无线短距离通信应用技术（第2版）

由于无线短距离通信技术的应用非常多样化，而且要求也各不相同，所以多种标准和技术并存的现象会长期存在。例如，需要宽带传输的视频，进行高速数据传输时可以采用UWB技术；对传输速率要求不高，对功耗、成本等有较高要求的无线传感网可以采用ZigBee、蓝牙或与其相似的技术；对于短距离标签的无线识别，可以采用NFC、RFID等无线通信技术。从使用的频率上来看，很多无线短距离通信使用的是ISM（工业、科学和医疗）频段，在限制功率的前提下，对频率的使用不需要许可。
遗憾的是，由于频谱资源的稀缺性及无线通信技术的快速发展，部分短距离通信的频谱也需要更高的频率。此外，除了2.4GHz频段以外，对其他频段的使用规定各国各不相同，因此，有些标准会给出多个频段。UWB、NFC、RFID使用频段的情况有所不同：UWB由于近似白噪声通信，平均功率密度非常低，使用高频率（如3.1～10.6GHz）和高带宽（如4～7GHz）；NFC、RFID由于通信距离非常短，发射功率极低，所以使用的频段限制相对较为宽泛。例如，RFID就有使用低频（125kHz、134kHz）、高频（13MHz）、超高频（868～956MHz）和微波（2.4GHz）等不同频段的产品。
在标准方面，当前无论在哪种应用领域，都有多个组织和多种标准存在，如IEEE、ISO/IEC、ZigBee联盟及一些民间组织等。有些技术的标准往往是一些组织之间分工合作的结果，例如，ZigBee技术标准就是IEEE和ZigBee联盟合作的产物。
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人们的生活。这些便携式设备之所以如此广泛而深入地影响人们的生活，离不开现代通信技术的蓬勃发展，尤其是无线短距离通信技术的发展。无线通信技术的发展使人们可以随时随地联系彼此，而无线短距离通信技术的发展不仅拓展了人与人的沟通渠道，更是将“物”纳入通信体系，从而使人与物、物与物的联系方式产生了巨大的变化，进而使人们可以更加直观与便捷地与生活环境进行“交流”。可以说，正是由于无线短距离通信技术的发展，才使得今天的人类可以自由而普遍地与所生存的这个世界发生着千丝万缕的联系，而这种联系还将会随着技术的发展变得更加自由、更加普遍、更加深入。
每一个人都有必要了解这些改变人类生活的技术，对于身处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。书中对当前主流的无线短距离通信技术及其应用进行了详细的介绍，既可作为初学者的启蒙读物，也可作为深入学习者的参考用书。
本书在《短距离无线通信技术及应用》的基础上再版编写而成，由黄河科技学院柴远波教授和董满才博士任主编，赵春雨、王丽霞、张具琴、李伟、禹春来、皮星宇任副主编，董满才负责全书的统稿与校对工作。
由于编者水平有限，书中纰漏之处难免，敬请广大读者指正。编者将不胜感激。

                                                     编  者

本书对短距离无线通信技术进行了系统分析、总结与研究。主要内容包括Wi-Fi技术及其应用、蓝牙技术及其应用、Zigbee技术及其应用、UWB技术及其应用、近距离无线主动传输技术、短距离无线通信与物联网系统、无线自组织网络技术。内容涵盖了短距离无线通信技术的主要理论基础和*发展成果，涉及了现代通信技术领域研究的主要热点，包括5G通信、智能家居、智慧城市、智能交通等。本书注重技术方法的完整性、先进性和可操作性，可供通信行业研究人员、高年级本科生、研究生、教师参考，亦可作为大学本科通信工程或相关专业的教材使用。

柴远波，男，教授，博士，黄河科技学院信息工程研究所所长，通信技术学术带头人，发表论文60余篇，专著10部，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。

第1章 概述 1 
1.1 引言 1 
1.2 无线短距离通信的特点及技术 2 
1.2.1 蓝牙技术 3 
1.2.2 ZigBee技术 7 
1.2.3 Wi-Fi技术 9 
1.2.4 UWB技术 12 
1.2.5 60GHz无线通信技术 13 
1.3 电波传播模型 17 
1.3.1 电波传播的环境 18 
1.3.2 电波传播特性及其应用 20 
1.3.3 电波传播模型的分类 22 
1.4 无线短距离传输信道 23 
1.4.1 无线短距离传输信道的特点 23 
1.4.2 大尺度传播特性 24 
1.4.3 多径传播与小尺度传播特性 24 
1.4.4 无线传输信道建模方法 25 
1.4.5 短距离室内环境无线传输信道模型 26 
第2章 Wi-Fi技术及其应用 30 
2.1 引言 30 
2.2 IEEE 802.11体系结构 31 
2.2.1 物理层 31 
2.2.2 数据链路层 34 
2.2.3 IEEE 802.11 MAC帧的格式 37 
2.3 Wi-Fi技术 40 
2.3.1 物理层技术原理与协议 40 
2.3.2 扩频通信技术 41 
2.3.3 MAC层接入协议 45 
2.4 Wi-Fi网络架构和优化 50 
2.4.1 ADSL接入 51 
2.4.2 LAN接入 51 
2.4.3 EPON接入 51 
2.4.4 AC应用的网络架构 51 
2.4.5 通过网络架构优化实现Wi-Fi网络质量提升 54 
2.4.6 Wi-Fi业务方式 54 
2.4.7 Wi-Fi网络质量优化建议 56 
2.5 校园Wi-Fi网络建设 57 
2.5.1 校园Wi-Fi网络拓扑设计 57 
2.5.2 校园Wi-Fi网络频率规划 58 
2.5.3 校园Wi-Fi网络覆盖指标 59 
2.5.4 校园Wi-Fi网络AP覆盖设计 59 
2.6 Wi-Fi技术的应用与发展 61 
2.6.1 Wi-Fi技术与智能家居系统 61 
2.6.2 Wi-Fi联合5G组网技术 62 
本章小结 63 
思考题 64 
参考文献 64 
第3章 ZigBee技术及其应用 65 
3.1 引言 65 
3.2 ZigBee协议体系 67 
3.2.1 物理层 68 
3.2.2 媒体接入控制层 71 
3.2.3 网络层 77 
3.2.4 应用层 79 
3.2.5 ZigBee安全管理 81 
3.3 ZigBee网络构成 83 
3.3.1 ZigBee网络成员 83 
3.3.2 ZigBee网络拓扑结构 86 
3.3.3 ZigBee网络的建立 88 
3.3.4 ZigBee路由协议 91 
3.4 ZigBee技术的应用 95 
本章小结 95 
思考题 96 
参考文献 96 
第4章 蓝牙技术及其应用 97 
4.1 引言 97 
4.2 传统蓝牙技术 98 
4.2.1 蓝牙无线规范 99 
4.2.2 蓝牙基带规范 100 
4.2.3 蓝牙的其他几个重要协议 110 
4.3 高速蓝牙技术 114 
4.3.1 PAL协议 114 
4.3.2 PAL物理链路管理器 116 
4.3.3 逻辑链路管理器 118 
4.3.4 数据管理器 119 
4.4 低功耗蓝牙技术 120 
4.4.1 BLE协议栈 121 
4.4.2 BLE底层协议 121 
4.4.3 BLE中间层协议 122 
4.4.4 BLE高层协议 128 
4.5 蓝牙4.1 129 
4.6 蓝牙技术的应用 131 
本章小结 132 
思考题 132 
参考文献 133 
第5章 UWB技术和60GHz无线通信技术 134 
5.1 UWB技术 134 
5.1.1 UWB技术简介 134 
5.1.2 UWB的关键技术 142 
5.1.3 UWB技术的标准化方案 149 
5.1.4 UWB的系统方案 153 
5.1.5 UWB的应用 155 
5.2 60GHz无线通信技术 174 
5.2.1 60GHz无线通信技术简介 174 
5.2.2 60GHz无线通信的标准化 179 
5.2.3 60GHz无线通信关键技术 180 
5.2.4 60GHz无线通信的应用 186 
本章小结 188 
思考题 188 
参考文献 189 
第6章 无线短距离通信主动传输技术 192 
6.1 无线短距离通信主动传输技术简介 192 
6.2 RFID技术 193 
6.2.1 工作原理 193 
6.2.2 关键技术 196 
6.2.3 主要应用场景 199 
6.3 NFC技术 200 
6.3.1 工作原理 201 
6.3.2 关键技术 208 
6.3.3 主要应用场景 209 
6.3.4 RFID与NFC技术 211 
6.4 太赫兹技术 213 
6.4.1 工作原理 214 
6.4.2 关键技术 215 
6.4.3 主要应用场景 217 
本章小结 220 
思考题 220 
参考文献 220 
第7章　无线短距离通信与物联网系统 224 
7.1　物联网的基本概念 224 
7.1.1　物联网的体系架构 225 
7.1.2　物联网的特点 226 
7.1.3　物联网的应用场景 226 
7.2　智能交通—车联网 227 
7.2.1　技术概述 227 
7.2.2 DSRC与LTE-V2V对比 228 
7.2.3　WAVE通信技术 228 
7.2.4 LTE-V通信技术 237 
7.2.5 5G车联网 241 
7.2.6　主要应用 247 
7.2.7　示范项目 248 
7.3　智能家居 250 
7.3.1　智能家居概述 250 
7.3.2　智能家居研究现状 251 
7.3.3　智能家居系统的整体架构 253 
7.3.4　智能家居网关通信技术 257 
7.3.5　智能家居发展趋势 260 
7.4　基于5G技术的智慧城市 260 
7.5　无线智能电网和家庭能源管理 261 
本章小结 263 
思考题 263 
参考文献 264 
第8章　无线自组织网络技术 265 
8.1　Ad Hoc网络协议 265 
8.1.1　移动Ad Hoc网络MAC协议 265 
8.1.2　移动Ad Hoc网络路由协议 275 
8.2　移动Ad Hoc网络的TCP协议 285 
8.2.1　TCP在移动Ad Hoc网络中遇到的问题 285 
8.2.2　移动Ad Hoc网络中的TCP方案 285 
8.3　移动Ad Hoc网络的低功耗技术 294 
8.3.1　协议栈各层涉及的节能问题 295 
8.3.2　两种主要的节能机制 298 
8.4　无线自组织网络技术应用 300 
8.4.1　应急通信组网 300 
8.4.2　无线个域网组网 304 
8.4.3　无线局域网组网 309 
本章小结 310 
思考题 311 
参考文献 311

本书对短距离无线通信技术进行了系统分析、总结与研究。主要内容包括Wi-Fi技术及其应用、蓝牙技术及其应用、Zigbee技术及其应用、UWB技术及其应用、近距离无线主动传输技术、短距离无线通信与物联网系统、无线自组织网络技术。内容涵盖了短距离无线通信技术的主要理论基础和*发展成果，涉及了现代通信技术领域研究的主要热点，包括5G通信、智能家居、智慧城市、智能交通等。本书注重技术方法的完整性、先进性和可操作性，可供通信行业研究人员、高年级本科生、研究生、教师参考，亦可作为大学本科通信工程或相关专业的教材使用。

柴远波，男，教授，博士，黄河科技学院信息工程研究所所长，通信技术学术带头人，发表论文60余篇，专著10部，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。