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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(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈與各行各業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的深度“融合”，推動(dòng)了智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）的快速發(fā)展。新技術(shù)、新應(yīng)用與新業(yè)態(tài)層出不窮，圍繞著核心技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。
研究機(jī)構(gòu)IoT Analytics的報(bào)告顯示，在過(guò)去的十年中全球接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到10%，其中物聯(lián)網(wǎng)的貢獻(xiàn)最大。2010年，全球物聯(lián)網(wǎng)接入的設(shè)備數(shù)量為8億，非物聯(lián)網(wǎng)接入的設(shè)備數(shù)量為80億；2020年，物聯(lián)網(wǎng)接入的設(shè)備數(shù)量達(dá)到117億，非物聯(lián)網(wǎng)接入的設(shè)備數(shù)量保持在100億，物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量首次超過(guò)非物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量。預(yù)測(cè)2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)接入的設(shè)備數(shù)量能達(dá)到309億，而非物聯(lián)網(wǎng)接入的設(shè)備數(shù)量仍保持在103億。2015年，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量占全球的27%；2020年，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)增長(zhǎng)到75%。我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，技術(shù)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(shì)：物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量超過(guò)了非物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)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(shè)備數(shù)量將超過(guò)消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)；我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量仍將大幅度上升。
接入層是AIoT層次結(jié)構(gòu)中的重要層次。接入層將感知層的傳感器、執(zhí)行器與用戶(hù)終端接入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中。在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程技術(shù)人員需要根據(jù)具體應(yīng)用需求以及接入設(shè)備的類(lèi)型、數(shù)量與技術(shù)要求，選擇合適的接入網(wǎng)類(lèi)型，設(shè)計(jì)接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸時(shí)延等性能指標(biāo)。
2021年3月發(fā)布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》第十一章第一節(jié)“加快建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施”中指出：推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展，打造支持固移融合、寬窄結(jié)合的物聯(lián)接入能力。
本書(shū)的知識(shí)體系設(shè)計(jì)體現(xiàn)了“貼近技術(shù)發(fā)展、緊扣物聯(lián)網(wǎng)需求”的思路，寫(xiě)作上力求形成“圖文并茂、易讀易懂”的風(fēng)格。同時(shí)，南開(kāi)大學(xué)有一個(gè)重要的教育理念：“知中國(guó)、服務(wù)中國(guó)”。作者在寫(xiě)作過(guò)程中注意貫徹這一理念，選擇并引用了大量我國(guó)IT企業(yè)有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用案例。
全書(shū)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(guò)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(jié)構(gòu)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(hào)的概念，感知數(shù)據(jù)的信號(hào)編碼方法，以及無(wú)線通信的基本知識(shí)。
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(shù)。
第4章在介紹近距離無(wú)線接入概念的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地討論了ZigBee、藍(lán)牙、6LoWPAN與IEEE 802.15.4、WBAN與IEEE 802.15.6，以及NFC與UWB技術(shù)。
第5章在介紹Wi-Fi發(fā)展背景與IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)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(shè)備，以及空中Wi-Fi與無(wú)人機(jī)網(wǎng)的通信。
第6章在介紹NB-IoT研究背景與技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地討論了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、網(wǎng)絡(luò)部署與平臺(tái)架構(gòu)，以及NB-IoT應(yīng)用領(lǐng)域與開(kāi)發(fā)方法。
第7章在介紹5G技術(shù)特征、三大應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地討論了C-RAN、H-CRAN與F-RAN技術(shù)。
第8章在無(wú)線自組網(wǎng)與無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地討論了無(wú)線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)、無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)、水下無(wú)線傳感網(wǎng)、地下無(wú)線傳感網(wǎng)和無(wú)線納米傳感網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)。
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(chǔ)上，系統(tǒng)地討論了現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)的概念、產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)，以及工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用分析。
在每章教學(xué)內(nèi)容的選取上，我們考慮了兩個(gè)因素。
一是本書(shū)的重點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)傳感器、執(zhí)行器接入技術(shù)與組網(wǎng)方法的討論上。考慮到物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)需要開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程，而各個(gè)學(xué)校課程安排的前后順序可能不同，從適應(yīng)學(xué)生前期知識(shí)基礎(chǔ)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(chǔ)知識(shí)時(shí)，采取了“基本、夠用”的原則。如果學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程，第1、2章相關(guān)內(nèi)容就可以簡(jiǎn)述或不講。
二是接入技術(shù)涉及面很寬，內(nèi)容龐雜，不同技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的成熟度不同，從突出重點(diǎn)、保證教學(xué)效果的角度出發(fā)，在具體技術(shù)內(nèi)容的取舍上避開(kāi)過(guò)于專(zhuān)業(yè)的內(nèi)容，各種技術(shù)在細(xì)節(jié)的討論上盡可能保持基本一致。
本書(shū)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(shū)由吳功宜統(tǒng)稿。
在本書(shū)的思路形成與寫(xiě)作過(guò)程中，作者非常感謝高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)研究專(zhuān)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(fēng)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(zhuān)業(yè)教學(xué)研究專(zhuān)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(xué)到很多知識(shí)，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(shù)叢書(shū)”的策劃過(guò)程中，從華為公司技術(shù)專(zhuān)家那里學(xué)到很多新知識(shí)，受到很多啟發(fā)，對(duì)于作者編寫(xiě)本書(shū)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(shū)在寫(xiě)作與出版過(guò)程中得到機(jī)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(shù)涉及的行業(yè)面廣，知識(shí)點(diǎn)分散，技術(shù)更新快，從這些概念、技術(shù)中歸納出知識(shí)點(diǎn)，再將這些知識(shí)點(diǎn)組織成完整的體系難度很大。受作者知識(shí)面所限，書(shū)中對(duì)某些技術(shù)內(nèi)容的理解與表述存在錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)讀者不吝賜教。


吳功宜　吳英
南開(kāi)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院
2023年1月