物联网与短距离无线通信技术（第3版）

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）、超宽带（UWB）技术、60 GHz无线通信、可见光通信（VLC）、Ad hoc网络（自组网）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。

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　物联网的系统结构 4
1.1.4　物联网的关键技术 6
1.2　物联网通信 9
1.2.1　移动通信 10
1.2.2　宽带无线接入 13
1.2.3　短距离无线通信 18
1.2.4　无线传感器网络 19
1.3　短距离无线通信技术概览 21
1.3.1　蓝牙 21
1.3.2　Wi-Fi 23
1.3.3　IrDA 24
1.3.4　ZigBee 24
1.3.5　RFID 25
1.3.6　NFC 26
1.3.7　UWB 27
1.3.8　60 GHz技术与太赫兹无线通信技术 28
1.3.9　Z-Wave 28
1.3.10　小结 29
1.4　本章小结 30
思考与练习 31
第2章 蓝牙无线通信技术 32
2.1　蓝牙技术概述 32
2.1.1　蓝牙技术发展概况 32
2.1.2　蓝牙的技术特点 33
2.1.3　蓝牙系统组成 35
2.2　蓝牙协议体系结构 36
2.2.1　蓝牙核心协议 37
2.2.2　电缆替换协议（RFCOMM） 40
2.2.3　电话传送控制协议 40
2.2.4　选用协议 40
2.2.5　主机控制器接口（HCI）功能规范 41
2.3　蓝牙协议子集及应用规范 42
2.3.1　通用接入协议子集 42
2.3.2　串口协议子集 44
2.3.3　服务发现应用协议子集 46
2.4　蓝牙组网与蓝牙路由机制 47
2.4.1　蓝牙网络拓扑结构 47
2.4.2　蓝牙路由机制 47
2.5　蓝牙技术的应用 50
2.6　本章小结 52
思考与练习 53
第3章 ZigBee无线通信技术 54
3.1　ZigBee技术概述 54
3.1.1　ZigBee发展概况 54
3.1.2　ZigBee技术的特点 55
3.1.3　ZigBee的应用目标 56
3.2　ZigBee协议栈 57
3.2.1　ZigBee协议架构及其特点 57
3.2.2　ZigBee协议栈体系安全 61
3.2.3　安全密钥 63
3.3　ZigBee组网技术 63
3.3.1　ZigBee网络层 63
3.3.2　ZigBee网络节点的结构 63
3.3.3　组建网络 64
3.4　ZigBee路由协议分析 65
3.4.1　网络层地址分配机制 65
3.4.2　ZigBee的路由协议 66
3.5　基于ZigBee的无线传感器网络 67
3.5.1　基于ZigBee的无线传感器网络的结构 68
3.5.2　基于ZigBee的无线传感器网络的工作模式 69
3.6　ZigBee的应用 70
3.7　本章小结 74
思考与练习 75
第4章 WLAN无线通信技术 76
4.1 WLAN概述 76
4.1.1 WLAN的技术标准 76
4.1.2 WLAN的技术特点 79
4.1.3 WLAN的网络拓扑结构 80
4.2 WLAN的物理层技术 81
4.2.1 IEEE 802.11 81
4.2.2 IEEE 802.11b 82
4.2.3 IEEE 802.11a/g 83
4.2.4 IEEE 802.11n 84
4.2.5 IEEE 802.11ac 84
4.2.6 IEEE 802.11ax 84
4.3 WLAN的MAC层技术 85
4.3.1 CSMA/CA 86
4.3.2 DCF与PCF 86
4.3.3 MLO 87
4.4 WLAN网络安全技术 88
4.4.1 链路认证 88
4.4.2 WLAN的数据加密 88
4.4.3 密钥管理及身份认证 91
4.5 WLAN的应用及其与其他技术的比较 93
4.5.1 WLAN的应用 93
4.5.2 WLAN与其他技术的比较 95
4.6 本章小结 97
思考与练习 98
第5章 IrDA无线通信技术 99
5.1 IrDA概述 99
5.1.1 IrDA的技术特点 99
5.1.2 IrDA的发展概述 100
5.2 IrDA技术标准 101
5.2.1 红外物理层（IrPHY）规范 101
5.2.2 红外链路建立协议（IrLAP）层 104
5.3 基于IrDA协议栈的红外通信 105
5.3.1 IrDA协议栈 105
5.3.2 核心协议层 106
5.3.3 可选协议层 109
5.4 IrDA的应用 110
5.5 本章小结 111
思考与练习 111
第6章 RFID无线通信技术 112
6.1 RFID基础 112
6.1.1 射频基础 112
6.1.2 自动识别技术概述 115
6.2 RFID的基本原理 119
6.2.1 RFID的工作原理 119
6.2.2 RFID系统的组成 121
6.2.3 RFID技术的特点 124
6.2.4 RFID技术的标准 124
6.3 RFID的关键技术 126
6.3.1 RFID系统的天线 126
6.3.2 防碰撞技术 129
6.3.3 安全与隐私问题 131
6.4 RFID技术的应用 133
6.4.1 RFID技术的应用背景 134
6.4.2 RFID技术的重要参数 134
6.4.3 RFID技术的典型应用 135
6.4.4 RFID技术和发展趋势 136
6.5 本章小结 137
思考与练习 137
第7章 NFC无线通信技术 138
7.1 NFC概述 138
7.1.1 NFC的概念 138
7.1.2 NFC的发展 139
7.1.3 NFC的技术特点 140
7.2 NFC的技术原理 141
7.2.1 工作原理 141
7.2.2 技术标准 142
7.2.3 工作模式 144
7.3 NFC的安全问题 146
7.3.1 链路层安全 146
7.3.2 应用层安全 147
7.4 NFC的应用与发展前景 148
7.4.1 NFC的应用 148
7.4.2 NFC的发展前景 150
7.5 本章小结 151
思考与练习 151
第8章 UWB无线通信技术 152
8.1 UWB技术概述 152
8.1.1 UWB技术的产生与发展 152
8.1.2 UWB的技术特点 154
8.1.3 UWB的信道传播特征 155
8.2 UWB的关键技术 156
8.2.1 UWB的脉冲成形技术 156
8.2.2 UWB的调制与多址技术 158
8.2.3 UWB接收器的关键技术 159
8.3 UWB系统方案 161
8.3.1 单频带UWB系统 162
8.3.2 多频带UWB系统 163
8.4 UWB技术的标准化 164
8.5 UWB技术的应用及研究方向 164
8.5.1 UWB技术的应用 164
8.5.2 UWB的研究方向 166
8.6 本章小结 167
思考与练习 168
第9章 60 GHz和太赫兹无线通信技术 169
9.1 60 GHz无线通信技术概述 170
9.1.1 60 GHz无线通信技术的特点 170
9.1.2 60 GHz无线通信的优势 172
9.1.3 60 GHz无线通信技术的发展现状 173
9.2 60 GHz无线通信的标准化 176
9.2.1 标准化概况 176
9.2.2 IEEE 802.15.3c标准简介 177
9.2.3 ECMA-387简介 180
9.3 60 GHz无线通信关键技术 180
9.4 60 GHz无线通信的应用 182
9.5 THz无线通信技术概述 184
9.5.1 THz无线通信技术发展概况 184
9.5.2 THz无线通信技术的特点 185
9.6 THz无线通信的关键技术 186
9.6.1 THz固态超外差接收器 186
9.6.2 THz波调制器 187
9.6.3 THz天线 187
9.6.4 THz信道建模与信道估计 189
9.6.5 THz波束成形和波束跟踪 189
9.6.6 THz智能表面 190
9.7 THz无线通信技术的应用场景 191
9.7.1 THz无线通信技术在B5G/6G移动通信网络中的应用 191
9.7.2 THz无线通信技术在无线数据中心中的应用 192
9.7.3 THz无线通信技术在空间通信网络中的应用 193
9.8 本章小结 193
思考与练习 194
第10章 可见光通信技术 195
10.1　可见光通信概述 195
10.1.1　可见光通信的基本原理 195
10.1.2　可见光通信的性质 196
10.1.3　可见光通信的发展现状 197
10.2　短距离可见光通信的标准化 199
10.2.1　VLC光谱与网络结构 199
10.2.2　物理层 200
10.2.3　媒介访问控制（MAC）层 201
10.3　可见光通信的关键技术 201
10.3.1　信道建模 202
10.3.2　阵列光源的布局设计 202
10.3.3　信道编码技术 202
10.3.4　调制复用技术 203
10.3.5　均衡技术 203
10.3.6　分集接收技术 203
10.4　可见光通信的应用 204
10.5　本章小结 207
思考与练习 207
第11章 Ad hoc网络无线通信技术 208
11.1　Ad hoc网络概述 208
11.1.1　Ad hoc网络的起源与发展 208
11.1.2　Ad hoc网络的特点 209
11.1.3　Ad hoc网络的体系结构 210
11.1.4　Ad hoc网络的关键技术 212
11.2　Ad hoc网络的MAC层协议 213
11.2.1　信道接入的公平性 214
11.2.2　隐藏终端与暴露终端问题 214
11.2.3　MAC层协议中的跨层设计 216
11.2.4　节能MAC层协议 216
11.2.5　MAC层协议的QoS保证 217
11.3　Ad hoc网络的路由协议 218
11.3.1　Ad hoc网络的单播路由协议 218
11.3.2　Ad hoc网络的多播路由协议 221
11.4　Ad hoc网络的QoS研究 222
11.4.1　QoS概述 222
11.4.2　Ad hoc网络的QoS服务模型 225
11.4.3　Ad hoc网络的QoS信令 225
11.5　Ad hoc网络的应用 226
11.5.1　Ad hoc网络的应用领域 226
11.5.2　无线自组织传感网络 227
11.5.3　车载Ad hoc网络 228
11.5.4　无人机Ad hoc网络 229
11.6　本章小结 231
思考与练习 232
参考文献 233