物联网——无线通信、物理层、网络层与底层驱动

《物联网——无线通信、物理层、网络层与底层驱动》系统论述了一位从业者对物联网（IoT）的解读，重点阐述了如智能家居、智能电网、智慧医疗和无线传感器网络等领域的物联网解决方案。本书作者Daniel Chew是物联网领域的知名专家，他将物联网作为一个协议栈进行了研究，详细介绍了无线链路的物理层，如射频和调制解调器，以及在频带中通信的媒体访问控制（MAC）。本书以低功耗无线个人局域网（WPANs）为重点，介绍了物理层和媒体访问控制层所使用的ZigBee、Bluetooth、Z-Wave、Thread等协议，并介绍了相关的通信理论、调制方案和接入方法等。此外，本书探讨了WiFi和网关及其在物联网中的作用，并讨论了物联网中WPANs的信道模型和链路估算等内容。主要内容如下：
•系统介绍了物联网物理层的支撑技术IEEE 802.15.4、ITU-T G.9959和蓝牙LE ；
•对各种物联网协议进行分层次分析，详细介绍了这些协议的互操作性；
•通过对物联网实施方案的分析，清楚地阐明了各种无线通信协议原理及其应用。
本书全面概述了无线物联网的相关复杂问题，探讨了其在各种行业中的迅速发展及其应用，非常适合物联网应用和平台开发人员，以及数字信号处理、网络和无线通信领域的工程师阅读学习。

本书主要介绍了物联网(IoT)无线标准、无线通信理论及其应用。书中采用分层的方法深入分析了无线物联网 的底层标准,并深入探讨了相关理论背景,如多址接入技术、误差校正等。本书遵循物联网协议栈的混合模型,从协 议栈底层入手讲解,内容由浅入深,理论与实践相结合,以满足不同层次读者的需求。本书可供数字信号处理(DSP)、网络实施和无线通信的各类工程师使用,同时适用于了解物联网技术并致力于 开发新产品的企业家或技术爱好者,还可以作为各大院校物联网工程、通信工程等专业的参考教材。

[美]丹尼尔•周（Daniel Chew） 约翰斯•霍普金斯大学应用物理实验室高级专家，长期讲授“物联网”等计算机类专业课程。他于1998年获得特拉华大学电气工程学士学位，2008年获得约翰霍普金斯大学电气与计算机工程硕士学位，研究领域为无线设备及应用。

第1章物联网基础

1.1什么是物联网

1.2什么是无线物联网

1.3无线网络

1.3.1网络拓扑结构

1.3.2网络类型

1.4无线标准在物联网中的作用

1.5协议栈

1.5.1开放系统互连参考模型

1.5.2TCP/IP参考模型

1.5.3IEEE 802参考模型

1.5.4物联网的分层模型

1.6无线物联网协议简介

1.7本书章节安排

参考文献

第2章无线物联网协议

2.1蓝牙

2.1.1发射机和接收机

2.1.2频道

2.1.3典型工作范围

2.1.4访问和扩频

2.1.5调制和数据速率

2.1.6错误检测和校正

2.1.7网络拓扑结构

2.2ITU G.9959标准

2.2.1发射机和接收机

2.2.2频道

2.2.3典型工作范围

2.2.4网络拓扑结构

2.2.5访问和扩频

2.2.6调制和数据传输速率

2.2.7错误检测和校正

2.3ZWave协议

2.4IEEE 802.15.4标准

2.4.1发射机和接收机

2.4.2频道

2.4.3典型工作范围

2.4.4访问和扩频

2.4.5调制和数据传输速率

2.4.6错误检测与校正

2.4.7网络拓扑结构

2.5ZigBee协议

2.6Thread协议

2.7WiFi

参考文献

第3章射频层

3.1无线系统

3.2收发机基本模型

3.2.1模拟射频前端

3.2.2数字信道化

3.2.3基带控制器

3.3信道基础

3.3.1什么是信道

3.3.2简单物理信道模型

3.4误比特率和误符号率

3.5复杂信道

3.5.1阴影和大尺度衰落

3.5.2小尺度衰落与多径信道

参考文献

第4章调制解调层

4.1信号模型

4.1.1复信号

4.1.2复噪声

4.1.3叠加信号模型

4.2脉冲成形

4.3调制技术

4.3.1线性调制

4.3.2角度调制

4.3.3符号错误概率

4.3.4相关接收机

4.3.5反正切解调器

4.3.6FSK的反正切接收机和相关接收机的比较

4.3.7反正切解调器的效率

4.4同步

4.4.1帧同步

4.4.2载波同步与符号同步的区别

4.4.3载波同步

4.4.4数据白化

4.4.5符号同步

4.4.6同步顺序

4.5扩频

4.5.1跳频扩频

4.5.2直接序列扩频

4.5.3IEEE 802.15.4标准中的直接序列扩频

4.5.4并行序列扩频

参考文献

第5章媒体访问控制层

5.1频段及频谱规划

5.2无线物联网的频谱接入

5.3多路访问技术

5.3.1频分多址

5.3.2时分多址

5.3.3双工

5.3.4载波侦听多路访问

5.4扩频作为多址接入

5.4.1跳频

5.4.2码分多址

5.5错误检测和校正

5.5.1冗余

5.5.2物联网中的错误检测和校正

5.5.3错误校正的两种基本类型

5.5.4后向纠错

5.5.5将数字数据表示为多项式

5.5.6将比特错误表示为多项式

5.5.7循环冗余校验

5.5.8校验和

5.5.9前向纠错

5.5.10前向纠错和后向纠错的比较

5.6能源效率

参考文献

第6章总结

6.1选择正确的标准

6.1.1成本

6.1.2数据速率

6.1.3工作频段与环境

6.1.4网络拓扑

6.1.5能量效率

6.2高层标准化与物联网的未来

尽管目前物联网市场是跨制造商和产品线的，且呈现碎片化，但物联网的未来在于互操作性。通过采用IEEE和其他技术标准，可以实现这种互操作性。

本书介绍了几种用于物联网（IoT）连接的无线标准及相关的无线通信理论，并详细介绍协议栈的物理层和媒体访问控制层，将要讨论的问题分解为较小的子问题，自下而上地描述无线物联网。

第1章首先介绍无线物联网的概念、相关背景及应用示例。这些应用促进了人们用无线物联网进行无线连接的需求。然后，介绍协议栈的概念，给出协议栈示例以及跨层功能分解的细微差别，以便可以将无线连接分解为具有特定功能的层。涉及物理层和媒体访问控制层的问题通常由独立的标准机构负责解决。最后，重点关注用于链路建立、信道接入、错误检测和调制的层，统一的底层模型包含三层： 射频层、调制解调层和媒体访问控制层。

第2章概述物联网应用程序使用的几种流行的开放无线标准的物理层和媒体访问层。 本章重点介绍由独立标准机构定义的开放标准，并介绍几种流行的无线物联网协议，以便将开放标准和读者较为熟悉的应用领域联系起来。这些协议包括蓝牙（以前称为IEEE 802.15.1）、IEEE 802.15.4和ITU G.9959。本书重点介绍用于物联网的低功耗无线链路。同时，本章还简要地讨论了WiFi，因为WiFi对许多物联网应用至关重要。由于WiFi与一些标准的交互，WiFi在以后的章节中还会出现。本章可作为各种协议的快速参考指南。另外，本章还引入了在后续章节中探讨的各种概念，并告知读者在书中何处可以找到有关该主题的更多信息。

第3章专门讨论射频层，探讨了射频前端。物联网协议倾向软件定义的射频实现，同时也探索了多种射频硬件拓扑。本章回顾了链路预算的概念并通过示例进行介绍。另外，本章还介绍了同时存在大尺度衰落和小尺度衰落的复杂信道模型。

第4章重点讨论调制解调层，涵盖复包络信号模型、调制、解调、同步和扩频等概念。本章首先从背景理论和调制方案的选择两方面对开放标准中使用的线性调制和角度调制方案进行探索。然后讨论用于载波和符号恢复的同步技术。最后讨论无线物联网物理层中采用的各类扩频技术。

第5章介绍媒体访问控制层。本章首先详细介绍无线物联网标准通常采用的信道接入方案，例如CSMA。然后介绍无线物联网标准中所使用的不同频段。特别介绍了2.4 GHz工业、科学和医疗频段及其拥塞情况。本章还讨论无线物联网标准中采用的各种干扰和干扰抑制技术。最后讨论错误检测和校正。

书中反复强调，没有一本书可以涵盖所有的无线系统设计技术。市面上有很多涉及从天线设计到符号同步等主题的图书。本书提供相关理论的背景材料、设计选择的分析以及大量引文，以帮助有兴趣的读者。本书每章都有参考文献列表，以便读者可以更深入地研究相关主题。

本书将提供与物联网平台的轻量级和低成本需求相关的实用参考标准，从而使物联网平台和应用程序开发人员从中受益。本书对涉及数字信号处理（DSP）、网络实施和无线通信的各类工程师很有用，同时对希望了解该技术并开发新产品的企业家或技术爱好者也有帮助。

丹尼尔·周（Daniel Chew）

致谢

非常感谢在本书编写过程中给予帮助的人。感谢Jack Burbank编辑和Bill Kasch编辑能够让我有机会去完成本书。感谢Andrew Adams和Joseph Bruno对本书初稿提出的宝贵意见。感谢Ken McKeever和Ryan Mennecke在专业知识领域为我提供的帮助。

同时，我也要感谢家人和朋友。没有他们，本书不可能出版。

最后，我要将本书献给我的妻子Leona和我的孩子Marin、Everett和Theodore。