窄带物联网技术原理与实现

编辑推荐

本书的编写力求框架清晰、深入浅出、简明扼要，尽可能方便具有不同知识结构的读者阅读。本书主要面向移动通信和物联网领域的研究和开发相关人员，也可供高等院校通信及相关专业的师生参考。值得一提的是，本书无须读者精通LTE技术，具有少量通信和网络背景即可快速理解和掌握。

内容简介

本书简述了窄带物联网（NB-IoT）技术的发展背景，分析了网络的总体架构。然后按照协议栈自底向上的次序，分别介绍了物理层原理、物理层上下行链路、无线资源控制（RRC）层的原理与工作过程。在描述了核心网的协议架构后，分别介绍了A1AP、GTP、Diameter、SCTP等网元间和对外互通协议。

前言序言

万物互联是未来智慧时 代□重要的特征之一。构 建一个集合百亿、千亿甚 至万亿连接的物联网，将 可以实现人、机、物三元 空间的无缝融合。基于移 动通信网络的窄带物联网 （NarrOW Band Internet of Things，NB-10T）被公 认为是未来□重要的物联 网基础设施，也是现阶段 **代表性的物联网技术 。对NB-IoT的体系架构、 协议栈、工作过程、实现 方法进行全面系统的分析 ，将会为相关研究和开发 人员提供全面的帮助，这 也是编写本书的初衷。 NB-IoT具有广覆盖、低 速率、低成本、低功耗等 特点，可以较好地满足现 阶段物联网发展的需要。 作为□□个全球统一标准 的蜂窝物联网技术，NB- IoT受到了移动通信运营商 、设备厂商、芯片厂商的 普遍支持，短短几年时问 就完成了从技术研究、标 准制定、设备研发到网络 建设和应用生态的构建。 本书综合了3GPP NB-IoT 标准Release 13的基础内容 和Release 14、Release 15 的增强内容，全面、系统 、深入地介绍了NB-IoT的 发展背景、技术框架和实 现方法，涵盖了NB-IoT无 线接入网和核心网的主要 协议过程。本书对原理的 描述体系完整，对协议的 介绍深入浅出，对过程的 分析严谨细致。 本书分为1□章。□□章 和第□章分别介绍了NB-IoT 的发展背景和系统架构。 第3～5章详细分析了物理 层的原理和上、下行链路 技术与过程。第6章介绍了 数据链路层，包括MAC层 、RLC层和PDCP层。第7章 分析了RRC层的主要功能 ，包括空口的信令流程。 第8～9章则介绍了NB-IoT 核心网的功能和协议流程 。□□0章总结了NB-IoT的 关键技术，分析了基于LTE 的特殊优化设计。□□l章 介绍了如何基于0Al （Open Air Interface）平 台进行NB-IoT协议和系统 的开发。□□□章介绍了 3GPP Release 16中对NB- IoT的增强，并分析了未来 的演进方向。 本书的编写力求框架清 晰、深入浅出、简明扼要 ，尽可能方便具有不同知 识结构的读者阅读。本书 主要面向移动通信和物联 网领域的研究和开发相关 人员，也可供高等院校通 信及相关专业的师生参考 。值得一提的是，本书无 须读者精通LTE技术，具有 少量通信和网络背景即可 快速理解和掌握。 我们在编写本书的过程 中，得到了浙江大学张宏 纲教授和李荣鹏老师的全 面指导以及杭州电子科技 大学曾嵘老师的大力支持 ，在此对他们表示感谢。 另外，本书关于NB-IoT实 现部分的内容和工具主要 来源于OAI开源平台和社 区，在此表示感谢，并向 OAI联盟为建设开源的SDR （Soltware Deftned Radio ）平台所付出的努力致以 崇高的敬意。 需要指出 的是，窄带物联网所涉及 的技术非常广泛，本书难 以面面俱到i同时由于作者 水平有限，书中难免存在 疏漏或者错误，希望广大 读者不吝赐教。如有任何 建议、意见请随时与我们 联系（E-mail： zhao□□@zju．edu．cn）， 以期在后续版本中改进和 完善。 □019年11月于西子湖畔

目录

第l章 窄带物联网概述
1.1 窄带物联网背景
1.1.1 蜂窝移动通信的发展
1.1.□ 物联网发展
1.1.3 LPWAN和蜂窝物联网
1.□ 窄带物联网系统需求
1.3 窄带物联网标准化进程
1.3.1 第三代合作伙伴计划
1.3.□ 窄带物联网的前世今生
1.4 窄带物联网的生态
1.4.1 窄带物联网的芯片和模组
1.4.□ 窄带物联网的海量应用
1.4.3 窄带物联网的发展建设
参考文献
第□章 窄带物联网网络架构
□.1 网络总体架构
□.1.1 蜂窝移动通信网络架构发展
□.1.□ 窄带物联网的网络架构
□.□ 网元与接口
□.□.1 接入网网元
□.□.□ 核心网网元
□.□.3 接口
□.3 网络传输
□.3.1 控制面和用户面
□.3.□ CIoT EPS优化方案
□.3.3 Non—IP数据传输方案
□.4 协议栈
□.4.1 用户面方案协议栈
□.4.□ 控制面优化方案协议栈
□.4.3 空口协议栈
□.5 承载
参考文献
第3章 物理层原理
3.1 概述
3.□ 无线资源
3.□.1 帧结构
3.□.□ 时隙结构
3.3 差错控制编码
3.3.1 循环冗余校验
3.3.□ 码块分段和CRC添加
3.3.3 前向纠错编码
3.3.4 速率匹配和码块级联
3.4 基带信号处理技术
3.4.1 加扰
3.4.□ 基带调制
3.4.3 层映射和预编码
3.4.4 物理资源映射
3.5 多址接入技术
3.5.1 正交频分多址接入（OFDMA）
3.5.□ 单载波频分多址接入（SC-FDMA）
3.6 部署模式
3.7 多载波操作
3.7.1 多载波的概念
3.7.□ 锚点载波的位置
3.7.3 多载渡配置
参考文献
……
第4章 物理层下行链路
第5章 物理层上行链路
第6章 数据链路层
第7章 无线资源控制层
第8章 窄带物联网核心网
第9章 窄带物联网主要工作流程
□□0章 窄带物联网关键技术
□□1章 窄带物联网的实现
□□□章 未来严谨
附录
缩略词表

精彩书摘

目前，被多数人接受的物联网定义是：通过RFID、红外感应器、GPS、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
在提及物联网时，还有另一个常见概念——“M□M”（Machine to Machine，机器到机器）。是指机器设备之间在无须人为干预的情形下，直接通过网络沟通而自行完成任务的一个模式或系统。M□M通信与物联网的核心理念一致，不同之处是：物联网的概念、所采用的技术及应用场景更加宽泛；而M□M则聚焦在无线通信网络应用上，是物联网应用的一种主要方式。只有当M□M规模化、普及化，并且彼此之间通过网络来实现智能的融合和通信时，才能形成“物联网”。因此，零星孤立的M□M并不是物联网，但M□M发展的□□目标是物联网。传感技术、M□M技木豹快速发展为物联网的产生和应用打下了基础。国内外都非常重视物联网的应用。物联网的应用场景具有极强的开放性，许多应用来源于工业、交通、医疗、家庭等与人们的日常生产生活密切相关的场景。Gartner预测，□0□0年全球联网设备数量将达到□08亿；BI Intelligence预测，□0□0年全球联网设备数量将达到340亿，其中物联网设备数量达到□40亿，智能手机、平板电脑、智能手表等传统移动互联网设备数量仅为100亿。百亿级的联网设备将带来数据量爆炸性增长，智能家居被指将成为□0□0年物联网进一步发展的主要驱动力。
可以看到，物联网正在成为经济社会绿色、智能、可持续发展的关键基础和重要引擎。随着物联网技术产品不断成熟，市场规模不断扩大，物联网的潜力和成长性正在逐步凸显，行业应用仍将持续稳步发展，并加速渗透到生产和生活各个环节；产业潜力将加快释放，市场化的资源配置机制逐步确立，对全球经济的贡献将越来越显著；物联网与传统产业的深度融合也将加剧，并带来生产方式和生活方式的深刻□革。
但是，在物联网发展的过程中，隐私保护和安全问题一直备受关注。物联网中的感应□□收集一切可以获取的关于用户个人信息的数据，这些数据可以被用来分析用户身份和特征。许多用户对这种行为感到厌恶，视之为对其隐私的侵犯，即使许多公司承诺会合理合法使用用户的信息数据并保护用户的信息安全，也仍然会有用户担心自己的个人信息不够安全，存在泄露的可能性。因此，物联网安全目前已经受到广泛关注，安全问题成为物联网潜在的风险，可能造成严重的财产损失和人身伤害。近年来，越来越多的公司在物联网安全上加大资金投入，探寻合理有效的物联网安全机制，尤其是在传统的认证与加密模式之外寻找能够将隐私和匿名性融人物联网设计并给予用户隐私控制能力的方法，研究人员也在尝试从区块链技术中获取思路。
除完善物联网的安全保障体系外，影响物联网发展的另一关键因素在于顶层设计和标准化。目前，物联网尚不存在成形和完善的顶层设计，在许多概念上都还未能形成定论。因此，物联网标准的发展还存在许多方面的不确定性，包括网络架构、信息编码、网络通信协议、网络融合等基础技术标准，以及应用标准和涉及法律、政治、经济、人文等方面的规范。正是因为这些问题的存在，所以过去十几年物联网的发展渐渐陷入困境，传统组网难堪此任，物联网也未能取得突破性的进展。未来可能需要为物联网构建一种新的理念，设计一种全新的组网架构以充分发挥物联网的价值。这就要求研究者们抛弃传统的组网观念和现状，开拓新的发展思路。
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