內容簡介

本書是依托中南大學***特色專業（物聯網工程）的建設，結閤國內物聯網工程專業的教學情況編寫的。本書主要介紹在物聯網應用中常用的短距離無綫通信技術，內容包括藍牙、ZigBee（紫蜂）、無綫局域網（WLAN）、IrDA（紅外）、RFID（射頻識彆）、近場通信（NFC）技術、超寬帶（UWB）技術、60 GHz無綫通信技術、可見光通信技術、Ad hoc網絡（自組網）技術等，在介紹每種短距離無綫通信技術時，均采用循序漸進的講述方式，有助於快速引導讀者進入短距離無綫通信技術這一生機勃勃的研究領域。

作者簡介

董健，博士，副教授，碩士生導師，IEEE會員，中國電子學會會員。2010年6月於華中科技大學獲通信與信息係統專業博士學位。研究方嚮包括陣列天綫優化理論與方法、 MIMO/智能天綫、 寬帶/多頻天綫設計、計算智能等。

目錄

第1章 概述 （1）
1．1 物聯網概述 （1）
1．1．1 物聯網的概念 （1）
1．1．2 物聯網的發展 （2）
1．1．3 物聯網的體係結構 （5）
1．1．4 物聯網的關鍵技術 （8）
1．2 物聯網通信 （12）
1．2．1 移動通信 （13）
1．2．2 寬帶無綫接入 （17）
1．2．3 短距離無綫通信 （25）
1．2．4 無綫傳感器網絡 （26）
1．3 短距離無綫通信技術概覽 （28）
1．3．1 藍牙 （29）
1．3．2 Wi-Fi （31）
1．3．3 IrDA （32）
1．3．4 ZigBee （33）
1．3．5 RFID （35）
1．3．6 NFC （36）
1．3．7 UWB （37）
1．3．8 60 GHz （38）
1．3．9 Z-Wave （38）
1．3．10 小結 （39）
1．4 本章小結 （41）
思考與練習 （42）
參考文獻 （42）
第2章 藍牙無綫通信技術 （45）
2．1 藍牙技術概述 （45）
2．1．1 藍牙技術發展概況 （45）
2．1．2 藍牙的技術特點 （47）
2．1．3 藍牙係統組成 （49）
2．2 藍牙協議體係結構 （51）
2．2．1 藍牙核心協議 （52）
2．2．2 電纜替換協議（RFCOMM協議） （56）
2．2．3 電話傳送控製協議 （56）
2．2．4 選用協議 （57）
2．2．5 主機控製接口（HCI）功能規範 （57）
2．3 藍牙協議子集及應用規範 （59）
2．3．1 通用接入協議子集 （60）
2．3．2 串口協議子集 （62）
2．3．3 服務發現應用協議子集 （64）
2．4 藍牙組網與藍牙路由機製 （65）
2．4．1 藍牙網絡拓撲結構 （65）
2．4．2 藍牙路由機製 （66）
2．5 藍牙技術的應用 （69）
2．6 本章小結 （72）
思考與練習 （72）
參考文獻 （73）
第3章 ZigBee無綫通信技術 （75）
3．1 ZigBee技術概述 （75）
3．1．1 ZigBee發展概況 （75）
3．1．2 ZigBee技術的特點 （76）
3．1．3 ZigBee的應用目標 （77）
3．2 ZigBee協議棧 （79）
3．2．1 ZigBee協議架構及其特點 （79）
3．2．2 ZigBee協議棧體係安全 （84）
3．2．3 安全密鑰 （86）
3．3 ZigBee組網技術 （87）
3．3．1 ZigBee網絡層 （87）
3．3．2 ZigBee網絡節點的結構 （87）
3．3．3 組建網絡 （88）
3．4 ZigBee路由協議分析 （90）
3．4．1 網絡層地址分配機製 （90）
3．4．2 ZigBee的路由協議 （90）
3．5 基於ZigBee的無綫傳感器網絡 （92）
3．5．1 基於ZigBee的無綫傳感器網絡 （93）
3．5．2 ZigBee無綫傳感器網絡的工作模式 （94）
3．6 ZigBee的應用 （97）
3．7 本章小結 （102）
思考與練習 （103）
參考文獻 （103）
第4章 WLAN無綫通信技術 （105）
4．1 WLAN概述 （105）
4．1．1 WLAN技術標準 （105）
4．1．2 WLAN的技術特點 （109）
4．1．3 WLAN的拓撲結構 （110）
4．2 WLAN物理層技術 （112）
4．2．1 IEEE 802．11 （112）
4．2．2 IEEE 802．11b （113）
4．2．3 IEEE 802．11a/g （114）
4．2．4 IEEE 802．11n （115）
4．3 WLAN的MAC層技術 （115）
4．3．1 CSMA/CA （117）
4．3．2 DCF與PCF （117）
4．4 WLAN網絡安全技術 （119）
4．4．1 WEP （119）
4．4．2 WPA/RSN （120）
4．4．3 身份認證及密鑰管理 （122）
4．5 WLAN的應用 （125）
4．5．1 WLAN的典型應用 （125）
4．5．2 WLAN與其他技術的比較 （127）
4．6 本章小結 （130）
思考與練習 （130）
參考文獻 （131）
第5章 IrDA無綫通信技術 （133）
5．1 IrDA概述 （133）
5．1．1 IrDA的技術特點 （133）
5．1．2 IrDA的發展概述 （135）
5．2 IrDA技術標準 （136）
5．2．1 物理層規範（IrPHY） （137）
5．2．2 連接建立協議層（IrLAP） （141）
5．3 基於IrDA協議棧的紅外通信 （141）
5．3．1 IrDA協議棧 （141）
5．3．2 核心協議層 （142）
5．3．3 可選協議層 （147）
5．4 IrDA的應用 （148）
5．5 本章小結 （149）
思考與練習 （150）
參考文獻 （150）
第6章 RFID無綫通信技術 （153）
6．1 RFID基礎 （153）
6．1．1 射頻基礎 （153）
6．1．2 自動識彆技術概述 （157）
6．2 RFID的基本原理 （162）
6．2．1 RFID的工作原理 （162）
6．2．2 RFID的係統組成 （165）
6．2．3 RFID的技術特點 （169）
6．2．4 RFID的技術標準 （169）
6．3 RFID的關鍵技術 （173）
6．3．1 RFID的天綫 （173）
6．3．2 防碰撞技術 （176）
6．3．3 安全與隱私問題 （178）
6．4 RFID技術的應用 （182）
6．4．1 RFID技術的應用背景 （183）
6．4．2 RFID技術的重要參數 （183）
6．4．3 RFID技術的典型應用 （185）
6．4．4 RFID技術的應用前景 （186）
6．5 本章小結 （188）
思考與練習 （189）
參考文獻 （189）
第7章 NFC無綫通信技術 （193）
7．1 NFC概述 （193）
7．1．1 NFC的概念 （193）
7．1．2 NFC的發展 （195）
7．1．3 NFC的技術特點 （197）
7．2 NFC的技術原理 （198）
7．2．1 工作原理 （198）
7．2．2 技術標準 （199）
7．2．3 工作模式 （202）
7．3 NFC的安全問題 （204）
7．3．1 鏈路層安全 （204）
7．3．2 應用層安全 （205）
7．4 NFC的應用與發展前景 （206）
7．4．1 NFC的應用 （206）
7．4．2 NFC的發展前景 （208）
7．5 本章小結 （209）
思考與練習 （209）
參考文獻 （210）
第8章 UWB無綫通信技術 （213）
8．1 UWB技術概述 （213）
8．1．1 UWB技術的産生與發展 （213）
8．1．2 UWB的技術特點 （215）
8．1．3 UWB的信道傳播特徵 （218）
8．2 UWB的關鍵技術 （219）
8．2．1 UWB的脈衝成形技術 （219）
8．2．2 UWB的調製與多址技術 （221）
8．2．3 UWB接收機的關鍵技術 （223）
8．3 UWB的係統方案 （226）
8．3．1 單帶係統 （226）
8．3．2 多帶係統 （227）
8．4 UWB技術的標準化 （229）
8．4．1 UWB技術標準之爭 （229）
8．4．2 DS-UWB方案 （230）
8．4．3 MB-OFDM-UWB方案 （231）
8．5 UWB的應用及研究方嚮 （232）
8．5．1 UWB的應用 （232）
8．5．2 UWB的研究方嚮 （233）
8．6 本章小結 （235）
思考與練習 （236）
參考文獻 （236）
第9章 60 GHz無綫通信技術 （239）
9．1 60 GHZ無綫通信技術概述 （240）
9．1．1 60 GHz無綫通信技術的特點 （240）
9．1．2 60 GHz無綫通信的優勢 （242）
9．1．3 60 GHz無綫通信技術發展現狀 （245）
9．2 60 GHZ無綫通信的標準化 （248）
9．2．1 標準化概況 （248）
9．2．2 IEEE 802．15．3c協議簡介 （250）
9．2．3 ECMA-387簡介 （253）
9．3 60 GHZ無綫通信關鍵技術 （254）
9．4 60 GHZ無綫通信的應用 （256）
9．5 本章小結 （259）
思考與練習 （259）
參考文獻 （260）
第10章 可見光無綫通信技術 （263）
10．1 可見光通信概述 （263）
10．1．1 可見光通信的基本原理 （263）
10．1．2 可見光通信的性質 （264）
10．1．3 可見光通信的發展現狀 （265）
10．2 短距離可見光通信的標準化 （268）
10．2．1 VLC光譜與網絡結構 （268）
10．2．2 物理層 （269）
10．2．3 媒體訪問控製層 （270）
10．3 可見光通信的關鍵技術 （271）
10．3．1 信道建模 （271）
10．3．2 陣列光源的布局設計 （272）
10．3．3 信道編碼技術 （272）
10．3．4 調製復用技術 （273）
10．3．5 均衡技術 （273）
10．3．6 分集接收技術 （274）
10．4 可見光通信的應用 （275）
10．5 本章小結 （280）
思考與練習 （280）
參考文獻 （281）

第11章 Ad hoc網絡無綫通信技術 （283）
11．1 AD HOC網絡概述 （283）
11．1．1 Ad hoc網絡的起源與發展 （283）
11．1．2 Ad hoc網絡的特點 （285）
11．1．3 Ad hoc網絡的體係結構 （286）
11．1．4 Ad hoc網絡的關鍵技術 （289）
11．2 AD HOC網絡的MAC協議 （290）
11．2．1 信道接入的公平性 （291）
11．2．2 隱藏終端與暴露終端問題 （291）
11．2．3 MAC協議中的跨層設計 （293）
11．2．4 節能MAC協議 （294）
11．2．5 MAC協議的QoS保障 （295）
11．3 AD HOC網絡的路由協議 （296）
11．3．1 Ad hoc網絡的單播路由協議 （297）
11．3．2 Ad hoc網絡的多播路由協議 （300）
11．4 AD HOC網絡的QOS研究 （302）
11．4．1 QoS概述 （302）
11．4．2 Ad hoc網絡的QoS服務模型 （306）
11．4．3 Ad hoc網絡的QoS信令 （306）
11．5 AD HOC網絡的應用 （307）
11．5．1 Ad hoc網絡的應用領域 （307）
11．5．2 Ad hoc傳感器網絡 （310）
11．6 本章小結 （312）
思考與練習 （312）
參考文獻 （312）
附錄A 縮略語英漢對照錶 （315）

前言/序言

編寫背景

物聯網技術被認為是繼計算機、互聯網之後信息産業的第三次浪潮，是通過物物互連實現感知世界的技術手段。物聯網是在現有網絡框架基礎上的延伸，數量龐大的物聯網終端將實現範圍更加廣闊的互連互通。物聯網的齣現，將信息互通的方式從H2H （Human to Human）延伸至M2M（Machine to Machine），為信息化提供瞭更加廣闊的空間。這無疑也為傳統的無綫通信技術提供瞭基於泛在物聯網絡的新的發展契機。

短距離無綫通信技術的範疇比較廣泛，根據CCSA泛在網技術工作委員會（TC10）感知/延伸工作組（WG4）關於泛在網術語的最新商定，短距離無綫通信技術一般指有效通信距離在厘米到百米範圍內的無綫通信技術。短距離無綫通信技術旨在解決近距離設備的連接問題，可以支持動態組網並靈活實現與上層網絡的信息交互功能。該技術定位滿足瞭物聯網終端組網，以及物聯網終端網絡與電信網絡互連互通的要求，是短距離無綫通信技術在物聯網發展背景下彰顯活力的根本原因。短距離無綫技術已經廣泛應用於熱點覆蓋、傢庭辦公網絡、傢庭數字娛樂、智能樓宇、物流運輸管理等方麵，並以其豐富的技術種類和優越的技術特點，滿足瞭物物互連的應用需求，逐漸成為物聯網架構體係的主要支撐技術。

本書是“國傢級特色專業（物聯網工程）規劃教材”之一。目前，市麵上的物聯網教材多是“物聯網導論”、“物聯網基礎”等之類的書籍，側重介紹物聯網的基本概念、基本原理以及相關應用等綜述性知識，而介紹物聯網的相關核心技術的專門教材比較少。就短距離無綫通信技術而言，據作者前期的調研，國內目前尚未齣版同類的專業教材。在過去十多年時間裏，人們對短距離無綫通信技術的研究與應用取得瞭豐碩的成果，但這些成果大多散落在論文、報告、標準、網頁等中，因此編寫一本全麵概括短距離無綫通信技術及其物聯網相關應用的教材，有助於快速引導讀者進入這一生機勃勃的研究領域。這也是作者編寫本書的初衷。

內容安排

本書係統全麵地介紹物聯網架構體係中的重要支撐技術——短距離無綫通信技術的基本概念、基本原理、技術特點、應用範圍及發展前景等，內容包括藍牙、Zigbee（紫蜂）、無綫局域網（WLAN）、IrDA（紅外）、RFID（射頻識彆）、近場通信（NFC）技術、超寬帶（UWB）技術、60 GHz無綫通信技術、Ad hoc網絡（自組網）技術等。全書共分10章，各章內容安排如下：

第1章為概述。首先概要介紹物聯網的概念與發展，並簡單描述物聯網的體係結構和關鍵技術。然後介紹物聯網通信，包括移動通信、寬帶無綫接入、短距離無綫通信以及無綫傳感網絡等。最後對多種典型的短距離無綫通信技術進行瞭簡要概述並分析比較各自的特點。

第2章介紹藍牙。首先介紹藍牙技術的發展及技術特點。然後，從藍牙基帶層協議、鏈路管理和邏輯鏈路控製與適應協議、主機控製接口功能規範和RFCOMM協議這幾方麵介紹藍牙協議體係。接著從分析微微網入手介紹藍牙的網絡拓撲結構和路由機製，通過分析通用接入協議子集、串口協議子集和服務發現應用協議子集，詳細介紹藍牙協議子集和應用規範。最後簡要介紹藍牙技術的應用。

第3章介紹ZigBee。首先介紹ZigBee技術的概念、特點以及發展曆程。接著著重介紹ZigBee協議棧結構及其安全問題。然後介紹ZigBee網絡拓撲結構、組網技術和路由協議。最後介紹ZigBee無綫傳感器網絡的工作模式及特點，並展望ZigBee的應用前景。

第4章介紹無綫局域網（WLAN）。首先介紹WLAN的技術標準，通過與有綫接入網的比較，介紹WLAN的技術特點。然後重點介紹WLAN的物理層、MAC層技術和網絡安全技術。最後介紹WLAN的具體應用。

第5章介紹IrDA（紅外）。首先簡要介紹IrDA的發展情況。然後詳細描述IrDA標準和兩種規範——物理層規範和鏈接建立協議層規範，IrDA協議棧作為紅外通信的核心，本章從核心協議層和可選協議層兩方麵介紹IrDA協議棧。最後簡要介紹IrDA的應用。

第6章介紹RFID（射頻識彆）。首先從射頻的概念和自動識彆技術的起源與發展講起，試圖給齣一個廣闊的知識背景。接著介紹RFID技術的基本原理、係統組成、技術特點、技術標準等。然後從天綫、防碰撞技術、安全與隱私三個方麵重點闡述RFID的關鍵技術。最後介紹RFID技術的發展前景。

第7章介紹近場通信（NFC）技術。首先簡述NFC的概念、發展曆程和技術特點。然後詳細介紹NFC的技術原理，包括工作原理、工作模式以及技術標準等，並對NFC安全問題進行討論。最後，介紹NFC的應用及發展前景。

第8章介紹超寬帶（UWB）技術。首先概述UWB技術的産生、發展、技術特點以及信道傳播特徵。接下來從脈衝成形、調製與多址、接收機等方麵介紹UWB的關鍵技術。然後詳細描述UWB的係統和技術方案。最後介紹UWB的應用和研究方嚮。

第9章介紹60 GHz無綫通信技術。首先簡要介紹60 GHz毫米波無綫通信的技術特點以及優勢。然後概述60 GHz無綫通信國內外發展現狀以及標準化概況，總結當前60 GHz無綫通信的關鍵技術，包括收發電路、天綫、電路集成等技術。最後介紹60 GHz無綫通信技術的相關應用。

第10章介紹可見光無綫通信技術。

第11章介紹Ad hoc網絡（自組網）。首先概述Ad hoc技術的起源與發展、特點以及關鍵技術等。接著重點介紹Ad hoc技術的MAC協議和路由協議。然後介紹移動Ad hoc網絡的QoS相關研究，包括QoS服務模型、QoS信令等。最後介紹Ad hoc技術的應用。

本書匯聚瞭短距無綫通信領域最具實際應用意義的研究成果，不僅介紹各項技術的基本原理、技術特點及其在物聯網中的應用等，而且對該領域的最新前沿課題給予關注，為讀者進一步的深入研究奠定基礎。

本書配有教學課件，讀者可登錄華信教育資源網（www.hxedu.com.cn）免費注冊後下載。

緻謝

在本書的編寫過程中，作者參閱瞭國內外有關各種短距離無綫通信技術的研究成果，具體內容已列在每章末尾的參考文獻中。在此對所參閱文獻和論文的作者錶示衷心的感謝！

感謝中南大學信息科學與工程學院副院長施榮華教授、計算機工程係主任黃東軍教授對本書撰寫的大力支持和悉心指導！作為中南大學物聯網專業的學科帶頭人，兩位教授為本書的選題、內容組織以及審閱付齣瞭大量的心血。中南大學信息科學與工程學院研究生謝羽嘉、硃炫滋、葉睿、王浩等人為本書的資料收集、錄入、排版校對、繪圖等做瞭大量的工作，在此一並錶示感謝。

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