CN110431753A - 在通信网络中广播 - Google Patents

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Abstract

一种用于向分布式系统中的装置发送数据的扩频系统。各个装置(202)具有相应扩频码(53，57)，并且具有在中央控制系统中操作相同的扩频码的对应编码器，与装置有关的编码数据在共享的信道上聚合。附加广播扩频码序列被分配给广播信道，该广播信道可由多个装置使用命令提取功能(757，758，759)读取并用于发送针对所述多个装置的操作的一般命令。各个致动器可被布置为以不同的方式响应这样的广播命令，例如将打开一些方式以及关闭一些方式。广播还可用于改变分配给各个装置的编码序列(52，53)，例如，以使得装置在空闲模式、双工模式、仅发送模式和仅接收模式之间切换，从而允许灵活地使用可用的扩频码序列。

Description

在通信网络中广播
本发明涉及数据管理系统，特别是涉及由传感器生成并发送到系统管理处理器的数据的处理。这样的数据越来越多地用于嵌入日常物品中的计算装置通过互联网的互连，从而使得它们能够发送和接收数据(所谓的“物联网”(IoT))。
物联网已被定义为“嵌入有传感器和致动器(actuator)的物理装置、车辆、建筑物和其它物体的网络以及使得这些物体能够采集和交换数据的网络连接”。IoT的一个核心要求是传感器将所采集的数据发送到负责处理和存储数据的远程系统的能力。同时，IoT控制和管理系统需要向致动器发送指令以操作设备(例如，开灯或关灯)以及向传感器发送指令以例如改变其配置或更新其软件。
通常，大多数致动器也包含某种类型的传感器以便将致动器的操作状态报告给控制它的元件。同样，许多传感器包含致动器以便响应来自控制中心的命令以按需传送数据(“数据出栈”)，而非响应于外部刺激或者根据内部时钟来自主地操作(“数据入栈”)。在本说明书中，除非上下文需要更具体的含义，否则无论致动器是否包含传感器或包含在传感器中，术语“传感器”都涵盖致动器。
IoT网络中的传感器和致动器通常是具有最小处理电力的小型低成本单元，其利用诸如电池的便携式电源。因此，至关重要的是有效地使用电池电力以延长传感器的操作寿命。这限制了传感器可发送的数据量和可及范围二者。理想地，应该发送具有最小有效可及范围的最少量数据。
尽管一些传感器和致动器具有到互联网的有线连接或光纤连接，但它们中的许多使用无线介质来发送和接收数据。无线接口通常提供若干状态，例如(i)发送/接收(收发器)状态、(ii)空闲状态、以及(iii)睡眠状态。在发送/接收状态下发生最大电力使用，在睡眠状态下发生最小电力使用。在空闲模式下，无线(射频)接口不通信，但其电路仍打开，准备检测来自基站或附近的其它传感器的发送。这意味着空闲状态下的电力使用仅略小于发送/接收状态。特别是，在空闲模式下，检测到的所有发送必须由传感器装置分析，然后可确定其是否承载与该传感器装置有关的任何数据或指令。为了使电力使用最小化，应该使发送/接收状态和空闲状态二者的持续时间最小化并且使睡眠状态的持续时间最大化。在发送/接收状态下，一些传感器可能能够同时发送和接收数据和管理指令。这使操作效率最大化，但要求发送和接收的数据不会混淆。为此，需要适当的数据编码方案和频率。
无线物联网通信的重要特性在于通过占空比(duty cycle)来调节。占空比是装置处于活动的时间比例。在传感器的无线电组件的情况下，给定其如上定义的三种状态，占空比将是无线电组件处于发送/接收(收发器)状态的时间。例如，1％的占空比意指如果装置操作1mSec，则其不能在接下来的99mSec内操作。为了实现最大效率，应该使占空比的长度最小。在许多国家，为了防止从同一区域中的不同传感器/基站使用相同频率同时发送的数据的干扰和冲突，占空比已被限制和管制为1％那么小。
时分双工(TDD)是允许用于上行链路数据传输和下行链路数据传输的分开的流的传输方案。通过在同一频带中分配不同的时隙来将上行链路与下行链路分开。一些简单的系统动态地(on the fly)分配时隙，但这些更适合于语音系统，因为人能够识别彼此的言语中阻碍他们彼此交谈的暗示(cues)。
扩频技术是以特定带宽生成的信号(例如，电信号、电磁信号或声信号)在频域中被有意地扩展，从而得到具有更宽带宽的信号的方法。出于各种原因(包括建立安全通信、增加对自然干扰、噪声和干扰的抵抗力)使用这些技术，以防止检测。
码分多址(CDMA)是多址方法的示例，其中多个发送器可通过单个通信信道同时发送信息。这允许多个用户(发送器)共享频带。为了使该方法可行而没有用户之间的过度干扰，CDMA采用扩频技术并且各个发送器被指派唯一码的特殊编码方案，其中所发送的信号仅可由以相同的码编程的接收器解码。通过使各个发送器所使用的码彼此相互正交，多个发送器可使用相同的频带在相同的时间间隔同时发送信息。码之间的正交性防止所发送的码彼此干扰，因此即使在进行了多个发送并且这些发送的数据聚合的情况下，各个接收系统也能够检测由其相应的发送器发送的数据。
与语音相比，扩频CDMA通常不太适合于诸如串流(streaming)的高带宽数字通信，因为人的大脑能够比需要纠错软件来处理任何丢失或修改的数据的数字系统更好地应对信号(语音)的不连续性。尽管IoT对带宽的要求从根本上说要低于大多数数据通信，但是将针对语音优化的标准CDMA系统应用于IoT系统存在一些实际困难，本发明与我们的与本申请在同一天提交并且具有申请人编号和名称为A33530(Synchronisation in aCommunications Network)和A33579(Branched Communications Network)的共同待决的申请(分别要求欧洲申请17161446.4和17161448.0的优先权)中所公开的那些一起力求解决这些问题中的一些问题。
常规CDMA实践在于使最大带宽可用于所有信道(因此，“扩频”)。然而，在大多数情况IoT应用中，仅有一个相对窄的频带可用于IoT网络中。
TDD-CDMA是在CDMA之上添加TDD的系统，该系统使用两个时隙集合(占空比)以进行双向通信。尽管通常CDMA针对不同的用户在相同的时间共享相同的频带，TDD-CDMA为上行链路和下行链路分配不同的时隙，其中，上行链路和下行链路二者在不同的方向上使用相同的CDMA技术。该时分允许单个码用于各个上行链路/下行链路对，从而使系统中可容纳的活动用户的数量加倍，因为码集中的码的总数是固定的。然而，如上所述，TDD和CDMA上行链路信道和下行链路信道二者的分离可使带宽的使用效率低，其中业务通常是不对称的。上行链路和下行链路之间的时分也增加了占空比的长度，因为链路的各端有一半时间实质上是空闲的(在仅接收模式下)。还需要同步。
在TDD-CDMA中，在发送和接收之间划分时间，从而限制了可发送的数据量，因为必须在发送和接收之间共享活动时间或占空比。这还使传感器/致动器收发器的设计复杂化，其具有更高的电力和进程消耗，并且它们需要一直与基站以及其它节点完全同步。这种系统中可容纳的活动用户的数量将是单向CDMA的一半，因为各个节点/收发器在任何给定时间仅可在发送模式或接收模式(而非二者)下操作。
这会是低效的，因为通常业务是不对称的。例如，在上行链路(从传感器到中央处理器)会比下行链路(从中央处理器到操作传感器的致动器)承载更多的数据。在其它应用(例如，控制诸如路灯安装的分布式致动器阵列)中，在上行链路中可能很少或没有活动。然而，各个信道(上或下)被分配相同的带宽。
根据本发明的第一方面，提供了一种生成特定于多个装置的信号以由控制中心将该信号发送到所述装置的处理，各个信号包括特定于各个装置的扩频码序列，所述扩频码序列与特定于所述装置所关联的致动器要执行的命令的码相卷积，以经由承载多个所述信号的多接入信道进行发送，各个信号特定于各个装置，其中，与各个装置有关的命令能够通过将所述信号与特定于所述相应装置的扩频码序列进行卷积来提取，其中，另一广播扩频码序列被分配给广播信道，该广播信道能够被多个所述装置读取并被用于发送针对所述多个装置的操作的一般命令，其中，所述装置被配置为通过改变分配给所述装置以用于发送的扩频码序列并且接收数据来响应所述一般命令，并且第一组的一个或更多个装置通过在使用第一扩频序列的第一仅接收模式、使用所述第一扩频序列或第二扩频序列的第二仅发送模式、使用两个扩频序列来同时发送和接收的全双工模式以及所述第一组的装置仅响应于所述广播扩频码序列的空闲模式之间进行切换来响应一般命令的集合，并且其中，一般命令的同一集合使第二组的装置以与所述第一组的响应互补的方式进行响应，以使得扩频序列的集合被共同地分配给所述两个组，各个序列在任何给定时间仅由所述两个组中的一个组或另一组使用。
第二方面提供一种控制系统，该控制系统包括针对要发送到目标装置的信号的多个编码器，各个编码器使用分配给相应目标装置的扩频码序列以与特定于由与所述装置关联的致动器要执行的命令的码进行卷积，以生成特定于一个或更多个目标装置的命令，并且具有经由承载所卷积的信号的多接入信道来发送信号的发送器，所述控制系统还包括广播分配给广播信道的扩频码序列的另一编码器，该广播信道能够由多个装置读取并用于发送针对所述多个装置的操作的一般命令，其中，所述多个编码器能够被重新配置以改变扩频码序列向相应目标装置的分配，并且所述一般命令被配置为使得所述目标装置根据的扩频码序列的改变分配来操作，并且其中，所述多个编码器包括能够在使用第一扩频序列的第一仅发送模式、使用所述第一扩频序列或第二扩频序列的第二仅接收模式、使用两个扩频序列来同时发送和接收的全双工模式以及空闲模式之间切换的第一组，并且其中，第二组的编码器以与所述第一组的操作模式互补的方式进行操作，以使得扩频序列集合被共同地分配给所述两个组，各个序列在任何给定时间仅由所述两个组中的一个组或另一组使用。
与第二方面互补的另一方面提供一种装置，该装置用于从扩频信号检测和解码针对该装置的信号，该装置具有：接收器，该接收器经由通信介质接收扩频信号；第一扩频元件，该第一扩频元件将所述扩频信号与特定于该装置的码进行卷积以提取导致与所述装置关联的致动器要执行的命令的命令数据；以及处理器，该处理器解码和处理所提取的数据；具有第二解码元件，该第二解码元件被布置为将所述扩频信号与第二码进行卷积以接收用于控制所述解码处理的操作的命令；具有编码元件，该编码元件用于使用扩频码处理来生成扩频信号，并且被布置为通过在使用第一扩频序列的第一仅接收模式、使用所述第一扩频序列或第二扩频序列的第二仅发送模式、使用两个扩频序列来同时发送和接收的全双工模式以及所述装置仅响应广播扩频码序列的空闲模式之间切换来响应一般命令的集合。
因此，相同的一般命令的集合可用于使得两个组的装置以彼此互补的方式响应，以使得扩频序列集合可被共同地分配给这两个组，各个序列在任何给定时间仅由这两个组中的一个组或另一组使用。所述一般命令可包括用于控制编码处理的定时的同步信号。
所述或各个扩频解码元件可被配置为在多个交叠的时间窗上将到来的扩频信号与装置特定码进行卷积，以便识别与到来的扩频信号中编码的信号同步的解码序列。
利用本发明，可通过动态地分配码(依请求或预定义)来改进系统的效率。这还允许上行链路与下行链路中的数据量之间的不对称，从而允许更多装置利用相同数量的码同时操作。
CDMA的使用允许所有传感器/致动器不再需要频率划分或时间划分，特别是在上行链路与下行链路之间，因此降低了同步的复杂度以避免冲突。这允许更多装置利用单个时隙(占空比)并在同一时隙中具有双向通信。使用较窄的频带还降低了传感器的功耗。
本发明将CDMA技术应用于数据管理平台，从而增加了网络的效率。其还允许若干其它创新。
在本发明的实施方式中，码分多址(CDMA)用于IoT网络中各个传感器(或致动器)与负责处理传感器所采集的数据的系统之间的双向通信，并且用于管理传感器和致动器。
现在将参照附图描述本发明的实施方式，附图中：
图1是第一简化网络架构的示意性描绘。
图2是第二简化网络架构的示意性描绘。
图3是时分系统的生成的示意性描绘。
图4是时分复用的示意性描绘。
图5是传感器/致动器装置的示意性描绘。
图6是根据本发明的实施方式的变型传感器/致动器装置的示意性描绘。
图7是图5或图6的实施方式的同步子系统的功能元件的示意性例示。
图8、图9和图10是描绘本发明的实施方式中的信息流的流程图。
图11是根据本发明的实施方式操作的处理/管理系统的示意性描绘。
图12是根据本发明的实施方式操作的层级网络的示意性描绘。
图13是根据本发明的实施方式操作的第二管理系统的示意性描绘。
图14是根据本发明的实施方式操作的第二处理系统的示意性描绘。
图15是根据本发明的实施方式操作的第三处理系统的示意性描绘。
图16是图12、图13、图14和图15的分层系统的实际应用的示意性表示。
图1和图2描绘了出于例示性目的而简化的两个简化网络架构。由于传感器所使用的电池的有限电力，并且由于传感器通常在不同的频带中操作，使用不同的协议并且没有互联网连接，所以它们发送的数据通常无法直接到达目标数据处理系统。相反，传感器数据被传递到聚合器/网关1以便向前发送到目标系统。在图1和图2二者中，网关节点1在若干传感器20-29(图1)、200-223(图2)以及分别具有数据库30、40的数据处理系统3和管理系统4之间提供通信。传感器20、200等将它们所采集的数据发送到数据处理系统3并从管理系统4接收控制/管理指令。如图1中所描绘的，可在各个传感器20、21、22等与网关1之间直接发送数据。然而，如果传感器200与网关1不足够接近，则该传感器的数据在到达该网关之前可以通过若干邻近传感器201、202、203(使用多跳路由算法确定的)间接转发，如图2中所描绘的那样。
传感器与目标系统之间的双向通信通常涉及定期(例如，每隔几秒/几分钟/几小时等)交换大量消息。所交换的消息的数量和所交换的数据的大小取决于传感器类型以及数据处理系统和管理系统的要求。
传感器数据的无线发送存在若干问题，特别是与安全性和避免数据冲突有关的问题。
网络中的各个传感器都设置有使用CDMA技术来发送其数据的能力，并且本发明的实施方式可在无需各个传感器具有其自己的SIM卡和网络地址的情况下操作。使用CDMA，各个传感器还可与其附近的其它传感器或与负责采集传感器消息的本地网关通信，从而将它们同步并组合，并将所得到的组合的消息转发至数据处理或管理系统。
即使多个传感器同时发送了数据并且这些数据已被聚合，接收系统也将能够检测各个传感器所发送的数据。例如，假设存在两个传感器S1和S2，所述传感器使用以下码(码片序列)来编码并发送数据。
将注意的是，在扩频序列中使用值-1来表示码片序列中的零。这是因为允许将零值与空(即，没有发送信号)进行区分。
接收系统将具有各个传感器的扩频序列的副本。接收系统使用这些码来从所接收的信号提取各个传感器所发送的数据(如果有的话)。这通过将扩频序列与聚合后的信号进行卷积(本质上是将对应的比特一起相乘并将结果相加)来完成的。
应注意，恢复后(卷积后)的数据比特的符号(+或-)而非幅度标识了恢复后的码。幅度是数据比特的可靠性的度量。
可使用分配给各个传感器的特定密钥来对该传感器发送的消息进行编码。可将传感器发送的消息组合成批量消息(bulk message)，并且只有具有各个传感器的密钥的副本的目的地(数据处理/管理)系统才能够从组合消息提取各个传感器的消息。这为传感器所发送的数据提供了高度安全性。
当处理大量的传感器时，特别是当分布在太大的区域上而不允许传感器和数据处理/管理系统之间的直接通信(在没有中继的情况下)时，可使用聚合器单元(AU)将传感器的子集所发送的数据聚合，然后将其分派到最终目的地。可在若干层级通过单独的聚合器单元重复该聚合。在各个层级，将前一层级处的聚合器生成的数据再聚合。该方法减小了所有传感器所发送的数据的总量，从而加快了传感器和最终系统之间的通信。由于所发送的数据由各个聚合器进行编码，所以增强了总体安全水平。
本发明的实施方式允许传感器根据传感器网络的要求同步地或异步地发送数据。
使用CDMA，传感器能够通过使用针对上行链路和下行链路的不同扩频码在单个占空比中发送数据并接收控制指令。这意味着传感器不需要等到下一占空比才能接收或发送数据。这导致传感器与数据处理系统和管理系统之间的更快通信。然而，针对上行链路和下行链路要求使用不同的扩频码会减少可使用的不同传感器的数量。另选方式是将相同的码交替地用于上行链路和下行链路(时分双工)，但这会减少各个传感器可发送或接收的数据量。还难以有效地向上行链路和下行链路分配时间，因为上行链路和下行链路可能需要不同的数据量(因此需要不同的发送时间)，并且除非一个链路仅响应于来自另一链路的命令而操作，否则难以预测一个链路或另一链路上需要发送的时间。
在IoT传感器网络中，各个传感器要发送的数据可使用指派给该传感器的CDMA扩频序列进行编码。然后可将编码数据发送到本地网关(如图1所示直接发送到本地网关，或者如图2所示通过其它传感器间接发送到本地网关)。
为了实现最大效率，可以使传感器同步。在这种情况下，这些传感器的编码数据发送同时开始，并且在网关处的接收器将检测到输入，该输入是来自各个传感器的编码数据的聚合。网关可按照预定义的时间间隔(例如，每隔m分钟)将聚合后的码发送到接收系统。该聚合可增加数据的安全性，因为现在在没有传感器的密钥的情况下更难以区分来自不同传感器的数据。
假设传感器正在发送等量数据并具有相同的发送能力，那么从多个传感器同时(而非顺序地)发送数据的能力可以与传感器的数量成比例的倍数来加速传感器和控制系统之间的通信。通过使用CDMA实现的带宽节省量是可观的。考虑有625个传感器的网络，全部传感器将其数据发送到同一数据采集系统，使用CDMA技术发送的比特数将是非CDMA情形下的1/2000，导致传送加快2000倍。
然而，还可使用更复杂的码来操作非同步CDMA系统。相比之下，在具有随机发送时间的不同步的非CDMA系统中，冲突导致数据发送中的一个发送(常是全部两个发送)难以理解。
通过使用CDMA，还可在传感器与数据管理系统之间实现更安全的通信网络。以使用同步的传感器和同步的发送的配置为例，其中各个传感器使用分配给其的特定密钥(扩频序列)来将其数据编码，并且来自各种传感器的所有数据在各个时钟脉冲开始时被聚合(但不受干扰)。例如，如果有个9比特的CDMA码序列，则各个发送的数据比特(0或1)将扩频为9比特(码片比特)。在同步后的系统中，在各个时钟脉冲开始时发送数据比特。这意味着在各个时钟脉冲中，从在该脉冲中发送数据比特的各个传感器发送九个码片比特。因此，例如，三个传感器可在第一个时钟脉冲中发送，并且八个传感器可在第二个脉冲中发送(该八个传感器可包括前三个传感器中的一些或全部)。发送的开始应该恰好在时钟脉冲开始处，因此码片比特和数据比特是对齐的。
数据采集中心具有分配给各个传感器的密钥的副本，因此能够解码各个传感器所发送的数据并识别该数据是由哪个传感器发送的。任何窃取系统可拦截来自各个传感器的数据，但是它们将无法对该数据进行解码，因为它们没有相关密钥。即使窃取者碰巧选择了将一些数据解码的密钥，但在不知道分配有该密钥的传感器的标识的情况下该数据的用途有限。
例如，再次考虑来自传感器S1和S1的数据被聚合的情况。
在没有相关密钥的情况下，将更难以从聚合码中提取各个传感器所发送的数据。另外，如果出现任何噪声，并且结果导致一个码片比特(或仅几个码片比特)更改，该数据仍可恢复。
在本发明的实施方式中，可在IoT网络的有限占空比内实现高效的双工通信。像许多其它装置一样，传感器往往会间歇地操作，即，它们通常仅在一小部分时间内活动，然后变为不活动以节能。该活动-非活动周期不断重复。通常，传感器的无线电组件能够同时发送和接收(即，收发)数据，并且通过扩展，在同一占空比中发送和接收数据。在正常情况下，如果传感器需要向TS发送数据，并且同时该TS打算向传感器发送指令，则传感器在一个占空比中发送其数据并在下一占空比中接收指令。如果两个动作可在同一占空比中执行，则在电力使用和响应时间方面将更快且更高效。这可通过使用相同的码对传感器要发送的数据以及其要接收的指令二者进行编码来实现，若数据和指令在同一占空比中发生，在它们之间也不会存在干扰的风险。
可使用两个不同的编码密钥(扩频序列)将传感器数据和TS指令的发送与其它传感器对齐的预设内部时钟同步。一个密钥由传感器用来在将数据发送到TS之前对该数据进行编码。另一密钥由TS用来在将数据/指令发送到传感器之前对该数据/指令进行编码。分配给各个传感器以对其输出数据进行编码的密钥应该不同于分配给任何其它传感器的任何密钥，并且同样，TS针对打算用于各传感器的发送使用不同的密钥。传感器知道TS用来对打算用于该传感器的数据进行编码的密钥，并且TS知道各个传感器用来对该传感器发送的数据进行编码的密钥。需要注意的是，在同一占空比中发送到传感器以及从传感器发送的数据可在接收器处彼此相加式地交互并被聚合。然而，由于传感器知道TS用来对发送给该传感器的数据进行编码的密钥，所以传感器能够从聚合的信号中提取发给该传感器的数据。这同样适用于在TS处从传感器接收的数据。
基于CDMA的性质，该技术可支持同步和异步通信二者；然而，在各个情况下可应用不同的码集、设备和协议。根据IoT实体的哑传感器(dumb sensor)和基本端节点的本质，可在较低层级的IoT网络基础设施上应用CDMA的简化版本。可通过使用各种技术(诸如来自附接到各个端节点实体(ENE)的GPS单元的GPS定时、预设定时和时钟电路、或者在ENE连接到互联网的情况下的网络时钟)使IoT网络中的ENE同步来实现同步系统。
可通过使用具有较长长度和较小码权重(1的数量)的码并且通过使用前向纠错技术(FEC)和干扰消除单元来提供异步系统。在要讨论的实施方式中，使用现有CDMA网络将时钟链广播给所有ENE。
如果多个传感器在没有同步的情况下无线地发送数据(即，在它们发送数据的时间窗口之间存在交叠)，则存在这些传感器发送的数据在到达网关之前这些数据之间会发生冲突的可能。这可导致数据损坏。如果传感器同步并各自被分配单独的时隙以用于数据发送，则可避免该冲突问题，或者可通过使用解码系统尝试在多个起始点处对输入信号进行解码直至找到匹配的异步CDMA系统来避免该冲突问题。如图3中描绘的，各个传感器21、22、23(或使用图2的架构的201、202、203)被分配相应时隙121、122、123，并在其分配的时隙期间将数据发送到网关1(或下一跳)。网关在接收到数据时将其发送到数据处理系统3。然而，该方法具有若干问题。
首先，在没有通过网关将传感器将数据进行聚合的方案的情况下，网关将完整地发送各个传感器的数据，然后发送来自下一传感器的数据，如图3所示。这意味着发送来自所有传感器的数据所需的总时间将与传感器的数量线性成比例。
其次，要从网关发送的数据量(所需带宽)等于各个传感器所发送的数据量之和：例如，如果所有传感器均发送相同量的数据d，则n个传感器发送的数据量将为n×d。这导致传感器的数量的上限：如果考虑n个传感器的网络，其中每一个传感器在其自己的时隙中周期性地发送其数据，则已发送了数据集合的第一传感器在最后一个传感器完成其数据发送之前是无法重新开始发送的。图3中示出数据发送的一个这样的周期41。图4示出这样的周期41、42…49的序列，各个周期重复相同的模式。实际上，如果传感器的数量小于系统的最大容量，则可存在周期间间隙199，但随着传感器的数量增加，该周期间间隙将会缩短，从而在不能再添加传感器时减小为零。
第三，有必要使传感器的发送同步。可通过使用中心时钟向传感器提供定时信号来使传感器同步，例如该中心时钟可驻留在网关1中，其定时信号被发送至传感器20、200等。图1和图2中描绘了这种时钟脉冲生成器或“鼓时钟”。
然而，这需要传感器使用更大电力，因为它们将必须接收和处理定时信号。由于需要发送和处理定时信号，传感器的操作也将变得更复杂。另选地，各个传感器可配备有自己的时钟，其通过可驻留在例如网关中的主时钟来周期性地同步。这不会降低传感器的复杂度，但是可降低电力要求。然而，通常，同步事件之间的同步将不太准确，从而需要更长的缓冲期或保护期。
第四，由传感器或网关无线地发送的数据可被第三方拦截，除非其以某种方式对该数据进行加密或编码，否则会危害该数据的安全性和完整性。
来自/去往各个传感器的消息需要携带至少两种类型的信息：即，传感器的标识，以及由传感器捕获以用于发送的数据，或者发送到传感器以用于其控制/管理的数据。在本发明的实施方式中，不需要单独的传感器ID，因为扩频码对于其所涉及的传感器而言是唯一的。这减小了消息的大小并增加了安全性，因为各传感器仅可理解分配给其的码/语言，因此在消息中将不需要单独的码来标识目标传感器，因为仅一个传感器理解该消息。即使窃取者将扩频码应用于消息并对其进行解码，在不知道消息所涉及的传感器或致动器的情况下，该信息将没什么价值。
图5是被配置为根据本发明的实施方式操作的传感器节点的表示。为了例示，节点将被描述为作为图2所示的网络中的节点202操作，但将理解，图1或图2的网络中的所有节点将以基本上相同的方式操作。传感器节点包括传感器50，传感器50检测节点202的环境中的属性并在数据采集功能51中采集数据。可通过网关1(以及任何中间节点203)将数据实时发送到数据处理系统3，或者可存储该数据以便响应于从数据管理系统4接收到的命令通过网关1以及中继数据的任何中间节点203来发送。当要发送数据时，数据由编码功能52使用存储在节点(存储53)中的CDMA码来编码，并且编码的数据被传递到输出54以通过网络接口55发送到网关1，其可使用任何合适的发送系统，例如无线电网络或光学网络。
将码分多址(CDMA)用于各个传感器(或致动器)20、21…200、201、…等与负责处理传感器所采集的数据并且管理这些传感器与致动器的系统3、4之间的双向通信。网络中的各个传感器设置有使用CDMA技术发送数据的能力，并且本发明的实施方式可在无需各个传感器具有自己的网络地址的情况下操作。使用CDMA，各个传感器还可与其附近的其它传感器或与负责采集传感器消息、将它们同步并组合，并将所得到的组合的消息转发到数据处理系统或管理系统的本地网关进行通信。
各个传感器都分配有被分配给该传感器的唯一密钥53，该密钥用于对该传感器发送给数据处理系统3的所有消息进行编码。
传感器发送的消息可被组合为批量消息，并且只有具有各个传感器的密钥的副本的目的地(数据处理3/管理系统4)能够从组合的消息提取各个传感器的消息。这为传感器所发送的数据提供了高度安全性。同样，仅数据处理系统3/管理系统4能够访问用于向传感器发送指令的密钥，从而防止因未经授权用户的恶意输入而造成对这些密钥的滥用。
从网关1经由网络接口55(同样，如果直接连接不可用的话，经由一个或更多个中间节点)接收被发送到节点202的命令(以下载先前存储的数据(51)、控制传感器50获取读数或者操作与节点相关联的机器)，以用于递送到输入56。应该注意的是，作为CDMA信号，输入是系统上承载的所有输入和输出的组合信号。提取单元58使用输入码(在57处存储)从节点23要使用的输入信号提取命令数据。命令处理器59使用该数据来控制传感器/致动器50，并且如果需要，使得数据采集单元51将所存储的数据递送到输出54。
如将讨论的，IoT管理系统4和数据处理系统3维护相关密钥53、57的存储，通过所述相关密钥可以对去往各个传感器和来自各个传感器的消息进行编码和解码，如将讨论的那样。
如果节点202用作中继器，则网络接口55处的接收器56从上游节点201和下游节点203接收两个或更多个CDMA信号。这些信号中的每一个将由数据和/或命令的组合集组成，各个信号利用自己的唯一码来编码。从上游接收的那些数据将是由上游节点(在此示例中，200、201)生成的任何数据的组合，而从下游接收的数据将是针对网络中的任何节点(无论上游还是下游)的所有命令以及在下游通过网关1或在任何中间节点203生成的任何数据。这是因为接口具有单个发送器和接收器，并且不需要在上游和下游发送之间进行区分。上游和下游输入二者被馈送到输出54以及提取单元58。在输出单元54处，来自编码器52的编码数据与在输入56处接收的信号组合以向前发送到邻近节点201、203，因此发送到网络的其余部分(例如，200和网关1)。将理解，各个节点1、200、201、202、203接收打算用于所有其它节点以及由所有其它节点发送的所有数据(无论名义上是上游还是下游)，但管理系统4所生成的命令仅可对具有对应输入码的节点起作用，并且只有数据处理系统3可对节点所生成的数据起作用。因此，传感器/致动器与全双工操作协作。
在本发明的实施方式中，来自码集的一个码序列C0被分配用作“广播命令码”。各个收发器被编程以解码该序列以及专门分配给该收发器的任何序列。
可分配超过一个码序列以用作广播码(例如，用于收发器的全集的子集)。
码序列可用于若干目的，图8、图9和图10中举例说明其中一些目的。
图8描绘了向收发器的全部或子集广播命令的处理。
图9描绘了向收发器的全部/子集发送同步脉冲(时钟鼓点(clock drum bit))的处理。
图10描绘了向收发器的全部/子集广播固件更新的处理以及对收发器的全部或子集执行“码重新分配”的处理。
在此实施方式中，收发器(在出厂前)预设有对广播命令进行解码的码C0。控制中心具有一对多的广播能力，并且所有接收器可接收(相同)消息并通过使用码C0解码该消息来理解所述消息。
图6示出这种设计的高级逻辑架构。与图5的较简单的实施方式共有的特征具有相同的标号。附加元件是命令码存储部757、命令提取单元758和装置管理单元759。命令提取单元使用存储在CMD码存储部757中的命令码对在网络接口55、56处接收的输入进行解码，并转发该命令以控制装置管理系统759。装置管理系统被配置为改变收发器的各种其它组件500、51、52、53、57、757、58、758、59的设置(特别是使时钟500同步)、选择要存储在存储部57、58、757、758中的输入和输出码(包括对命令码本身的改变)以及修改要由提取和编码处理器52、58、758操作的占空比。命令提取单元758监测针对经由C0发送的命令的输入56，并将结果馈送到装置管理单元759中。该装置管理单元负责信道分配、在仅输入模式/仅输出模式/双工模式/空闲模式之间切换以及固件升级，并且还控制内部时钟。
图8、图9和图10示出这些各种处理的顺序图。
这些图描绘了包括“IoT云”4、“网关”1和“收发器”(21-29)的三层级架构。
首先参照图8，522是IoT云3、4层级中具有开始时间、结束时间和长度的活动，525是网关1层级处的活动。这些活动之间的交互总体上在523处示出。
通常，各个收发器21、22、23、…29使用其相应码C1、C2、C3…C9向网关1发送数据，并且网关1将该数据转发到数据处理系统3。如图所示，初始地，这些发送不是同步的。
交互523从活动525的开始时间开始并在活动525的结束时间完成。该交互导致在IoT云层级(4)中生成活动522。任两个活动(例如，525和522)之间的所有交互(例如，523、524等)并行发生并且在源活动(525)的开始时间开始并在目的地活动(522)的结束时间完成。
如图9和图10所示，可从IoT管理系统4使用码C0发送命令524、526、527，该命令由所有收发器21-29接收并解码。该命令可用作同步信号524以使收发器21-29的发送同步。可以看出，响应于同步信号524，各个收发器21-28能够使其活动周期512、513、514与鼓信号511同步。将注意到，并非所有发送器均需要在每一周期发送。接收器全部被同步以针对它们的扩频码使用相同的同步来解码，但并非所有接收器均将在每个周期上检测消息。
还将注意到，不同的码集C1-C4、C5-C8被用于上行链路和下行链路。如下面将讨论的那样，可使用另一命令信号来改变这些分配。
命令码可用于指示各种收发器21-28针对指定的码操作，并根据情况需要改变那些分配。特别是，可指示单独的收发器在时分双工模式(针对上行链路和下行链路使用相同的码)或仅上行链路模式或仅下行链路模式下操作，而不是在全双工模式(即，单独的码用于上行链路和下行链路)下操作，从而释放用于分配给另一收发器的码。
现在将讨论简化例示性示例。在此简化示例中，使用素数码族，其中，p＝3并且码集中的基数(N)为9个码序列(即，C0-C8)。在全双工应用中，仅可容纳四个收发器(TR)，各个收发器具有两个码，一个码用于发送，另一码用于接收(第九码C0是命令码)。例如，在收发器21中，C1被分配用于发送(TX)，而C8用于接收(RX)，对于其它收发器同样如此，对于收发器2k，码Ck被分配用于发送，而码C(9-k)用于接收。
TR TX RX
TR 21 C1 C8
TR 22 C2 C7
TR 23 C3 C6
TR 24 C4 C5
类似数量的装置25-28可被定义为“影子(shadow)”装置。这些影子装置可被分配相同的信道，但其发送码和接收码的分配是反过来的：
TR TX RX
TR 25 C5 C4
TR 26 C6 C3
TR 27 C7 C2
TR 28 C8 C1
各个影子装置会尾随(shadow)原始装置并针对TX和RX使用与原始装置相同但顺序相反的码：
原始TR 影子TR
TR 21(C1,C8) TR 28(C8,C1)
TR 22(C2,C7) TR 27(C7,C2)
TR 23(C3,C5) TR 26(C6,C3)
TR 24(C4,C5) TR 25(C5,C4)
然后可定义命令以将八个收发器配置为若干兼容配置中的任一个，以满足对系统的要求。下表中示出使用两个二进制数位来控制所有八个收发器的一个示例。这些状态中的每一个将各个码仅用于一个目的，但系统可被配置为使得所有收发器可在接收模式下操作，或者所有收发器全部在发送模式下操作，或者所有收发器中的一半在全双工模式下操作。
二进制命令 TR 21-24 影子TR 25-28
00 仅RX 仅RX
01 非活动态 全双工
10 全双工 非活动态
11 仅TX 仅TX
四个命令(00,01,10,11)中的任一个可经由信道C0被发送到所有收发器，并且由这些收发器执行。例如，通过向这些收发器发送00，所有八个收发器将在RX模式下操作。如果向它们发送码01，则原始收发器将变为非活动态，并且影子收发器将在全双工模式下操作。码10具有相反的效果。最后，码11将所有收发器置于发送模式。
更复杂的指令当然也是可能的。模式改变的触发可来自于IoT管理系统4，或者可响应于来自收发器的对在特定模式(例如，全双工)下操作的许可的请求。在接收到该请求后，网关1决定允许收发器立即或者在将来的某一时间点在所请求的模式下操作，并且网关1生成一组命令，该组命令用于向收发器子集进行广播，以使该收发器子集在新的方式下操作。例如，将所请求的收发器添加至全双工收发器组。
将码分配给收发器和影子收发器、命令的数量和含义以及装置组的数量(在这种情况下为两组；TR组和影子组)可以改变，并且可以与此示例不同。例如，可以有四组装置以及实现以下各项的一组命令：
组1中的收发器：始终在全双工模式下操作
组2中的收发器：始终在发送模式下操作
组3和组4中的收发器充当原始收发器和影子收发器，并且将处于以下两种模式中的一种模式下：全双工模式或不活动模式。
图8示出了所有装置具有至网关的单声道对话(mono dialogue)(即，全部TX)(即，根据上表，CMD＝11)并且它们以异步方式操作的情况。码C0可以被安全地用于向装置发出(524)新的模式(即，CMD＝10)，而同时这些装置中的一些或全部正在进行发送。
图9示出了所有装置得到使用C0从网关发出的时钟命令524并且启动内部时钟(脉冲序列)的情况。从这一点起，所述装置可以发出/接收与其它消息对齐的消息(同步CDMA)。在该示例中，然后发送致动信号526，使得主收发器21-24使用所有八个码C1至C8在全双工模式下操作，而影子收发器25-28不活动。然后，可以使用另外的致动码来改变这些码分配。
图10分别示出了固件更新503和码再分配504，两者都使用命令信道C0。
图5还示出了在图7中更详细示出的同步系统500。如图7所示，时钟鼓的脉冲列通过无线天线被广播，或者在优选实施方式中，在使用CDMA序列中的一个的总体控制发送中被广播。时钟信号通过接收器80在同步系统500中被检测并且被用于控制编码处理器52和解码处理器58。所述同步还可以通过以下操作加以改进：确定每个收发器距广播天线的距离、使用诸如使用信号强度监视器81来测量接收信号电力并且将接收信号电力与本地存储(82)的或者被编码在广播时钟信号400中的参考值进行比较以控制偏移计算83的技术。
这种时钟系统减少了符号冲突和干扰，并且由于需要不太复杂的码集，因此允许较大的吞吐量。这进而允许较大数量的同时活动的收发器、较小的误码率(BER)并因此对复杂的前向纠错单元(FEC)的需求较少、在接收器处较容易检测并因此允许较简单且较快速的接收器。
如果使用具有零相关(即，相似度)的完美正交码，则可以使用异步系统。接收器在接收到的序列上设置具有码长度(L)的窗口，并针对每个接收到的紧接在(L-1)个先前比特之后的比特重复该设置，并且使码签名与该窗口相关联以找到相似度，从而恢复数据。这比同步系统需要更多的处理，因为必须评估每个窗口以确定信号是否携带消息。然而，一旦识别出正确的窗口，传感器或接收器就可以锁定至该窗口至少达该消息的持续时间。
图11是被配置成根据本发明的实施方式中的分层的一个层级操作的数据处理系统3和管理系统4的表示图。通过数据处理系统3接收和处理的数据被用于控制管理系统4。数据处理系统还可以向管理系统发出指令以使单独的传感器采集数据。
如图11中所示出的，数据处理系统3和管理系统4两者通过同一网关1连接至传感器，但如果所有消息都可以被发送至所有目的地，则具有多个网关的更复杂的网络结构也是可以的。
数据处理系统具有服务于每个传感器节点201、202、203的相应接口301、302、303等。来自网关1的输入流63(该输入流63携带从传感器200、201、……、210、……等采集的所有编码数据)通过一组提取解码器158、258、358、……进行处理，每个提取解码器使用与被每个节点中的相应编码器52使用的输出码53相对应的相应输入码157、257、357。应注意，因为每个解码器从同一流中提取所需的数据，所以数据流63不会被提取解码器158、258、358、……修改。尽管被示出为按顺序地进行，但所述提取可以根据平行馈送来进行。提取的数据由每个解码器馈送至其相应接口301、302、303、……。
数据处理系统还具有服务于每个传感器节点201、202、203的相应接口401、402、403等。这些接口都将命令数据通过组合命令流64供应给网关1，该组合命令流64携带以传感器200、201、……、210、……等为目的地的所有编码数据。来自接口401、402、403的命令数据由一组编码器152、252、352、……处理，每个编码器使用与被每个节点201、202、203中的相应提取解码器58使用的输入码57相对应的相应输出码157、257、357。应注意，每个编码器152、252、352通过添加其自己的编码数据来修改数据流64。尽管被示出为按顺序地进行，但所述编码可以在若干分支上进行，在递送至网关1之前进行组合。
上述系统具有许多实际应用和改进。
大型IoT网络通常被组织为分层或中继。在图12、图13、图14以及图15中示出了使用这种分层的本发明的实施方式。图12示出了三层级分层，其中，在最低层级处具有节点810、811、812、……，在中间层级处具有节点711、712、721，并且在第三层级处具有两个节点71、72。如图12所示，即使如针对分支722、822所示出的，分支的一些分支中仅存在一个传感器，使所有等效装置处于同一分层层级也是方便的。
网络中的不同元件可以执行不同的任务(数据生成、数据处理)或者使用不同的通信技术(例如，频率、调制、协议)。
来自一些传感器的信号可能对电信系统的基站不可见，因此必须通过其它网络元件(例如，网关/聚合器)中继/聚合以到达基站。可能需要若干中间中继站以到达TS。
某些任务可能需要被划分成子任务，以由IoT网络内的分层的各种层级处的不同类型的元件来承担。例如，图像识别可以由两种类型的元件来承担：许多摄像装置可以负责捕获图像并将这些图像发送至一个/更多个处理站，该一个/更多个处理站将分析原始图像并且仅将结果(例如，人的检测等)发送至TS。
通过在分层的每个层级处设置CDMA系统，该CDMA系统可以被用于分层地组织的IoT网络中，来自每个节点(传感器/聚合器)的信号仅对下一上级层级处的一个聚合器节点可见。这意味着从每个传感器通过分层到最终TS只存在一条路线。在分层的最低层级处，传感器节点使用被分配给该传感器节点的CDMA码对该传感器节点的数据进行编码，并将编码数据发送至更高层级的聚合器/处理器节点。
在分层的每个层级处，聚合器节点(例如，节点711)从对其可见的节点810、811接收数据。接收到的数据被聚合，并且然后使用被分配给聚合器本身的CDMA码再次加以编码。这意味着随着相同比特的信息向管理系统4移动，该相同比特的信息将被不同层级处的聚合器(811、711、71)编码多次。
在分层的每个层级处，共享公共可见父级节点的节点(例如，节点810、811共享父级节点711)共享码集，并且每个节点被指派来自该码集的单独的码。
这些约束允许每个码集由具有不同父级节点的多组节点重复使用。例如，子网711中的节点810和节点811可以使用一个码集。该同一码集还可以由具有父级节点712的节点812、813以及814使用、由具有父级节点721的节点820和821使用以及由具有父级节点722的节点822使用。这种重复使用还适用于该分层的其它层级处的聚合器，使得节点711和712(具有父级节点71)可以使用与节点721、722(具有父级节点72)相同的码。此外，如果通过不同的码组合到达每个节点，则可以在分层的每个层级处使用相同的码。
图12、图13、图14以及图15示出了分层网络，在该分层网络中，由传感器子集通过网关810(AU)发送的数据在被调度至最终目的地之前在聚合器单元71处与来自一个或更多个其它网关811、812等的数据聚合。如图12示出的，可以通过其它聚合器单元(例如，71、72)在多个层级处重复该聚合。在每个层级处，由前一层级处的聚合器生成的数据被重新聚合。这种方法减少了通过系统作为整体被发送的数据的总量，从而导致传感器与最终系统之间的较快的通信。由于发送的数据是通过每个聚合器重新编码的，因此提高了总体安全水平。
如图13所示，在管理系统4处，来自每个接口401、402、411、412等的数据被一次一个层级地加以编码。首先，根据适合于目标节点810、811等(图12)的第1层输入码153、253对每个流进行编码，然后，可以使用与所述路线上的第一聚合器711(即，最接近目标节点的那个聚合器)相关联的输入码153，在第二层聚合器452处依次组合所得到的流。将注意，可以在每个层级处以及在同一层级的不同分支上使用同一码153、253。这减少了每个层级处所需的码数量，从而允许具有较小的误相关可能性的较鲁棒的编码，并因此获得较高的可靠性。
如图14所示，还可以分阶段地进行提取，其中，第2层输出码157、257被用于提取较低层级数据流(提取单元458、558)，然后，第1层输出码157、257被用于在较低层级处提取数据(提取单元159、259)，以将数据提供给相应接口单元301、302、311、312。
将从图13和图14中看出，同一码153、253、157、257可以在分层的每个分支中重复使用，单独的传感器和致动器通过它们被布置在的分支，从而通过较高层级的输入和提取码153、253；157、257进行区分。因为在每个层级处，去往/来自较低层级的若干信号被卷积在一起并且仅可以由恰当层级处的接收器正确地解码，所以避免了层级之间的干扰。
在图15所示的另选布置结构中，数据处理系统3中的每个接口单元301、302、311、312可以接收完整的组合数据流63并且具有专用的一组提取处理器。例如，接口单元302使用分别使用码157和码257的第2层提取单元458和第1层提取单元258，而接口单元312使用分别使用码257的第2层提取单元559和第1层提取单元259。应注意，尽管每个码157、257被超过一个接口使用，但每个接口301、302、311、312使用唯一的码组合。还应注意，因为每个层将每个比特转换成多比特的信号或者从多比特的信号来转换，所以第一层中的第一码的使用以及第二层中的第二码的使用不能被如下装置读取：在该装置中，解码使用第一层中的第二码以及第二层中的第一码。
这种分层系统可以被用于单独地或者在整体的各种子集中控制一组传感器和致动器。地理区域(诸如一个/更多个街道/城市/地区等)中的传感器可以由单个管理/控制系统(TS)来控制。该系统可能需要采取动作，诸如接通/断开所有传感器或传感器子集、将软件的新版本下载至所有传感器或传感器子集等。理想情况下，管理/控制系统应当能够同时将数据/指令发出至目标传感器。
例如，图16示出了被设置成控制公路网络9中的街道照明的系统。每个单独的路灯设施(installation)90、95、……具有无线换能器，利用该无线换能器，所述路灯设施可以通过无线网络93和互联网94与应用平台99进行通信。
每个设施具有灯98或其它元件(诸如可变标志)以及用于接通和断开所述设施的关联致动装置，并且还具有传感器设施97。传感器设施97可以包括可以用来直接控制路灯98的环境光传感器。传感器设施还可以包括针对与街道照明不直接相关的其它条件(诸如温度、交通水平、污染等)的传感器。
管理/控制系统可以通过首先使用位于特定地理区域中的一组传感器的单独密钥来对以那些传感器为目的地的单独消息进行编码(使用CDMA方案)来实现这一点。接下来，将编码后的消息划分成多个组，并将每个组中的消息聚合成一个消息。然后广播所得到的聚合后的消息。随后，接收到聚合消息的每个传感器可以使用其自己的密钥来提取已经发出至该传感器的任何数据/指令。
这种方法允许通过聚合来减少由管理/控制系统发出的消息的总数。聚合消息可以包括以多个传感器为目的地的消息。这意味着可以使用较少的带宽较快地实现将数据/指令发送到目标传感器。通过向多个传感器发出单个消息，可以同时实现期望的效果(例如，接通/断开这些传感器)。也可以选择性地以传感器为目标—例如，可以仅改变地理区域中的传感器的子集的状态。
如果没有分层(即，所有灯处于同一层级)，那么在假设有49个灯的情况下，将向所有灯广播长度为49比特的一个消息。然而，利用分层架构，例如，可以将长度为49比特的一个消息发出至七个街道层级聚合器(即，分层的层级1)。然后，该聚合器对街道层级数据进行解码，并向每个街道上的单独的灯中的每一个发出长度为7比特的消息。在这种情况下，发出至灯节点的消息的长度比无分层的情况短得多。这节省了电池和处理电力。此外，在分层情况下，码重复使用将是可行的并且可以使用较短、较简单的码族。
因此，去往N个节点的所有N个消息可以组合成一个消息(其中去往每个节点的单个消息具有相同长度)并进行广播。能够基于被用于对该消息进行编码的码的正交性来恢复这些混合后的消息。
作为图11至图16的分层系统的使用的示例，设施90、95等可以被分组成使得一个街道上的所有设施具有相同的第2层级码但具有不同的第1层级码。这简化了系统的控制，因为这允许单独地或者通过选择所有第1层级码但只选择一个第2层级码来对每个灯进行控制，以使用同一信息使一个街道上的所有灯接通，而另一个街道上的所有灯断开。另选地，若需要的话，例如在存在较少行人的时候，则通过选择所有第2层级码但只选择一个第1层级码，每个街道可以被单个灯照亮，从而减少能耗和光污染。通过按这种方式共享码，与每个设施必须被发给唯一消息的情况相比，发送必需数据所需的带宽更少。
在网络中，其中例如，一个基站服务七个街道并且每个街道有一个聚合器服务于七个灯，共有七个聚合器和49个灯，所需的49个消息(每个消息的长度比如是L＝49比特)可以在长度为L＝49的单个消息中合并在一起。将该消息广播给所有七个聚合器(分层中的第1层级)，其中，该消息在聚合器内使用七个不同且唯一的码进行解码。将该解码消息传递至全体街道上的全体灯(分层中的第2层级)。以类似的方法，再次地，灯利用它们自己的码对这些在第1层级解码的消息进行解码并恢复所述数据。在该示例中，49个灯需要七个码。七个聚合器可以使用相同的七个码。因此，7个聚合器以及每个街道上的所有7个灯使用c1-c7。这意味着所有街道上的灯1和聚合器1(街道1)使用同一码c1，但由于该码c1是跨分层层级的不同分支共享的，因此灯1和聚合器1将不会干扰。
已经提及可以在每个层级重复使用码序列(图5)，来向数据集线器和从数据集线器发送数据。因此，理论上，在所提出的分层设计中，可以在给定层级内(在不同分支上)“水平地”以及“垂直地”(在不同层级处)重复使用每个码。例如，可以将码c1重复用于每个街道1、2、……、6、7上的第一灯柱上的传感器(即，层级1处的水平重复使用)并且还重复用于层级2、层级3及更高层级中的聚合器(即，垂直重复使用)。
在实践中，由于传感器(层级1)的位置和聚合器(层级2)的位置，这可能不是100％能实现的，特别是当通过无线发送而不是通过诸如电导线或光纤的封闭系统进行通信时。图17示出了这种配置中的冲突的示例。在图17中，第一聚合器91被示出为服务于一组致动器(街灯)911、912、……、915，并且第二聚合器92服务于第二组致动器(街灯)921、922、923、924。
如上所述，因为两组致动器与不同聚合器相关联，所以该两组致动器可以在第二层级处使用同一组码。在该示例中，装置911和装置921都被分配了同一码c1并且向它们的相应街道聚合器91、92报告。然而，如果为第一聚合器91工作的装置911也处于第二聚合器92的范围内，那么该装置911将会干扰到使用同一第二层级CDMA扩展码为该第二聚合器92工作的装置921。此外，在“垂直”重复使用(在分层的不同层级处重复使用码)的情况下，层级之间也可能存在干扰。这可以通过将不同组码分配给邻近聚合器来加以解决。
比如，具有素数码集C＝{c1，c2，c3，……，c49}，其中素数数目p＝7，并且基数(即，码的数量)为p2。
针对给定的码集，设定义了七个码组，每个码组具有七个成员，如下：
A＝{c1，c2，……，c7}
B＝{c8，c9，……，c14}
C＝{c15，c16，……，c21}
D＝{c22，c23，……，c28}
E＝{c29，c30，……，c35}
F＝{c36，c37，……，c42}
G＝{c42，c43，……，c49}
在该示例中，每个码组中的成员的数目等于组数，但并非必须如此。例如，如果p＝11，则有p2＝121个可用码，允许七个组中的每一组有17个码(7x17＝119)，其中两个备用码用于管理或广播的目的。
下面的图18示出了这些码组如何以它们的码不会彼此干扰的这种方式来进行分布。将地理区域划分成以粗轮廓线示出的各个地带(诸如地带888、地带889)，并且每个地带由分别被标记为A、B、C、……、G的七个小区组成。然后，将每组码(即，A-G)分配给相应地带中的小区。在小区中操作的每个传感器或聚合器然后将使用从被分配给该小区的码组中选择的码。
尽管在实践中，诸如地形变化和发送器的不规则位置的因素使得实际的实施方式偏离了图18示出的规则的正六边形阵列，但在假设发送器位于六边形的中间的情况下，图18中的每个六边形的半径被选择成每个发送器的近似范围。还应注意，发送器范围没有明确定义的界限(cut-off)，因此，在实践中，边界没有如图18呈现的那样被明确定义，并且在图18中的两个地带之间的所示出的边界附近的发送器很可能在相邻地带的部分中检测到。
为了避免因这种交叠而造成的潜在冲突，如图所示，在其它地带中重复使用每个小区和对应的码组，从而规定不会在相邻的邻近小区中重复使用同一小区/组，因为这会引起同信道干扰。在这个模式下，在任何两个或更多个相同的小区/组(比如组A内的小区)之间存在至少两个其它相邻的组，并且这提供了无码干扰的环境；使得可以在其它地带中重复使用所有使用过的码。
每个小区中可以容纳的装置的最大数量则为N(在该示例中为11)，并且在每个地带中可以容纳7N个装置。
可以在分层的较高层级处复制相同的结构，以使例如服务于地带888中的小区的聚合器都使用码A向更高层级的聚合器报告，并且地带889中的聚合器使用码B。
用于CDMA的一类正交码称为“素数码”。本发明的实施方式使用被称为“均匀互相关修改后素数码(UC-MPC)”的素数码族，该素数码族提供较高的码权重和自相关(AC)两者，同时该素数码族的互相关(CC)值对于从该素数码族获得的所有码集保持为1。由于UC-MPC的CC功能的一致性，因此每对码签名之间的干扰概率是相同的，而在其它素数码族中则不是这种情况。
UC-MPC的独特特性导致：
(i)通过较低的误码率(BER)获得较好的系统性能；
(ii)码的自相关与互相关之间的较大差异；
(iii)提高的码安全性；
(iv)减少的同信道干扰；
(v)较容易在接收器中解码；
(vi)对于特定码长度p，采用UC-MPC签名的系统中的最大同时用户数(N)高于采用其它素数码族的系统。
UC-MPC可以在现有的常规素数码系统中轻松实现，而无需更改硬件。
在IoT传感器网络中使用CDMA的优点包括较快且较安全的通信。具体地，可以将从大量传感器调度的消息在空中或在网关处组合成单个消息以供向前发送。这减少了传感器发送的所有消息的总数量和总大小，从而导致较快速的通信。

Claims (8)

1.一种生成特定于多个装置的信号以由控制中心将该信号发送到所述装置的处理，各个信号包括特定于各个装置的扩频码序列，所述扩频码序列与特定于所述装置所关联的致动器要执行的命令的码相卷积，以经由承载多个所述信号的多接入信道进行发送，各个信号特定于各个装置，其中，与各个装置有关的命令能够通过将所述信号与特定于所述相应装置的扩频码序列进行卷积来提取，其中，另一广播扩频码序列被分配给广播信道，该广播信道能够被多个所述装置读取并被用于发送针对所述多个装置的操作的一般命令，其中，所述装置被配置为通过改变分配给所述装置以用于发送的扩频码序列并且接收数据来响应所述一般命令，并且第一组的一个或更多个装置通过在使用第一扩频序列的第一仅接收模式、使用所述第一扩频序列或第二扩频序列的第二仅发送模式、使用两个扩频序列来同时发送和接收的全双工模式以及所述第一组的装置仅响应于所述广播扩频码序列的空闲模式之间进行切换来响应一般命令的集合，并且其中，一般命令的同一集合使第二组的装置以与所述第一组的响应互补的方式进行响应，以使得扩频序列的集合被共同地分配给所述两个组，各个序列在任何给定时间仅由所述两个组中的一个组或另一组使用。
2.根据权利要求1所述的处理，其中，所述一般命令包括同步信号。
3.一种装置，该装置从扩频信号检测和解码特定于该装置的信号，该装置具有：接收器，该接收器经由通信介质接收扩频信号；第一扩频元件，该第一扩频元件将所述扩频信号与特定于该装置的码进行卷积以提取导致与所述装置关联的致动器要执行的命令的命令数据；以及处理器，该处理器解码和处理所提取的数据；具有第二解码元件，该第二解码元件被布置为将所述扩频信号与第二码进行卷积以接收用于控制所述解码处理的操作的命令；具有编码元件，该编码元件用于使用扩频码处理来生成扩频信号，并且被布置为通过在使用第一扩频序列的第一仅接收模式、使用所述第一扩频序列或第二扩频序列的第二仅发送模式、使用两个扩频序列来同时发送和接收的全双工模式以及所述装置仅响应广播扩频码序列的空闲模式之间切换来响应一般命令的集合。
4.根据权利要求3所述的装置，该装置被配置为通过改变分配给所述第一扩频元件的扩频编码序列来响应使用第二解码元件恢复的命令。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的装置，该装置还包括同步元件，该同步元件响应于由所述第二解码元件接收的同步信号来控制所述编码处理的定时。
6.根据权利要求3或权利要求4所述的装置，其中，所述扩频解码元件或各个扩频解码元件被配置为在多个交叠的时间窗上将到来输入的扩频信号与装置特定码进行卷积，以便识别与所述到来的扩频信号中编码的信号同步的解码序列。
7.一种控制系统，该控制系统包括针对要发送到目标装置的信号的多个编码器，各个编码器使用分配给相应目标装置的扩频码序列以与特定于由与所述装置关联的致动器要执行的命令的码进行卷积，以生成特定于一个或更多个目标装置的命令，并且具有经由承载所卷积的信号的多接入信道来发送信号的发送器，所述控制系统还包括广播分配给广播信道的扩频码序列的另一编码器，该广播信道能够由多个装置读取并用于发送针对所述多个装置的操作的一般命令，其中，所述多个编码器能够被重新配置以改变扩频码序列向相应目标装置的分配，并且所述一般命令被配置为使得所述目标装置根据的扩频码序列的改变分配来操作，并且其中，所述多个编码器包括能够在使用第一扩频序列的第一仅发送模式、使用所述第一扩频序列或第二扩频序列的第二仅接收模式、使用两个扩频序列来同时发送和接收的全双工模式以及空闲模式之间切换的第一组，并且其中，第二组的编码器以与所述第一组的操作模式互补的方式进行操作，以使得扩频序列集合被共同地分配给所述两个组，各个序列在任何给定时间仅由所述两个组中的一个组或另一组使用。
8.根据权利要求7所述的控制系统处理，其中，所述一般命令包括同步信号。
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