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前言

我们正处在物联网创新发展与新工业革命的历史交汇期,5G、云计算、大数据、人工智能、边缘计算、区块链与各行各业在物联网平台上的深度“融合”,推动了智能物联网(AIoT)的快速发展。新技术、新应用与新业态层出不穷,围绕着核心技术、标准与平台的竞争日趋激烈。

研究机构IoT Analytics的报告显示,在过去的十年中全球接入网络的设备数量复合增长率达到10%,其中物联网的贡献最大。2010年,全球物联网接入的设备数量为8亿,非物联网接入的设备数量为80亿;2020年,物联网接入的设备数量达到117亿,非物联网接入的设备数量保持在100亿,物联网接入设备数量首次超过非物联网接入设备数量。预测2025年,全球物联网接入的设备数量能达到309亿,而非物联网接入的设备数量仍保持在103亿。2015年,国内运营商的物联网接入设备数量占全球的27%;2020年,这个数字已经增长到75%。我国物联网产业发展势头强劲,技术发展日新月异。

物联网接入发展出现了三大趋势:物联网接入设备数量超过了非物联网接入设备数量,出现了“物超人”的局面;产业物联网接入设备数量将超过消费物联网;我国物联网接入设备数量仍将大幅度上升。

接入层是AIoT层次结构中的重要层次。接入层将感知层的传感器、执行器与用户终端接入物联网应用系统中。在实际的物联网应用系统设计中,工程技术人员需要根据具体应用需求以及接入设备的类型、数量与技术要求,选择合适的接入网类型,设计接入网的拓扑结构,确定网络带宽、传输时延等性能指标。

2021年3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》第十一章第一节“加快建设新型基础设施”中指出:推动物联网全面发展,打造支持固移融合、宽窄结合的物联接入能力。

本书的知识体系设计体现了“贴近技术发展、紧扣物联网需求”的思路,写作上力求形成“图文并茂、易读易懂”的风格。同时,南开大学有一个重要的教育理念:“知中国、服务中国”。作者在写作过程中注意贯彻这一理念,选择并引用了大量我国IT企业有关物联网的技术、标准与应用案例。

全书共分9章。

第1章 介绍了从物联网到智能物联网的形成与发展过程,系统地讨论了物联网的基本特征与物联网层次结构模型。

第2章 介绍了数据通信的基本概念,系统地讨论了信息、数据与信号的概念,感知数据的信号编码方法,以及无线通信的基本知识。

第3章 介绍了有线接入网的基本概念,系统地讨论了以太网接入、电话交换网与ADSL接入、有线电视网与HFC接入、电力线接入,以及光纤接入等技术。

第4章 在介绍近距离无线接入概念的基础上,系统地讨论了ZigBee、蓝牙、6LoWPAN与IEEE 802.15.4、WBAN与IEEE 802.15.6,以及NFC与UWB技术。

第5章 在介绍Wi-Fi发展背景与IEEE 802.11标准的基础上,系统地讨论了Wi-Fi组网方法、漫游管理、IEEE 802.11接入设备,以及空中Wi-Fi与无人机网的通信。

第6章 在介绍NB-IoT研究背景与技术特点的基础上,系统地讨论了NB-IoT网络结构、业务模型、网络部署与平台架构,以及NB-IoT应用领域与开发方法。

第7章 在介绍5G技术特征、三大应用场景的基础上,系统地讨论了C-RAN、H-CRAN与F-RAN技术。

第8章 在无线自组网与无线传感网技术的基础上,系统地讨论了无线传感器与执行器网、无线多媒体传感网、水下无线传感网、地下无线传感网和无线纳米传感网等相关技术。

第9章 在介绍工业物联网发展背景与基本概念的基础上,系统地讨论了现场总线、工业以太网、工业无线网的概念、产品与标准,以及工业以太网的应用分析。

在每章教学内容的选取上,我们考虑了两个因素。

一是本书的重点在物联网传感器、执行器接入技术与组网方法的讨论上。考虑到物联网工程专业需要开设物联网导论与计算机网络相关课程,而各个学校课程安排的前后顺序可能不同,从适应学生前期知识基础的差异,以及教程自身体系完整性的角度出发,在介绍数据通信基础知识时,采取了“基本、够用”的原则。如果学生已经学习过物联网导论与计算机网络相关课程,第1、2章相关内容就可以简述或不讲。

二是接入技术涉及面很宽,内容庞杂,不同技术的发展与应用的成熟度不同,从突出重点、保证教学效果的角度出发,在具体技术内容的取舍上避开过于专业的内容,各种技术在细节的讨论上尽可能保持基本一致。

本书的第1、2、3、5章由吴功宜执笔完成,第4、6、7、8、9章由吴英执笔完成,全书由吴功宜统稿。

在本书的思路形成与写作过程中,作者非常感谢教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会计算机系统能力培养教学研究专家组的王志英教授、马殿富教授、周兴社教授、金海教授、庄越挺教授、臧斌宇教授、安虹教授、袁春风教授、张昱教授、陈向群教授、陈文光教授、何炎祥教授、石宣化教授、张钢教授,与诸位教授的多次讨论给了作者很多启发。

感谢“物联网工程专业教学研究专家组”的傅育熙教授、王东教授、秦磊华教授、李志刚教授、桂小林教授、方粮教授、胡成全教授、黄传河教授、朱敏教授,在与诸位教授的交流中,作者学到很多知识,受到很多启发。

感谢华为公司的陈亚新、李晶晶,在参与“华为AIoT技术丛书”的策划过程中,从华为公司技术专家那里学到很多新知识,受到很多启发,对于作者编写本书有很大帮助。

感谢徐敬东教授、张建忠教授、王劲松教授、张健教授、郝刚教授、牛晓光教授、许昱玮副教授,在与他们的讨论与交流中,作者获得很多灵感。

本书在写作与出版过程中得到机械工业出版社多位编辑的大力支持,在此表示衷心的感谢。

由于物联网接入技术涉及的行业面广,知识点分散,技术更新快,从这些概念、技术中归纳出知识点,再将这些知识点组织成完整的体系难度很大。受作者知识面所限,书中对某些技术内容的理解与表述存在错误在所难免,恳请读者不吝赐教。

吴功宜 吴英
南开大学计算机学院
2023年1月 s66HQF0V6k7pISCsJXolqJGIwNse3juiAe7KGZsfH8PM2H7YFNeLjVHG1Y9DRlRc



第1章
物联网基本概念

接入层是物联网重要的组成单元。接入层解决的是大量传感器、执行器与用户终端设备如何接入物联网的问题;接入层的性能决定了物联网应用系统的接入设备数量、类型、功能与覆盖范围。

本章在系统地介绍物联网的基本概念、技术架构、层次结构模型的基础上,深入讨论接入层在物联网应用系统中的作用、接入层结构特点、接入技术分类,以及设备接入方式。 s66HQF0V6k7pISCsJXolqJGIwNse3juiAe7KGZsfH8PM2H7YFNeLjVHG1Y9DRlRc



1.1 物联网基础知识

1.1.1 物联网的形成与发展

比尔·盖茨在1995年出版的《未来之路》中描述了他对“物联网”的朦胧设想与初步尝试,1998年麻省理工学院(MIT)的科学家向我们描述了一个基于无线射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)和产品电子代码(Electronic Product Code, EPC)的物联网概念与原型系统。

2005年,国际电信联盟(ITU)在世界互联网发展年度会议上发表了题为“Internet of Things”的报告。报告向我们描绘了世界上的万事万物,小到钥匙、手表、手机,大到汽车、楼房,只要往其中嵌入一个微型的传感器芯片或RFID芯片,就能通过互联网实现物与物之间的信息交互,从而形成一个无所不在的“物联网”构想。

2009年在国际金融危机的背景下,IBM公司向美国政府提出“智慧地球”科研与产业发展咨询报告。IBM学者认为:智慧地球=互联网+物联网。智慧地球将传感器和装备嵌入电网、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,并与超级计算机、云数据中心组成物联网,实现人与物的融合。智慧地球的概念是希望通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器,捕捉运行过程中的各种信息,并通过无线网络接入互联网,通过计算机分析、处理和发出指令,反馈给控制器远程执行指令。控制的对象小到一个开关、一台发电机,大到一个行业。通过智慧地球技术的实施,人类以更精细和动态的方式管理生产与生活,提高资源利用率和生产能力,改善人与自然的关系。

在物联网的概念出现之前,小到修建人居住的房屋,大到修建高速公路、铁路或机场,钢筋混凝土等基础设施建筑与高科技的传感器、芯片、通信、软件技术之间都没有任何必然的联系。在物联网中,往冷冰的基础建筑设施中嵌入传感器、执行器、芯片、通信、软件技术,将“人-机-物”融为一体,使没有生命的钢筋混凝土等有了“智慧”。物联网将被应用到各行各业与社会的各个方面,进而开启一个新的时代。“智慧地球”报告使物联网的概念进入人类视野,各国政府认识到发展物联网产业的重要性,2010年前后纷纷从国家科技发展战略高度制定了各自的物联网研究与产业发展规划。

尽管我们可以在文章与著作中看到多种有关物联网的定义,但是确切地说,至今仍然没有形成一个公认的定义。出现这种现象一点也不奇怪,从20世纪90年代互联网得到大规模应用开始,从事互联网应用研究的学者就一直在争论“什么是互联网”。

ITU对物联网的定义:物联网是信息社会的全球性基础设施,基于当前及不断演进、可操作的信息与通信技术,通过物理和虚拟设备的互联互通来提供更高级的服务。IEEE对物联网的定义:物联网能够将唯一标识的“实物”(things)连接到互联网。这些“实物”具有感知/执行能力,同时可能具有一定的可编程能力。利用“实物”的唯一标识和感知能力,任何对象可以在任何时刻从任何位置采集相应信息,并且可以改变“实物”的状态。

在比较各种物联网定义的基础上,根据目前对物联网技术特点的认知水平,我们提出一种对物联网的定义:物联网是在互联网、移动通信网等网络的基础上,针对不同应用领域的需求,利用具有感知、通信与计算能力的智能设备自动获取物理世界的各种信息,将所有能够独立寻址的物理对象互联起来,实现全面感知、可靠传输、智能处理,构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统。图1-1给出了物联网形成与发展过程的示意图。

图1-1 物联网形成与发展过程的示意图 s66HQF0V6k7pISCsJXolqJGIwNse3juiAe7KGZsfH8PM2H7YFNeLjVHG1Y9DRlRc

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