【现货速发】物联网通信

前言
物联网工程是当前研究和应用的热点，是围绕国家战略新兴产业设立的新专业，是一个与产业启动和发展同步的新专业。而物联网的通信技术是物联网非常重要的环节，属于基础设施，相应的课程也就显得非常重要。根据*高等学校计算机类专业教学指导委员会于2012年发布的《高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范》，“物联网通信”是物联网工程这一新专业的核心课程，对于物联网理论和技术的学习、理解和应用起着不可替代的支撑作用。本书就是针对这个新专业的教学需要而编写的。
然而，写一部新教材非常困难，而写出一部针对新专业的、有特色的好教材更加困难，除了需要精心的投入和渊博的学识外，还需要有自己独特的思考。本书希望通过作者独特的思考和全力的投入来实现这一点。物联网所采用的通信技术实质上并不是全新的技术，而是典型的“新瓶装旧酒”，很多技术都来自计算机网络。作为长期从事计算机网络课程教学的教师，作者对计算机网络相关技术和教学有一定的理解，但是在授课过程中也深深地体会到了一些困难。
目前，计算机网络的教材已经有很多了，也出现了一些非常优秀的教材。有些教材从有经验的教师视角来看堪称经典。即便如此，作者在授课过程中以及在回想起自己学习网络课程的情景时，有时也会感到一丝无奈。计算机网络涉及的知识和概念太多、太庞杂了，在典型的分层思想指导下，不管从上而下还是从下而上的组织形式，每一层都涉及很多概念和知识点。学完每一层，脑袋中往往只是又装入了一堆技术而已。作者之所以对网络体系有了一定的认识，是通过在反复授课的过程中不断地思考，将各种技术相互关联，以及与同行不断交流才获得的。而希望学生能够在学完这门课程后就立即对计算机网络有很好的理解是困难的。因此，本书不采用分层组织的思想，而尝试从另一个角度来组织教材内容。
本书贯彻了“构建以知识领域、知识单元、知识点形式呈现的知识体系”这一思想，专注于物联网通信这一庞大的领域，借鉴泛在传感器网络（USN）高层架构的思想，构建了“通信技术应用环节”这一概念。本书分析并选择了目前物联网通信经常采用的典型通信技术作为知识单元，对通信技术中涉及的各种概念、机制和算法进行讲解，形成知识点。具体来讲，就是把多种常见的通信技术按照在物联网传输环节中的应用可能性进行分类，将网络的相关知识点融入具体的通信技术介绍中。当然，本书首先还是介绍了计算机网络的体系结构，以使读者能够通过具体技术理解物理层、数据链路层和网络层的作用。本书力图通过这种安排，使读者能够从另一个角度学习网络体系结构。
这样的组织方式与以往的通信技术课程的框架并不一致，但是，读者可以在每个知识单元了解相应的通信技术利用的机制、采用的算法以及所需功能的实现方法，再通过体系层次分析来体会这种通信技术的架构，后通过相关的应用案例了解这种技术可能的应用场景，从而可以比较全面地理解和掌握每个知识单元的内容。
以上就是本书的出发点。
基于这个出发点，本书将通信技术的知识点融入相关的通信技术介绍中，这样可以减轻读者的学习压力。对于具体的通信技术，并不是在其次出现就全面展开讲解，而是逐步渗透、细化、总结、改进。作者希望能够通过这种安排使读者加深印象，逐步深入，使学习过程比较顺利。
另外，本书注重各种技术所依据的思想和机制，因此，在讲解上侧重于引导，只介绍基本的理论和技术，引导读者通过拓展阅读了解技术细节。因此，对于大多数通信技术，本书不过多地介绍其帧/报文格式。
在讲解一些技术和算法时，作者加入了自己的思考、定位和分析，以帮助读者加深对这些技术和算法的理解。
本书的出版得到了“十三五”江苏省高等学校重点教材项目的资助和清华大学出版社的大力支持，并得到了许多专家学者的指导，在此表示衷心感谢。后也要感谢家人的理解和支持。
限于作者的学识和时间，书中难免存在不足和疏漏，恳请读者提出宝贵意见。

作者
2019年6月〖1〗〖1〗

*部分首先简要介绍了物联网及无线传感器网络的相关概念，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。第三部分至第五部分是本书的核心，重点介绍了末端网通信技术，包括有线、无线和无线Ad hoc网络通信技术。第六部分是接入网技术，包括一些主流的接入技术。数据接入因特网后，往往需要进行一定的处理，鉴于物联网的数据往往体量巨大，传统的计算模式难以应对，所以云计算被提上浪潮，可以为物联网的大数据处理提供有利的支持，所以*后一部分介绍了云计算的相关概念，并介绍了一个云计算软件平台——Hadoop。 本书的*个特点是尽量从物联网的角度来介绍各种通信技术，包括为很多通信技术都准备了应用的案例。其次，本书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较为清晰的架构。另外，本书尽量选取当前主要的通信技术，并且以算法介绍为主。*后，本书将各种通信基础知识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。

陈兵，博士，教授，博士生导师，计算机科学与技术学院院长，工信部研究型教学创新团队负责人，中国工程教育专业认证专家，江苏省计算机教育专委会主任，*计算机类专业教学指导委员会和全国高等学校计算机教育研究会“培养计算机类专业学生解决复杂工程问题能力”研究组成员。长期从事计算机网络、物联网等领域教学和科研工作。负责了南航物联网工程专业的创建和验收，主持并完成了物联网工程*卓越工程师计划，负责建设了“物联网工程实践教育基地”、“物联网技术与安全工信部实验教学示范中心”、“物联网工程江苏省实践教育中心建设”，先后承担了江苏省优秀研究生课程“现代计算机网络”项目的建设及江苏省“研究生网络课程群实践体系改革与实现”教改项目，讲授的课程包括研究生的高等计算机网络，本科生的计算机网络安全。出版的教材包括工信部十二五规划教材《物联网通信》、江苏省重点教材《网络安全》等。

目录
第1部分引论
第1章概述3
1.1概念3
1.2物联网模型5
1.3传感器网络8
1.4USN体系结构和层次分析11
1.5物联网通信环节的划分15
1.6本书的组织思想17
第2章通信知识的回顾18
2.1网络体系结构18
2.2通信技术的主要研究内容22
第3章对物联网通信的分析26
3.1物联网的通信体系结构26
3.2物联网中物体的分析27
3.3物联网通信体系结构29
3.3.1通信模式29
3.3.2直接通信模式30
3.3.3网关通信模式31

第2部分接触环节的通信技术第4章RFID技术37
4.1RFID概述37
4.2RFID的工作原理39
4.3RFID的通信协议41
4.4ISO/IEC 180006B协议42
4.4.1概述43
4.4.2部件及通信流程43
4.4.3阅读器到标签的通信44
4.4.4标签到阅读器的通信47
4.5防止冲突算法49
4.5.1纯ALOHA算法49
4.5.2时隙ALOHA算法50
4.5.3帧时隙ALOHA算法51
4.5.4Type A的防冲突算法52
4.5.5Type B的防冲突算法54
4.5.6Type C的防冲突算法55
〖1〗〖1〗第5章无线电导航57
5.1概述57
5.2GPS58
5.2.1GPS的工作原理58
5.2.2GPS组成59
5.2.3GPS的通信技术61
5.3北斗卫星导航系统68
5.3.1概述68
5.3.2北斗一号70
5.3.3北斗二号、三号系统组成及工作机制74
5.3.4北斗通信技术74
第6章激光制导79
6.1概述79
6.2激光制导原理79
6.3激光制导编码82
6.3.1激光波束制导的编码83
6.3.2激光寻的制导的编码85
6.4反激光制导89

第3部分末端网通信技术——有线通信技术第7章串行接口通信95
7.1概述95
7.2RS232串行接口标准96
7.3其他串口技术98
第8章USB总线103
8.1USB概述103
8.2USB组成104
8.3USB的通信106
8.3.1USB的层次结构106
8.3.2USB传输方式107
8.3.3USB传输技术108
8.4USB的发展110
第9章现场总线113
9.1概述113
9.2CAN总线115
9.2.1CAN概述115
9.2.2CAN总线通信117
9.2.3CAN的数据链路层120
9.3其他现场总线技术123
第10章RFID阅读器相关通信技术126
10.1概述126
10.2韦根协议127
10.3IETF SLRRP130
10.4EPCglobal LLRP135
10.5RFID中间件138
10.6RFID网络相关应用141

第4部分末端网通信技术——无线通信底层技术第11章无线通信底层技术概述147
11.1物理层147
11.2数据链路层149
11.2.1概述149
11.2.2MAC子层相关通信协议151
第12章超宽带159
12.1概述159
12.2脉冲无线电161
12.3多频带OFDM163
第13章IrDA红外通信技术167
13.1概述167
13.2IrDA协议栈169
13.3IrLAP工作原理171
13.4其他应用协议174
第14章水下通信176
14.1概述176
14.2水声网络协议栈178
14.3物理层调制技术178
14.4MAC层技术182
第15章IEEE 802.15.4185
15.1概述185
15.2IEEE 802.15.4网络结构185
15.3IEEE 802.15.4协议栈187
15.3.1物理层187
15.3.2MAC层189
第16章数据链193
16.1概述193
16.2相关技术194
16.2.1多址接入技术194
16.2.2扩频技术196
16.2.3组网和集成197
16.3典型数据链198
16.3.1Link16198
16.3.2其他数据链206

第5部分末端网通信技术——Ad Hoc网络通信技术第17章自组织网络的概念213
17.1自组织网络概述213
17.2自组织网络的演化214
17.3自组织网络的体系结构216
第18章Ad Hoc网络219
18.1概述219
18.2Ad Hoc网络系统结构220
18.3Ad Hoc网络路由协议223
18.3.1DSDV路由算法226
18.3.2DSR协议231
18.3.3AODV协议235
第19章无线传感器网络241
19.1概述241
19.2路由协议242
19.2.1路由协议概述242
19.2.2SPIN协议245
19.2.3LEACH协议247
19.2.4PEGASIS协议251
19.3特殊的传感器网络253
第20章机会网络257
20.1概述257
20.2机会网络路由技术261
20.2.1机会网络路由技术概述261
20.2.2PROPHET算法264
20.2.3CMTS算法265
20.3车载自组织网络267
第21章蓝牙269
21.1概述269
21.2蓝牙协议体系结构270
21.3微微网与散射网273
21.4蓝牙的传输技术275
21.5散射网拓扑形成和路由算法281
第22章ZigBee290
22.1概述290
22.2ZigBee的组网291
22.3ZigBee体系结构293
22.4ZigBee路由算法296
22.4.1ClusterTree算法296
22.4.2AODVjr算法298
第23章6LoWPAN302
23.1概述302
23.26LoWPAN的网络结构和体系结构305
23.36LoWPAN的工作308
23.4路由算法312
23.4.1路由算法分类312
23.4.2RPL路由协议315
第24章其他无线技术321
24.1ZWave321
24.2MiWi无线网络协议325

第6部分接入网通信技术第25章有线接入方式331
25.1拨号上网331
25.2非对称数字用户线路334
25.3混合光纤同轴电缆网接入337
25.4以太接入网技术339
25.5电力线上网342
25.6光纤接入技术345
第26章无线光通信349
26.1概述349
26.2光通信相关技术351
26.3特殊无线光通信357
第27章IEEE 802.11无线局域网360
27.1概述及系统组成360
27.2IEEE 802.11协议栈361
27.3相关发展366
第28章无线Mesh网络369
28.1概述369
28.2WMN结构370
28.3WMN路由372
28.3.1概述372
28.3.2RMAODV373
28.3.3基于树的路由协议375
28.3.4混合路由模式377
第29章蜂窝通信379
29.1概述379
29.2LTE系统381
29.34G物理层相关技术383
29.44G数据链路层相关技术389
第30章卫星通信394
30.1概述394
30.2IPoS协议396
30.3卫星通信相关技术398
30.4路由算法401
30.5卫星网实例403

第7部分互联网数据处理的应用层通信第31章云计算技术411
31.1概述411
31.2虚拟化技术416
31.3海量数据存储与处理技术419
31.3.1数据的存储和读取419
31.3.2海量数据处理技术421
31.3.3其他424
第32章Hadoop426
32.1概述426
32.2资源管理系统YARN427
32.2.1YARN的架构427
32.2.2YARN的工作流程429
32.3分布式文件系统HDFS430
32.3.1HDFS的架构430
32.3.2读文件的流程432
32.3.3写文件的流程432
32.4MapReduce433
32.5分布式数据库HBase435
参考文献442

*部分首先简要介绍了物联网及无线传感器网络的相关概念，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。第三部分至第五部分是本书的核心，重点介绍了末端网通信技术，包括有线、无线和无线Ad hoc网络通信技术。第六部分是接入网技术，包括一些主流的接入技术。数据接入因特网后，往往需要进行一定的处理，鉴于物联网的数据往往体量巨大，传统的计算模式难以应对，所以云计算被提上浪潮，可以为物联网的大数据处理提供有利的支持，所以*后一部分介绍了云计算的相关概念，并介绍了一个云计算软件平台——Hadoop。 本书的*个特点是尽量从物联网的角度来介绍各种通信技术，包括为很多通信技术都准备了应用的案例。其次，本书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较为清晰的架构。另外，本书尽量选取当前主要的通信技术，并且以算法介绍为主。*后，本书将各种通信基础知识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。

陈兵，博士，教授，博士生导师，计算机科学与技术学院院长，工信部研究型教学创新团队负责人，中国工程教育专业认证专家，江苏省计算机教育专委会主任，*计算机类专业教学指导委员会和全国高等学校计算机教育研究会“培养计算机类专业学生解决复杂工程问题能力”研究组成员。长期从事计算机网络、物联网等领域教学和科研工作。负责了南航物联网工程专业的创建和验收，主持并完成了物联网工程*卓越工程师计划，负责建设了“物联网工程实践教育基地”、“物联网技术与安全工信部实验教学示范中心”、“物联网工程江苏省实践教育中心建设”，先后承担了江苏省优秀研究生课程“现代计算机网络”项目的建设及江苏省“研究生网络课程群实践体系改革与实现”教改项目，讲授的课程包括研究生的高等计算机网络，本科生的计算机网络安全。出版的教材包括工信部十二五规划教材《物联网通信》、江苏省重点教材《网络安全》等。

第5章无线电导航
物体的位置（或者与规定航线之间的偏差）是物体的另一个重要属性，这个属性往往需要使用特定的定位芯片/部件（感知部件），和外界基础设施（如卫星、基站等）之间进行通信才能获得。
本章首先简要介绍导航的原理，其后着重介绍导航涉及的相关通信技术。
5.1概述
从基础设施的类型上看，无线电导航分为两类，一类是通过地面站发射器进行的导航，另一类是通过卫星进行的导航。
1. 通过地面站发射器进行的导航
在过去数十年来，空中航行主要依靠各种形式的无线电测向设备。导航信息是从一个固定的地面站发射器发射的，而接收方则是机载接收设备。
每个发射器都有一个独特的无线电频率。为了给飞机导航，飞行员需要调整机载接收设备的频率，该频率与前方目的地的发射器一致。
机载接收设备可以根据收到的无线电信号确定发射器的方向，然后操纵飞机朝着发射器飞行。利用无线电波的传播特性，可测定飞行器的导航参量（方位、距离和速度），算出飞机与规定航线的偏差，由驾驶员（或自动驾驶仪）操纵飞行器消除偏差以保持正确航线。这些发射器也可以称为助航设备。
当到达发射器后，飞行员调整机载接收设备的频率为下一段航线附近的发射器的频率，飞向下一个发射设备。将这些发射器（助航设备）串起来，即形成了整条航线。
飞行员常用的无线电导航系统包括甚高频全向信标系统、测距装置系统、塔康导航系统和全向信标系统等。
用无线电导航的作用距离可达几千千米，近距离精度比磁罗盘高，因此被广泛使用。但是，无线电波在大气中传播几千千米后，由于受电离层折射和地球表面反射的干扰较大，所以精度不是很理想。另外，如果航线数规模很大，则需要部署大量的地面基站，费用太高。正因为如此，越来越多的导航借助卫星来实现定位。
2. 通过卫星进行的导航
卫星导航技术是当前应用的热点技术，属于一种战略性的技术，受到了多个国家的重视。20世纪60年代美国实施了子午仪（Transit）无线电导航卫星系统（Radio Navigation Satellite System，RNSS），并取得了成功。此后，世界各国发展了多个利用卫星进行导航的系统，著名的是美国的GPS（Global Positioning System,全球定位系统），俄国的GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System,全球导航卫星系统），以及中国的北斗（COMPASS）系统。欧洲的伽利略系统则发展较为缓慢。印度等国也在积极推动自己的卫星导航技术。
迅速发展的卫星导航技术在军事和民用方面起到了重大的作用，改变了导航技术的面貌，使得导航技术进入了一个崭新的发展阶段。
本章主要对卫星导航技术进行介绍。卫星导航系统是利用导航卫星发射的无线电信号求出载体相对于卫星的距离，再根据已知的卫星相对于地面的位置计算并确定载体在地球上的位置的一种技术。
〖1〗〖1〗5.2GPS
受当时技术水平、研制周期等因素的制约，子午仪系统具有一些明显的缺陷，例如，不能连续定位，两次定位的时间间隔较长，等等。因此，子午仪系统服役不久，美国即着手研究第二代卫星导航系统——GPS。
GPS是一个中距离圆形轨道卫星导航系统，它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的授时服务，属于基于伪距（pseudo range）的无线电导航卫星系统。
从1993年6月26日起，美国GPS便开始向各种用户提供精确的三维位置、三维速度和时间信息，其精度如下: 
 对于军用或其他有高精度要求的需求，可以提供的定位精度优于10m，速度优于0.1m/s，时间优于100ns。
 对于民用需求，可以获得的定位精度为30m，但是出于国家安全方面的考虑，将民用的定位精度降到100m，即在卫星的时钟和数据中引入误差。
2000年5月，美国空军宣布启动新一代GPS计划——GPS Block Ⅲ（简写为GPS 3），比上一代GPS更强、更精确、更可靠。例如，在目前无法定位的环境（如室内）依然可以实现精准定位。GPS 3还使卫星具备抗干扰能力。GPS 3确保由GPS 2到GPS