物聯網：無線通信、物理層、網絡層與底層驅動（簡體書）

盡管目前物聯網市場是跨制造商和產品線的，且呈現碎片化，但物聯網的未來在於互操作性。通過采用IEEE和其他技術標準，可以實現這種互操作性。

本書介紹了幾種用於物聯網（IoT）連接的無線標準及相關的無線通信理論，並詳細介紹協議棧的物理層和媒體訪問控制層，將要討論的問題分解為較小的子問題，自下而上地描述無線物聯網。

第1章首先介紹無線物聯網的概念、相關背景及應用示例。這些應用促進了人們用無線物聯網進行無線連接的需求。然後，介紹協議棧的概念，給出協議棧示例以及跨層功能分解的細微差別，以便可以將無線連接分解為具有特定功能的層。涉及物理層和媒體訪問控制層的問題通常由獨立的標準機構負責解決。最後，重點關注用於鏈路建立、信道接入、錯誤檢測和調制的層，統一的底層模型包含三層： 射頻層、調制解調層和媒體訪問控制層。

第2章概述物聯網應用程序使用的幾種流行的開放無線標準的物理層和媒體訪問層。 本章重點介紹由獨立標準機構定義的開放標準，並介紹幾種流行的無線物聯網協議，以便將開放標準和讀者較為熟悉的應用領域聯系起來。這些協議包括藍牙（以前稱為IEEE 802.15.1）、IEEE 802.15.4和ITU G.9959。本書重點介紹用於物聯網的低功耗無線鏈路。同時，本章還簡要地討論了WiFi，因為WiFi對許多物聯網應用至關重要。由於WiFi與一些標準的交互，WiFi在以後的章節中還會出現。本章可作為各種協議的快速參考指南。另外，本章還引入了在後續章節中探討的各種概念，並告知讀者在書中何處可以找到有關該主題的更多信息。

第3章專門討論射頻層，探討了射頻前端。物聯網協議傾向軟件定義的射頻實現，同時也探索了多種射頻硬件拓撲。本章回顧了鏈路預算的概念並通過示例進行介紹。另外，本章還介紹了同時存在大尺度衰落和小尺度衰落的復雜信道模型。

第4章重點討論調制解調層，涵蓋復包絡信號模型、調制、解調、同步和擴頻等概念。本章首先從背景理論和調制方案的選擇兩方面對開放標準中使用的線性調制和角度調制方案進行探索。然後討論用於載波和符號恢復的同步技術。最後討論無線物聯網物理層中采用的各類擴頻技術。

第5章介紹媒體訪問控制層。本章首先詳細介紹無線物聯網標準通常采用的信道接入方案，例如CSMA。然後介紹無線物聯網標準中所使用的不同頻段。特別介紹了2.4 GHz工業、科學和醫療頻段及其擁塞情況。本章還討論無線物聯網標準中采用的各種幹擾和幹擾抑制技術。最後討論錯誤檢測和校正。

書中反復強調，沒有一本書可以涵蓋所有的無線系統設計技術。市面上有很多涉及從天線設計到符號同步等主題的圖書。本書提供相關理論的背景材料、設計選擇的分析以及大量引文，以幫助有興趣的讀者。本書每章都有參考文獻列表，以便讀者可以更深入地研究相關主題。

本書將提供與物聯網平臺的輕量級和低成本需求相關的實用參考標準，從而使物聯網平臺和應用程序開發人員從中受益。本書對涉及數字信號處理（DSP）、網絡實施和無線通信的各類工程師很有用，同時對希望了解該技術並開發新產品的企業家或技術愛好者也有幫助。

丹尼爾·周（Daniel Chew）

致謝

非常感謝在本書編寫過程中給予幫助的人。感謝Jack Burbank編輯和Bill Kasch編輯能夠讓我有機會去完成本書。感謝Andrew Adams和Joseph Bruno對本書初稿提出的寶貴意見。感謝Ken McKeever和Ryan Mennecke在專業知識領域為我提供的幫助。

同時，我也要感謝家人和朋友。沒有他們，本書不可能出版。

最後，我要將本書獻給我的妻子Leona和我的孩子Marin、Everett和Theodore。

第1章物聯網基礎

1.1什麼是物聯網

1.2什麼是無線物聯網

1.3無線網絡

1.3.1網絡拓撲結構

1.3.2網絡類型

1.4無線標準在物聯網中的作用

1.5協議棧

1.5.1開放系統互連參考模型

1.5.2TCP/IP參考模型

1.5.3IEEE 802參考模型

1.5.4物聯網的分層模型

1.6無線物聯網協議簡介

1.7本書章節安排

參考文獻

第2章無線物聯網協議

2.1藍牙

2.1.1發射機和接收機

2.1.2頻道

2.1.3典型工作範圍

2.1.4訪問和擴頻

2.1.5調制和數據速率

2.1.6錯誤檢測和校正

2.1.7網絡拓撲結構

2.2ITU G.9959標準

2.2.1發射機和接收機

2.2.2頻道

2.2.3典型工作範圍

2.2.4網絡拓撲結構

2.2.5訪問和擴頻

2.2.6調制和數據傳輸速率

2.2.7錯誤檢測和校正

2.3ZWave協議

2.4IEEE 802.15.4標準

2.4.1發射機和接收機

2.4.2頻道

2.4.3典型工作範圍

2.4.4訪問和擴頻

2.4.5調制和數據傳輸速率

2.4.6錯誤檢測與校正

2.4.7網絡拓撲結構

2.5ZigBee協議

2.6Thread協議

2.7WiFi

參考文獻

第3章射頻層

3.1無線系統

3.2收發機基本模型

3.2.1模擬射頻前端

3.2.2數字信道化

3.2.3基帶控制器

3.3信道基礎

3.3.1什麼是信道

3.3.2簡單物理信道模型

3.4誤比特率和誤符號率

3.5復雜信道

3.5.1陰影和大尺度衰落

3.5.2小尺度衰落與多徑信道

參考文獻

第4章調制解調層

4.1信號模型

4.1.1復信號

4.1.2復噪聲

4.1.3疊加信號模型

4.2脈衝成形

4.3調制技術

4.3.1線性調制

4.3.2角度調制

4.3.3符號錯誤概率

4.3.4相關接收機

4.3.5反正切解調器

4.3.6FSK的反正切接收機和相關接收機的比較

4.3.7反正切解調器的效率

4.4同步

4.4.1幀同步

4.4.2載波同步與符號同步的區別

4.4.3載波同步

4.4.4數據白化

4.4.5符號同步

4.4.6同步順序

4.5擴頻

4.5.1跳頻擴頻

4.5.2直接序列擴頻

4.5.3IEEE 802.15.4標準中的直接序列擴頻

4.5.4並行序列擴頻

參考文獻

第5章媒體訪問控制層

5.1頻段及頻譜規劃

5.2無線物聯網的頻譜接入

5.3多路訪問技術

5.3.1頻分多址

5.3.2時分多址

5.3.3雙工

5.3.4載波偵聽多路訪問

5.4擴頻作為多址接入

5.4.1跳頻

5.4.2碼分多址

5.5錯誤檢測和校正

5.5.1冗餘

5.5.2物聯網中的錯誤檢測和校正

5.5.3錯誤校正的兩種基本類型

5.5.4後向糾錯

5.5.5將數字數據表示為多項式

5.5.6將比特錯誤表示為多項式

5.5.7循環冗餘校驗

5.5.8校驗和

5.5.9前向糾錯

5.5.10前向糾錯和後向糾錯的比較

5.6能源效率

參考文獻

第6章總結

6.1選擇正確的標準

6.1.1成本

6.1.2數據速率

6.1.3工作頻段與環境

6.1.4網絡拓撲

6.1.5能量效率

6.2高層標準化與物聯網的未來