物联网通信技术及实例（曾宪武）

物联网是近几十年来发展起来的新兴信息技术，是计算机、通信、自动控制等学科高度交叉融合的产物。物联网发展至今，为社会、经济及人们日常生活提供了一系列新服务。物联网的应用几乎是无限的，它实现了网络世界与物理世界的无缝集成，扩展了人与人之间以及人或物与物之间的通信与信息交互。通信作为物联网有机联通的载体和信息交互的桥梁，在物联网技术发展中扮演着至关重要的角色。物联网在5G 及新的通信技术的助力下将更加快速地发展。
从物联网层次与架构来看，物联网通信系统可以分为基于互联网的高层通信系统和通过网关与互联网汇集的底层通信系统。显然，高层通信系统是互联网，可以基于 IP 进行信息交互，因此可以将其看成一个全球性的 IP 通信基础设施；底层通信系统服务于物联网终端，而物联网终端是异构的，即其所具有的感知控制功能、所采用的通信方式与通信协议等均可以不同，一般来说，这些异构的物联网终端大都采用无线通信方式。
海量的物联网终端可以通过短距无线通信技术、低功耗广域无线通信技术或移动通信网将感知到的信息传送到互联网。由于物联网终端的异构性和资源的有限性，促使采用多种不同的通信技术来解决传送问题和路由问题，可以认为底层通信技术及其解决方案是物联网通信系统的核心，也是最复杂的。
本书主要介绍物联网通信的高层和底层通信系统所涉及的技术，共分8章。第1章主要讨论物联网通信系统的构成及六大发展趋势；第2章主要介绍数据通信所涉及的基础理论和数学工具、无线传输信道的特性和 IP 通信技术等；第3章主要介绍正交频分复用、非正交多址和多天线技术等；第4章主要讨论一些典型的 LPWA 技术和新出现的6TiSCH 技术；第5章主要介绍窄带物联网（NB-IoT）技术与部署及应用于医疗看护的实例；第6章主要介绍机器对机器通信（M2M）技术；第7章重点介绍5G 在车联网与工业4.0 中的应用；第8章主要介绍应用协议、服务发现协议、基础设施协议等物联网常用的通信协议。
本书在写作过程中得到了北京科技大学王志良教授和北京物联网学会专家、青岛科技大学物联网工程教研室全体老师的大力协助，在此表示衷心的感谢！
由于物联网及其通信技术发展迅速，以及笔者的水平有限，书中难免有不当之处，敬请读者批评指正。

著者

本书主要围绕物联网高层和底层通信系统所涉及的技术展开，全面系统地介绍了物联网通信系统的构成及六大发展趋势，数据通信的基础理论和IP通信技术，正交频分复用、非正交多址和多天线技术，典型的LPWA 技术和新出现的6TiSCH 技术，窄带物联网技术及实例，机器对机器通信技术，5G在车联网与工业4.0 中的应用，物联网常用的通信协议等。本书为从事物联网通信技术开发与应用的专业人士及其相关领域的专业人士提供了参考，也可作为物联网工程专业及相近专业的本科生与研究生的教材。

曾宪武，青岛科技大学信息学院，中国物联网人才培养众创联盟副理事长，青岛市软件学会理事，系主任，教授。教育背景：（1）1987年7月毕业于北京邮电大学，通信工程系；（2）1993年7月毕业于兰州交通大学，铁路运输自动化方向，获工学硕士学位；（3）2008年毕业于中国海洋大学，海洋信息探测与处理方向，获理学博士学位。工作经历与代表性科研成果：（1）1987.07～1990.09，甘肃省邮电管理局，任载波通信助理工程师；（2）1993.07～1996.04，兰州交通大学，电信系，通信工程专业，任讲师；（3）1996.04～2002.12，烟台东方电子信息产业集团有限公司，任通信事业部、配电自动化事业部主任工程师，主持了枣庄配电自动化、上海闵行及人民广场配电自动化等项目，规划设计了岳阳、东营等配电自动化系统；（4）2003.01～至今，青岛科技大学任教，从事通信工程与物联网工程教学、智能电网方向的教学科研工作，完成国家自然科学基金资助项目“时滞离散变结构控制系统的分析与综合（60574005）”，国家自然科学基金项目“具有时间滞后的离散变结构控制系统的分析与设计（60674020）”，及山东省自然科学重点基金项目“滞后广义变结构控制系统的建模”（资助号：Z2006G11）。承担自然科学基金资助项目“基于海量时空数据语义挖掘及分布密度估计的城市区域社会功能研究(61402246)”。先后发布科研论文40多篇，其中被SCI、EI收录20篇，主持横向课题3项、主讲的《电磁场理论》被评为2010校级优秀课程，2011年度被山东经信委、省教育厅评为山东省企校合作办学先进个人。

第1章 概述 001
1.1 物联网的定义、目标、特征、服务、架构和元素 001
1.1.1 物联网定义及其目标 001
1.1.2 物联网的主要特征与服务 002
1.1.3 物联网架构、元素 003
1.2 物联网通信系统的构成 005
1.2.1 各构成要素概述 005
1.2.2 对通信及安全的要求 006
1.3 物联网通信技术的现状与发展 007
1.3.1 物联网产业发展现状及通信技术应用现状 007
1.3.2 物联网通信技术的发展方向 009
本章小结 011
参考文献012

第2章 数据通信与IP 通信技术 014
2.1 数字传输基础 014
2.1.1 非周期函数的谱分析 015
2.1.2 统计法018
2.2 无线传输路径 022
2.2.1 天线 022
2.2.2 自由空间传播 025
2.2.3 衰落 026
2.2.4 信号强度与频率影响 028
2.2.5 NLOS 路径分析参数 029
2.3 基带数据传输 032
2.3.1 升余弦滤波 033
2.3.2 积分和判决滤波 036
2.4 线性调制 036  2.4.1 双边带抑制载波调制 037
2.4.2 二进制相移键控 038
2.4.3 正交幅度调制 040
2.4.4 正交相移键控041
2.4.5 高阶22n -QAM  044
2.4.6 峰均功率比 046
2.5 TCP/IP  047
2.5.1 TCP/IP 模型及各层功能 047
2.5.2 IP 及辅助协议 048
2.5.3 TCP 和UDP 054
2.5.4 IPv6 简介 058
本章小结 061
参考文献 062

第3章 多载波多址技术与多天线技术 063
3.1 正交频分复用 063
3.1.1 OFDM 的特性及其正交性 064
3.1.2 OFDM 基本原理 066
3.1.3 峰均功率比 072
3.1.4 频率与定时同步 073
3.1.5 相位噪声对性能的影响 074
3.1.6 发射器窗口化和滤波 074
3.1.7 正交频分多址 075
3.1.8 离散傅里叶变换扩展OFDM  077
3.1.9 其他多OFDM 形式081
3.2 非正交多址 084
3.3 多天线技术 088
3.3.1 空间分集多天线技术 088
3.3.2 空间复用的MIMO 技术091
本章小结 104
参考文献 105

第4章 低功耗广域无线通信技术 107
4.1 LPWA 概要 107
4.1.1 LPWA 设计目标108  
4.1.2 LPWA 典型技术 110
4.1.3 不同LPWA 技术的比较 113
4.1.4 应用 115
4.1.5 需要解决的挑战 116
4.2 LoRa 技术及其应用实例 117
4.2.1 LoRaWAN 网络架构、典型芯片与传输模式 117
4.2.2 LoRaWAN  121
4.2.3 LoRa 应用实例 124
4.3 Sigfox 技术及其应用实例127
4.3.1 Sigfox 技术 127
4.3.2 Sigfox 应用实例 128
4.4 IETF 6TiSCH 129
4.4.1 IETF 6TiSCH 概要 129
4.4.2 IEEE 802.15.4 TSCH 130
4.4.3 6TiSCH 管理平面 136
4.4.4 6TiSCH 安全加入过程 141
4.4.5 6LoWPAN 与6TiSCH 的集成 143
4.4.6 6TiSCH 中的路由：RPL 148
4.4.7 实现 150
本章小结152
参考文献 153

第5章 窄带物联网 159
5.1 NB-IoT 的目标与产业发展 159
5.1.1 NB-IoT 的目标 159
5.1.2 NB-IoT 的产业化发展 160
5.2 NB-IoT 架构及其Layer-1 和Layer-2 架构162
5.2.1 NB-IoT 架构 162
5.2.2 Layer-1 和Layer-2 架构 165
5.3 NB-IoT 的演进 170
5.3.1 Release 13 171
5.3.2 Release 14  174
5.3.3 Release 15  175
5.3.4 Release 16 178
5.4 NB-IoT 与其他技术 179
5.4.1 M2M 与D2D 通信 179  
5.4.2 非正交多址179
5.4.3 社交NB-IoT180
5.4.4 5G NR 中的NB-IoT  181
5.5 NB-IoT 应用实例 182
5.5.1 总体方案182
5.5.2 NB 终端设备的硬件系统184
5.5.3 驱动软件 191
5.5.4 AT 指令与NB 模组199
5.5.5 物联网云平台201
本章小结 207
参考文献 208

第6章 机器对机器通信（M2M）  213
6.1 M2M 系统模型、应用特点及其所支持的属性 213
6.1.1 M2M 系统模型213
6.1.2 M2M 应用特点及其所支持的属性215
6.1.3 M2M 数据流量类型215
6.2 M2M 标准 218
6.2.1 标准制定组织218
6.2.2 技术驱动联盟 220
6.2.3 应用驱动的联盟221
6.3 M2M 应用开发 221
6.3.1 框架功能及其要解决的问题 222
6.3.2 开源框架 222
6.3.3 云平台 224
6.3.4 中间件框架 226
6.4 M2M 应用实例 227
6.4.1 M2M 网络架构 227
6.4.2 邻域网中智能电表节点分簇策略 228
6.4.3 广域网差异化随机接入的无线资源管理机制 230
本章小结 232
参考文献 233

第7章 5G 与物联网 236
7.1 5G 与物联网 236  
7.1.1 5G 物联网架构 236
7.1.2 无线网络功能虚拟化 237
7.2 5G 用例及服务需求 238
7.2.1 从eMBB 到IoT（mMTC 与URLLC）  238
7.2.2 多样化服务与多样化需求 239
7.2.3 5G 关键能力与技术性能要求 241
7.3 基于服务的5GS 架构、帧结构及其物理信道与参考信号 243
7.3.1 基于服务的5G 系统架构 244
7.3.2 5G NR 的载波 253
7.3.3 物理信道 255
7.3.4 物理层参考信号 257
7.4 NR V2X 侧链 259
7.4.1 V2X 所涉及的消息 259
7.4.2 3GPP 的V2X  262
7.4.3 LTE-V  264
7.4.4 5G NR  270
7.5 5G 工业物联网 282
7.5.1 5G-ACIA  282
7.5.2 IIoT 频谱 283
7.5.3 IIoT 增强功能 283
本章小结 289
参考文献 290

第8章 物联网常用的通信协议 293
8.1 常用协议简介 293
8.1.1 应用协议 293
8.1.2 服务发现协议与基础设施协议 295
8.2 一些常用的协议 296
8.2.1 应用协议 296
8.2.2 服务发现协议 301
8.2.3 基础设施协议 302
8.2.4 其他 304
本章小结 305
参考文献 306

本书主要围绕物联网高层和底层通信系统所涉及的技术展开，全面系统地介绍了物联网通信系统的构成及六大发展趋势，数据通信的基础理论和IP通信技术，正交频分复用、非正交多址和多天线技术，典型的LPWA 技术和新出现的6TiSCH 技术，窄带物联网技术及实例，机器对机器通信技术，5G在车联网与工业4.0 中的应用，物联网常用的通信协议等。本书为从事物联网通信技术开发与应用的专业人士及其相关领域的专业人士提供了参考，也可作为物联网工程专业及相近专业的本科生与研究生的教材。

曾宪武，青岛科技大学信息学院，中国物联网人才培养众创联盟副理事长，青岛市软件学会理事，系主任，教授。教育背景：（1）1987年7月毕业于北京邮电大学，通信工程系；（2）1993年7月毕业于兰州交通大学，铁路运输自动化方向，获工学硕士学位；（3）2008年毕业于中国海洋大学，海洋信息探测与处理方向，获理学博士学位。工作经历与代表性科研成果：（1）1987.07～1990.09，甘肃省邮电管理局，任载波通信助理工程师；（2）1993.07～1996.04，兰州交通大学，电信系，通信工程专业，任讲师；（3）1996.04～2002.12，烟台东方电子信息产业集团有限公司，任通信事业部、配电自动化事业部主任工程师，主持了枣庄配电自动化、上海闵行及人民广场配电自动化等项目，规划设计了岳阳、东营等配电自动化系统；（4）2003.01～至今，青岛科技大学任教，从事通信工程与物联网工程教学、智能电网方向的教学科研工作，完成国家自然科学基金资助项目“时滞离散变结构控制系统的分析与综合（60574005）”，国家自然科学基金项目“具有时间滞后的离散变结构控制系统的分析与设计（60674020）”，及山东省自然科学重点基金项目“滞后广义变结构控制系统的建模”（资助号：Z2006G11）。承担自然科学基金资助项目“基于海量时空数据语义挖掘及分布密度估计的城市区域社会功能研究(61402246)”。先后发布科研论文40多篇，其中被SCI、EI收录20篇，主持横向课题3项、主讲的《电磁场理论》被评为2010校级优秀课程，2011年度被山东经信委、省教育厅评为山东省企校合作办学先进个人。