Internet of Things and Short Range Wireless Communication Technology (2nd Edition)

This book is based on the construction of the national specialty (Internet of Things Engineering) of Central South University and is written in combination with the teaching situation of the domestic Internet of Things Engineering major. This book mainly introduces the short-range wireless communication technologies commonly used in Internet of Things applications, including Bluetooth, ZigBee, Wireless Local Area Network (WLAN), IrDA (infrared), RFID (radio frequency identification), Near Field Communication (NFC), Ultra Wideband (UWB), 60 GHz wireless communication, visible light communication, Ad hoc network (self-organizing network) technology, etc. When introducing each short-range wireless communication technology, a step-by-step narrative method is adopted, which helps to quickly guide readers into the vibrant research field of short-range wireless communication technology. Chapter 1 Overview (1) 1.1 Overview of the Internet of Things (1) 1.1.1 Concept of the Internet of Things (1) 1.1.2 Development of the Internet of Things (2) 1.1.3 Architecture of the Internet of Things (5) 1.1.4 Key Technologies of the Internet of Things (8) 1.2 Internet of Things Communications (12) 1.2.1 Mobile Communications (13) 1.2.2 Broadband Wireless Access (17) 1.2.3 Short Range Wireless Communications (25) 1.2.4 Wireless Sensor Networks (26) 1.3 Overview of Short Range Wireless Communications Technologies (28) 1.3.1 Bluetooth (29) 1.3.2 Wi-Fi (31) 1.3.3 IrDA (32) 1.3.4 ZigBee (33) 1.3.5 RFID (35) 1.3.6 NFC (36) 1.3.7 UWB (37) 1.3.8 60 GHz (38) 1.3.9 Z-Wave (38) 1.3.10 Summary (39) 1.4 Chapter Summary (41) Thinking and Exercises (42) References (42) Chapter 2 Bluetooth Wireless Communication Technology (45) 2.1 Overview of Bluetooth Technology (45) 2.1.1 Overview of the Development of Bluetooth Technology (45) 2.1.2 Technical Characteristics of Bluetooth (47) 2.1.3 Bluetooth System Composition (49) 2.2 Bluetooth Protocol Architecture (51) 2.2.1 Bluetooth Core Protocol (52) 2.2.2 Cable Replacement Protocol (RFCOMM Protocol) (56) 2.2.3 Telephone Transmission Control Protocol (56) 2.2.4 Optional Protocol (57) 2.2.5 Host Control Interface (HCI) Functional Specification (57) 2.3 2.3.1 General access protocol subset (60) 2.3.2 Serial port protocol subset (62) 2.3.3 Service discovery application protocol subset (64) 2.4 Bluetooth networking and Bluetooth routing mechanism (65) 2.4.1 Bluetooth network topology (65) 2.4.2 Bluetooth routing mechanism (66) 2.5 Application of Bluetooth technology (69) 2.6 Summary of this chapter (72) Thinking and exercises (72) References (73) Chapter 3 ZigBee wireless communication technology (75) 3.1 Overview of ZigBee technology (75) 3.1.1 Overview of ZigBee development (75) 3.1.2 Characteristics of ZigBee technology (76) 3.1.3 Application goals of ZigBee (77) 3.2 ZigBee protocol stack (79) 3.2.1 3.2.2 ZigBee protocol stack system security (84) 3.2.3 Security key (86) 3.3 ZigBee networking technology (87) 3.3.1 ZigBee network layer (87) 3.3.2 ZigBee network node structure (87) 3.3.3 Network construction (88) 3.4 Analysis of ZigBee routing protocol (90) 3.4.1 Network layer address allocation mechanism (90) 3.4.2 ZigBee routing protocol (90) 3.5 Wireless sensor network based on ZigBee (92) 3.5.1 Wireless sensor network based on ZigBee (93) 3.5.2 Working mode of ZigBee wireless sensor network (94) 3.6 Application of ZigBee (97) 3.7 Summary of this chapter (102) Thinking and practice (103) References (103) Chapter 4 WLAN Wireless Communication Technology (105) 4.1 WLAN Overview (105) 4.1.1 WLAN Technical Standards (105) 4.1.2 Technical Characteristics of WLAN (109) 4.1.3 WLAN Topology (110) 4.2 WLAN Physical Layer Technology (112) 4.2.1 IEEE 802.11 (112) 4.2.2 IEEE 802.11b (113) 4.2.3 IEEE 802.11a/g (114) 4.2.4 IEEE 802.11n (115) 4.3 WLAN MAC Layer Technology (115) 4.3.1 CSMA/CA (117) 4.3.2 DCF and PCF (117) 4.4 WLAN Network Security Technology (119) 4.4.1 WEP (119) 4.4.2 WPA/RSN (120) 4.4.3 Authentication and Key Management (122) 4.5 Applications of WLAN (125) 4.5.1 Typical Applications of WLAN (125) 4.5.2 Comparison of WLAN with Other Technologies (127) 4.6 Summary of this Chapter (130) Thinking and Exercises (130) References (131) Chapter 5 IrDA Wireless Communication Technology (133) 5.1 Overview of IrDA (133) 5.1.1 Technical Characteristics of IrDA (133) 5.1.2 Overview of the Development of IrDA (135) 5.2 IrDA Technical Standards (136) 5.2.1 Physical Layer Specification (IrPHY) (137) 5.2.2 Connection Establishment Protocol Layer (IrLAP) (141) 5.3 Infrared communication based on IrDA protocol stack (141) 5.3.1 IrDA protocol stack (141) 5.3.2 Core protocol layer (142) 5.3.3 Optional protocol layer (147) 5.4 Application of IrDA (148) 5.5 Summary of this chapter (149) Thinking and exercises (150) References (150) Chapter 6 RFID wireless communication technology (153) 6.1 RFID basics (153) 6.1.1 Radio frequency basics (153) 6.1.2 Overview of automatic identification technology (157) 6.2 Basic principles of RFID (162) 6.2.1 Working principle of RFID (162) 6.2.2 System composition of RFID (165) 6.2.3 Technical characteristics of RFID (169) 6.2.4 Technical standards of RFID (169) 6.3 Key technologies of RFID (173) 6.3.1 RFID antenna (173) 6.3.2 Anti-collision technology (176) 6.3.3 Security and privacy issues (178) 6.4 Application of RFID technology (182) 6.4.1 Application background of RFID technology (183) 6.4.2 Important parameters of RFID technology (183) 6.4.3 Typical applications of RFID technology (185) 6.4.4 Application prospects of RFID technology (186) 6.5 Summary of this chapter (188) Thinking and exercises (189) References (189) Chapter 7 NFC wireless communication technology (193) 7.1 Overview of NFC (193) 7.1.1 Concept of NFC (193) 7.1.2 Development of NFC (195) 7.1.3 Technical characteristics of NFC (197) 7.2 Technical principles of NFC (198) 7.2.1 Working principle (198) 7.2.2 Technical standards (199) 7.2.3 Working mode (202) 7.3 NFC security issues (204) 7.3.1 Link layer security (204) 7.3.2 Application layer security (205) 7.4 NFC applications and development prospects (206) 7.4.1 NFC applications (206) 7.4.2 The development prospects of NFC (208) 7.5 Summary of this chapter (209) Thinking and exercises (209) References (210) Chapter 8 UWB wireless communication technology (213) 8.1 Overview of UWB technology (213) 8.1.1 The origin and development of UWB technology (213) 8.1.2 Technical characteristics of UWB (215) 8.1.3 Channel propagation characteristics of UWB (218) 8.2 Key technologies of UWB (219) 8.2.1 Pulse shaping technology of UWB (219) 8.2.2 Modulation and multiple access technology of UWB (221) 8.2.3 Key technologies of UWB receivers (223) 8.3 UWB system solutions (226) 8.3.1 Single-band system (226) 8.3.2 Multi-band system (227) 8.4 8.4.1 The dispute over UWB technology standards (229) 8.4.2 DS-UWB solution (230) 8.4.3 MB-OFDM-UWB solution (231) 8.5 Applications and research directions of UWB (232) 8.5.1 Applications of UWB (232) 8.5.2 Research directions of UWB (233) 8.6 Summary of this chapter (235) Thinking and exercises (236) References (236) Chapter 9 60 GHz wireless communication technology (239) 9.1 Overview of 60 GHZ wireless communication technology (240) 9.1.1 Characteristics of 60 GHz wireless communication technology (240) 9.1.2 Advantages of 60 GHz wireless communication (242) 9.1.3 Current status of 60 GHz wireless communication technology (245) 9.2 60 9.2.1 Overview of Standardization (248) 9.2.2 Introduction to IEEE 802.15.3c Protocol (250) 9.2.3 Introduction to ECMA-387 (253) 9.3 Key Technologies of 60 GHZ Wireless Communication (254) 9.4 Applications of 60 GHZ Wireless Communication (256) 9.5 Summary of This Chapter (259) Thinking and Exercises (259) References (260) Chapter 10 Visible Light Wireless Communication Technology (263) 10.1 Overview of Visible Light Communication (263) 10.1.1 Basic Principles of Visible Light Communication (263) 10.1.2 Properties of Visible Light Communication (264) 10.1.3 Current Development Status of Visible Light Communication (265) 10.2 Standardization of Short-Range Visible Light Communication (268) 10.2.1 VLC spectrum and network structure (268) 10.2.2 Physical layer (269) 10.2.3 Media access control layer (270) 10.3 Key technologies of visible light communication (271) 10.3.1 Channel modeling (271) 10.3.2 Layout design of array light sources (272) 10.3.3 Channel coding technology (272) 10.3.4 Modulation multiplexing technology (273) 10.3.5 Equalization technology (273) 10.3.6 Diversity reception technology (274) 10.4 Applications of visible light communication (275) 10.5 Summary of this chapter (280) Thinking and exercises (280) References (281) Chapter 11 Wireless communication technology of Ad hoc network (283) 11.1 Overview of Ad hoc network (283) 11.1.1 Ad The Origin and Development of Ad hoc Networks (283) 11.1.2 Characteristics of Ad hoc Networks (285) 11.1.3 Architecture of Ad hoc Networks (286) 11.1.4 Key Technologies of Ad hoc Networks (289) 11.2 MAC Protocol for Ad hoc Networks (290) 11.2.1 Fairness of Channel Access (291) 11.2.2 Problems of Hidden and Exposed Terminals (291) 11.2.3 Cross-layer Design in MAC Protocol (293) 11.2.4 Energy-saving MAC Protocol (294) 11.2.5 QoS Guarantee of MAC Protocol (295) 11.3 Routing Protocol for Ad hoc Networks (296) 11.3.1 Unicast Routing Protocol for Ad hoc Networks (297) 11.3.2 Multicast Routing Protocol for Ad hoc Networks (300) 11.4 AD 11.4.1 QoS Overview (302) 11.4.2 QoS Service Model for Ad hoc Networks (306) 11.4.3 QoS Signaling for Ad hoc Networks (306) 11.5 Applications of Ad hoc Networks (307) 11.5.1 Application Fields of Ad hoc Networks (307) 11.5.2 Ad hoc Sensor Networks (310) 11.6 Chapter Summary (312) Reflection and Exercises (312) References (312) Appendix A English-Chinese Acronyms and Abbreviations (315)5 Summary of this Chapter (280) Thinking and Exercises (280) References (281) Chapter 11 Wireless Communication Technology in Ad hoc Networks (283) 11.1 Overview of Ad hoc Networks (283) 11.1.1 The Origin and Development of Ad hoc Networks (283) 11.1.2 Characteristics of Ad hoc Networks (285) 11.1.3 Architecture of Ad hoc Networks (286) 11.1.4 Key Technologies of Ad hoc Networks (289) 11.2 MAC Protocol for Ad hoc Networks (290) 11.2.1 Fairness of Channel Access (291) 11.2.2 Problems of Hidden Terminals and Exposed Terminals (291) 11.2.3 Cross-layer Design in MAC Protocol (293) 11.2.4 Energy-saving MAC Protocol (294) 11.2.5 QoS Guarantee of MAC Protocol (295) 11.3 AD 11.3.1 Unicast Routing Protocol for Ad hoc Networks (297) 11.3.2 Multicast Routing Protocol for Ad hoc Networks (300) 11.4 Research on QoS in Ad hoc Networks (302) 11.4.1 Overview of QoS (302) 11.4.2 QoS Service Model for Ad hoc Networks (306) 11.4.3 QoS Signaling for Ad hoc Networks (306) 11.5 Applications of Ad hoc Networks (307) 11.5.1 Application Fields of Ad hoc Networks (307) 11.5.2 Ad hoc Sensor Networks (310) 11.6 Summary of This Chapter (312) Thinking and Exercises (312) References (312) Appendix A English-Chinese Acronyms and Abbreviations (315)5 Summary of this Chapter (280) Thinking and Exercises (280) References (281) Chapter 11 Wireless Communication Technology in Ad hoc Networks (283) 11.1 Overview of Ad hoc Networks (283) 11.1.1 The Origin and Development of Ad hoc Networks (283) 11.1.2 Characteristics of Ad hoc Networks (285) 11.1.3 Architecture of Ad hoc Networks (286) 11.1.4 Key Technologies of Ad hoc Networks (289) 11.2 MAC Protocol for Ad hoc Networks (290) 11.2.1 Fairness of Channel Access (291) 11.2.2 Problems of Hidden Terminals and Exposed Terminals (291) 11.2.3 Cross-layer Design in MAC Protocol (293) 11.2.4 Energy-saving MAC Protocol (294) 11.2.5 QoS Guarantee of MAC Protocol (295) 11.3 AD 11.3.1 Unicast Routing Protocol for Ad hoc Networks (297) 11.3.2 Multicast Routing Protocol for Ad hoc Networks (300) 11.4 Research on QoS in Ad hoc Networks (302) 11.4.1 Overview of QoS (302) 11.4.2 QoS Service Model for Ad hoc Networks (306) 11.4.3 QoS Signaling for Ad hoc Networks (306) 11.5 Applications of Ad hoc Networks (307) 11.5.1 Application Fields of Ad hoc Networks (307) 11.5.2 Ad hoc Sensor Networks (310) 11.6 Summary of This Chapter (312) Thinking and Exercises (312) References (312) Appendix A English-Chinese Acronyms and Abbreviations (315)