无线通信包含了众多的通信技术,为了对这些技术进行有效的组织,本书引进了现今热门的物联网技术,并通过对物联网通信过程的分析,将无线通信技术分为三个大环节进行组织,分别是接触环节的通信技术、末端网通信技术、接入网通信技术。鉴于末端网通信技术是当前物联网通信研究中zui重要的部分,所以又将末端网通信技术细分为了两个部分。因此,包括引论在内,本书一共分为五个部分。
第一部分首先简要介绍了移动计算和物联网的相关概念,然后着重介绍了本书对物联网通信环节的理解以及全书的组织思想。第二部分介绍了接触环节的无线通信技术,这是为了感知而进行的通信,主要包括标签RFID和导航等的通信技术。第三部分和第四部分是本书的核心,重点介绍了末端网中所使用的无线通信技术,包括无线底层技术和无线AdHoc网络通信技术。zui后一部分是接入网技术,包括一些主流的无线接入技术。鉴于读者对互联网部分已经比较熟悉了,因此不作为本书的重点。
本书的特点:首先,尽量从物联网的应用角度来介绍各种无线通信技术,包括为很多通信技术都准备了应用案例;其次,以物联网通信环节来组织教材内容,尽管可能并不一定准确,但是可以给用户一个大致的架构;再次,尽量选取当前主要的无线通信技术,并且以算法介绍为主;zui后,本书将各种通信基础知识分散融入到具体技术当中,可以避免枯燥、盲目的为了学习而学习的情况。
本书写作过程中力图做到概念准确,语言简洁,图文并茂。本书可以作为高校计算机专业本科生和研究生的教材。
第一部分 引 论
第1章 概 述…………………………………………………………………………………… 2
1.1 移动计算……………………………………………………………………………… 2
1.1.1 概念和特点…………………………………………………………………… 2
1.1.2 移动计算的分类……………………………………………………………… 3
1.2 物联网………………………………………………………………………………… 4
1.2.1 物联网概念…………………………………………………………………… 4
1.2.2 传感器网络…………………………………………………………………… 6
1.2.3 USN 体系架构及其分析……………………………………………………… 8
1.2.4 物联网通信环节的划分……………………………………………………… 10
第2章 物联网通信体系分析………………………………………………………………… 13
2.1 网络体系结构的分析………………………………………………………………… 13
2.1.1 两大模型的基本异同点……………………………………………………… 13
2.1.2 实用效果……………………………………………………………………… 13
2.1.3 教学效果……………………………………………………………………… 14
2.1.4 抽象体系结构的提出………………………………………………………… 14
2.2 从通信角度出发的物联网体系结构分析…………………………………………… 16
2.2.1 通信模式……………………………………………………………………… 16
2.2.2 物联网的通信体系结构……………………………………………………… 17
2.2.3 直接通信模式的分析………………………………………………………… 18
2.2.4 网关通信模式下的分析……………………………………………………… 21
第3章 无线通信底层技术概述……………………………………………………………… 25
3.1 数字通信模型………………………………………………………………………… 25
3.2 物理层………………………………………………………………………………… 25
3.3 数据链路层…………………………………………………………………………… 26
3.3.1 概 述………………………………………………………………………… 26
3.3.2 MAC子层相关算法………………………………………………………… 28
第二部分 接触环节的通信技术
第4章 射频标签RFID 技术………………………………………………………………… 36
4.1 RFID概述…………………………………………………………………………… 36
4.2 RFID工作原理……………………………………………………………………… 37
4.2.1 RFID主要部件……………………………………………………………… 37
4.2.2 RFID工作过程……………………………………………………………… 39
4.3 RFID通信协议……………………………………………………………………… 39
4.3.1 RFID通信形式……………………………………………………………… 40
4.3.2 空中接口……………………………………………………………………… 41
4.3.3 数据标准……………………………………………………………………… 41
4.4 ISO/IEC18000 6B协议…………………………………………………………… 41
4.4.1 概 述………………………………………………………………………… 42
4.4.2 部件及工作流程……………………………………………………………… 42
4.4.3 阅读器到标签的通信………………………………………………………… 43
4.4.4 标签到阅读器的通信………………………………………………………… 46
4.5 防止冲突算法………………………………………………………………………… 47
4.5.1 纯ALOHA 算法…………………………………………………………… 47
4.5.2 时隙ALOHA 算法………………………………………………………… 48
4.5.3 帧时隙ALOHA 算法……………………………………………………… 49
4.5.4 TypeA 采用的防冲突机制………………………………………………… 50
4.5.5 TypeB采用的防冲突机制………………………………………………… 52
4.5.6 TypeC采用的防冲突机制………………………………………………… 53
第5章 无线电导航…………………………………………………………………………… 55
5.1 概 述………………………………………………………………………………… 55
5.2 GPS ………………………………………………………………………………… 56
5.2.1 GPS工作原理……………………………………………………………… 56
5.2.2 GPS组成…………………………………………………………………… 57
5.2.3 GPS通信技术……………………………………………………………… 60
5.3 北斗卫星导航系统…………………………………………………………………… 64
5.3.1 概 述………………………………………………………………………… 64
5.3.2 北斗一号……………………………………………………………………… 64
5.3.3 北斗二号……………………………………………………………………… 67
5.3.4 北斗通信技术………………………………………………………………… 69
第6章 激光制导……………………………………………………………………………… 73
6.1 概 述………………………………………………………………………………… 73
6.2 激光制导原理………………………………………………………………………… 73
6.2.1 激光波束制导………………………………………………………………… 74
6.2.2 半主动寻的制导……………………………………………………………… 74
6.2.3 主动寻的制导………………………………………………………………… 75
6.2.4 激光指令制导………………………………………………………………… 75
6.3 激光制导编码………………………………………………………………………… 75
6.3.1 激光驾束制导的编码………………………………………………………… 76
6.3.2 激光寻的制导的编码………………………………………………………… 78
6.4 反激光制导…………………………………………………………………………… 81
6.4.1 制造制导屏障和欺骗………………………………………………………… 81
6.4.2 黑化和镜面处理……………………………………………………………… 82
6.4.3 模拟干扰……………………………………………………………………… 82
第三部分 末端网通信技术———无线通信底层技术
第7章 超宽带UWB ………………………………………………………………………… 85
7.1 概 述………………………………………………………………………………… 85
7.2 脉冲无线电………………………………………………………………………… 86
7.3 多频带OFDM ……………………………………………………………………… 88
7.3.1 概 述………………………………………………………………………… 88
7.3.2 物理层………………………………………………………………………… 88
7.3.3 MAC层……………………………………………………………………… 89
第8章 IrDA 红外连接技术…………………………………………………………………… 91
8.1 概 述………………………………………………………………………………… 91
8.2 IrDA 协议栈………………………………………………………………………… 93
8.3 IrLAP工作原理…………………………………………………………………… 94
8.4 其他应用协议………………………………………………………………………… 97
第9章 水下通信……………………………………………………………………………… 98
9.1 概 述………………………………………………………………………………… 98
9.2 水声网络……………………………………………………………………………… 99
9.3 物理层技术………………………………………………………………………… 100
9.3.1 多址技术分析……………………………………………………………… 100
9.3.2 水声通信的调制…………………………………………………………… 100
9.3.3 水声通信技术的发展……………………………………………………… 104
9.4 MAC层技术……………………………………………………………………… 104
9.4.1 MACA ……………………………………………………………………… 104
9.4.2 DBTMA 算法……………………………………………………………… 106
第10章 数据链……………………………………………………………………………… 108
10.1 概 述……………………………………………………………………………… 108
10.2 相关技术…………………………………………………………………………… 109
10.2.1 多址接入技术……………………………………………………………… 109
10.2.2 扩频技术…………………………………………………………………… 110
10.2.3 数据链集成………………………………………………………………… 111
10.2.4 战术数据链组网技术……………………………………………………… 111
10.3 典型数据链………………………………………………………………………… 112
10.3.1 Link 16 ………………………………………………………………… 112
10.3.2 其他数据链………………………………………………………………… 118
第四部分 末端网通信技术———AdHoc网络通信技术
第11章 AdHoc概念………………………………………………………………………… 124
11.1 AdHoc概述……………………………………………………………………… 124
11.2 自组织网的演化…………………………………………………………………… 125
11.3 自组织网的体系结构……………………………………………………………… 126
第12章 AdHoc网络………………………………………………………………………… 129
12.1 概 述……………………………………………………………………………… 129
12.2 AdHoc系统结构………………………………………………………………… 130
12.2.1 移动节点结构……………………………………………………………… 130
12.2.2 网络结构…………………………………………………………………… 130
12.3 AdHoc路由协议………………………………………………………………… 132
12.3.1 概 述……………………………………………………………………… 132
12.3.2 DSDV 路由算法…………………………………………………………… 135
12.3.3 DSR路由协议…………………………………………………………… 138
12.3.4 AODV 协议……………………………………………………………… 141
第13章 无线传感器网络…………………………………………………………………… 145
13.1 概 述……………………………………………………………………………… 145
13.2 路由算法…………………………………………………………………………… 146
13.2.1 概 述……………………………………………………………………… 146
13.2.2 SPIN 协议………………………………………………………………… 148
13.2.3 LEACH 协议……………………………………………………………… 149
13.2.4 PEGASIS协议…………………………………………………………… 153
13.3 特殊的传感器网络………………………………………………………………… 154
13.3.1 水声传感器网络…………………………………………………………… 154
13.3.2 WSID ……………………………………………………………………… 157
第14章 机会网络…………………………………………………………………………… 158
14.1 概 述……………………………………………………………………………… 158
14.1.1 机会网络概念及特征……………………………………………………… 158
14.1.2 机会网络的应用…………………………………………………………… 160
14.2 机会网络体系结构及路由技术…………………………………………………… 161
14.2.1 概 述……………………………………………………………………… 161
14.2.2 PROPHET ……………………………………………………………… 164
14.2.3 CMTS路由算法………………………………………………………… 165
14.3 车载自组织网络…………………………………………………………………… 167
第15章 蓝 牙……………………………………………………………………………… 169
15.1 概 述……………………………………………………………………………… 169
15.2 蓝牙协议体系结构………………………………………………………………… 170
15.3 微微网与散射网…………………………………………………………………… 172
15.4 蓝牙的传输技术…………………………………………………………………… 174
15.4.1 双 工……………………………………………………………………… 174
15.4.2 跳 频……………………………………………………………………… 174
15.4.3 无线链路…………………………………………………………………… 175
15.4.4 数据包和编址……………………………………………………………… 175
15.4.5 建立连接…………………………………………………………………… 176
15.4.6 连接模式…………………………………………………………………… 177
15.4.7 可靠性保证………………………………………………………………… 178
15.5 散射网的拓扑形成和路由算法…………………………………………………… 179
15.5.1 BTCP算法………………………………………………………………… 179
15.5.2 BlueTrees算法…………………………………………………………… 181
15.5.3 Scatternet Route协议………………………………………………… 181
15.5.4 BlueStars算法…………………………………………………………… 182
15.5.5 BAODV 算法……………………………………………………………… 182
15.5.6 LARP算法………………………………………………………………… 184
第16章 ZigBee ……………………………………………………………………………… 187
16.1 概 述……………………………………………………………………………… 187
16.2 ZigBee的组网…………………………………………………………………… 188
16.2.1 ZigBee的组成…………………………………………………………… 188
16.2.2 ZigBee网络的拓扑结构………………………………………………… 189
16.2.3 ZigBee网络的组网……………………………………………………… 190
16.3 ZigBee体系结构………………………………………………………………… 191
16.3.1 物理层……………………………………………………………………… 191
16.3.2 MAC层…………………………………………………………………… 192
16.3.3 网络层……………………………………………………………………… 195
16.3.4 应用层……………………………………………………………………… 196
16.4 ZigBee路由……………………………………………………………………… 197
16.4.1 树形路由…………………………………………………………………… 197
16.4.2 AODVjr…………………………………………………………………… 199
第17章 其他无线技术……………………………………………………………………… 202
17.1 Z Wave ………………………………………………………………………… 202
17.1.1 概 述……………………………………………………………………… 202
17.1.2 网络组成…………………………………………………………………… 202
17.1.3 Z Wave体系…………………………………………………………… 203
17.2 MiWi无线网络协议……………………………………………………………… 205
17.2.1 概 述……………………………………………………………………… 205
17.2.2 MiWi网络拓扑…………………………………………………………… 206
17.2.3 MiWi地址和路由………………………………………………………… 207
第五部分 接入网通信技术
第18章 无线光通信………………………………………………………………………… 211
18.1 概 述……………………………………………………………………………… 211
18.2 无线光通信相关技术……………………………………………………………… 212
18.2.1 光调制技术………………………………………………………………… 212
18.2.2 信道编码…………………………………………………………………… 215
18.2.3 复用技术…………………………………………………………………… 217
18.3 其他技术…………………………………………………………………………… 218
18.3.1 卫星激光通信……………………………………………………………… 218
18.3.2 灯光上网…………………………………………………………………… 219
第19章 IEEE802.11无线局域网………………………………………………………… 221
19.1 概 述……………………………………………………………………………… 221
19.2 Wifi系统组成…………………………………………………………………… 221
19.3 IEEE802.11协议………………………………………………………………… 222
19.3.1 协议栈……………………………………………………………………… 222
19.3.2 DCF工作模式…………………………………………………………… 223
19.3.3 IEEE802.11的CSMA/CA ……………………………………………… 224
第20章 无线Mesh网络…………………………………………………………………… 227
第21章 蜂窝通信…………………………………………………………………………… 235
第22章 卫星通信…………………………………………………………………………… 247
