定 價:69 元
叢書名:物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)系列教材
- 作者:吳功宜吳英編著
- 出版時間:2023/7/1
- ISBN:9787111728009
- 出 版 社:機械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TP18
- 頁碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:
- 開本:16開
我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁,技術發(fā)展日新月異。大數(shù)據(jù)、人工智能和邊緣計算等技術在物聯(lián)網(wǎng)平臺上的深度融合,推動了智能物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,接入層是智能物聯(lián)網(wǎng)層次結構中的重要層次。本書力圖體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)接入技術在物聯(lián)網(wǎng)中的重要作用。
圖文并茂,易讀易懂。本書給出大量示意圖,盡量采用通俗易懂的語言,幫助讀者更好地理解內(nèi)容。
內(nèi)容全面,案例生動。本書對物聯(lián)網(wǎng)中常用接入技術的研究背景、形成與發(fā)展過程、基本概念、技術特點、具體實現(xiàn)和應用領域等做了詳細介紹,涵蓋面廣,輔以大量我國IT企業(yè)有關物聯(lián)網(wǎng)的技術、標準與案例。
循序漸進,層次分明。本書首先介紹物聯(lián)網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡的相關概念,能夠幫助讀者補充相關的基礎知識;接下來介紹各種物聯(lián)網(wǎng)接入技術,力求突出重點,幫助讀者掌握不同的物聯(lián)網(wǎng)接入技術。
配備習題,引發(fā)思考。本書每章最后均配有習題,選擇題幫助讀者及時鞏固各章知識重點,問答題有助于培養(yǎng)讀者解決技術難題的能力。
前 言
我們正處在物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展與新工業(yè)革命的歷史交匯期,5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算、區(qū)塊鏈與各行各業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)平臺上的深度“融合”,推動了智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)的快速發(fā)展。新技術、新應用與新業(yè)態(tài)層出不窮,圍繞著核心技術、標準與平臺的競爭日趨激烈。
研究機構IoT Analytics的報告顯示,在過去的十年中全球接入網(wǎng)絡的設備數(shù)量復合增長率達到10%,其中物聯(lián)網(wǎng)的貢獻最大。2010年,全球物聯(lián)網(wǎng)接入的設備數(shù)量為8億,非物聯(lián)網(wǎng)接入的設備數(shù)量為80億;2020年,物聯(lián)網(wǎng)接入的設備數(shù)量達到117億,非物聯(lián)網(wǎng)接入的設備數(shù)量保持在100億,物聯(lián)網(wǎng)接入設備數(shù)量首次超過非物聯(lián)網(wǎng)接入設備數(shù)量。預測2025年,全球物聯(lián)網(wǎng)接入的設備數(shù)量能達到309億,而非物聯(lián)網(wǎng)接入的設備數(shù)量仍保持在103億。2015年,國內(nèi)運營商的物聯(lián)網(wǎng)接入設備數(shù)量占全球的27%;2020年,這個數(shù)字已經(jīng)增長到75%。我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁,技術發(fā)展日新月異。
物聯(lián)網(wǎng)接入發(fā)展出現(xiàn)了三大趨勢:物聯(lián)網(wǎng)接入設備數(shù)量超過了非物聯(lián)網(wǎng)接入設備數(shù)量,出現(xiàn)了“物超人”的局面;產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接入設備數(shù)量將超過消費物聯(lián)網(wǎng);我國物聯(lián)網(wǎng)接入設備數(shù)量仍將大幅度上升。
接入層是AIoT層次結構中的重要層次。接入層將感知層的傳感器、執(zhí)行器與用戶終端接入物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中。在實際的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)設計中,工程技術人員需要根據(jù)具體應用需求以及接入設備的類型、數(shù)量與技術要求,選擇合適的接入網(wǎng)類型,設計接入網(wǎng)的拓撲結構,確定網(wǎng)絡帶寬、傳輸時延等性能指標。
2021年3月發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》第十一章第一節(jié)“加快建設新型基礎設施”中指出:推動物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展,打造支持固移融合、寬窄結合的物聯(lián)接入能力。
本書的知識體系設計體現(xiàn)了“貼近技術發(fā)展、緊扣物聯(lián)網(wǎng)需求”的思路,寫作上力求形成“圖文并茂、易讀易懂”的風格。同時,南開大學有一個重要的教育理念:“知中國、服務中國”。作者在寫作過程中注意貫徹這一理念,選擇并引用了大量我國IT企業(yè)有關物聯(lián)網(wǎng)的技術、標準與應用案例。
全書共分9章。
第1章介紹了從物聯(lián)網(wǎng)到智能物聯(lián)網(wǎng)的形成與發(fā)展過程,系統(tǒng)地討論了物聯(lián)網(wǎng)的基本特征與物聯(lián)網(wǎng)層次結構模型。
第2章介紹了數(shù)據(jù)通信的基本概念,系統(tǒng)地討論了信息、數(shù)據(jù)與信號的概念,感知數(shù)據(jù)的信號編碼方法,以及無線通信的基本知識。
第3章介紹了有線接入網(wǎng)的基本概念,系統(tǒng)地討論了以太網(wǎng)接入、電話交換網(wǎng)與ADSL接入、有線電視網(wǎng)與HFC接入、電力線接入,以及光纖接入等技術。
第4章在介紹近距離無線接入概念的基礎上,系統(tǒng)地討論了ZigBee、藍牙、6LoWPAN與IEEE 802.15.4、WBAN與IEEE 802.15.6,以及NFC與UWB技術。
第5章在介紹Wi-Fi發(fā)展背景與IEEE 802.11標準的基礎上,系統(tǒng)地討論了Wi-Fi組網(wǎng)方法、漫游管理、IEEE 802.11接入設備,以及空中Wi-Fi與無人機網(wǎng)的通信。
第6章在介紹NB-IoT研究背景與技術特點的基礎上,系統(tǒng)地討論了NB-IoT網(wǎng)絡結構、業(yè)務模型、網(wǎng)絡部署與平臺架構,以及NB-IoT應用領域與開發(fā)方法。
第7章在介紹5G技術特征、三大應用場景的基礎上,系統(tǒng)地討論了C-RAN、H-CRAN與F-RAN技術。
第8章在無線自組網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)技術的基礎上,系統(tǒng)地討論了無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)、無線多媒體傳感網(wǎng)、水下無線傳感網(wǎng)、地下無線傳感網(wǎng)和無線納米傳感網(wǎng)等相關技術。
第9章在介紹工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景與基本概念的基礎上,系統(tǒng)地討論了現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)的概念、產(chǎn)品與標準,以及工業(yè)以太網(wǎng)的應用分析。
在每章教學內(nèi)容的選取上,我們考慮了兩個因素。
一是本書的重點在物聯(lián)網(wǎng)傳感器、執(zhí)行器接入技術與組網(wǎng)方法的討論上?紤]到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)需要開設物聯(lián)網(wǎng)導論與計算機網(wǎng)絡相關課程,而各個學校課程安排的前后順序可能不同,從適應學生前期知識基礎的差異,以及教程自身體系完整性的角度出發(fā),在介紹數(shù)據(jù)通信基礎知識時,采取了“基本、夠用”的原則。如果學生已經(jīng)學習過物聯(lián)網(wǎng)導論與計算機網(wǎng)絡相關課程,第1、2章相關內(nèi)容就可以簡述或不講。
二是接入技術涉及面很寬,內(nèi)容龐雜,不同技術的發(fā)展與應用的成熟度不同,從突出重點、保證教學效果的角度出發(fā),在具體技術內(nèi)容的取舍上避開過于專業(yè)的內(nèi)容,各種技術在細節(jié)的討論上盡可能保持基本一致。
本書的第1、2、3、5章由吳功宜執(zhí)筆完成,第4、6、7、8、9章由吳英執(zhí)筆完成,全書由吳功宜統(tǒng)稿。
在本書的思路形成與寫作過程中,作者非常感謝高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學研究專家組的王志英教授、馬殿富教授、周興社教授、金海教授、莊越挺教授、臧斌宇教授、安虹教授、袁春風教授、張昱教授、陳向群教授、陳文光教授、何炎祥教授、石宣化教授、張鋼教授,與諸位教授的多次討論給了作者很多啟發(fā)。
感謝“物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學研究專家組”的傅育熙教授、王東教授、秦磊華教授、李志剛教授、桂小林教授、方糧教授、胡成全教授、黃傳河教授、朱敏教授,在與諸位教授的交流中,作者學到很多知識,受到很多啟發(fā)。
感謝華為公司的陳亞新、李晶晶,在參與“華為AIoT技術叢書”的策劃過程中,從華為公司技術專家那里學到很多新知識,受到很多啟發(fā),對于作者編寫本書有很大幫助。
感謝徐敬東教授、張建忠教授、王勁松教授、張健教授、郝剛教授、牛曉光教授、許昱瑋副教授,在與他們的討論與交流中,作者獲得很多靈感。
本書在寫作與出版過程中得到機械工業(yè)出版社多位編輯的大力支持,在此表示衷心的感謝。
由于物聯(lián)網(wǎng)接入技術涉及的行業(yè)面廣,知識點分散,技術更新快,從這些概念、技術中歸納出知識點,再將這些知識點組織成完整的體系難度很大。受作者知識面所限,書中對某些技術內(nèi)容的理解與表述存在錯誤在所難免,懇請讀者不吝賜教。
吳功宜 吳英
南開大學計算機學院
2023年1月
吳功宜 南開大學計算機學院教授、博士生導師。曾任南開大學計算機系主任、研究生院常務副院長、信息技術科學學院院長。長期從事計算機網(wǎng)絡與信息安全方向的教學與研究工作;編著和出版30余部教材、譯著、專著。2000年獲南開大學優(yōu)秀教師特等獎,2003年獲天津市“十五”立功獎章,享受國務院政府特殊津貼。
吳英 南開大學計算機學院副教授,博士,碩士生導師。主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡安全,主持與參加科研項目8項,發(fā)表學術論文20余篇。參加編著與出版教材、譯著共10部。多年來一直從事計算機網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)導論與軟件編程教學工作,獲天津市教學成果一等獎一項。
前 言
第1章 物聯(lián)網(wǎng)基本概念/1
1.1 物聯(lián)網(wǎng)基礎知識/1
1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)的形成與發(fā)展/1
1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的技術特點/3
1.1.3 智能物聯(lián)網(wǎng)的形成與發(fā)展/3
1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術架構/5
1.3 物聯(lián)網(wǎng)接入層基本概念/7
1.3.1 接入設備的分類/7
1.3.2 接入設備數(shù)量與類型的發(fā)展
趨勢/9
1.3.3 設備接入方式/9
1.3.4 接入技術分類/11
1.3.5 接入層結構特點/11
1.3.6 物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的特點/12
習題/13
第2章 數(shù)據(jù)通信基礎/16
2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念/16
2.1.1 數(shù)據(jù)傳輸類型/16
2.1.2 數(shù)據(jù)通信方式/17
2.1.3 傳輸介質類型及特征/20
2.1.4 多路復用的基本概念/25
2.2 信息、數(shù)據(jù)與信號/26
2.2.1 信息、數(shù)據(jù)與信號的概念/26
2.2.2 接入網(wǎng)中的信息、數(shù)據(jù)與信號/26
2.2.3 信息編碼方法/27
2.2.4 感知信息通過接入網(wǎng)的傳輸與處理過程/32
2.3 信號編碼方法/32
2.3.1 數(shù)字信號的編碼方法/32
2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸速率的定義/34
2.4 無線通信的基本概念/35
2.4.1 電磁波譜與通信類型/35
2.4.2 無線電磁波傳播的特點/37
2.4.3 信號傳輸特點對接入頻段選擇的影響/39
2.4.4 信號頻率、信號功率與覆蓋
范圍/42
2.4.5 無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展/43
2.4.6 無線接入網(wǎng)的特點/44
習題/50
第3章 有線接入技術/53
3.1 以太網(wǎng)/53
3.1.1 以太網(wǎng)的基本概念/53
3.1.2 交換式以太網(wǎng)的工作原理/55
3.1.3 交換式以太網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)接入中的應用/57
3.1.4 從層次結構的角度分析以太網(wǎng)
接入/58
3.2 電話交換網(wǎng)與ADSL接入技術/61
3.2.1 ADSL接入的基本概念/61
3.2.2 ADSL在物聯(lián)網(wǎng)接入中的應用/61
3.2.3 ADSL技術特點/62
3.2.4 ADSL標準/62
3.3 有線電視網(wǎng)與HFC接入技術/63
3.3.1 HFC接入的基本概念/63
3.3.2 HFC在物聯(lián)網(wǎng)接入中的應用/64
3.3.3 HFC與ADSL技術比較/65
3.4 電力線接入技術/66
3.4.1 電力線接入的基本概念/66
3.4.2 電力線接入的實現(xiàn)方法/66
3.5 光纖接入技術/67
3.5.1 光纖結構與工作原理/67
3.5.2 光纖接入的基本概念/68
3.5.3 FTTx接入的結構特點/69
3.5.4 EPON標準/70
習題/71
第4章 近距離無線接入技術/74
4.1 ZigBee技術與標準/74
4.1.1 ZigBee研究背景/74
4.1.2 ZigBee技術特點/75
4.1.3 ZigBee層次結構/75
4.1.4 ZigBee節(jié)點類型與網(wǎng)絡拓撲/76
4.1.5 ZigBee應用領域/78
4.2 藍牙技術與標準/78
4.2.1 藍牙研究背景/78
4.2.2 藍牙標準發(fā)展過程/80
4.2.3 藍牙的技術特點/81
4.3 6LoWPAN與IEEE 802.15.4/83
4.3.1 6LoWPAN研究背景/83
4.3.2 6LoWPAN協(xié)議的層次結構/84
4.3.3 IEEE 802.15.4協(xié)議/85
4.3.4 6LoWPAN應用領域/92
4.4 WBAN與IEEE 802.15.6/92
4.4.1 WBAN研究背景/92
4.4.2 IEEE 802.15.6協(xié)議/94
4.4.3 WBAN應用領域/97
4.5 NFC技術與標準/98
4.5.1 NFC技術發(fā)展/98
4.5.2 NFC技術特點/99
4.5.3 NFC應用領域/99
4.6 UWB技術與標準/100
4.6.1 UWB技術發(fā)展/100
4.6.2 UWB技術特點/101
4.6.3 UWB應用領域/101
習題/102
第5章 Wi-Fi接入技術/105
5.1 Wi-Fi的基本概念/105
5.1.1 Wi-Fi研究背景/105
5.1.2 IEEE 802.11協(xié)議標準/106
5.1.3 動態(tài)速率調整機制/108
5.1.4 IEEE 802.11標準體系/110
5.1.5 無線信道劃分與復用方法/111
5.2 IEEE 802.11組網(wǎng)方法/114
5.2.1 網(wǎng)絡拓撲類型/114
5.2.2 基本服務集/114
5.2.3 擴展服務集/115
5.2.4 獨立基本服務集/116
5.2.5 Mesh基本服務集/116
5.2.6 基于Wi-Fi的物聯(lián)網(wǎng)應用
系統(tǒng)/118
5.3 IEEE 802.11漫游管理/119
5.3.1 SSID與BSSID/119
5.3.2 管理幀與漫游管理/120
5.3.3 漫游與重關聯(lián)/123
5.4 IEEE 802.11接入設備/126
5.4.1 無線網(wǎng)卡/126
5.4.2 無線接入點/128
5.4.3 統(tǒng)一無線網(wǎng)絡與無線局域網(wǎng)
控制器/130
5.5 空中Wi-Fi與無人機網(wǎng)/136
5.5.1 無人機網(wǎng)的基本概念/136
5.5.2 空中Wi-Fi與無人機網(wǎng)的
通信/138
習題/140
第6章 NB-IoT接入技術/144
6.1 NB-IoT的基本概念/144
6.1.1 NB-IoT發(fā)展過程/144
6.1.2 NB-IoT技術特點/145
6.2 NB-IoT接入網(wǎng)特點/145
6.2.1 NB-IoT網(wǎng)絡結構/145
6.2.2 NB-IoT業(yè)務模型/148
6.2.3 NB-IoT平臺架構/149
6.3 NB-IoT應用領域與開發(fā)方法/152
6.3.1 NB-IoT應用領域/152
6.3.2 華為NB-IoT應用開發(fā)模式/153
6.3.3 典型NB-IoT應用系統(tǒng)分析/154
6.3