作者：董健
出版社：电子工业出版社
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物联网与短距离无线通信技术(第2版)试读：
前言
编写背景
物联网技术被认为是继计算机、互联网之后信息产业的第三次浪潮，是通过物物互连实现感知世界的技术手段。物联网是在现有网络框架基础上的延伸，数量庞大的物联网终端将实现范围更加广阔的互连互通。物联网的出现，将信息互通的方式从H2H（Human to Human）延伸至M2M（Machine to Machine），为信息化提供了更加广阔的空间。这无疑也为传统的无线通信技术提供了基于泛在物联网络的新的发展契机。
短距离无线通信技术的范畴比较广泛，根据CCSA泛在网技术工作委员会（TC10）感知/延伸工作组（WG4）关于泛在网术语的最新商定，短距离无线通信技术一般指有效通信距离在厘米到百米范围内的无线通信技术。短距离无线通信技术旨在解决近距离设备的连接问题，可以支持动态组网并灵活实现与上层网络的信息交互功能。该技术定位满足了物联网终端组网，以及物联网终端网络与电信网络互连互通的要求，是短距离无线通信技术在物联网发展背景下彰显活力的根本原因。短距离无线技术已经广泛应用于热点覆盖、家庭办公网络、家庭数字娱乐、智能楼宇、物流运输管理等方面，并以其丰富的技术种类和优越的技术特点，满足了物物互连的应用需求，逐渐成为物联网架构体系的主要支撑技术。
本书是“国家级特色专业（物联网工程）规划教材”之一。目前，市面上的物联网教材多是“物联网导论”、“物联网基础”等之类的书籍，侧重介绍物联网的基本概念、基本原理以及相关应用等综述性知识，而介绍物联网短距通信领域的相关核心技术的专门教材比较少。在过去十多年时间里，人们对短距离无线通信技术的研究与应用取得了丰硕的成果，但这些成果大多散落在论文、报告、标准、网页等中，因此编写一本全面概括短距离无线通信技术及其物联网相关应用的教材，有助于快速引导读者进入这一生机勃勃的研究领域。这也是作者编写本书的初衷。
本书第1版自2012年9月出版以来，已有几十家高等院校相关专业采用本教材，连续印刷6次，总印数12000多册，受到各高校相关专业教师与学生们的广泛好评。近年来，随着物联网与移动互联网的蓬勃兴起，各种短距无线通信技术发展日新月异，物联网通信的专业教学与人才培养等都面临全新的挑战，因此，本教材的适时更新与不断完善也势在必行。本次修订在尽量保持前版教材的“组织结构、内容体系和特色”不变的前提下，努力在物联网短距通信技术的发展现状、标准化、应用实例等内容的时效性方面有所更新和充实。修订的主要内容有：
第一，对第1版中有关排版、编辑、内容等方面存在的纰漏和差错进行订正。通过修订，力求做到概念准确、表述正确、数字精确。
第二，对有关章节的教材内容和条目顺序进行调整、充实、更改甚至重写。通过修订，力求做到条理清晰、兼顾理论与实践。
第三，对有关章节的技术发展与标准化、应用实例等内容的时效性进行更新，并增补相应的参考文献。特别地，还增加了近年来兴起且非常热门的可见光通信技术章节。通过修订，力求做到资料翻新、应用更新、思维创新。
第四，对教材配套的多媒体教学课件、电子书籍进行补充。通过补充，力求做到方便教学与资源共享。
内容安排
本书系统全面地介绍物联网架构体系中的重要支撑技术—短距离无线通信技术的基本概念、基本原理、技术特点、应用范围及发展前景等，内容包括蓝牙、Zigbee（紫蜂）、无线局域网（WLAN）、IrDA（红外）、RFID（射频识别）、近场通信（NFC）、超宽带（UWB）、60 GHz通信、可见光通信、Ad hoc网络（自组网）等技术。全书共分11章，各章内容安排如下：
第1章为概述。首先概要介绍物联网的概念与发展，并简单描述物联网的体系结构和关键技术。然后介绍物联网通信，包括移动通信、宽带无线接入、短距离无线通信以及无线传感网络等。最后对多种典型的短距离无线通信技术进行了简要概述并分析比较各自的特点。
第2章介绍蓝牙。首先介绍蓝牙技术的发展及技术特点。然后重点介绍蓝牙协议体系、协议子集及应用规范。接着从分析微微网入手介绍蓝牙的网络拓扑结构和路由机制。最后简要介绍蓝牙技术的应用。
第3章介绍ZigBee。首先介绍ZigBee技术的概念、特点及发展历程。接着着重介绍ZigBee协议栈结构及其安全问题。然后介绍ZigBee网络拓扑结构、组网技术和路由协议。最后介绍ZigBee无线传感器网络的工作模式及特点，并展望ZigBee的应用前景。
第4章介绍无线局域网（WLAN）。首先介绍WLAN的技术标准，通过与有线接入网的比较，介绍WLAN的技术特点。然后重点介绍WLAN的物理层、MAC层技术和网络安全技术。最后介绍WLAN的具体应用。
第5章介绍IrDA（红外）。首先简要介绍IrDA的发展情况。然后详细描述IrDA标准和两种规范—物理层规范和链接建立协议层规范，IrDA协议栈作为红外通信的核心，本章从核心协议层和可选协议层两方面介绍IrDA协议栈。最后简要介绍IrDA的应用。
第6章介绍RFID（射频识别）。首先从射频的概念和自动识别技术的起源与发展讲起，试图给出一个广阔的知识背景。接着介绍RFID技术的基本原理、系统组成、技术特点、技术标准等。然后从天线、防碰撞技术、安全与隐私三个方面重点阐述RFID的关键技术。最后介绍RFID技术的发展前景。
第7章介绍近场通信（NFC）技术。首先简述NFC的概念、发展历程和技术特点。然后详细介绍NFC的技术原理，包括工作原理、工作模式以及技术标准等，并对NFC安全问题进行讨论。最后，介绍NFC的应用及发展前景。
第8章介绍超宽带（UWB）技术。首先概述UWB技术的产生、发展、技术特点及信道传播特征。接下来从脉冲成形、调制与多址、接收机等方面介绍UWB的关键技术。然后详细描述UWB的系统和技术方案。最后介绍UWB的应用和研究方向。
第9章介绍60 GHz无线通信技术。首先简要介绍60 GHz毫米波无线通信的技术特点及优势。然后概述60 GHz无线通信国内外发展现状及标准化概况，总结当前60 GHz无线通信的关键技术，包括收发电路、天线、电路集成等技术。最后介绍60 GHz无线通信技术的相关应用。
第10章介绍可见光无线通信技术。首先简要介绍可见光通信的概念、特点及发展现状，接着介绍短距离可见光通信的标准化。然后重点讨论可见光通信的若干关键技术，包括光源布局、信道编码、调制复用等技术。最后介绍可见光通信的相关应用及发展前景。
第11章介绍Ad hoc网络（自组网）。首先概述Ad hoc技术的起源与发展、特点及关键技术等。接着重点介绍Ad hoc技术的MAC协议和路由协议。然后介绍移动Ad hoc网络的QoS相关研究，包括QoS服务模型、QoS信令等。最后介绍Ad hoc技术的应用。
本书汇聚了短距无线通信领域最具实际应用意义的研究成果，不仅介绍各项技术的基本原理、技术特点及其在物联网中的应用等，而且对该领域的最新前沿课题给予关注，为读者进一步的深入研究奠定基础。
本书配有教学课件，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后下载。
致谢
在本书第2版的修订编写过程中，作者参阅了国内外有关各种短距离无线通信技术的研究成果，具体内容已列在每章末尾的参考文献中。在此对所参阅文献的作者表示衷心的感谢！
感谢中南大学信息科学与工程学院副院长施荣华教授、计算机工程系主任黄东军教授对本书撰写的大力支持和悉心指导！作为中南大学物联网专业的学科带头人，两位教授为本书的选题、内容组织以及审阅付出了大量的心血。编者实验室的研究生余夏苹、谢羽嘉、朱炫滋、叶睿、王浩等人为本书初版和再版的资料收集、录入、排版校对、绘图等做了大量的工作，多年来使用本教材的各高校老师学生们也对本教材的编写提出了若干意见和建议，在此一并表示感谢。
本书得以顺利再版，还要感谢电子工业出版社和本书责任编辑田宏峰先生的大力支持与辛勤工作。田宏峰编辑的热情高效、细致负责的工作方式给作者留下了深刻的印象。
由于作者水平有限，本书错误和疏漏之处在所难免，恳请读者提出宝贵意见和建议。联系邮箱：dongjian@mail.csu.edu.cn。董 健2016年6月于长沙第1章概述
20世纪40年代计算机的发明，使得人们对信息的理解和处理能力大大加强，信息作为一种独立的因素和力量开始深刻地塑造和改变人类世界。到了20世纪90年代，互联网的兴起大大加强了信息的传播能力，一个信息快速产生、流通和消亡的虚拟空间就此诞生。到了今天，互联网已经成为一个无比庞大的虚拟数字世界，包含着海量的信息，连接着数以十亿计的网络用户。进入21世纪以来，随着传感设备、嵌入式系统与互联网的普及，物联网被认为是继计算机、互联网之后的第三次信息革命浪潮。物联网已经在全世界得到极大的重视，主要工业化国家纷纷提出了各自的物联网发展战略。1.1 物联网概述1.1.1 物联网的概念
最初的物联网（Internet of Things, IoT）也称为传感网，它是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置，与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，其目的是让所有物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。
2009年1月28日美国总统奥巴马与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出了“智慧地球”这一概念。智慧地球，就是把感应器嵌入和配置到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。2009年9月，在北京举办的“物联网与企业环境中欧研讨会”上，欧盟委员会信息和社会媒体公司RFID部门负责人Lorent Ferderix博士给出了欧盟对物联网的定义：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟特性和智能接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，共同构成未来的互联网。
目前，对物联网有一个为业界基本接受的定义：物联网是通过各种信息传感设备及系统[如传感器网络、射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）、红外感应器、条码与二维码、全球定位系统、激光扫描器等]和其他基于物物通信模式的短距离无线传感器网络，按约定的协议，把任何物体通过各种接入网与互联网连接起来所形成的一个巨大的智能网络，通过这一网络可以进行信息交换、传递和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
上述定义同时说明了IoT的技术组成和联网的目的。如果说互联网可以实现人与人之间的交流，那么IoT则可以实现人与物、物与物之间的连通。按照这一定义，IoT的概念模型如图1.1所示。可以看到，物联网将生活中的各类物品与它们的属性标识后连接到一张巨大的互联网上，使得原来只是人与人交互的互联网升级为连接世界万物的物联网。通过物联网，人们可以获得任何物品的信息，而对这些信息的提取、处理并合理运用将使人类的生产和生活产生巨大的变革。具有以下条件的“物”才能被纳入“物联网”的范围：相应物品信息的接收器、数据传输通路、一定的存储功能、CPU、操作系统、专门的应用程序、数据发送器、遵循物联网的通信协议，以及在网络中有可被识别的唯一编号。图1.1 物联网的概念模型
在物联网时代，通过在各种各样的物品中嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。1.1.2 物联网的发展
1999年，美国麻省理工学院（MIT）的Auto-ID中心创造性地提出了当时被称为产品电子代码（Electronic Product Code, EPC）系统的物联网构想雏形。通过把所有物品经由射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现初步的智能化识别和管理。一个EPC物联网体系架构主要由EPC编码、EPC标签及RFID读写器、中间件系统、ONS服务器和EPC IS服务器等部分构成，其工作流程如图1.2所示。图1.2 EPC系统工作流程示意图
2004年日本总务省提出了u-Japan构想，希望在2010年将日本建设成一个“任何时间、任何地点、任何物品、任何人”都可以上网的环境。同年，韩国政府制定了u-Korea战略，韩国信通部发布《数字时代的人本主义：IT839战略》以具体呼应u-Korea。
2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》，从此物联网的概念正式诞生。这里，物联网的定义发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID的物联网。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体，从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。物联网概念的兴起，很大程度上得益于国际电信联盟2005年以物联网为标题的年度互联网报告。然而，ITU的报告对物联网的定义仍然是初步的。
2008年，欧盟智慧系统整合科技联盟（EPOSS）在《2020的物联网：未来蓝图》报告中大胆地预测了物联网的发展阶段：2010年之前，RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域；2010—2015年物体互连；2015—2020年物体进入半智能化；2020年之后物体进入全智能化。
2009年1月，美国IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，物联网在全球开始受到极大的关注，中国与美国等国家均把物联网的发展提到了国家级的战略高度，相关行业为之鼓舞，各大公司纷纷推出相应的计划和举措，因而2009年又被称为“物联网元年”。
2009年，欧盟委员会发表了《欧盟物联网行动计划》，它描述了物联网技术应用的前景，并提出了加强对物联网的管理、完善隐私和个人数据保护、提高物联网的可信度、推广标准化、建立开放式的创新环境、推广物联网应用等建议。2009年7月，日本IT战略本部颁布了日本新一代的信息化战略—i-Japan战略，以让数字信息技术融入每一个角落。将政策目标聚焦在三大公共事业：电子化政府治理、医疗健康信息服务、教育与人才培养。并提出到2015年，通过数字技术达到“新的行政改革”，实现行政流程简单化、效率化、标准化、透明化，同时推动电子病历、远程医疗、远程教育等应用的发展。与此同时，韩国信通部发布了新修订的《IT839战略》，明确提出了物联网基础设施构建基本规划，将物联网市场确定为新增长动力；认为无处不在的网络社会将是由智能网络、最先进的计算技术，以及其他领先的数字技术基础设施武装而成的社会形态。在无所不在的网络社会中，所有人可以在任何地点、任何时刻享受现代信息技术带来的便利。
2009年8月，温家宝总理在无锡视察时指出，要在激烈的国际竞争中迅速建立中国的传感信息中心或“感知中国中心”，表示中国要抓住机遇，大力发展物联网技术。同年11月，温家宝总理在人民大会堂向北京科技界发表了题为《让科技引领可持续发展》的重要讲话，表示要将物联网列入信息网络的发展，并强调信息网络产业是世界经济复苏的重要驱动力。2009年12月，工业和信息化部开始统筹部署宽带普及、三网融合、物联网及下一代互联网发展计划。2010年3月5日，温家宝总理在十一届全国人大三次会议上作政府工作报告时指出，要积极推动三网融合，加快物联网发展。2010年9月《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中确定了七大战略性新兴产业，明确将物联网作为新一代信息战略性产业。
2011年以来，我国有更多城市、科研机构、企业和学校加入物联网的队伍中来，物联网市场规模迅速增长。2015年，我国M2M（Machine to Machine）连接数突破7300万，同比增长46%。RFID产业规模超过300亿元，传感器市场规模接近1000亿元，但产业优势主要集中在中低端硬件领域。整体来看，我国在M2M服务、中高频RFID、二维码等产业环节具有一定优势，在基础芯片设计、高端传感器制造、智能信息处理等产业环节较为薄弱；物联网大数据处理和公共平台服务处于起步阶段，物联网相关的终端制造、应用服务、平台运营管理仍在成长培育阶段。2015年全球物联网市场规模达到624亿美元，同比增长29%。2016年，物联网迈向2.0时代，全球物联网技术生态系统将加速构建。在我国，物联网的发展一直处于政府主导与保护阶段，新一届政府将物联网作为重点产业打造，十三五规划中明确提出“要积极推进云计算和物联网发展，推进物联网感知设施规划布局，发展物联网开环应用”。随着物联网应用示范项目的大力开展，“中国制造2025”、“互联网+”等国家战略的推进，以及云计算、大数据等技术和市场的驱动，将激发我国物联网市场的需求。据预测，到2020年全球会有超过240亿台物联网设备连网，其中，用于运动健身、休闲娱乐、医疗健康等的可穿戴设备会成为主要应用。2035年前后，我国的传感网终端将达到数千亿个；到2050年传感器在生活中将无处不在。
回顾物联网的发展史，针对我国经济的状况，我们可以发现，我国政府在大规模的基础建设执行中，植入“智慧”的理念，积极促进物联网产业的发展，不仅能够在短期内有力地刺激经济、促进就业，而且能够从长远上为中国打造一个成熟的智慧基础设施平台。目前，在现实生活中，物联网的具体应用已不再陌生，如远程防盗、高速公路不停车收费、智能图书馆、远程电力抄表等。物联网为我们构建了一个十分美好的蓝图，可以想象，在不远的未来，人们可以通过物物相连的庞大网络实现智能交通、智能安防、智能监控、智能物流，以及家庭电器的智能化控制。图1.3展示了物联网发展的社会背景。图1.3 物联网发展的社会背景1.1.3 物联网的体系结构
物联网有别于互联网，互联网的主要目的是构建一个全球性的计算机通信网络，而物联网则主要是从应用出发，利用互联网、无线通信网络资源进行业务信息的传送，是互联网、移动通信网应用的延伸，是自动化控制、遥控遥测及信息应用技术的综合展现。当物联网概念与近距离通信、信息采集与网络技术、用户终端设备结合后，其价值才将逐步得到展现。因此，设计物联网系统结构时应该遵循以下几条原则。（1）多样性原则：物联网体系结构需根据物联网的服务类型、节点的不同，分别设计多种类型的系统结构，不能也没有必要建立起统一的标准系统结构。（2）时空性原则：物联网尚在发展之中，其系统结构应能满足在物联网的时间、空间和能源方面的需求。（3）互连性原则：物联网体系结构需要平滑地与互联网实现互连互通，试图另行设计一套互连通信协议及其描述语言是不现实的。（4）可扩展性原则：对于物联网系统结构的架构，应该具有一定的扩展性设计，以便最大限度地利用现有网络通信基础设施，保护已有投资利益。（5）安全性原则：物物互连之后，物联网的安全性将比计算机互联网的安全性更为重要，因此物联网的系统结构应能够防御大范围的网络攻击。（6）健壮性原则：物联网系统结构应具备相当好的健壮性和可靠性。
根据信息生成、传输、处理和应用的过程，可以把物联网系统从结构上分为四层：感知层、传输层、支撑层、应用层，如图1.4所示。图1.4 物联网的系统结构
感知层是为了实现全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；传输层的目的是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；支撑层的功能是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制；应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的服务。
1．感知层
感知层主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。例如，温度感应器、声音感应器、图像采集卡、震动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识读器等，都是用于完成物联网应用的数据采集和设备控制。
传感器网络的感知主要通过各种类型的传感器对物体的物质属性、环境状态、行为态势等静/动态信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识。针对具体感知任务，通常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线或实时计算，并与网络中的其他单元共享资源进行交互与信息传输，甚至可以通过执行器对感知结果做出反应，对整个过程进行智能控制。
在感知层，主要采用的设备是装备了各种类型传感器（或执行器）的传感网节点和其他短距离组网设备（如路由节点设备、汇聚节点设备等）。一般这类设备的计算能力都有限，主要的功能和作用是完成信息采集和信号处理工作，这类设备中多采用嵌入式系统软件与之适应。由于需要感知的地理范围和空间范围比较大，包含的信息也比较多，该层中的设备还需要通过自组织网络技术，以协同工作的方式组成一个自组织的多节点网络进行数据传递。
2．传输层
传输层的主要功能是直接通过现有互联网（IPv4/IPv6网络）、移动通信网（如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。网络层主要利用现有的各种网络通信技术，实现对信息的传输功能。
传输层主要采用能够接入各种异构网的设备，如接入互联网的网关、接入移动通信网的网关等。由于这些设备具有较强的硬件支撑能力，因此可以采用相对复杂的软件协议进行设计，其功能主要包括网络接入、网络管理和网络安全等。目前的接入设备多为传感网与公共通信网（如有线互联网、无线互联网、GSM网、TD-SCDMA网、卫星网等）的连通。
3．支撑层
支撑层主要是在高性能网络计算环境下，将网络内大量或海量信息资源通过计算整合成一个可互连互通的大型智能网络，为上层的服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠和可信的网络计算超级平台。例如，通过能力超强的超级计算中心、存储器集群系统（如云计算平台、高性能并行计算平台等）和各种智能信息处理技术，对网络内的海量信息进行实时高速处理，对数据进行智能化挖掘、管理、控制与存储。支撑层利用了各种智能处理技术、高性能分布式并行计算技术、海量存储与数据挖掘技术、数据管理与控制等多种现代计算机技术。
支撑层主要的系统设备包括大型计算机群、海量网络存储设备、云计算设备等，在这一层次上需要采用高性能计算技术及大规模的高速并行计算机群，对获取的海量信息进行实时控制和管理，以便实现智能化信息处理、信息融合、数据挖掘、态势分析、预测计算、地理信息系统计算，以及海量数据存储等，同时为上层应用提供一个良好的用户接口。
4．应用层
应用层中包括各类用户界面显示设备，以及其他管理设备等，这也是物联网系统结构的最高层。应用层根据用户的需求可以面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务，如智能交通系统、环境监测系统、远程医疗系统、智能工业系统、智能农业系统、智能校园等。
为了更好地提供准确的信息服务，在应用层必须结合不同行业的专业知识和业务模型，同时需要集成和整合各种各样的用户应用需求并结合行业应用模型（如水灾预测、环境污染预测等），构建面向行业实际应用的综合管理平台，以便完成更加精细和准确的智能化信息管理。例如，当对自然灾害、环境污染等进行检测和预警时，需要相关生态、环保等各种学科领域的专门知识和行业专家的经验。
在应用层建立的诸如各种面向生态环境、自然灾害监测、智能交通、文物保护、文化传播、远程医疗、健康监护、智能社区等的应用平台，一般以综合管理中心的形式出现，并可按照业务分解为多个子业务中心。1.1.4 物联网的关键技术
物联网是一种复杂、多样的系统技术。从物联网技术体系结构角度解读物联网，可以将支持物联网的技术分为四个层次：感知技术、传输技术、支撑技术、应用技术。
1．感知技术
感知技术是指能够用于物联网底层感知信息的技术，包括射频识别（RFID）技术、传感器技术、GPS定位技术、多媒体信息采集技术及二维码技术等。（1）射频识别技术。它是物联网中让物品“开口说话”的关键技术。在物联网中，RFID标签上存储着规范且具有互用性的信息，通过无线数据通信网把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别。RFID技术可以识别高速运动物体并同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。工业界经常将RFID系统分为标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）三大组件，如图1.5所示。阅读器通过天线发送电子信号，标签接收到信号后发射内部存储的标识信息，阅读器通过天线接收并且识别标签发回的信息，最后阅读器再将识别结果发送给主机。图1.5 RFID系统组成部件图（2）传感器技术。在物联网中，传感技术主要负责接收物品“讲话”的内容。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理、变换和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。（3）GPS与物联网定位技术。GPS技术又称为全球定位系统，是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体、采集移动物体信息的重要技术，更是物流智能化、智能交通的重要技术。（4）多媒体信息采集与处理技术。多媒体信息采集技术使用各种摄像头、相机、麦克风等设备采集视频、音频、图像等信息，并将这些采集到的信息进行抽取、挖掘和处理，将非结构化的信息从大量的采集到的信息中抽取出来，然后保存到结构化的数据库中，从而为各种信息服务系统提供数据输入的整个过程。（5）二维码技术。二维码是采用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，它在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。二维条码/二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，能在很小的面积内表达大量的信息。
2．传输技术
传输技术是指能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括移动通信网、互联网、无线网络、卫星通信、短距离无线通信等。（1）移动通信网（Mobile Communication Network）。移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。移动通信系统由两部分组成：空间系统和地面系统（卫星移动无线电台、天线、关口站、基站）。若要同某移动台通信，移动交换局通过各基台向全网发出呼叫，被叫台收到后发出应答信号，移动交换局收到应答后分配一个信道给该移动台并从此话路信道中传送一信令使其振铃。（2）互联网（Internet）。即广域网、局域网及单机按照一定的通信协议组成的国际计算机网络。互联网是指将两台计算机或者是两台以上的计算机终端、客户端、服务端通过计算机信息技术的手段互相联系起来的结果，人们可以与远在千里之外的朋友相互发送邮件、共同完成一项工作、共同娱乐。（3）无线网络（Wireless Network）。在物联网中，物品与人的无障碍交流，必然离不开高速、可进行大批量数据传输的无线网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。（4）卫星通信（Satellite Communication）。简单地说，卫星通信就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成，其特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波覆盖范围内，任何两点之间都可以进行通信；可靠性高，不易受陆地灾害的影响；开通电路迅速，只要设置地球站电路即可开通；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址连接）。（5）短距离无线通信（Short Distance Wireless Communication）。短距离无线通信泛指在较小的区域内（数百米）提供无线通信的技术，目前常见的技术大致有IEEE 802.11系列无线局域网、蓝牙、NFC（近场通信）技术和红外传输技术等。
3．支撑技术
支撑技术是指用于物联网数据处理和利用的技术，它包括云计算技术、嵌入式系统、人工智能技术、数据库与数据挖掘技术、分布式并行计算和多媒体与虚拟现实等。（1）云计算（Cloud Computing）技术。物联网的发展离不开云计算技术的支持，物联网中的终端的计算和存储能力有限，云计算平台可以作为物联网的“大脑”，实现对海量数据的存储、计算。云计算是分布式计算技术的一种，其最基本的概念是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。（2）嵌入式系统（Embedded System）。嵌入式系统就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软/硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和微电子技术，是集成电路发展过程中的一个标志性成果。物联网与嵌入式关系密切，物联网的各种智能终端大部分表现为嵌入式系统，可以说没有嵌入式技术就没有物联网应用的美好未来。（3）人工智能技术（Artificial Intelligence Technology, AIT）。人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的技术。人工智能是探索研究用各种机器模拟人类智能的途径，使人类的智能得以物化与延伸的一门学科，它借鉴仿生学思想，用数学语言抽象描述知识，用以模仿生物体系和人类的智能机制，目前主要的方法有神经网络、进化计算和粒度计算三种。在物联网中，人工智能技术主要负责将物品“讲话”的内容进行分析，从而实现计算机自动处理。（4）数据库与数据挖掘技术。数据库技术是信息系统的一个核心技术，是一种计算机辅助管理数据的方法，它研究如何组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据，是通过研究数据库的结构、存储、设计、管理及应用的基本理论和实现方法，并利用这些理论来实现对数据库中的数据进行处理、分析和理解的技术。即：数据库技术是研究、管理和应用数据库的一门软件科学。数据挖掘（Data Mining）就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的，但又是潜在有用的信息和知识的过程。在物联网中，数据库和数据挖掘技术扮演着海量数据存储与分析处理的重要角色，它们是支撑物联网应用系统的重要工具之一。（5）分布式并行计算。并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用多个处理器并发的执行计算。分布式计算研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些小的部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。分布式并行计算是将分布式计算和并行计算综合起来的一种计算技术，物联网与分布式并行计算关系密切，它是支撑物联网的重要计算环境之一。（6）多媒体与虚拟现实。多媒体技术是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息综合处理、建立逻辑关系和人机交互作用的技术。虚拟现实技术是人们借助计算机技术、传感器技术、仿真技术等仿造或创造的人工媒体空间。它是虚拟的，但又有真实感，它通过多种传感设备，模仿人的视觉、听觉、触觉和嗅觉，使用户沉浸在此环境中并能与此环境直接进行自然交互、在三维空间中进行构想，使人进入一种虚拟的环境，产生身临其境的感觉。虚拟现实技术的广泛应用前景，将给人类的工作、生活带来极大的改变和享受。多媒体技术可以使物联网感知世界，表现感知结果的手段更丰富、更形象、更直观；虚拟现实技术成为人类探索客观世界规律的三大手段之一，也是未来物联网应用的一个重要的技术手段。
4．应用技术
应用技术是指用于直接支持物联网应用系统运行的技术，应用层主要是根据行业特点，借助互联网技术手段，开发各类行业应用解决方案，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类物联网解决方案，构建智能化的行业应用。
例如，交通行业涉及的是智能交通技术，电力行业采用的是智能电网技术，物流行业采用的智慧物流技术等。一般来讲，各类应用还要更多地涉及专家系统、系统集成技术、编/解码技术等。（1）专家系统（Expert System）。专家系统是一个含有大量某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和经验来处理该领域问题的智能计算机程序系统，它属于信息处理层技术。（2）系统集成（System Integrate）技术。系统集成是指在系统工程科学方法的指导下，根据用户需求，优选各种技术和产品，将各个分离的子系统连接成为一个完整可靠、经济、有效的整体，并使之能彼此协调工作，发挥整体效益，达到整体性能最优。（3）编/解码（Coder and Decoder）技术。物联网不仅包含着传感数据、视频图像、音频、文本等各种媒体形式的数据，而且数据量巨大，因此资源发布成了一个重要课题。基本上，我们通过编码与解码技术，实现数据的有效存储和传输，使它占用更少的磁盘存储空间和更短的传输时间。数据压缩的依据是数字信息中包含了大量的冗余，有效的编码技术旨在将这些冗余信息占用的空间和带宽节省出来，用较少的符号或编码代替原来的数据。1.2 物联网通信
通信是物联网的关键功能，没有通信，物联网感知的大量信息就无法进行有效的交换和共享，从而也不能利用基于这些物理世界的数据产生丰富的多层次的物联网应用。没有通信的保障，物联网设备无法接入虚拟数字世界，数字世界与物理世界的融合也就无从谈起。物联网通信构成了物物互连的基础，是物联网从专业领域的应用系统发展成为大规模泛在信息化网络的关键。
由于物联网对通信的强烈需求，物联网通信包含了几乎现有的所有通信技术，包括有线和无线通信。然而考虑到物联网的泛在化特征，要求物联网设备的广泛互连和接入，最能体现该特征的是无线通信技术。正是无线通信技术的发展，使得大量的物，以及与物相关的电子设备能够接入到数字世界，而且能够适应现实世界的运动性。物联网虽然用到大量的有线通信技术，但本书重点介绍无线通信技术，包括移动通信网络、宽带无线接入、射频与微波通信等。
移动通信网络是一个广域的通信网络，需要中心化的基站和核心网来支持与维护移动终端间的通信。在物联网的应用场景中，传感器等物联网设备需要实时交互共享信息，釆用对等通信的方式，需要具有低功耗、无中心特征的短距离无线通信技术及无线传感器网络技术来建立局部范围内的物联网，再通过网关等特定设备接入互联网或广域核心网，成为名副其实的物联网。物联网设备分为一般的嵌入式系统和传感器两类，其中短距离无线通信技术目前主要用于包含嵌入式系统的电子设备之间的互连，无线传感器网络主要用于传感器之间的互连。
因此，考虑物联网的泛在特征，本书主要介绍与物联网密切相关的无线通信技术；考虑到全局网络和局部网络的关系，本书也将介绍全局范围的移动通信网络、局部范围的无线短距离通信技术和无线传感器网络。1.2.1 移动通信
移动通信网络具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移动性等特点，而物联网的终端都需要以某种方式连接起来发送或者接收数据（这些数据种类也是多种多样的，如声音、视频、普通信息数据等），即物联网需要一个无处不在的通信网络。考虑到方便性（需要数据线连接）、信息基础设施的可用性（不是所有地方都有方便的固定接入能力），以及一些应用场景本身需要随时监控的目标就处在移动状态下，因此移动通信网络将是物联网最主要的接入手段之一。
1．移动通信的特点
所谓移动通信，就是指移动物体之间的通信，或移动物体与固定物体之间的通信。移动物体可以是人，也可是汽车、火车、轮船、飞机等在移动状态中的物体。顾名思义，移动通信最本质的特色是“移动”二字，也就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。
随着现代通信的发展，尤其是移动通信这一综合利用了有线和无线的传输方式商业化后，满足了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的对象进行通信联络的要求，移动通信具有受时空限制少和实时性好的优点，从而得到了广泛的应用和迅速发展。
移动通信与有线通信比较起来，主要有以下不同之处。（1）移动性，就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线与有线通信的结合。（2）电波传播条件复杂，因为移动物体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和频谱展宽等现象。（3）噪声和干扰严重，在城市环境中存在诸如汽车火花噪声、各种工业噪声，以及移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。（4）系统和网络结构复杂，移动通信是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作；此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构比较复杂。（5）要求频带利用率高，设备性能好。
总之，传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性，这三个特点共同构成了移动通信的主要特点。移动信道的主要特点和电磁传播的方式特点，决定了将会对无线信号的传输产生三类不同的损耗和四种效应。
三类损耗包括路径传播损耗、大尺度衰落损耗、小尺度衰落损耗，具体含义如下。（1）路径传播损耗：又称为衰耗，它是指电磁波在宏观大范围（即千米级）空间传播所产生的损耗。它反映了传播在空间距离的接收信号电平的变化趋势。（2）大尺度衰落损耗：这是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，因其变化率较慢故又称为慢衰落。（3）小尺度衰落损耗：这主要是由于多径传播而产生的衰落，反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从瑞利或莱斯分布。其变化率比慢衰耗快，所以称为小尺度衰落或快衰落。它又可以进一步划分为空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。选择性是指在不同的空间、频率、时间，其衰落特性不一样。
四种效应包括阴影效应、远近效应、多径效应、多普勒效应，具体含义如下所述。（1）阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影。光波的波长较短，因此阴影可见；电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端（如手机）与专用仪表可以测试出来。（2）远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化的，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者（即离基站较远的用户）产生掉话（通信中断）现象，通常称这一现象为远近效应。（3）多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来和绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说多径信号之间可能产生自干扰，这类自干扰称为多径干扰或多径效应。这类多径干扰非常复杂，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。（4）多普勒效应：由于接收用户处于高速移动中，如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速（≥70 km/h）车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。
2．移动通信的发展
现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代。从20世纪20年代至40年代，在短波频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统的工作频率为2 MHz，到40年代工作频率提高到30～40 MHz。通常认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，主要是专用系统，特点是工作频率较低。
20世纪40年代中期至60年代初期，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FFC）的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用3个频道，每个频道间隔为120 kHz，采用单工通信方式。随后，德国（1950年）、法国（1956年）、英国（1959年）等相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一时期的移动通信从专用移动网向公用移动网过渡，采用人工接续方式，全网的通信容量较小。
从20世纪60年代中期到70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），使用150 MHz和450 MHz频段，采用大区制、中大容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公司电话网。同期，德国也推出了具有相同技术水平的B网。这一时期，移动通信系统的特点是采用大区制、中小容量，使用450 MHz频段，实现了自动选频与自动接续。
20世纪70年代中期至80年代中期是移动通信蓬勃发展的时期。1978年年底，美国贝尔实验室研制成功了采用小区制的先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量，开始了第一代陆地公众蜂窝移动通信系统。1983年，该系统首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，约10万移动用户。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800 MHz汽车电话（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。德国于1984年完成C网，频段为450 MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段是900 MHz。加拿大推出450 MHz移动电话系统MTS。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网，并投入使用，频段为450 MHz。这一时期，无线移动通信系统发展的主要特点是小区制、大容量的蜂窝状移动通信网成为使用系统，并在世界各地迅速发展，奠定了现代移动通信高速发展的基础。
移动通信大发展的原因，除了用户需求这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便终端设备被不断地推出。其次，提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统的要求与频率资源有限的矛盾。第三方面的进展是微处理器技术日趋成熟，以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。
以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题，如频谱利用率低、移动设备复杂、费用较高、业务种类受限制，以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统逐渐发展和成熟。数字通信的频谱利用率高，可大大提高系统的容量，能提供语音、数据等多种业务服务。欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。GSM于1991年7月开始投入商用。在世界各地，特别是在亚洲，GSM系统取得了极大成功，并更名为全球移动通信系统。在十多年内，数字蜂窝移动通信处于一个大发展时期，GSM已成为陆地公用移动通信的主要系统。
移动通信技术在20世纪90年代呈现出加快发展的趋势。当数字蜂窝网刚进入实用阶段之时，关于未来移动通信的讨论已如火如荼地展开，新的技术与系统不断推出。美国高通公司于20世纪90年代初推出了窄带码分多址（CDMA）蜂窝移动通信系统，这是移动通信中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这个时期，不断推出的移动通信系统还有移动卫星通信系统、数字无绳电话系统等，移动通信呈现出多样化的趋势。
从20世纪末到21世纪初，第三代移动通信系统（3G）的开发和推出，使移动通信进入一个全新的发展阶段。3G最早在1985年国际电信联盟（ITU）提出，当时考虑到该系统可能在2000年左右进入市场，工作频段在2 000 MHz，且最高业务速率为2 000 kbps，故在1996年正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。3G是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务的全球漫游移动通信网络，能实现静止2 Mbps的传输速度，中低速384 kbps、高速144 kbps速率的通信网。但由于各国、各厂商的利益差异，产生目前三大主流技术标准WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，而焦点集中在WCDMA （3GPP）和CDMA2000（3GPP2）上，随着3GPP和3GPP2的标准化工作逐渐深入和趋向稳定，ITU又将目光投向能提供更高无线传输速率和统一灵活的全IP网络平台的下一代移动通信标准，称为Beyond 3G（B3G）或4G。
目前我国正推行4G移动通信技术，它是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像，以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100 Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20 Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。正当LTE（Long Term Evolution，长期演进）和WiMax在全球电信业大力推进时，前者（LTE）也是最强大的4G移动通信主导技术。IBM数据显示，67%运营商正考虑使用LTE，因为这是他们未来市场的主要来源，而只有8%的运营商考虑使用WiMax。尽管WiMax可以给其客户提供市场上传输速度最快的网络，但仍然不是LTE技术的竞争对手。LTE项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
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