物联网通信技术

第0章 概述 1

0.1 物联网框架结构 1

0.2 物联网通信系统 2

0.2.1 物联网通信系统基本结构 2

0.2.2 感知控制层与网络传输层通信系统 3

0.2.3 物联网通信技术的发展 4

本章小结 6

习题与思考 7

第1篇 数据通信基础

第1章 通信的基本模型与概念 10

1.1 通信系统模型 10

1.2 模拟通信与数字通信系统模型 10

1.3 通信系统的分类及通信方式 12

1.3.1 通信系统分类 12

1.3.2 通信方式 14

1.4 信息及信息量 15

1.5 数据通信系统中的主要性能指标 17

1.5.1 传输速率 17

1.5.2 差错率 18

1.5.3 信噪比 18

本章小结 18

习题与思考 19

第2章 数据通信基础理论 20

2.1 数据信号分析基础 20

2.1.1 时域分析 20

2.1.2 频域分析 21

2.1.3 傅里叶分析 22

2.2 数据率与频带的关系 23

2.3 交换技术 23

2.3.1 电路交换 24

2.3.2 报文交换 24

2.3.3 分组交换 24

本章小结 25

习题与思考 26

第3章 数据通信中的信道 27

3.1 信道模型及其分类 27

3.1.1 信道模型 27

3.1.2 信道分类 27

3.2 信道容量 29

3.2.1 离散信道的信道容量 29

3.2.2 连续信道的信道容量 30

3.3 有线信道 30

3.3.1 双绞线 31

3.3.2 同轴电缆 31

3.3.3 光纤 32

3.4 无线信道 33

本章小结 34

习题与思考 35

第4章 信源编码 36

4.1 抽样与量化 36

4.1.1 抽样及抽样定理 36

4.1.2 抽样定理 37

4.1.3 量化 38

4.2 脉冲编码调制(PCM) 42

4.2.1 PCM通信系统 42

4.2.2 二进制PCM编码 43

4.3 增量调制(ΔM) 45

本章小结 47

习题与思考 48

第5章 数字基带传输 49

5.1 数字基带信号的波形与编码原则 49

5.1.1 数字基带信号的波形 49

5.1.2 数字基带信号的编码原则 51

5.2 数字基带传输系统 51

5.2.1 数字基带传输系统概述 51

5.2.2 均衡技术 52

5.2.3 眼图 54

本章小结 56

习题与思考 56

第6章 数字调制系统 58

6.1 调制与数字基带信号的调制原理 58

6.1.1 调制解调的基本原理 58

6.1.2 数字调制系统的基本原理 59

6.2 数字振幅调制 60

6.2.1 2ASK 60

6.2.2 多进制振幅调制 62

6.3 数字频率调制 63

6.3.1 2FSK移频键控的基本原理 63

6.3.2 2FSK调制的实现方法 64

6.3.3 2FSK的解调 65

6.3.4 2FSK的特点 67

6.4 数字相位调制 68

6.4.1 二进制绝对移相调制(2PSK) 68

6.4.2 二相相对移相调制(2DPSK) 70

本章小结 72

习题与思考 73

第7章 差错控制技术 74

7.1 差错控制技术概述 74

7.1.1 差错控制的基本原理 74

7.1.2 差错控制编码的特性与能力 75

7.2 差错控制方法 76

7.2.1 自动请求重发(ARQ)方式 77

7.2.2 前向纠错(FEC)方式 78

7.2.3 混合纠错(HEC)方式 78

7.2.4 信息反馈(IRQ)方式 78

7.3 常用检错码 78

7.3.1 奇偶校验码 78

7.3.2 恒比码 79

7.3.3 矩阵校验码 80

7.3.4 正反码 80

7.3.5 线性分组码 81

7.4 循环码 82

7.4.1 循环码的基本概念 82

7.4.2 循环码的编码和译码 84

7.5 卷积码 86

7.5.1 基本原理 86

7.5.2 编码和译码 87

本章小结 88

习题与思考 89

第8章 数据链路传输控制规程 90

8.1 数据链路层的功能及传输控制规程的功能与分类 90

8.1.1 数据链路层的功能 90

8.1.2 传输控制规程的主要功能与分类 91

8.2 面向字符的传输控制规程 92

8.2.1 IBM的BSC规程简介 92

8.2.2 控制字符 92

8.2.3 帧格式 94

8.2.4 数据的透明性与同步 96

8.2.5 数据链路结构及建立 97

8.3 面向比特的传输控制规程 99

8.3.1 HDLC数据链路控制规程 99

8.3.2 HDLC的帧结构 101

8.3.3 HDLC帧类型和功能 103

8.3.4 HDLC操作规程 106

本章小结 108

习题与思考 108

第2篇 短距离通信技术

第9章 短距离有线通信技术 110

9.1 数据终端间的通信及接口特性 110

9.2 EIA RS-232C 111

9.2.1 特性功能 111

9.2.2 RS-232C的短距离通信技术 115

9.3 RS系列接口及各种串行接口性能比较 116

9.3.1 RS-422A、 RS-423及RS-485 116

9.3.2 各种串行接口性能比较 117

9.4 USB串行总线及其应用 118

9.4.1 USB串行总线的特点 118

9.4.2 USB总线体系结构 120

9.4.3 USB系统在物联网中的应用 121

9.4.4 IEEE-1394接口 122

9.5 CAN总线 123

9.5.1 CAN总线的特点 123

9.5.2 CAN总线网络层次与通信协议 124

本章小结 129

习题与思考 129

第10章 短距离无线通信技术 131

10.1 蓝牙技术 131

10.1.1 蓝牙发展现状与技术特点 131

10.1.2 蓝牙系统的构成及工作原理 133

10.1.3 蓝牙协议体系 138

10.1.4 蓝牙的物联网应用案例 141

10.2 红外通信技术 142

10.2.1 红外通信的基本原理 143

10.2.2 红外通信标准与协议 144

10.2.3 红外接口器件 148

10.2.4 红外通信系统在智能电网中的应用 149

10.3 超宽带无线通信技术 151

10.3.1 超宽带无线通信的概念及特点 151

10.3.2 超宽带无线通信的频谱规范及相关标准 154

10.3.3 超宽带无线通信的基本原理 154

10.3.4 UWB典型信道模型 157

10.3.5 UWB的应用 159

本章小结 161

习题与思考 161

第3篇 无线传感器网络

第11章 概述 164

11.1 无线传感器网络的概念与特点 164

11.2 无线传感器网络的关键技术与应用难点 167

11.2.1 WSN的关键技术 167

11.2.2 物联网中无线传感器网络应用的难点 168

本章小结 169

习题与思考 169

第12章 IEEE802.15.4及ZigBee协议规范 170

12.1 IEEE802.15.4标准 170

12.1.1 IEEE802.15.4主要性能 170

12.1.2 IEEE802.15.4物理层 171

12.1.3 MAC层 172

12.2 ZigBee协议规范 175

12.2.1 数据链路层与物理层和MAC层 176

12.2.2 网络层 177

12.2.3 应用规范 179

本章小结 180

习题与思考 180

第13章 无线传感器网络的路由协议 182

13.1 WSN路由协议的特点和性能指标 182

13.1.1 WSN路由协议的特点 182

13.1.2 WSN路由协议的性能指标及分类 183

13.2 能量感知路由 184

13.2.1 能量路由 184

13.2.2 能量多路径路由 185

13.3 查询路由 187

13.3.1 定向扩散路由 187

13.3.2 谣传路由 188

13.4 地理位置路由 190

13.5 可靠路由协议 192

13.5.1 不相交的多路径路由机制 192

13.5.2 ReInForM路由 193

13.5.3 SPEED协议 195

本章小结 197

习题与思考 198

第14章 WSN的MAC协议 199

14.1 基于竞争的MAC协议 199

14.1.1 IEEE802.11 MAC协议 199

14.1.2 S-MAC协议 202

14.1.3 T-MAC协议 204

14.2 基于时分复用的MAC协议 207

14.2.1 基于分簇网络的MAC协议 207

14.2.2 DEANA协议 208

14.2.3 TRAMA协议 208

本章小结 212

习题与思考 212

第15章 WSN的拓扑控制 214

15.1 功率控制 214

15.1.1 基于节点度的算法 215

15.1.2 基于邻近图的算法 216

15.2 层次型拓扑结构控制 217

15.2.1 LEACH算法 217

15.2.2 GAF算法 219

15.3 启发机制 221

15.3.1 STEM算法 221

15.3.2 ASCENT算法 222

本章小结 223

习题与思考 224

第16章 WSN的节点定位 225

16.1 节点定位的概念及基本原理 225

16.1.1 定位的几个相关概念 225

16.1.2 节点定位的基本原理 226

16.1.3 定位算法的分类 228

16.2 距离定位 228

16.2.1 TOA定位 229

16.2.2 TDOA定位 229

16.2.3 AOA定位 230

16.2.4 RSSI定位 231

16.3 距离无关的定位算法 233

16.3.1 质心算法 233

16.3.2 DV-Hop算法 234

16.3.3 其他距离无关的定位算法 235

本章小结 236

习题与思考 236

第4篇 通信网及其交换技术

第17章 通信网概念及其发展 238

17.1 通信网概述 238

17.1.1 通信网的基本概念 238

17.1.2 通信网的分层结构 241

17.1.3 通信网的分类及通信网的质量要求 244

17.2 通信技术的发展趋势 244

本章小结 246

习题与思考 247

第18章 电话网与SDH传输网 248

18.1 电话网的组成结构 248

18.2 PDH数字传输系统 249

18.2.1 时分复用技术与同步 249

18.2.2 数字复接技术 251

18.2.3 同步复接与异步复接 254

18.3 SDH数字传输系统 255

18.3.1 SDH的基本概念及其特点 255

18.3.2 SDH的节点接口、 速率和帧结构 257

18.3.3 SDH的基本复用映射结构 259

本章小结 261

习题与思考 262

第19章 程控交换与ISDN 263

19.1 数字程控交换技术 263

19.1.1 程控交换的基本概念 263

19.1.2 数字交换网络的基本结构和工作原理 264

19.1.3 数字程控交换机的组成 269

19.1.4 呼叫处理过程 274

19.2 信令系统及No.7信令 277

19.2.1 信令系统 278

19.2.2 信令方式 279

19.2.3 No.7信令系统 282

19.3 综合业务数字网 285

19.3.1 综合业务数字网的演化及其概念与特点 285

19.3.2 ISDN网络功能体系结构 286

19.3.3 ISDN用户—网络接口 287

19.3.4 ISDN的信道类型与接口结构 289

本章小结 290

习题与思考 290

第20章 数据通信网与数据通信交换技术 292

20.1 数据通信网与计算机通信网 292

20.2 数据交换 293

20.2.1 数据交换方式 293

20.2.2 报文交换 294

20.2.3 分组交换 295

20.2.4 分组传输方式 298

20.2.5 帧方式交换 300

20.3 数据通信网 300

20.3.1 数据通信网的分类 300

20.3.2 分组交换网 301

20.3.3 分组交换网的路由选择 303

20.3.4 数据报与虚电路方式的路由选择 306

20.3.5 分组交换流量控制 307

20.4 帧中继网 310

20.4.1 帧中继的基本概念与特点 310

20.4.2 帧中继网络结构和协议及应用 311

20.5 数字数据网（DDN） 313

20.6 ATM通信网 314

20.6.1 ATM的基本原理 315

20.6.2 ATM协议参考模型 317

20.6.3 ATM交换技术 319

本章小结 322

习题与思考 322

第21章 IP通信及IP通信网 324

21.1 TCP/IP协议 324

21.1.1 TCP/IP模型及各层功能 324

21.1.2 IP及辅助协议 325

21.1.3 TCP和UDP协议 332

21.2 IPv6 简介 339

21.2.1 IPv4存在的问题及IPv6的特点 339

21.2.2 IPv6数据报格式 340

21.2.3 IPv6地址体系结构 341

21.3 路由器与IP通信的路由选择协议 343

21.3.1 路由器 343

21.3.2 IP通信的路由选择协议 345

本章小结 346

习题与思考 347

第5篇 无线移动通信技术

第22章 传播特性及多址技术 350

22.1 无线电波传播的方式及其特点 350

22.1.1 无线电波的边界效应 350

22.1.2 无线电波传播的方式 350

22.1.3 无线电波传播的特点 351

22.2 无线电波的传播损耗及效应 352

22.2.1 路径衰耗与慢衰落 352

22.2.2 传输效应 353

22.3 传播路径损耗模型 354

22.3.1 自由空间传播模型 354

22.3.2 室外传播模型 355

22.3.3 室内传播模型 356

22.4 无线通信中的多址技术 356

22.4.1 频分多址与时分多址技术 357

22.4.2 码分多址技术 357

22.4.3 空分多址技术及随机接入多址技术 358

22.5 无线抗衰落及抗干扰技术 359

22.5.1 分集技术 359

22.5.2 多用户检测技术 360

22.5.3 多载波传输技术 360

本章小结 362

习题与思考 362

第23章 移动通信总体结构及相关概念 363

23.1 移动通信的概念和发展过程 363

23.1.1 移动通信的概念及其特点 363

23.1.2 移动通信的发展过程 364

23.2 移动通信的组网技术 365

23.2.1 移动通信网的体制 365

23.2.2 移动通信网的覆盖方式 367

23.2.3 蜂窝网无线区群的组成 368

本章小结 368

习题与思考 369

第24章 GSM数字蜂窝移动通信系统 370

24.1 GSM数字蜂窝移动通信系统结构及其接口 370

24.1.1 系统结构及其组成 370

24.1.2 GSM网络接口 374

24.1.3 GSM移动通信的信道结构 378

24.1.4 频率资源管理与频率有效利用 379

24.1.5 多址接入的容量 381

24.2 GSM移动通信的交换技术及业务 383

24.2.1 通信呼叫建立过程 383

24.2.2 越区切换 384

24.2.3 GSM移动通信系统的业务 385

24.3 GSM移动通信系统的无线传输 388

24.3.1 TDMA/FDMA接入方式 388

24.3.2 信道及其组合 389

24.4 GSM移动通信的接续 394

24.4.1 移动台开机、 小区选择、 位置登记及更新 394

24.4.2 通信链路的建立、 初始信息发送、 鉴权及加密 396

24.4.3 位置更新过程及通信链路的释放 397

24.4.4 移动台的主叫、 被叫流程 398

24.4.5 切换进程 400

本章小结 402

习题与思考 403

第25章 CDMA数字蜂窝移动通信 404

25.1 扩频通信原理 404

25.1.1 扩频理论基础 404

25.1.2 直接序列扩频 405

25.2 CDMA数字蜂窝移动通信结构 406

25.2.1 CDMA数字蜂窝移动通信系统的构成 406

25.2.2 CDMA系统的接口、 信令及相关参数 407

25.2.3 CDMA系统的逻辑信道 409

25.3 CDMA正向信道 411

25.3.1 正向信道的组成 411

25.3.2 正向控制信道 416

25.3.3 正向CDMA业务信道 418

25.4 CDMA反向信道 422

25.4.1 反向信道的组成 422

25.4.2 接入信道 425

25.4.3 反向业务信道 427

25.5 CDMA系统功率控制 428

25.5.1 正向链路的功率控制 428

25.5.2 反向链路的功率控制 429

25.6 CDMA系统的切换 430

25.7 CDMA位置登记及呼叫处理 432

25.7.1 登记注册 432

25.7.2 呼叫处理 434

本章小结 436

习题与思考 436

第26章 第三代移动通信系统 437

26.1 第三代移动通信系统简介 437

26.1.1 概述 437

26.1.2 第三代移动通信系统的特点 437

26.1.3 3G参数 438

26.2 WCDMA 439

26.2.1 UMTS与WCDMA 439

26.2.2 WCDMA系统的组成 440

26.2.3 接口 442

26.3 CDMA2000 442

26.3.1 CDMA2000的特点 442

26.3.2 CDMA2000系统的结构 445

26.3.3 CDMA2000的主要接口 445

26.3.4 空中接口的分层结构 446

26.3.5 CDMA2000的信道分配 447

26.4 TD-SCDMA 449

26.4.1 TD-SCDMA的特点及其空中接口参数 449

26.4.2 TD-SCDMA网络结构 450

26.4.3 系统信道 451

26.5 WiMAX 453

26.5.1 WiMAX标准 453

26.5.2 WiMAX技术特点 454

26.5.3 WiMAX网络架构 454

26.5.4 网络接口 456

本章小结 457

习题与思考 458

参考文献 459

物联网是互联网的发展与延伸，物联网中所采用的通信技术以承载数据为主。作为数据通信的承载网络，物联网的通信技术具有非常丰富的技术内涵，包含传输、 交换、 有线、 无线、 移动等通信技术的多个方面。
本书以物联网的三层结构为主线，以感知控制层、 汇聚层及网络传输层所需的通信承载网为线索，以数据通信基础为前提，讲述了短距离通信技术、 无线传感器网络、 通信网及其交换技术及无线移动通信技术。
本书分为5篇，共27章。第1篇为数据通信基础，全面讲述了数据通信的基本原理，是学习物联网通信技术的基础；第2篇为短距离通信技术，其内容包括各种接口及总线技术以及蓝牙、 红外、 超宽带技术；第3篇为无线传感器网络，它是狭义上的物联网的主要组成部分，也是狭义上的物联网通信技术；第4篇为通信网及其交换技术，讲述了通信网、 传输复用技术及其交换技术；第5篇为无线移动通信技术，以现有的2G技术为主，介绍了四种3G技术，为学习物联网的移动互联打下良好的基础。
本书可作为物联网工程专业的本科生教材，也可作为相近专业的本科生与研究生教材。