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物联网通信技术


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吕慧 徐武平 牛晓光 编著 黄传河 审校
978-7-111-52805-0
49.00
351
2016年03月02日

通信 > 通信技术理论与基础

1419
简体中文
16

教材
物联网工程专业规划教材








本书系统且全面地介绍物联网通信技术的基础知识和基本技术,重点涵盖:近距离通信技术,包括蓝牙、ZigBee、超宽频、射频识别技术和NFC等;中远距离无线通信技术,包括无线局域网和无线城域网;移动通信技术,包括2G、3G、4G和5G;网络技术,包括电信网、自组织网络、无线传感网的关键技术和异构网络协同通信技术。
本书特点:
严格按照“物联网通信技术”教学大纲的要求编写,既可作为高等院校物联网工程专业的课程教材,也可作为非物联网专业的通信类课程教材。
深入解析通信技术的基础理论,同时紧跟物联网的发展趋势,介绍前沿应用中涉及的新技术,适合物联网研究人员和管理人员参考。
全书结构清晰,知识体系合理,从概念、模型到关键技术,讲解层层深入,且每章都配有练习题,便于读者掌握所学知识。


黄传河
武汉大学计算机学院教授,博士生导师,武汉大学计算机网络研究所所长,武汉大学物联网工程专业负责人,教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会物联网工程专业教学研究专家组委员。长期从事计算机网络(移动互联网、移动Ad Hoc网络、无线传感器网络、无线Mesh网络、未来互联网)、物联网、网络安全、高性能计算领域的研究和教学工作。主讲“计算机网络与通信”(湖北省精品课程)、“分布并行计算机技术”(武汉大学精品课程)等课程。主持和参与多项国家自然科学基金、863及省级重点项目,曾获国家教委科技进步二等奖、华为优秀研究生管理干部奖。


吕 慧
武汉大学计算机学院教师,主要从事计算机网络、无线通信等方向的研究。曾先后主讲“微机系统与接口技术”“汇编语言程序设计”“计算机网络与通信原理”“现代通信”“网络管理”“物联网通信技术等课程”,参与《微机系统与接口技术》《新一代汇编语言设计》《计算机网络管理实用教程》等教材的编写。






徐武平
武汉大学计算机学院副教授,博士,长期从事网络信息系统、网络多媒体通信、P2P网络体系结构、可信无线网络安全、网络模拟仿真、数据库应用技术等方面的工程应用及研究教学工作。





牛晓光
武汉大学计算机学院副教授,硕士生导师,中国计算机学会传感网专业委员会委员。主要从事物联网、网络安全、移动感知及智能信息处理相关方面的研究与教学工作。
随着信息技术的快速发展和各种感知技术的广泛应用,互联网上部署的传感器类型和种类越来越多,这些传感器通过各种有线或无线网与互联网相连,并使用多种异构网络协议与互联网进行融合与通信,不仅仅是计算机之间,人与人、人与物、物与物之间更加广泛的互联逐步成为现实。1998年,在美国统一代码委员会(uniform code council,UCC)的支持下,美国麻省理工学院的研究人员创造性地提出将互联网与射频标识(RFID)技术有机结合,通过为物品贴上电子标识牌,实现物品与互联网的连接,即可在任何时间、任何地点实现对任何物品的识别与管理。这就是早期“物联网”的概念。
物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升,是对各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术的聚合与集成。物联网就是用新一代的信息通信技术(ICT)将分布在不同地点的物体互联起来,使得物体之间能够像人与人之间一样相互通信,以增强物体智能化。物联网改变了人们之前将物理基础设施和IT基础设施截然分开的传统思维,将具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术有效连接在一起,使得政府管理、生产制造、社会管理以及个人生活实现互联互通。物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮,将催生很多具有“计算、通信、控制、协同与自治特征的智能设备与系统”,促进各类信息技术的集成和创新。
物联网的发展得益于通信的发展,尤其是无线通信的发展。物联网通信技术让具有智能的物体在局域或者广域范围内实现信息可靠传递,让分处不同地域的物体能够协同工作。本书围绕物联网通信技术展开,主要讲授物联网的概念、物联网中的无线通信技术和网络技术。全书分为9章,主要内容如下:第1章介绍通信的基础知识;第2章介绍无线通信的基本技术;第3章介绍蓝牙、ZigBee、超宽频、射频识别技术和NFC等近距离无线通信技术;第4章介绍无线局域网和无线城域网中远距离无线通信技术;第5章介绍移动通信网络的结构和GSM、CDMA、3G以及4G技术;第6章介绍电信网的结构、语音编码技术、复用结构以及多网融合技术;第7章介绍自组织网络的概念、体系结构、关键技术、链路自适应技术和抗衰老、抗干扰技术;第8章介绍无线传感器网络的概念、体系结构和关键技术;第9章介绍异构网络的协同通信技术。本书内容翔实,结构清晰,既可作为高等学校物联网工程专业以及信息、通信、电子、计算机、工程管理等专业本科生的教材,也可作为从事物联网研究的专业技术人员、管理人员的参考书。
本书在黄传河教授的指导下编写完成,第1章由牛晓光和吕慧编写,第2~5章由徐武平编写,第6~8章由吕慧编写,第9章由牛晓光编写。本书的编写也得到了武汉大学计算机学院的大力支持,在此表示感谢。
由于时间仓促,在撰写过程中难免有疏漏之处,敬请读者批评指正。

编 者
前 言
教学建议
第1章 物联网通信技术 / 1
 1.1 数据通信系统 / 1
 1.2 信源编码 / 3
 1.3 信道编码 / 5
 1.4 多路复用 / 9
 1.5 调制技术 / 12
  1.5.1 振幅键控 / 14
  1.5.2 移频键控 / 15
  1.5.3 移相键控 / 16
  1.5.4 正交幅度调制 / 18
  1.5.5 OFDM调制 / 18
 小结 / 21
 习题 / 21
 参考文献 / 21
第2章 无线通信技术 / 22
 2.1 无线通信基础知识 / 22
  2.1.1 无线通信的定义及起源 / 22
  2.1.2 无线通信的特点 / 22
  2.1.3 无线通信技术举例 / 23
 2.2 无线信道 / 24
  2.2.1 恒参无线信道举例 / 25
  2.2.2 恒参信道特性及其对信号传输的影响 / 26
  2.2.3 随参无线信道举例 / 27
  2.2.4 随参信道特性及其对信号传输的影响 / 29
  2.2.5 随参信道特性的改善——分集接收 / 31
  2.2.6 现代常用无线信道 / 32
 2.3 无线通信原理概述 / 35
  2.3.1 天线 / 36
  2.3.2 信号传播 / 42
  2.3.3 窄带、宽带及扩展频谱信号 / 46
  2.3.4 固定和移动 / 47
 小结 / 47
 习题 / 47
 参考文献 / 48
第3章 近距离无线通信技术 / 49
 3.1 蓝牙技术 / 49
  3.1.1 蓝牙网络拓扑结构 / 50
  3.1.2 蓝牙协议体系结构 / 50
  3.1.3 蓝牙关键技术 / 53
 3.2 ZigBee技术 / 57
  3.2.1 ZigBee技术特点 / 58
  3.2.2 ZigBee网络的组成 / 59
  3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构 / 61
  3.2.4 ZigBee网络的路由协议 / 66
 3.3 超宽带技术 / 68
  3.3.1 UWB的定义 / 68
  3.3.2 UWB的实现方式 / 69
  3.3.3 UWB的技术特点 / 70
 3.4 射频识别技术 / 71
  3.4.1 RFID系统构成 / 72
  3.4.2 RFID通信的物理学原理 / 73
  3.4.3 RFID信号的调制与解调 / 75
  3.4.4 RFID系统的编码与解码 / 77
  3.4.5 RFID的优势 / 82
 3.5 WPAN通信 / 82
 3.6 NFC近距离无线通信技术 / 83
  3.6.1 工作模式 / 83
  3.6.2 技术特征 / 84
  3.6.3 技术原理 / 84
 小结 / 86
 习题 / 86
 参考文献 / 86
第4章 中远距离无线通信技术 / 87
 4.1 无线局域网 / 87
  4.1.1 概述 / 87
  4.1.2 无线局域网的技术要点 / 88
  4.1.3 无线局域网的组成 / 88
  4.1.4 无线局域网的拓扑结构 / 89
  4.1.5 无线局域网的体系结构 / 90
  4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层 / 92
  4.1.7 IEEE 802.11标准中的MAC子层 / 94
 4.2 无线信道特性 / 98
  4.2.1 无线信道传播特性 / 98
  4.2.2 无线局域网的信道 / 102
 4.3 无线局域网的调制理论 / 103
  4.3.1 调制方式的选择 / 103
  4.3.2 无线局域网中的调制解调方式 / 104
 4.4 无线局域网的扩频传输技术 / 108
  4.4.1 直接序列扩频(DSSS) / 109
  4.4.2 跳频扩频(FHSS) / 112
  4.4.3 直接序列扩频和跳频扩频的性能比较 / 114
  4.4.4 混合扩频系统 / 115
 4.5 无线城域网 / 116
  4.5.1 无线城域网的发展历程 / 116
  4.5.2 IEEE 802.16系列标准 / 117
  4.5.3 基于IEEE 802.16系列标准的WiMax技术 / 118
  4.5.4 WiMax与WiFi的区别 / 120
 小结 / 121
 习题 / 122
 参考文献 / 122
第5章 移动通信技术 / 123
 5.1 移动通信的基本概念及发展历史 / 123
  5.1.1 移动通信的基本概念 / 123
  5.1.2 移动通信的发展历史 / 124
  5.1.3 移动通信的发展趋势与展望 / 127
 5.2 无线传播与移动信道 / 128
  5.2.1 移动信道的特点 / 129
  5.2.2 3类主要快衰落 / 130
  5.2.3 移动通信中的几种主要噪声与干扰 / 133
 5.3 多址技术与扩频通信 / 133
  5.3.1 多址技术的基本概念 / 134
  5.3.2 移动通信中的典型多址接入方式 / 136
  5.3.3 码分多址(CDMA)中的地址码 / 139
 5.4 信源编码与数据压缩 / 141
  5.4.1 语音压缩编码 / 141
  5.4.2 移动通信中的语音编码 / 145
  5.4.3 图像压缩编码 / 148
 5.5 移动通信中的鉴权与加密 / 157
  5.5.1 移动环境中的安全威胁 / 157
  5.5.2 GSM系统的鉴权与加密 / 157
  5.5.3 IS-95系统的鉴权与加密 / 160
  5.5.4 WCDMA系统信息安全 / 163
 5.6 调制理论 / 166
  5.6.1 移动通信系统的物理模型 / 166
  5.6.2 调制/解调的基本功能与要求 / 168
  5.6.3 MSK/GMSK调制 / 169
  5.6.4 其他调制方法简介 / 173
  5.6.5 用于CDMA的调制方式 / 176
 5.7 移动通信中的信道编码 / 182
  5.7.1 GSM系统的信道编码 / 182
  5.7.2 IS-95系统的信道编码 / 184
  5.7.3 CDMA2000系统的信道编码 / 186
  5.7.4 WCDMA系统的信道编码 / 189
 5.8 分集 / 190
  5.8.1 分集技术的基本原理 / 190
  5.8.2 RAKE接收与多径分集 / 192
 5.9 OFDM技术 / 194
  5.9.1 OFDM的基本原理 / 194
  5.9.2 OFDM的信道估计 / 199
  5.9.3 OFDM的同步技术 / 200
  5.9.4 多载波码分多址技术 / 203
 5.10 移动网络的结构与组成 / 205
  5.10.1 移动网络概述 / 205
  5.10.2 从GSM网络到GSM/GPRS网络 / 207
  5.10.3 第三代(3G)移动通信与3GPP网络 / 216
  5.10.4 从IS-95到CDMA2000 / 222
  5.10.5 TD-SCDMA简介 / 228
  5.10.6 3G的关键技术小结 / 231
 5.11 LTE及4G移动通信 / 234
  5.11.1 LTE / 234
  5.11.2 4G移动通信 / 235
  5.11.3 4G核心技术 / 238
  5.11.4 4G的标准 / 240
 5.12 5G移动通信发展趋势及关键技术 / 243
  5.12.1 5G简介 / 243
  5.12.2 5G的关键技术 / 244
 5.13 数字微波与卫星通信 / 246
  5.13.1 数字微波通信系统 / 246
  5.13.2 卫星通信系统 / 248
  5.13.3 卫星移动通信的概念 / 249
  5.13.4 多址联接方式 / 250
  5.13.5 频段同步卫星通信业务简介 / 250
 小结 / 251
 习题 / 252
 参考文献 / 252
第6章 电信网络 / 253
 6.1 通信网 / 253
  6.1.1 通信网的基本结构 / 253
  6.1.2 现代通信网的构成 / 254
  6.1.3 电话网等级结构 / 255
 6.2 语音数字编码技术 / 256
  6.2.1 采样定理 / 256
  6.2.2 脉冲编码 / 256
  6.2.3 差值脉冲编码 / 258
  6.2.4 子带编码 / 260
 6.3 电话网帧结构 / 261
  6.3.1 基群帧结构 / 261
  6.3.2 准同步数字复用(PDH)系列帧结构 / 262
  6.3.3 同步数字复用系列帧结构 / 265
 6.4 数字程控交换技术 / 267
  6.4.1 交换技术的发展 / 267
  6.4.2 数字程控交换原理 / 268
 6.5 多网融合 / 271
  6.5.1 分组交换技术 / 271
  6.5.2 三网融合 / 272
  6.5.3 IP多媒体子系统(IMS) / 273
  6.5.4 固定移动融合技术 / 274
  6.5.5 IP业务 / 275
 小结 / 278
 习题 / 279
 参考文献 / 279
第7章 自组织网络 / 280
 7.1 自组织网络概述 / 280
  7.1.1 自组织网络的定义 / 280
  7.1.2 自组织网络的特点 / 281
  7.1.3 自组织网络的应用 / 282
 7.2 自组织网络的体系结构 / 283
  7.2.1 节点结构 / 283
  7.2.2 自组织网络的网络拓扑 / 283
  7.2.3 自组织网络协议栈 / 284
 7.3 自组织网络的关键技术 / 290
  7.3.1 路由协议 / 290
  7.3.2 服务质量 / 291
  7.3.3 功率控制 / 291
  7.3.4 安全问题 / 292
  7.3.5 互联问题 / 293
 7.4 自组织网络中的链路自适应技术 / 293
  7.4.1 自适应编码调制 / 293
  7.4.2 自适应帧长控制与自适应重传机制 / 295
  7.4.3 多天线技术 / 297
 7.5 无线抗衰落和抗干扰技术 / 300
  7.5.1 无线交织技术 / 301
  7.5.2 信道均衡技术 / 303
  7.5.3 多用户检测技术 / 308
 7.6 自组织网络的MAC层 / 309
  7.6.1 竞争协议 / 309
  7.6.2 分配协议 / 313
  7.6.3 混合协议 / 314
 7.7 自组织网络的网络层 / 314
  7.7.1 主动式路由协议 / 314
  7.7.2 按需路由协议 / 315
 小结 / 316
 习题 / 317
 参考文献 / 317
第8章 无线传感器网络 / 318
 8.1 无线传感器网络结构 / 318
  8.1.1 单跳网络结构 / 318
  8.1.2 多跳网络结构 / 319
 8.2 无线传感器网络MAC协议 / 320
  8.2.1 竞争型MAC协议 / 321
  8.2.2 非竞争型MAC协议 / 323
  8.2.3 混合型MAC协议 / 324
 8.3 无线传感器网络的技术 / 325
 8.4 无线传感器网络的应用 / 326
 小结 / 327
 习题 / 328
 参考文献 / 328
第9章 异构网络协同通信技术 / 329
 9.1 异构网络模型 / 329
 9.2 异构网络资源管理 / 331
  9.2.1 接入控制 / 331
  9.2.2 网络选择 / 331
  9.2.3 垂直切换 / 333
  9.2.4 协同频谱感知 / 334
  9.2.5 负载均衡 / 334
 9.3 协同通信技术 / 335
  9.3.1 用户协同通信系统 / 336
  9.3.2 中继协同通信系统 / 336
  9.3.3 基站协同通信系统 / 336
 9.4 异构网络中的协同数据传输 / 337
  9.4.1 队列调度 / 337
  9.4.2 自适应功率调整 / 338
  9.4.3 接入子网网内协同通信 / 338
 小结 / 341
 习题 / 341
 参考文献 / 341
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