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物联网工程与技术规划教材

内容简介

本书主要介绍短距离无线通信技术和通信网络的技术及应用，内容包括短距离无线通信概论、Wi-Fi技术及应用、ZigBee技术及应用、蓝牙技术及应用、超宽带（UWB）技术及应用、60 GHz无线通信技术及应用、无线自组织网络技术等，详细分析了Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术三种短距离无线通信技术的基本理论、基本技术、基本方法，并兼顾具体实际应用。通过本书的学习，有助于读者尽快全面了解和掌握短距离无线通信系统技术，为其应用提供了技术参考。

作者简介

中国无线通信标准研究组成员；《电子学报》审稿专家；《信息技术研究》编辑部主任。作为项目负责人与项目骨干以及主要研发人员承担和参与了多个重大项目、课题的研发工作，其中3项为国家科技攻关重中之重项目和863计划项目，1项产业化项目和1项军队攻关项目。获省部级科技进步奖多项，目前承担河南省杰出青年科学基金项目“3G-1x EVDO反向链路速率控制问题研究”，项目编号074100510023。

目　　录

第1章短距离无线通信概论 1
1.1 引言 1
1.2 典型的短距离无线通信技术 2
1.2.1 蓝牙网络技术 2
1.2.2 ZigBee技术 7
1.2.3 Wi-Fi技术 8
1.2.4 UWB技术 12
1.2.5 60GHz无线通信技术 13
1.2.6 主要短距离无线通信技术的比较 18
1.3 短距离无线传输信道 18
1.3.1 短距离无线信道的特点 19
1.3.2 大尺度传播特性 19
1.3.3 多径传播与小尺度传播特性 20
1.3.4 无线传输信道建模方法 21

第1章 短距离无线通信概论	1 
1.1 引言	1 
1.2 典型的短距离无线通信技术	2 
1.2.1 蓝牙网络技术	2 
1.2.2 ZigBee技术	7 
1.2.3 Wi-Fi技术	8 
1.2.4 UWB技术	12 
1.2.5 60GHz无线通信技术	13 
1.2.6 主要短距离无线通信技术的比较	18 
1.3 短距离无线传输信道	18 
1.3.1 短距离无线信道的特点	19 
1.3.2 大尺度传播特性	19 
1.3.3 多径传播与小尺度传播特性	20 
1.3.4 无线传输信道建模方法	21 
1.3.5 短距离室内环境无线信道模型	21 
1.4 无线自组织网络技术	24 
1.4.1 无线自组织网络概述	24 
1.4.2 无线自组织网络的定义及特点	25 
1.4.3 无线自组织网络的应用场合	27 
参考文献	28 
第2章 Wi-Fi技术及应用	29 
2.1 IEEE 802.11协议体系结构	30 
2.1.1 物理层	30 
2.1.2 数据链路层	33 
2.1.3 IEEE 802.11 MAC帧的格式	36 
2.2 Wi-Fi技术	40 
2.2.1 Wi-Fi的物理层技术原理与协议	40 
2.2.2 扩频通信技术	41 
2.2.3 Wi-Fi的MAC层接入协议	44 
2.3 Wi-Fi 网络架构和优化	49 
2.3.1 ADSL 接入	49 
2.3.2 LAN 接入	50 
2.3.3 EPON 接入	51 
2.3.4 AC 应用的网络架构	51 
2.3.5 通过网络架构优化实现Wi-Fi网络质量提升	53 
2.3.6 Wi-Fi 业务方式	54 
2.3.7 Wi-Fi 网络质量优化建议	56 
2.4 Wi-Fi 技术的应用与发展	57 
2.4.1 Wi-Fi 技术的应用	57 
2.4.2 Wi-Fi 技术的发展	57 
参考文献	58 
第3章 ZigBee技术及应用	59 
3.1 ZigBee技术概述	59 
3.2 ZigBee协议体系	61 
3.2.1 物理层	63 
3.2.2 媒体接入控制层	66 
3.2.3 网络层	72 
3.2.4 应用层	75 
3.2.5 ZigBee安全管理	77 
3.3 ZigBee网络构成	79 
3.3.1 ZigBee网络成员	79 
3.3.2 ZigBee网络的拓扑结构	82 
3.3.3 ZigBee网络的建立	83 
3.3.4 ZigBee路由协议	87 
3.4 ZigBee技术的应用	91 
3.4.1 ZigBee技术应用概述	91 
3.4.2 ZigBee技术典型应用：智能家居	91 
参考文献	94 
第4章 蓝牙技术及应用	95 
4.1 蓝牙技术概述	95 
4.2 传统蓝牙技术	96 
4.2.1 蓝牙无线规范	97 
4.2.2 蓝牙基带规范	98 
4.2.3 蓝牙的其他几个重要协议	108 
4.3 高速蓝牙技术	112 
4.3.1 PAL协议	112 
4.3.2 PAL物理链路管理器	114 
4.3.3 逻辑链路管理器	117 
4.3.4 数据管理器	117 
4.4 低功耗蓝牙技术	118 
4.4.1 BLE协议栈	119 
4.4.2 BLE 底层协议	120 
4.4.3 BLE中间层协议	121 
4.4.4 BLE 高层协议	126 
4.5 蓝牙4.1	128 
4.6 蓝牙技术的应用	129 
参考文献	130 
第5章 超宽带UWB技术及应用	131 
5.1 UWB技术概述	131 
5.1.1 UWB技术的定义	131 
5.1.2 UWB技术的特点	134 
5.1.3 UWB的信道传播特征	137 
5.2 UWB的关键技术	139 
5.3 UWB技术的标准化方案	145 
5.3.1 DS-UWB方案	146 
5.3.2 MB-OFDM-UWB方案	146 
5.3.3 IEEE 802.15.4a低速UWB标准化	147 
5.3.4 我国UWB标准化工作	148 
5.4 UWB的系统方案	149 
5.4.1 单频带系统	150 
5.4.2 多频带系统	150 
5.5 UWB的应用	152 
5.5.1 UWB的应用概述	152 
5.5.2 UWB室内无线通信应用举例	155 
参考文献	164 
第6章 60GHz无线通信技术及应用	166 
6.1 60GHz无线通信技术概述	167 
6.1.1 60GHz无线通信技术发展概况	167 
6.1.2 60GHz的特点和优势	170 
6.2 60GHz无线通信的标准化	175 
6.3 60GHz无线通信关键技术研究	179 
6.4 60GHz无线通信的应用	185 
参考文献	188 
第7章 无线自组织网络技术	190 
7.1 Ad hoc网络协议	191 
7.1.1 移动Ad hoc网络MAC协议	191 
7.1.2 移动Ad hoc网络路由协议	202 
7.2 移动Ad hoc网络的TCP协议	214 
7.2.1 TCP在移动Ad hoc网络中遇到的问题	214 
7.2.2 移动Ad hoc网络中TCP的方案	216 
7.3 移动Ad hoc网络的低功耗技术	225 
7.3.1 协议栈各层涉及的节能问题	226 
7.3.2 两种主要的节能机制	228 
参考文献	231 
附录A 缩略词	233

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前　　言

随着现代电子技术的快速发展，各种便携式电子设备（如智能手机、平板电脑、可穿戴设备等）已经越来越深入地影响着现代人的生活。这些便携式设备之所以可以如此广泛而深入地影响到我们，离不开现代通信技术的蓬勃发展，尤其是短距离无线通信技术的发展。无线通信技术的发展使人们可以随时随地联系到彼此，不仅丰富了人与人的联系方式，更是将“物”纳入通信体系，从而颠覆了人与物、物与物的联系方式，从而使我们可以更加直观而便捷地与生活环境进行“交流”。可以说，正是短距离无线通信技术的发展才使我们今天可以自由而普遍地和我们所赖以生存的这个世界发生千丝万缕的联系，而这种联系还将随着技术的发展变得更加自由、更加普遍、更加深入。
因此每一个人都有必要了解这些改变我们生活的技术，对于通信领域的学生和从业者而言更是如此，鉴于此，我们编写了本书。书中对当前主流的短距离无线通信技术进行了详细的介绍，既可作为初学者的启蒙读物，亦可作为深入学习者的参考读物。本书共分7章，其中：
第1章介绍了短距离无线通信技术的基本概念，对典型短距离无线通信技术的标准化进程及其特点进行了分析，详细分析了短距离无线传输信道的特点、信号传播特性及无线传输信道的建模方法，最后介绍了短距离无线通信技术的组网方式。
第2章介绍了IEEE 802.11标准，分析了Wi-Fi的物理层技术原理与协议、MAC层接入协议等，重点讨论了Wi-Fi 网络架构和优化。

随着现代电子技术的快速发展，各种便携式电子设备（如智能手机、平板电脑、可穿戴设备等）已经越来越深入地影响着现代人的生活。这些便携式设备之所以可以如此广泛而深入地影响到我们，离不开现代通信技术的蓬勃发展，尤其是短距离无线通信技术的发展。无线通信技术的发展使人们可以随时随地联系到彼此，不仅丰富了人与人的联系方式，更是将“物”纳入通信体系，从而颠覆了人与物、物与物的联系方式，从而使我们可以更加直观而便捷地与生活环境进行“交流”。可以说，正是短距离无线通信技术的发展才使我们今天可以自由而普遍地和我们所赖以生存的这个世界发生千丝万缕的联系，而这种联系还将随着技术的发展变得更加自由、更加普遍、更加深入。 
因此每一个人都有必要了解这些改变我们生活的技术，对于通信领域的学生和从业者而言更是如此，鉴于此，我们编写了本书。书中对当前主流的短距离无线通信技术进行了详细的介绍，既可作为初学者的启蒙读物，亦可作为深入学习者的参考读物。本书共分7章，其中： 
第1章介绍了短距离无线通信技术的基本概念，对典型短距离无线通信技术的标准化进程及其特点进行了分析，详细分析了短距离无线传输信道的特点、信号传播特性及无线传输信道的建模方法，最后介绍了短距离无线通信技术的组网方式。 
第2章介绍了IEEE 802.11标准，分析了Wi-Fi的物理层技术原理与协议、MAC层接入协议等，重点讨论了Wi-Fi 网络架构和优化。 
第3章介绍了ZigBee技术。ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本、短距离的双向无线通信技术，主要由IEEE 802.15.4小组和ZigBee联盟两个组织负责标准规范的制定。该章主要介绍其协议规范及应用场景。 
第4章介绍了蓝牙技术。该章以蓝牙技术发展过程中的典型技术特点为主线，分别介绍传统蓝牙、高速蓝牙及低功耗蓝牙的协议规范、技术特点及应用场景。 
 
第5章概述超宽带技术的产生与发展及其技术特点，详细介绍了UWB信道传输特征，超宽带的关键技术，如调制与多址技术、无线脉冲成形技术等，还介绍了UWB的系统和技术实现方案及今后的研究方向。 
第6章简要介绍了60GHz毫米波通信的技术特点、优势及其国内外发展现状，介绍了60GHz通信的关键技术，包括收发电路、天线等。 
第7章介绍短距离无线通信组网技术，包括移动Ad hoc网络协议、TCP协议及Ad hoc网络低功耗技术等。 
本书在黄河科技学院柴远波博士和中国电信河南省分公司林成博士的指导下，由赵春雨、王丽霞、张具琴、胡彬共同编写完成，其中赵春雨编写了第1章，王丽霞编写了第3章和第4章，张具琴编写了第5章和第6章，胡彬编写了第2章和第7章，赵春雨负责全书的统稿与校对。 
由于作者水平有限，书中纰漏之处难免，敬请广大读者指正，不胜感激。 
 
 编 者

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在线试读部分章节

第1章短距离无线通信概论 1
1.1 引言 1
1.2 典型的短距离无线通信技术 2
1.2.1 蓝牙网络技术 2
1.2.2 ZigBee技术 7
1.2.3 Wi-Fi技术 8
1.2.4 UWB技术 12
1.2.5 60GHz无线通信技术 13
1.2.6 主要短距离无线通信技术的比较 18
1.3 短距离无线传输信道 18
1.3.1 短距离无线信道的特点 19
1.3.2 大尺度传播特性 19
1.3.3 多径传播与小尺度传播特性 20
1.3.4 无线传输信道建模方法 21
1.3.5 短距离室内环境无线信道模型 21
1.4 无线自组织网络技术 24
1.4.1 无线自组织网络概述 24
1.4.2 无线自组织网络的定义及特点 25
1.4.3 无线自组织网络的应用场合 27

第1章 短距离无线通信概论	1 
1.1 引言	1 
1.2 典型的短距离无线通信技术	2 
1.2.1 蓝牙网络技术	2 
1.2.2 ZigBee技术	7 
1.2.3 Wi-Fi技术	8 
1.2.4 UWB技术	12 
1.2.5 60GHz无线通信技术	13 
1.2.6 主要短距离无线通信技术的比较	18 
1.3 短距离无线传输信道	18 
1.3.1 短距离无线信道的特点	19 
1.3.2 大尺度传播特性	19 
1.3.3 多径传播与小尺度传播特性	20 
1.3.4 无线传输信道建模方法	21 
1.3.5 短距离室内环境无线信道模型	21 
1.4 无线自组织网络技术	24 
1.4.1 无线自组织网络概述	24 
1.4.2 无线自组织网络的定义及特点	25 
1.4.3 无线自组织网络的应用场合	27 
参考文献	28 
第2章 Wi-Fi技术及应用	29 
2.1 IEEE 802.11协议体系结构	30 
2.1.1 物理层	30 
2.1.2 数据链路层	33 
2.1.3 IEEE 802.11 MAC帧的格式	36 
2.2 Wi-Fi技术	40 
2.2.1 Wi-Fi的物理层技术原理与协议	40 
2.2.2 扩频通信技术	41 
2.2.3 Wi-Fi的MAC层接入协议	44 
2.3 Wi-Fi 网络架构和优化	49 
2.3.1 ADSL 接入	49 
2.3.2 LAN 接入	50 
2.3.3 EPON 接入	51 
2.3.4 AC 应用的网络架构	51 
2.3.5 通过网络架构优化实现Wi-Fi网络质量提升	53 
2.3.6 Wi-Fi 业务方式	54 
2.3.7 Wi-Fi 网络质量优化建议	56 
2.4 Wi-Fi 技术的应用与发展	57 
2.4.1 Wi-Fi 技术的应用	57 
2.4.2 Wi-Fi 技术的发展	57 
参考文献	58 
第3章 ZigBee技术及应用	59 
3.1 ZigBee技术概述	59 
3.2 ZigBee协议体系	61 
3.2.1 物理层	63 
3.2.2 媒体接入控制层	66 
3.2.3 网络层	72 
3.2.4 应用层	75 
3.2.5 ZigBee安全管理	77 
3.3 ZigBee网络构成	79 
3.3.1 ZigBee网络成员	79 
3.3.2 ZigBee网络的拓扑结构	82 
3.3.3 ZigBee网络的建立	83 
3.3.4 ZigBee路由协议	87 
3.4 ZigBee技术的应用	91 
3.4.1 ZigBee技术应用概述	91 
3.4.2 ZigBee技术典型应用：智能家居	91 
参考文献	94 
第4章 蓝牙技术及应用	95 
4.1 蓝牙技术概述	95 
4.2 传统蓝牙技术	96 
4.2.1 蓝牙无线规范	97 
4.2.2 蓝牙基带规范	98 
4.2.3 蓝牙的其他几个重要协议	108 
4.3 高速蓝牙技术	112 
4.3.1 PAL协议	112 
4.3.2 PAL物理链路管理器	114 
4.3.3 逻辑链路管理器	117 
4.3.4 数据管理器	117 
4.4 低功耗蓝牙技术	118 
4.4.1 BLE协议栈	119 
4.4.2 BLE 底层协议	120 
4.4.3 BLE中间层协议	121 
4.4.4 BLE 高层协议	126 
4.5 蓝牙4.1	128 
4.6 蓝牙技术的应用	129 
参考文献	130 
第5章 超宽带UWB技术及应用	131 
5.1 UWB技术概述	131 
5.1.1 UWB技术的定义	131 
5.1.2 UWB技术的特点	134 
5.1.3 UWB的信道传播特征	137 
5.2 UWB的关键技术	139 
5.3 UWB技术的标准化方案	145 
5.3.1 DS-UWB方案	146 
5.3.2 MB-OFDM-UWB方案	146 
5.3.3 IEEE 802.15.4a低速UWB标准化	147 
5.3.4 我国UWB标准化工作	148 
5.4 UWB的系统方案	149 
5.4.1 单频带系统	150 
5.4.2 多频带系统	150 
5.5 UWB的应用	152 
5.5.1 UWB的应用概述	152 
5.5.2 UWB室内无线通信应用举例	155 
参考文献	164 
第6章 60GHz无线通信技术及应用	166 
6.1 60GHz无线通信技术概述	167 
6.1.1 60GHz无线通信技术发展概况	167 
6.1.2 60GHz的特点和优势	170 
6.2 60GHz无线通信的标准化	175 
6.3 60GHz无线通信关键技术研究	179 
6.4 60GHz无线通信的应用	185 
参考文献	188 
第7章 无线自组织网络技术	190 
7.1 Ad hoc网络协议	191 
7.1.1 移动Ad hoc网络MAC协议	191 
7.1.2 移动Ad hoc网络路由协议	202 
7.2 移动Ad hoc网络的TCP协议	214 
7.2.1 TCP在移动Ad hoc网络中遇到的问题	214 
7.2.2 移动Ad hoc网络中TCP的方案	216 
7.3 移动Ad hoc网络的低功耗技术	225 
7.3.1 协议栈各层涉及的节能问题	226 
7.3.2 两种主要的节能机制	228 
参考文献	231 
附录A 缩略词	233

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