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本书介绍物联网和5G的基本知识，包括物联网起源和发展、体系架构，以及物联网的关键技术和5G通信标准的发展历程、指标、关键技术等。5G的出现将打破物联网的发展瓶颈，其低时延高可靠和低功耗大连接等特性将万物互联的概念变为可能，极大地促进了物联网的发展。此外，本书介绍5G时代的物联网安全，在物联网安全和5G安全的基础上介绍新的安全威胁，以及可行的安全架构。最后，从智慧消防、智慧监狱和应急管理信息化这三个方面描绘了5G时代的物联网应用。可以预见的是，5G时代的物联网应用将如雨后春笋般层出不穷。5G将在物联网这一垂直行业大显神威，而物联网将更好地服务于我们的生活。

第1章  君生我未生：物联网的前世今生	001
1.1  物联网概述	001
1.1.1  物联网的起源和概念	001
1.1.2  物联网与互联网、传感网、泛在网的关系	007
1.2  物联网的体系架构	009
1.2.1  感知层	010
1.2.2  网络层	011
1.2.3  处理层	011
1.2.4  应用层	012
1.3  物联网的行业应用	012
1.3.1  工业领域的应用	012
1.3.2  农业领域的应用	013
1.3.3  智慧城市领域的应用	014
1.3.4  智慧交通领域的应用	016
1.3.5  其他领域的主要应用	016
1.4  物联网的标准化	018
1.4.1  标准化对物联网产业的意义	018
1.4.2  国际物联网标准制定现状	019
1.4.3  我国物联网标准制定现状	022
1.5  物联网的发展与未来	027
1.5.1  物联网的技术发展方向	028
1.5.2  物联网的应用发展方向	029
1.5.3  物联网展望	031
参考文献	032


第2章  物联网的关键技术	034
2.1  “物”的标识：RFID技术	034
2.1.1  自动识别技术简介	034
2.1.2  RFID的特点和分类	036
2.1.3  RFID的技术原理	037
2.1.4  RFID的关键技术	039
2.2  “物”的感知：传感器技术	040
2.2.1  传感器技术简介	040
2.2.2  无线传感器网络简介	044
2.2.3  面向无线传感器网络的嵌入式操作系统	045
2.3  “联”的方式：网络与通信技术	046
2.3.1  通信技术简介	046
2.3.2  短距离无线通信技术	048
2.3.3  移动通信技术	049
2.3.4  互联网通信技术	051
2.4  “网”的价值：数据的挖掘与融合技术	053
2.4.1  处理层的内容	053
2.4.2  大数据平台	054
2.4.3  数据挖掘与机器学习	059
2.4.4  数据可视化	061
2.5  物联网通信技术	062
2.5.1  概述	062
2.5.2  计算机通信	064
2.5.3  移动通信	066
2.5.4  短距离无线通信	071
2.6  一场寂寞凭谁诉：物联网的通信诉求	077
2.6.1  信号覆盖率的诉求	077
2.6.2  通信带宽的诉求	077
2.6.3  通信时延的诉求	078
2.6.4  功耗与成本的诉求	079
2.6.5  接入容量的诉求	080
参考文献	080

第3章  我生君未老：5G翩然而至	082
3.1  引言	082
3.2  移动通信的前世今生	083
3.2.1  移动通信的发展	083
3.2.2  移动通信标准	087
3.2.3  多址接入技术	093
3.3  5G的问世	096
3.3.1  5G的起源	096
3.3.2  5G的发展	098
3.3.3  5G的指标	101
3.3.4  5G的场景	103
3.4  5G的法宝	104
3.4.1  5G架构	107
3.4.2  5G的空口技术	116
3.4.3  5G的关键技术	121
3.5  天生我才必有用：5G的适用场景	137
3.6  小结	141
参考文献	142
第4章  恨不相逢早：当物联网遇见5G	143
4.1  移动通信在物联网中的应用	143
4.1.1  移动通信在物联网中应用的主要方式	143
4.1.2  移动通信在物联网中的应用现状	145
4.2  物联网的移动通信困境	150
4.3  5G为物联网而生	154
4.3.1  5G是移动通信技术的演进	155
4.3.2  5G是物联网定制的移动通信技术	157
4.4  物联网为5G提供大舞台	163
4.4.1  5G的应用场景	163
4.4.2  物联网是5G的主战场	165
4.5  5G物联网技术：NB-IOT/EMTC	168
4.5.1  NB-IOT	169
4.5.2  eMTC	173
4.6  最好的关系就是彼此成就	175
参考文献	177
第5章  小心驶得万年船：5G时代下的物联网安全	178
5.1  物联网安全	178
5.1.1  物联网的信息安全和隐私保护问题	179
5.1.2  物联网行业应用特点及安全问题	180
5.1.3  物联网的安全架构	184
5.1.4  物联网安全关键技术	186
5.1.5  物联网安全研究方向	187
5.2  5G安全	190
5.2.1  5G的安全架构	191
5.2.2  5G网络安全的技术需求	194
5.2.3  5G安全标准化进展	197
5.3  5G时代的物联网安全	198
5.3.1  5G对物联网安全的保护	198
5.3.2  5G对物联网安全的威胁	203
5.3.3  应对威胁的新方法	204
5.3.4  构建物联网安全体系	206
参考文献	208
第6章  物联网+5G的应用	209
6.1  智慧消防	209
6.1.1  智慧消防简介	209
6.1.2  智慧消防发展现状	210
6.1.3  智慧消防总体架构	211
6.1.4  物联网+5G助力智慧消防落地	215
6.2  智慧监狱	216
6.2.1  智慧监狱简介	216
6.2.2  智慧监狱发展现状	217
6.2.3  智慧监狱的总体架构	218
6.2.4  物联网+5G助力智慧监狱落地	221
6.3  应急管理信息化	222
6.3.1  应急管理信息化简介	222
6.3.2  应急管理科技信息化发展现状	223
6.3.3  应急管理物联网平台总体架构	223
6.3.4  物联网+5G助理应急管理信息化落地	226
参考文献	226
第7章  携手并进，智联未来	228
7.1  物联网+5G的融合展望	228
7.2  物联网+云计算	231
7.3  物联网+边缘计算	234
7.4  物联网+人工智能	237
7.5  物联网+大数据	239
7.6  物联网+区块链	242
参考文献	245

序

物联网与移动通信都是新一代信息技术，但物联网与移动通信很长一段时间平行发展没有交集。物联网面向物，移动通信面向人；物联网是专用系统，移动通信是公用系统；物联网使用无许可证的频率，而移动通信使用电信运营商获得授权的频率。
从2016年国际移动通信标准化组织3GPP通过了窄带物联网（NB-IoT）标准开始，物联网进入到移动通信标准系列。NB-IoT依靠运营商广覆盖的基础设施，提供一个承载在公众移动通信网上的专用物联网，适应电表、水表等固定位置设备联网，众多的企业无须自建专用的物联网无线传输系统就可获得物联网服务，降低了物联网使用门槛，促进了物联网的起飞。近年来3GPP对NB-IoT标准也做了一些演进，增加了定位和多播功能及TDD工作模式，降低延时与终端模块功耗。但NB-IoT仅有20kbps和250kbps两种信道，其窄带能力难以适应宽带应用需求，另外，它不具有支持可运动的物联网节点的能力，限制了它们在工业互联网的应用。除NB-IoT外，窄带物联网还有LoRa标准，与NB-IoT的主要不同是使用非授权频率，企业可以使用LoRa自建专用物联网。
5G从四个方面发展了物联网，即大带宽物联网、大连接物联网、节点接力的物联网、智联网。5G促进了物联网与移动通信网的融合，实现了腾云驾物融智赋能，也进一步开拓了物联网的应用领域。
首先是大带宽物联网，5G在Sub6GHz和毫米波频段单载波分别带宽为100MHz和400MHz，最多可16个载波聚合，可支持100Mbps的宽带物联网，适应超清视频监控信号和基于激光精密3D测量的机器视觉数据传送的要求。
其次是大连接物联网（mIoT），5G新增空口带宽切片功能，将100MHz载波分割可同时支持并发的多个物联网信道，容量高达每平方公里100万连接，大连接物联网特别适合支持智慧城市和车联网的应用。mIoT可支持非固定物联网终端，mIoT还可与eMBB（增强移动宽带）和URLLC（超可靠低时延）类应用同频组网。
第三，支持物联网节点间接力。移动通信基站通常使用光纤作为回传链路连接到核心网，但在部署光纤困难或安装光纤成本过高的环境下，需要使用无线作为回传链路，将回传与用户同时接入基站天线，即无需设置单独天线用于回传，比单建一个回传专用无线系统经济上更具优势，这称为接入回传一体化（IAB），甚至接入与回传可使用同一载频。IAB技术可以用到物联网节点间，相对常规5G基站，IAB节点是IoT终端，但相对于与之相连的另一个IAB节点和IoT终端，它又相当于是基站，IAB还具有拓扑自适应能力，IAB节点起到接入中继的作用，实现物联网节点间的数据接力传输。具有IAB能力的物联网可用到车联网，还可用到电力网、油气管网、自来水管网和地质灾害监控网等传感器的联网。
第四，融入人工智能能力的物联网，即AI+IoT=AIoT（智联网）。一方面因5G高带宽和低时延，使得IoT终端可直接上云并获得云上AI能力的支持，相当于云上AI能力下沉到IoT终端，也可称为云终端。另一方面，AI芯片和AI轻型操作系统直接嵌入IoT模块，组成AIoT终端，相当于边缘计算能力迁移到终端。例如高清摄像头、机器人、无人机等物联网节点加入AI处理能力，赋予拟人的注意力，可实现快速反应。AIoT终端还可嵌入区块链能力，保障物联网设备接入认证、数据加密及设备控制授权安全，解决基于物联网数据的确权和数据资产化的问题。
5G扩展了物联网的应用场景，也带来了新的挑战， 例如大连接物联网的认证问题，逐个认证将耗时太长，群组认证也要避免信令风暴。处于同一个基站一平方公里范围内的上百万个物联网连接，各节点所传输的数据并非等同重要，需要引入优先权管理，以确保重要数据以时延敏感方式传输。IAB技术在物联网的应用涉及到身份未知的物联网终端间的信任连接难题，还可能需要多节点的数据联合加密。智联网需要科学合理划分端边云功能，实现端边云协同计算。
现在5G物联网国际标准特别是车联网标准还在版本推进中，5G的物联网技术仍在不断完善，5G的物联网应用还有待进一步开拓，5G+AIoT展现更广阔的创新空间。

                              中国工程院院士    邬贺铨

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