了得網工業技術_物聯網通信技術及實例（曾憲武）

編輯推薦

隨著科技的發展，物聯網應用越來越廣泛，已逐漸融入生活中。通信技術在物聯網中扮演著重要角色，很多物聯網項目的實現以及產品的功能都需要通信技術的創新。本書圍繞物聯網通信技術展開，從高層通信繫統和底層通信繫統這兩個層次較為全面地論述物聯網通信技術，本書具有以下兩大特色。（1）結構完整，層次鮮明，內容全面：從高層通信繫統和底層通信繫統兩個層次繫統全面地介紹物聯網通信技術，涵蓋數據通信、IP通信、網絡通信、短距離無線通信、低功耗廣域無線通信、NB-IoT、M2M及物聯網通信協議等關鍵技術。（2）理論深入，案例豐富，實用性強。各章在介紹關鍵技術相關理論的基礎上，給出了相應的應用實例，使讀者在深入理解理論的基礎上，掌握關鍵技術的應用，突出實用性。

內容簡介

本書主要圍繞物聯網高層和底層通信繫統所涉及的技術展開，全面繫統地介紹了物聯網通信繫統的構成及六大發展趨勢，數據通信的基礎理論和IP通信技術，正交頻分復用、非正交多址和多天線技術，典型的LPWA 技術和新出現的6TiSCH 技術，窄帶物聯網技術及實例，機器對機器通信技術，5G在車聯網與工業4.0 中的應用，物聯網常用的通信協議等。本書為從事物聯網通信技術開發與應用的專業人士及其相關領域的專業人士提供了參考，也可作為物聯網工程專業及相近專業的本科生與研究生的教材。

作者簡介

曾憲武，青島科技大學信息學院，中國物聯網人纔培養眾創聯盟副理事長，青島市軟件學會理事，繫主任，教授。教育背景：（1）1987年7月畢業於北京郵電大學，通信工程繫；（2）1993年7月畢業於蘭州交通大學，鐵路運輸自動化方向，獲工學碩士學位；（3）2008年畢業於中國海洋大學，海洋信息探測與處理方向，獲理學博士學位。工作經歷與代表性科研成果：（1）1987.07～1990.09，甘肅省郵電管理局，任載波通信助理工程師；（2）1993.07～1996.04，蘭州交通大學，電信繫，通信工程專業，任講師；（3）1996.04～2002.12，煙臺東方電子信息產業集團有限公司，任通信事業部、配電自動化事業部主任工程師，主持了棗莊配電自動化、上海閔行及人民廣場配電自動化等項目，規劃設計了嶽陽、東營等配電自動化繫統；（4）2003.01～至今，青島科技大學任教，從事通信工程與物聯網工程教學、智能電網方向的教學科研工作，完成國家自然科學基金資助項目“時滯離散變結構控制繫統的分析與綜合（60574005）”，國家自然科學基金項目“具有時間滯後的離散變結構控制繫統的分析與設計（60674020）”，及山東省自然科學重點基金項目“滯後廣義變結構控制繫統的建模”（資助號：Z2006G11）。承擔自然科學基金資助項目“基於海量時空數據語義挖掘及分布密度估計的城市區域社會功能研究(61402246)”。先後發布科研論文40多篇，其中被SCI、EI收錄20篇，主持橫向課題3項、主講的《電磁場理論》被評為2010校級優秀課程，2011年度被山東經信委、省教育廳評為山東省企校合作辦學先進個人。

第1章概述 001
1.1 物聯網的定義、目標、特征、服務、素 001
1.1.1 物聯網定義及其目標 001
1.1.2 物聯網的主要特征與服務 002
1.1.3 物聯網素 003
1.2 物聯網通信繫統的構成 005
1.2.1 各構成要素概述 005
1.2.2 對通信及安全的要求 006
1.3 物聯網通信技術的現狀與發展 007
1.3.1 物聯網產業發展現狀及通信技術應用現狀 007
1.3.2 物聯網通信技術的發展方向 009
本章小結 011
參考文獻012
2.1 數字傳輸基礎 014

第1章概述 001
1.1 物聯網的定義、目標、特征、服務、素 001
1.1.1 物聯網定義及其目標 001
1.1.2 物聯網的主要特征與服務 002
1.1.3 物聯網素 003
1.2 物聯網通信繫統的構成 005
1.2.1 各構成要素概述 005
1.2.2 對通信及安全的要求 006
1.3 物聯網通信技術的現狀與發展 007
1.3.1 物聯網產業發展現狀及通信技術應用現狀 007
1.3.2 物聯網通信技術的發展方向 009
本章小結 011
參考文獻012

第2章數據通信與IP 通信技術 014
2.1 數字傳輸基礎 014
2.1.1 非周期函數的譜分析 015
2.1.2 統計法018
2.2 無線傳輸路徑 022
2.2.1 天線 022
2.2.2 自由空間傳播 025
2.2.3 衰落 026
2.2.4 信號強度與頻率影響 028
2.2.5 NLOS 路徑分析參數 029
2.3 基帶數據傳輸 032
2.3.1 升餘弦濾波 033
2.3.2 積分和判決濾波 036
2.4 線性調制 036 2.4.1 雙邊帶抑制載波調制 037
2.4.2 二進制相移鍵控 038
2.4.3 正交幅度調制 040
2.4.4 正交相移鍵控041
2.4.5 高階22n -QAM 044
2.4.6 峰均功率比 046
2.5 TCP/IP 047
2.5.1 TCP/IP 模型及各層功能 047
2.5.2 IP 及輔助協議 048
2.5.3 TCP 和UDP 054
2.5.4 IPv6 簡介 058
本章小結 061
參考文獻 062

第3章多載波多址技術與多天線技術 063
3.1 正交頻分復用 063
3.1.1 OFDM 的特性及其正交性 064
3.1.2 OFDM 基本原理 066
3.1.3 峰均功率比 072
3.1.4 頻率與定時同步 073
3.1.5 相位噪聲對性能的影響 074
3.1.6 發射器窗口化和濾波 074
3.1.7 正交頻分多址 075
3.1.8 離散傅裡葉變換擴展OFDM 077
3.1.9 其他多OFDM 形式081
3.2 非正交多址 084
3.3 多天線技術 088
3.3.1 空間分集多天線技術 088
3.3.2 空間復用的MIMO 技術091
本章小結 104
參考文獻 105

第4章低功耗廣域無線通信技術 107
4.1 LPWA 概要 107
4.1.1 LPWA 設計目標108
4.1.2 LPWA 典型技術 110
4.1.3 不同LPWA 技術的比較 113
4.1.4 應用 115
4.1.5 需要解決的挑戰 116
4.2 LoRa 技術及其應用實例 117
4.2.1 LoRaWAN 網絡架構、典型芯片與傳輸模式 117
4.2.2 LoRaWAN 121
4.2.3 LoRa 應用實例 124
4.3 Sigfox 技術及其應用實例127
4.3.1 Sigfox 技術 127
4.3.2 Sigfox 應用實例 128
4.4 IETF 6TiSCH 129
4.4.1 IETF 6TiSCH 概要 129
4.4.2 IEEE 802.15.4 TSCH 130
4.4.3 6TiSCH 管理平面 136
4.4.4 6TiSCH 安全加入過程 141
4.4.5 6LoWPAN 與6TiSCH 的集成 143
4.4.6 6TiSCH 中的路由：RPL 148
4.4.7 實現 150
本章小結152
參考文獻 153

第5章窄帶物聯網 159
5.1 NB-IoT 的目標與產業發展 159
5.1.1 NB-IoT 的目標 159
5.1.2 NB-IoT 的產業化發展 160
5.2 NB-IoT 架構及其Layer-1 和Layer-2 架構162
5.2.1 NB-IoT 架構 162
5.2.2 Layer-1 和Layer-2 架構 165
5.3 NB-IoT 的演進 170
5.3.1 Release 13 171
5.3.2 Release 14 174
5.3.3 Release 15 175
5.3.4 Release 16 178
5.4 NB-IoT 與其他技術 179
5.4.1 M2M 與D2D 通信 179
5.4.2 非正交多址179
5.4.3 社交NB-IoT180
5.4.4 5G NR 中的NB-IoT 181
5.5 NB-IoT 應用實例 182
5.5.1 總體方案182
5.5.2 NB 終端設備的硬件繫統184
5.5.3 驅動軟件 191
5.5.4 AT 指令與NB 模組199
5.5.5 物聯網雲平臺201
本章小結 207
參考文獻 208

第6章機器對機器通信（M2M） 213
6.1 M2M 繫統模型、應用特點及其所支持的屬性 213
6.1.1 M2M 繫統模型213
6.1.2 M2M 應用特點及其所支持的屬性215
6.1.3 M2M 數據流量類型215
6.2 M2M 標準 218
6.2.1 標準制定組織218
6.2.2 技術驅動聯盟 220
6.2.3 應用驅動的聯盟221
6.3 M2M 應用開發 221
6.3.1 框架功能及其要解決的問題 222
6.3.2 開源框架 222
6.3.3 雲平臺 224
6.3.4 中間件框架 226
6.4 M2M 應用實例 227
6.4.1 M2M 網絡架構 227
6.4.2 鄰域網中智能電表節點分簇策略 228
6.4.3 廣域網差異化隨機接入的無線資源管理機制 230
本章小結 232
參考文獻 233

第7章 5G 與物聯網 236
7.1 5G 與物聯網 236
7.1.1 5G 物聯網架構 236
7.1.2 無線網絡功能虛擬化 237
7.2 5G 用例及服務需求 238
7.2.1 從eMBB 到IoT（mMTC 與URLLC） 238
7.2.2 多樣化服務與多樣化需求 239
7.2.3 5G 關鍵能力與技術性能要求 241
7.3 基於服務的5GS 架構、幀結構及其物理信道與參考信號 243
7.3.1 基於服務的5G 繫統架構 244
7.3.2 5G NR 的載波 253
7.3.3 物理信道 255
7.3.4 物理層參考信號 257
7.4 NR V2X 側鏈 259
7.4.1 V2X 所涉及的消息 259
7.4.2 3GPP 的V2X 262
7.4.3 LTE-V 264
7.4.4 5G NR 270
7.5 5G 工業物聯網 282
7.5.1 5G-ACIA 282
7.5.2 IIoT 頻譜 283
7.5.3 IIoT 增強功能 283
本章小結 289
參考文獻 290

第8章物聯網常用的通信協議 293
8.1 常用協議簡介 293
8.1.1 應用協議 293
8.1.2 服務發現協議與基礎設施協議 295
8.2 一些常用的協議 296
8.2.1 應用協議 296
8.2.2 服務發現協議 301
8.2.3 基礎設施協議 302
8.2.4 其他 304
本章小結 305
參考文獻 306

前言

物聯網是近幾十年來發展起來的新興信息技術，是計算機、通信、自動控制等學科高度交叉融合的產物。物聯網發展至今，為社會、經濟及人們日常生活提供了一繫列新服務。物聯網的應用幾乎是無限的，它實現了網絡世界與物理世界的無縫集成，擴展了人與人之間以及人或物與物之間的通信與信息交互。通信作為物聯網有機聯通的載體和信息交互的橋梁，在物聯網技術發展中扮演著至關重要的角色。物聯網在5G 及新的通信技術的助力下將更加快速地發展。
從物聯網層次與架構來看，物聯網通信繫統可以分為基於互聯網的高層通信繫統和通過網關與互聯網彙集的底層通信繫統。顯然，高層通信繫統是互聯網，可以基於 IP 進行信息交互，因此可以將其看成一個全球性的 IP 通信基礎設施；底層通信繫統服務於物聯網終端，而物聯網終端是異構的，即其所具有的感知控制功能、所采用的通信方式與通信協議等均可以不同，一般來說，這些異構的物聯網終端大都采用無線通信方式。
海量的物聯網終端可以通過短距無線通信技術、低功耗廣域無線通信技術或移動通信網將感知到的信息傳送到互聯網。由於物聯網終端的異構性和資源的有限性，促使采用多種不同的通信技術來解決傳送問題和路由問題，可以認為底層通信技術及其解決方案是物聯網通信繫統的核心，也是最復雜的。

物聯網是近幾十年來發展起來的新興信息技術，是計算機、通信、自動控制等學科高度交叉融合的產物。物聯網發展至今，為社會、經濟及人們日常生活提供了一繫列新服務。物聯網的應用幾乎是無限的，它實現了網絡世界與物理世界的無縫集成，擴展了人與人之間以及人或物與物之間的通信與信息交互。通信作為物聯網有機聯通的載體和信息交互的橋梁，在物聯網技術發展中扮演著至關重要的角色。物聯網在5G 及新的通信技術的助力下將更加快速地發展。
從物聯網層次與架構來看，物聯網通信繫統可以分為基於互聯網的高層通信繫統和通過網關與互聯網彙集的底層通信繫統。顯然，高層通信繫統是互聯網，可以基於 IP 進行信息交互，因此可以將其看成一個全球性的 IP 通信基礎設施；底層通信繫統服務於物聯網終端，而物聯網終端是異構的，即其所具有的感知控制功能、所采用的通信方式與通信協議等均可以不同，一般來說，這些異構的物聯網終端大都采用無線通信方式。
海量的物聯網終端可以通過短距無線通信技術、低功耗廣域無線通信技術或移動通信網將感知到的信息傳送到互聯網。由於物聯網終端的異構性和資源的有限性，促使采用多種不同的通信技術來解決傳送問題和路由問題，可以認為底層通信技術及其解決方案是物聯網通信繫統的核心，也是最復雜的。
本書主要介紹物聯網通信的高層和底層通信繫統所涉及的技術，共分8章。第1章主要討論物聯網通信繫統的構成及六大發展趨勢；第2章主要介紹數據通信所涉及的基礎理論和數學工具、無線傳輸信道的特性和 IP 通信技術等；第3章主要介紹正交頻分復用、非正交多址和多天線技術等；第4章主要討論一些典型的 LPWA 技術和新出現的6TiSCH 技術；第5章主要介紹窄帶物聯網（NB-IoT）技術與部署及應用於醫療看護的實例；第6章主要介紹機器對機器通信（M2M）技術；第7章重點介紹5G 在車聯網與工業4.0 中的應用；第8章主要介紹應用協議、服務發現協議、基礎設施協議等物聯網常用的通信協議。
本書在寫作過程中得到了北京科技大學王志良教授和北京物聯網學會專家、青島科技大學物聯網工程教研室全體老師的大力協助，在此表示衷心的感謝！
由於物聯網及其通信技術發展迅速，以及筆者的水平有限，書中難免有不當之處，敬請讀者批評指正。

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