内容简介

本书是依托中南大学***特色专业（物联网工程）的建设，结合国内物联网工程专业的教学情况编写的。本书主要介绍在物联网应用中常用的短距离无线通信技术，内容包括蓝牙、ZigBee（紫蜂）、无线局域网（WLAN）、IrDA（红外）、RFID（射频识别）、近场通信（NFC）技术、超宽带（UWB）技术、60 GHz无线通信技术、可见光通信技术、Ad hoc网络（自组网）技术等，在介绍每种短距离无线通信技术时，均采用循序渐进的讲述方式，有助于快速引导读者进入短距离无线通信技术这一生机勃勃的研究领域。

作者简介

董健，博士，副教授，硕士生导师，IEEE会员，中国电子学会会员。2010年6月于华中科技大学获通信与信息系统专业博士学位。研究方向包括阵列天线优化理论与方法、 MIMO/智能天线、 宽带/多频天线设计、计算智能等。

目录

第1章 概述 （1）
1．1 物联网概述 （1）
1．1．1 物联网的概念 （1）
1．1．2 物联网的发展 （2）
1．1．3 物联网的体系结构 （5）
1．1．4 物联网的关键技术 （8）
1．2 物联网通信 （12）
1．2．1 移动通信 （13）
1．2．2 宽带无线接入 （17）
1．2．3 短距离无线通信 （25）
1．2．4 无线传感器网络 （26）
1．3 短距离无线通信技术概览 （28）
1．3．1 蓝牙 （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 小结 （39）
1．4 本章小结 （41）
思考与练习 （42）
参考文献 （42）
第2章 蓝牙无线通信技术 （45）
2．1 蓝牙技术概述 （45）
2．1．1 蓝牙技术发展概况 （45）
2．1．2 蓝牙的技术特点 （47）
2．1．3 蓝牙系统组成 （49）
2．2 蓝牙协议体系结构 （51）
2．2．1 蓝牙核心协议 （52）
2．2．2 电缆替换协议（RFCOMM协议） （56）
2．2．3 电话传送控制协议 （56）
2．2．4 选用协议 （57）
2．2．5 主机控制接口（HCI）功能规范 （57）
2．3 蓝牙协议子集及应用规范 （59）
2．3．1 通用接入协议子集 （60）
2．3．2 串口协议子集 （62）
2．3．3 服务发现应用协议子集 （64）
2．4 蓝牙组网与蓝牙路由机制 （65）
2．4．1 蓝牙网络拓扑结构 （65）
2．4．2 蓝牙路由机制 （66）
2．5 蓝牙技术的应用 （69）
2．6 本章小结 （72）
思考与练习 （72）
参考文献 （73）
第3章 ZigBee无线通信技术 （75）
3．1 ZigBee技术概述 （75）
3．1．1 ZigBee发展概况 （75）
3．1．2 ZigBee技术的特点 （76）
3．1．3 ZigBee的应用目标 （77）
3．2 ZigBee协议栈 （79）
3．2．1 ZigBee协议架构及其特点 （79）
3．2．2 ZigBee协议栈体系安全 （84）
3．2．3 安全密钥 （86）
3．3 ZigBee组网技术 （87）
3．3．1 ZigBee网络层 （87）
3．3．2 ZigBee网络节点的结构 （87）
3．3．3 组建网络 （88）
3．4 ZigBee路由协议分析 （90）
3．4．1 网络层地址分配机制 （90）
3．4．2 ZigBee的路由协议 （90）
3．5 基于ZigBee的无线传感器网络 （92）
3．5．1 基于ZigBee的无线传感器网络 （93）
3．5．2 ZigBee无线传感器网络的工作模式 （94）
3．6 ZigBee的应用 （97）
3．7 本章小结 （102）
思考与练习 （103）
参考文献 （103）
第4章 WLAN无线通信技术 （105）
4．1 WLAN概述 （105）
4．1．1 WLAN技术标准 （105）
4．1．2 WLAN的技术特点 （109）
4．1．3 WLAN的拓扑结构 （110）
4．2 WLAN物理层技术 （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层技术 （115）
4．3．1 CSMA/CA （117）
4．3．2 DCF与PCF （117）
4．4 WLAN网络安全技术 （119）
4．4．1 WEP （119）
4．4．2 WPA/RSN （120）
4．4．3 身份认证及密钥管理 （122）
4．5 WLAN的应用 （125）
4．5．1 WLAN的典型应用 （125）
4．5．2 WLAN与其他技术的比较 （127）
4．6 本章小结 （130）
思考与练习 （130）
参考文献 （131）
第5章 IrDA无线通信技术 （133）
5．1 IrDA概述 （133）
5．1．1 IrDA的技术特点 （133）
5．1．2 IrDA的发展概述 （135）
5．2 IrDA技术标准 （136）
5．2．1 物理层规范（IrPHY） （137）
5．2．2 连接建立协议层（IrLAP） （141）
5．3 基于IrDA协议栈的红外通信 （141）
5．3．1 IrDA协议栈 （141）
5．3．2 核心协议层 （142）
5．3．3 可选协议层 （147）
5．4 IrDA的应用 （148）
5．5 本章小结 （149）
思考与练习 （150）
参考文献 （150）
第6章 RFID无线通信技术 （153）
6．1 RFID基础 （153）
6．1．1 射频基础 （153）
6．1．2 自动识别技术概述 （157）
6．2 RFID的基本原理 （162）
6．2．1 RFID的工作原理 （162）
6．2．2 RFID的系统组成 （165）
6．2．3 RFID的技术特点 （169）
6．2．4 RFID的技术标准 （169）
6．3 RFID的关键技术 （173）
6．3．1 RFID的天线 （173）
6．3．2 防碰撞技术 （176）
6．3．3 安全与隐私问题 （178）
6．4 RFID技术的应用 （182）
6．4．1 RFID技术的应用背景 （183）
6．4．2 RFID技术的重要参数 （183）
6．4．3 RFID技术的典型应用 （185）
6．4．4 RFID技术的应用前景 （186）
6．5 本章小结 （188）
思考与练习 （189）
参考文献 （189）
第7章 NFC无线通信技术 （193）
7．1 NFC概述 （193）
7．1．1 NFC的概念 （193）
7．1．2 NFC的发展 （195）
7．1．3 NFC的技术特点 （197）
7．2 NFC的技术原理 （198）
7．2．1 工作原理 （198）
7．2．2 技术标准 （199）
7．2．3 工作模式 （202）
7．3 NFC的安全问题 （204）
7．3．1 链路层安全 （204）
7．3．2 应用层安全 （205）
7．4 NFC的应用与发展前景 （206）
7．4．1 NFC的应用 （206）
7．4．2 NFC的发展前景 （208）
7．5 本章小结 （209）
思考与练习 （209）
参考文献 （210）
第8章 UWB无线通信技术 （213）
8．1 UWB技术概述 （213）
8．1．1 UWB技术的产生与发展 （213）
8．1．2 UWB的技术特点 （215）
8．1．3 UWB的信道传播特征 （218）
8．2 UWB的关键技术 （219）
8．2．1 UWB的脉冲成形技术 （219）
8．2．2 UWB的调制与多址技术 （221）
8．2．3 UWB接收机的关键技术 （223）
8．3 UWB的系统方案 （226）
8．3．1 单带系统 （226）
8．3．2 多带系统 （227）
8．4 UWB技术的标准化 （229）
8．4．1 UWB技术标准之争 （229）
8．4．2 DS-UWB方案 （230）
8．4．3 MB-OFDM-UWB方案 （231）
8．5 UWB的应用及研究方向 （232）
8．5．1 UWB的应用 （232）
8．5．2 UWB的研究方向 （233）
8．6 本章小结 （235）
思考与练习 （236）
参考文献 （236）
第9章 60 GHz无线通信技术 （239）
9．1 60 GHZ无线通信技术概述 （240）
9．1．1 60 GHz无线通信技术的特点 （240）
9．1．2 60 GHz无线通信的优势 （242）
9．1．3 60 GHz无线通信技术发展现状 （245）
9．2 60 GHZ无线通信的标准化 （248）
9．2．1 标准化概况 （248）
9．2．2 IEEE 802．15．3c协议简介 （250）
9．2．3 ECMA-387简介 （253）
9．3 60 GHZ无线通信关键技术 （254）
9．4 60 GHZ无线通信的应用 （256）
9．5 本章小结 （259）
思考与练习 （259）
参考文献 （260）
第10章 可见光无线通信技术 （263）
10．1 可见光通信概述 （263）
10．1．1 可见光通信的基本原理 （263）
10．1．2 可见光通信的性质 （264）
10．1．3 可见光通信的发展现状 （265）
10．2 短距离可见光通信的标准化 （268）
10．2．1 VLC光谱与网络结构 （268）
10．2．2 物理层 （269）
10．2．3 媒体访问控制层 （270）
10．3 可见光通信的关键技术 （271）
10．3．1 信道建模 （271）
10．3．2 阵列光源的布局设计 （272）
10．3．3 信道编码技术 （272）
10．3．4 调制复用技术 （273）
10．3．5 均衡技术 （273）
10．3．6 分集接收技术 （274）
10．4 可见光通信的应用 （275）
10．5 本章小结 （280）
思考与练习 （280）
参考文献 （281）

第11章 Ad hoc网络无线通信技术 （283）
11．1 AD HOC网络概述 （283）
11．1．1 Ad hoc网络的起源与发展 （283）
11．1．2 Ad hoc网络的特点 （285）
11．1．3 Ad hoc网络的体系结构 （286）
11．1．4 Ad hoc网络的关键技术 （289）
11．2 AD HOC网络的MAC协议 （290）
11．2．1 信道接入的公平性 （291）
11．2．2 隐藏终端与暴露终端问题 （291）
11．2．3 MAC协议中的跨层设计 （293）
11．2．4 节能MAC协议 （294）
11．2．5 MAC协议的QoS保障 （295）
11．3 AD HOC网络的路由协议 （296）
11．3．1 Ad hoc网络的单播路由协议 （297）
11．3．2 Ad hoc网络的多播路由协议 （300）
11．4 AD HOC网络的QOS研究 （302）
11．4．1 QoS概述 （302）
11．4．2 Ad hoc网络的QoS服务模型 （306）
11．4．3 Ad hoc网络的QoS信令 （306）
11．5 AD HOC网络的应用 （307）
11．5．1 Ad hoc网络的应用领域 （307）
11．5．2 Ad hoc传感器网络 （310）
11．6 本章小结 （312）
思考与练习 （312）
参考文献 （312）
附录A 缩略语英汉对照表 （315）

前言/序言

编写背景

物联网技术被认为是继计算机、互联网之后信息产业的第三次浪潮，是通过物物互连实现感知世界的技术手段。物联网是在现有网络框架基础上的延伸，数量庞大的物联网终端将实现范围更加广阔的互连互通。物联网的出现，将信息互通的方式从H2H （Human to Human）延伸至M2M（Machine to Machine），为信息化提供了更加广阔的空间。这无疑也为传统的无线通信技术提供了基于泛在物联网络的新的发展契机。

短距离无线通信技术的范畴比较广泛，根据CCSA泛在网技术工作委员会（TC10）感知/延伸工作组（WG4）关于泛在网术语的最新商定，短距离无线通信技术一般指有效通信距离在厘米到百米范围内的无线通信技术。短距离无线通信技术旨在解决近距离设备的连接问题，可以支持动态组网并灵活实现与上层网络的信息交互功能。该技术定位满足了物联网终端组网，以及物联网终端网络与电信网络互连互通的要求，是短距离无线通信技术在物联网发展背景下彰显活力的根本原因。短距离无线技术已经广泛应用于热点覆盖、家庭办公网络、家庭数字娱乐、智能楼宇、物流运输管理等方面，并以其丰富的技术种类和优越的技术特点，满足了物物互连的应用需求，逐渐成为物联网架构体系的主要支撑技术。

本书是“国家级特色专业（物联网工程）规划教材”之一。目前，市面上的物联网教材多是“物联网导论”、“物联网基础”等之类的书籍，侧重介绍物联网的基本概念、基本原理以及相关应用等综述性知识，而介绍物联网的相关核心技术的专门教材比较少。就短距离无线通信技术而言，据作者前期的调研，国内目前尚未出版同类的专业教材。在过去十多年时间里，人们对短距离无线通信技术的研究与应用取得了丰硕的成果，但这些成果大多散落在论文、报告、标准、网页等中，因此编写一本全面概括短距离无线通信技术及其物联网相关应用的教材，有助于快速引导读者进入这一生机勃勃的研究领域。这也是作者编写本书的初衷。

内容安排

本书系统全面地介绍物联网架构体系中的重要支撑技术——短距离无线通信技术的基本概念、基本原理、技术特点、应用范围及发展前景等，内容包括蓝牙、Zigbee（紫蜂）、无线局域网（WLAN）、IrDA（红外）、RFID（射频识别）、近场通信（NFC）技术、超宽带（UWB）技术、60 GHz无线通信技术、Ad hoc网络（自组网）技术等。全书共分10章，各章内容安排如下：

第1章为概述。首先概要介绍物联网的概念与发展，并简单描述物联网的体系结构和关键技术。然后介绍物联网通信，包括移动通信、宽带无线接入、短距离无线通信以及无线传感网络等。最后对多种典型的短距离无线通信技术进行了简要概述并分析比较各自的特点。

第2章介绍蓝牙。首先介绍蓝牙技术的发展及技术特点。然后，从蓝牙基带层协议、链路管理和逻辑链路控制与适应协议、主机控制接口功能规范和RFCOMM协议这几方面介绍蓝牙协议体系。接着从分析微微网入手介绍蓝牙的网络拓扑结构和路由机制，通过分析通用接入协议子集、串口协议子集和服务发现应用协议子集，详细介绍蓝牙协议子集和应用规范。最后简要介绍蓝牙技术的应用。

第3章介绍ZigBee。首先介绍ZigBee技术的概念、特点以及发展历程。接着着重介绍ZigBee协议栈结构及其安全问题。然后介绍ZigBee网络拓扑结构、组网技术和路由协议。最后介绍ZigBee无线传感器网络的工作模式及特点，并展望ZigBee的应用前景。

第4章介绍无线局域网（WLAN）。首先介绍WLAN的技术标准，通过与有线接入网的比较，介绍WLAN的技术特点。然后重点介绍WLAN的物理层、MAC层技术和网络安全技术。最后介绍WLAN的具体应用。

第5章介绍IrDA（红外）。首先简要介绍IrDA的发展情况。然后详细描述IrDA标准和两种规范——物理层规范和链接建立协议层规范，IrDA协议栈作为红外通信的核心，本章从核心协议层和可选协议层两方面介绍IrDA协议栈。最后简要介绍IrDA的应用。

第6章介绍RFID（射频识别）。首先从射频的概念和自动识别技术的起源与发展讲起，试图给出一个广阔的知识背景。接着介绍RFID技术的基本原理、系统组成、技术特点、技术标准等。然后从天线、防碰撞技术、安全与隐私三个方面重点阐述RFID的关键技术。最后介绍RFID技术的发展前景。

第7章介绍近场通信（NFC）技术。首先简述NFC的概念、发展历程和技术特点。然后详细介绍NFC的技术原理，包括工作原理、工作模式以及技术标准等，并对NFC安全问题进行讨论。最后，介绍NFC的应用及发展前景。

第8章介绍超宽带（UWB）技术。首先概述UWB技术的产生、发展、技术特点以及信道传播特征。接下来从脉冲成形、调制与多址、接收机等方面介绍UWB的关键技术。然后详细描述UWB的系统和技术方案。最后介绍UWB的应用和研究方向。

第9章介绍60 GHz无线通信技术。首先简要介绍60 GHz毫米波无线通信的技术特点以及优势。然后概述60 GHz无线通信国内外发展现状以及标准化概况，总结当前60 GHz无线通信的关键技术，包括收发电路、天线、电路集成等技术。最后介绍60 GHz无线通信技术的相关应用。

第10章介绍可见光无线通信技术。

第11章介绍Ad hoc网络（自组网）。首先概述Ad hoc技术的起源与发展、特点以及关键技术等。接着重点介绍Ad hoc技术的MAC协议和路由协议。然后介绍移动Ad hoc网络的QoS相关研究，包括QoS服务模型、QoS信令等。最后介绍Ad hoc技术的应用。

本书汇聚了短距无线通信领域最具实际应用意义的研究成果，不仅介绍各项技术的基本原理、技术特点及其在物联网中的应用等，而且对该领域的最新前沿课题给予关注，为读者进一步的深入研究奠定基础。

本书配有教学课件，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后下载。

致谢

在本书的编写过程中，作者参阅了国内外有关各种短距离无线通信技术的研究成果，具体内容已列在每章末尾的参考文献中。在此对所参阅文献和论文的作者表示衷心的感谢！

感谢中南大学信息科学与工程学院副院长施荣华教授、计算机工程系主任黄东军教授对本书撰写的大力支持和悉心指导！作为中南大学物联网专业的学科带头人，两位教授为本书的选题、内容组织以及审阅付出了大量的心血。中南大学信息科学与工程学院研究生谢羽嘉、朱炫滋、叶睿、王浩等人为本书的资料收集、录入、排版校对、绘图等做了大量的工作，在此一并表示感谢。

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