示)在低信噪比场景下的失效问题。
必要性：
LoRa采用扩频调制技术，信号可能低于接收机噪声阈值(-130 dBm以下)，此时RSSI无法区分噪声与有效信号。CAD通过前导码相关性计算，即使信号强度低于噪声仍可准确检测。
工作流程：
PLL锁定：锁相环锁定目标频率，接收机进入全功耗接收模式捕获前导码符号。
符号采样：接收机获取1-2个LoRa前导码符号(时长取决于扩频因子SF和带宽BW)。
数字处理：关闭射频电路，调制解调器将采样信号与理想前导码波形进行相关性计算。
中断触发：
若相关性成功 → 产生CadDetected中断，表示信道占用。
若未检测到 → 产生CadDone中断，表示信道空闲。
功耗效率：
CAD仅需部分时间处于全接收模式(例如前半段)，后续数字处理阶段功耗显著降低。
二、CAD的核心技术实现
硬件配置：
DIO引脚映射：需配置数字I/O口关联CadDetected和CadDone中断信号，以便MCU响应。
寄存器设置：通过LoRa芯片寄存器(如Semtech SX127x/SX126x系列)配置CAD模式、频率、SF/BW参数。
软件逻辑：
// 示例代码(基于RAK4631模块)
void CAD_Detection() {
LoRa.setCADMode(); // 进入CAD模式
attachInterrupt(dioPin, CAD_IRQ_Handler, RISING); // 绑定中断引脚
while (!cad_complete); // 等待中断触发
if (cad_detected) delay(random(100. 500)); // 随机退避避免同步碰撞
else transmitData(); // 信道空闲则发送
}
随机退避机制：检测到信道繁忙时，采用随机延时重试，避免多设备同步重传。
检测精度优化：
新一代芯片(如SX128x)支持检测完整数据包而不仅是前导码，减少误判。
调整相关性阈值，适应不同环境信噪比。
三、应用场景与性能优势
典型场景：
一对多通信：从机发送前执行CAD，避免与网关或其他从机的数据碰撞。
低功耗设备：Class A设备(如传感器)在随机上行窗口前启动CAD，减少无效接收能耗。
密集网络：高节点密度下，CAD降低碰撞率，提升吞吐量(实测碰撞减少30%以上)。
对比传统方法：
| 检测方式 | 可靠性 | 功耗 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| RSSI | 低（噪声易干扰） | 低 | 非扩频系统 |
| CAD | 高（抗噪声） | 中等（优化后） | LoRa扩频通信 |
四、技术挑战与解决方案
主要挑战：
环境适应性：动态工业环境中干扰源多变，CAD需实时更新信道模型。
高失败率：城市多径效应导致CAD失败率高达70%，削弱CSMA机制效果。
功耗瓶颈：数字处理阶段仍需毫瓦级功耗，难以满足超低功耗物联网需求(如电池寿命10年)。
前沿解决方案：
混合机制：结合类RTS/CTS握手机制(如CANL LoRa)，通过邻居监听避免碰撞，减少对CAD的完全依赖。
硬件优化：
采用模拟扩频信号处理技术，省去ADC和PLL模块，功耗降至微瓦级。
引入FT-CSMA协议，优化不同SF层的信道检测。
算法改进：动态调整前导码长度和检测阈值，提升复杂环境鲁棒性。
五、未来发展方向
标准化增强：将CAD与LoRaWAN MAC层协议深度集成，支持自适应占空比调整。
AI驱动：机器学习模型预测信道占用模式，减少CAD触发频率。
跨协议兼容：探索CAD在非LoRa信号检测中的应用(如FSK)，扩展多模通信场景。
结论
LoRa CAD技术通过前导码相关性检测，解决了扩频通信中的信道占用判断难题，成为提升物联网网络可靠性的关键。尽管面临环境适应性、功耗等挑战，但通过硬件创新、协议优化及AI融合，其性能边界将持续扩展。开发者需根据应用场景(如节点密度、功耗预算)合理配置CAD参数，并关注随机退避等抗碰撞策略，以实现最优通信效率。
