吳鵬展,龍昭華,張 林
(重慶郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究所,重慶400065)
現(xiàn)有的802.11技術(shù)包含的兩種網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型:基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)[1],都有一些不足,其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要AP來(lái)管理和控制網(wǎng)絡(luò);而Ad-Hoc雖不需要AP的支持,但是配置繁瑣,市場(chǎng)支持率低。這兩種網(wǎng)絡(luò)并不能很好的滿(mǎn)足這一需求。因此 Wi-Fi聯(lián)盟提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)模式:Wi-Fi Direct。
Wi-Fi Direct是一種新的 Wi-Fi認(rèn)證商標(biāo)名稱(chēng)[2],它對(duì)應(yīng)的技術(shù)規(guī)范是 Wi-Fi Alliance Peer-to-Peer(P2P)Specification,符合該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備在無(wú)需AP的情況下,就可以方便地與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接連接,從而傳輸數(shù)據(jù)或共享應(yīng)用,這將極大的擴(kuò)大無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用范圍,并對(duì)未來(lái)的移動(dòng)智能辦公和智能家居生活等消費(fèi)電子領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此本文把Wi-Fi Direct與投影技術(shù)結(jié)合起來(lái),研究和設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi Direct的無(wú)線投影網(wǎng)關(guān),試圖把Wi-Fi Direct技術(shù)擴(kuò)展到投影領(lǐng)域,以擴(kuò)大 Wi-Fi Direct的影響并使投影設(shè)備擺脫線纜的束縛。
Wi-Fi Direct旨在提供一種類(lèi)似藍(lán)牙的P2P (個(gè)人對(duì)個(gè)人)網(wǎng)絡(luò)。它的基本單元是組,組內(nèi)包含兩類(lèi)設(shè)備:GO(group owner)和 GC (group client)[3]。GO 提 供 傳 統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)中類(lèi)似AP的功能,可為P2P網(wǎng)絡(luò)中的其它客戶(hù)端提供分布式服務(wù),并且它同時(shí)支持傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)中的STA角色;GC則是連接到GO的、類(lèi)似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的STA的客戶(hù)端設(shè)備。
在P2P網(wǎng)絡(luò)的組中,GO與GC的連接可以是一對(duì)一,也可以是一對(duì)多的。因?yàn)镚O可以同時(shí)充當(dāng)兩個(gè)角色,所以GO可以同時(shí)加入傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)和P2P網(wǎng)絡(luò),這種特性被稱(chēng)為并發(fā)連接。對(duì)于傳統(tǒng)的不支持Wi-Fi Direct技術(shù)的STA,它可與GO的軟AP角色連接,也能加入到P2P組中,從而保持了良好的兼容性[4]。圖1所示為 Wi-Fi Direct的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
圖1 Wi-Fi Direct的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
Wi-Fi Direct是基于802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范,它的主要特點(diǎn)有:
(1)使普通STA支持軟AP的角色,從而提供了一種無(wú)需真實(shí)AP即可使多個(gè)終端建立P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而直接通信的方式,并且對(duì)不支持 Wi-Fi Direct的傳統(tǒng) WLAN的STA保持了良好的兼容性;
(2)允許設(shè)備支持并發(fā)連接,即一個(gè)無(wú)線終端設(shè)備可以同時(shí)以多種身份 (軟AP、STA)加入多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中;
(3)建 立 連 接 時(shí) 采 用 的 是 WPS (Wi-Fi protected setup)[5],WPS是 Wi-Fi聯(lián)盟的一個(gè)認(rèn)證項(xiàng)目,主要目的是為了簡(jiǎn)化WLAN的安裝及安全性配置工作,使用該技術(shù),用戶(hù)只用按下一個(gè)按鈕或輸入一個(gè)密碼就可以方便、快速的建立起安全的無(wú)線網(wǎng)絡(luò);Wi-Fi Direct還允許建立連接的所有支持Wi-Fi Direct的設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候都進(jìn)入休眠狀態(tài),從而節(jié)約電量;
(4)Wi-Fi Direct還提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能,即在設(shè)備建立連接之前就可獲得目標(biāo)設(shè)備所能提供的服務(wù),如在與一個(gè)打印機(jī)連接之前就可知道這個(gè)打印機(jī)是否支持彩色打印。
1.3.1 組的建立
在Wi-Fi Direct中,組的建立包含了3個(gè)過(guò)程:設(shè)備發(fā)現(xiàn)、GO協(xié)商、條件提供。設(shè)備發(fā)現(xiàn)過(guò)程促使兩個(gè)設(shè)備停駐到同一個(gè)信道并交換設(shè)備信息;而協(xié)商GO過(guò)程則由相互發(fā)現(xiàn)的設(shè)備協(xié)商由哪個(gè)設(shè)備作為GO;條件提供則是在GO與GC之間使用WPS來(lái)快速的建立安全的連接[6]。
設(shè)備發(fā)現(xiàn)過(guò)程的目的是為了快速找到設(shè)備并決定要與哪個(gè)設(shè)備建立連接。該過(guò)程包含兩個(gè)階段:掃描和查找。掃描階段是為了收集設(shè)備周?chē)脑O(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的信息,它采用的技術(shù)與802.1-2007標(biāo)準(zhǔn)中所用的掃描技術(shù)一樣,但是在發(fā)送的掃描幀中,加入了WPS信息元素和P2P信息元素。而查找階段則用來(lái)使兩個(gè)P2P設(shè)備到達(dá)同一信道進(jìn)而通信。查找階段是依靠P2P設(shè)備周期性的在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)和搜索狀態(tài)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其中監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)在一個(gè)固定的信道上捕獲探詢(xún)請(qǐng)求幀,而搜索狀態(tài)則在一系列指定的信道上發(fā)送探詢(xún)請(qǐng)求幀。兩個(gè)設(shè)備能到達(dá)同一信道有賴(lài)于一種把監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的周期隨機(jī)化的機(jī)制。
一旦發(fā)現(xiàn)P2P設(shè)備,兩者就可進(jìn)行GO協(xié)商,以確定哪一個(gè)設(shè)備作為GO,而判斷標(biāo)準(zhǔn)取決協(xié)商設(shè)備的意愿值及Tie Break位。往往是軟、硬件資源比較豐富的終端成為GO。
在相互發(fā)現(xiàn)的設(shè)備確定GO后,用戶(hù)只需要在設(shè)備上輸入密碼或按下WPS按鈕,即可自動(dòng)觸發(fā)WPS過(guò)程,最終會(huì)形成受WPA2保護(hù)的P2P組了,并且SSID、臨時(shí)密鑰都是隨機(jī)生成的。無(wú)需用戶(hù)對(duì)設(shè)備設(shè)置進(jìn)行太多的干涉。
1.3.2 Wi-Fi Direct的電源管理
在傳統(tǒng)WLAN中,AP是不能進(jìn)入休眠狀態(tài),但在Wi-Fi Direct中,多由移動(dòng)終端充當(dāng)軟AP角色,而高效的使用電源對(duì)于移動(dòng)終端來(lái)說(shuō)具有重要意義。因此在P2P規(guī)范中,以 Wi-Fi的Power Save和 WMM-PS[7]為基礎(chǔ)進(jìn)行修改,創(chuàng)建了兩種新的節(jié)能機(jī)制:P2P-PS和P2P-WMM-PS,以期能達(dá)到最大化的節(jié)省能源。P2P節(jié)能機(jī)制的核心是機(jī)會(huì)節(jié)能和缺席通知。機(jī)會(huì)節(jié)能幫助GO進(jìn)入休眠狀態(tài),缺席通知?jiǎng)t是告知P2P組中的其它設(shè)備GO的休眠計(jì)劃,這樣P2PGC也可在此段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)[8]。P2PGC也可給GO發(fā)送Presence Request幀來(lái)對(duì)GO的休眠計(jì)劃施加影響。
在數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,投影機(jī)已經(jīng)成為多媒體教室、家庭影院、多功能會(huì)議廳等演示場(chǎng)所的標(biāo)準(zhǔn)配置。但大多投影機(jī)傳輸數(shù)據(jù)還以線纜為媒介,這導(dǎo)致了諸多麻煩,如布線的更換,會(huì)場(chǎng)人員的頻繁移動(dòng)等。因此在文中,設(shè)計(jì)了一種無(wú)線投影網(wǎng)關(guān),該網(wǎng)關(guān)使用Wi-Fi Direct技術(shù)傳輸數(shù)據(jù),可做為普通投影儀的外接模塊,方便用戶(hù)連接,解決了上述問(wèn)題。
如圖2所示為無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在該系統(tǒng)中,無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)通過(guò)VGA或HDMI接口與投影儀連接,并使用Wi-Fi Direct與其它無(wú)線終端通信。并且無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)充當(dāng)GO,它的軟AP角色與其它無(wú)線終端建立P2P網(wǎng)絡(luò)。而它的STA角色則可與傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)的AP建立連接,同時(shí)把無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的軟AP角色與STA角色橋接起來(lái),這樣無(wú)線終端的桌面信息則會(huì)經(jīng)無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的軟AP角色傳遞給投影儀,而其它訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)則可經(jīng)過(guò)無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的軟AP轉(zhuǎn)發(fā)給STA角色、并進(jìn)一步傳遞給實(shí)體AP,此時(shí)無(wú)線終端即可通過(guò)無(wú)線進(jìn)行投影又可通過(guò)無(wú)線訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)了。
圖2 無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的主要功能包含:完成無(wú)線信號(hào)的收發(fā);處理無(wú)線終端發(fā)送過(guò)來(lái)的桌面數(shù)據(jù);同時(shí)還要具備向投影儀輸出高分辨率及高刷新率的圖像的能力。這就需要提供對(duì)HDMI接口的支持,但是為了與只有VGA接口的設(shè)備保持良好的兼容性,還需要支持VGA接口。因此,在硬件選擇中,微處理器采用三星S5PV210[9],無(wú)線網(wǎng)卡芯片選擇Atheros的AR9374,VGA輸出芯片SDA7123。
其中S5PV210是三星推出的一款適用于智能手機(jī)和平板電腦等多媒體設(shè)備的應(yīng)用處理器,它的主要特點(diǎn)有:
(1)采用了 ARM CortexTM-A8內(nèi)核,ARM V7指令集,主頻可達(dá)1GHZ,可以實(shí)現(xiàn)每秒運(yùn)算2億條指令集的高性能運(yùn)算能力;
(2)對(duì)多媒體提供了良好的支持,支持流暢的2D/3D圖形加速,可支持 MPEG-4/MPEG2、H.264/H263等,并支持高達(dá)1080p@30fps硬件解碼。支持高達(dá)1080p的HDMI高清輸出,并可提供8-channel/112kHz/24-bit的立體聲音輸出;
(3)TFT-LCD接口支持并行的24位RGB輸出,分辨率最高可達(dá)1024x768;
(4)支持4路SDIO接口,可直接使用DMA。
AR9374是Atheros專(zhuān)門(mén)為嵌入式設(shè)備提供的高度集成的、低功耗802.11a/b/g/n解決方案。被廣泛應(yīng)用在數(shù)字電視、藍(lán)光播放機(jī)、數(shù)字媒體適配器、無(wú)線音頻等產(chǎn)品中。AR9374使用了Atheros的第六代802.11技術(shù),可工作在2.4GHz和5GHz雙頻段中,提供高達(dá)300Mbps的數(shù)據(jù)吞吐率。它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的CPU及內(nèi)存子系統(tǒng),可有效緩解主CPU的壓力,以使主CPU專(zhuān)心處理其它數(shù)據(jù)流。它同時(shí)提供極為安全的鏈路訪問(wèn),安全上除支持AES,TKIP,WEP外,也支持中國(guó)WLAN的強(qiáng)制安全標(biāo)準(zhǔn)WAPI。通信接口還提供對(duì)GPIO的支持,以縮小設(shè)計(jì)難度[10]。
SDA7123是三路10位視頻D/A轉(zhuǎn)換器,它包括三路高速、10位輸入的視頻DA轉(zhuǎn)換器、標(biāo)準(zhǔn)的TTL輸入和互補(bǔ)輸出高阻抗的模擬輸出電源。它有三路獨(dú)立的10位輸入端口,可以在單電源5V下工作,也可以在單電源3.3V下工作。綠通道可帶同步信號(hào)輸出。它的數(shù)據(jù)更新頻率MSPS為140MHz,SDA7123內(nèi)帶1.23V基準(zhǔn),工作溫度范圍寬 (-40+85℃),它采用QFP型48線方形扁平封裝。適用于數(shù)字視頻系統(tǒng)、圖像處理、儀器、高精度顯示器、視頻信號(hào)重建等系統(tǒng)中。
無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖3所示。微處理器S5PV210通過(guò)SDIO與AR9374連接,負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的收發(fā),SDA7123通過(guò)TFT LCD控制器與S5PV210連接[11],并向外提供VGA接口,以對(duì)只有VGA接口的設(shè)備提供良好的兼容性;而S5PV210的HDMI控制器則可直接連接HDMI接口,向外提供HDMI信號(hào)。
圖3 無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)硬件框架
整個(gè)無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)部分:投影網(wǎng)關(guān)端和客戶(hù)端。其中投影網(wǎng)關(guān)端的軟件燒錄在嵌入式無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)硬件中,客戶(hù)端則安裝在要投影的無(wú)線終端中,如PC機(jī)、智能手機(jī)等。如圖4所示為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。
圖4 無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.3.1 建立直接連接網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)
在投影網(wǎng)關(guān)端,使用Linux作為嵌入式系統(tǒng),為對(duì)Wi-Fi Direct提供支持,內(nèi)核采用3.0。對(duì) Wi-Fi Direct的控制和配置則使用wpa_supplicant[12]。在上述無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)上移植Linux 3.0及wpa_supplicant等相關(guān)依賴(lài)的軟件,即可開(kāi)啟 Wi-Fi Direct了。開(kāi)啟一個(gè)固定SSID的Wi-Fi Direct的命令[13]為:
此時(shí)Linux系統(tǒng)就會(huì)打開(kāi)兩個(gè)無(wú)線接口:wlan0和mon.wlan0。無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)也對(duì)應(yīng)有了兩個(gè)角色了,一個(gè)STA角 色 wlan0,一 個(gè) GO 角 色 mon.wlan0。其 中mon.wlan0為客戶(hù)端提供軟AP功能,供客戶(hù)端加入到Wi-Fi Direct網(wǎng)絡(luò)。而wlan0則可加入到附近的傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò),并可橋接wlan0和mon.wlan0,以便客戶(hù)端的訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)體AP。實(shí)現(xiàn)橋接功能的轉(zhuǎn)發(fā)命令為:
2.3.2 桌面捕捉與渲染軟件設(shè)計(jì)
一旦建立P2P網(wǎng)絡(luò),客戶(hù)端設(shè)備就直接連接無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)了。而無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程A監(jiān)聽(tīng)端口50001,負(fù)責(zé)從客戶(hù)端處接收H.264流,使用S5PV210的硬件解碼器解碼H.264數(shù)據(jù)流,并渲染到HDMI或VGA接口供投影儀顯示。
在客戶(hù)端,即使該設(shè)備不支持Wi-Fi Direct,它也可加入到P2P網(wǎng)絡(luò)中,并使用socket在端口50001與無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)建立傳輸屏幕數(shù)據(jù)流的連接。在獲得訪問(wèn)投影儀的權(quán)限之后,就可抓取屏幕的內(nèi)容,把獲得的內(nèi)容編碼為H.264,最后把H.264流發(fā)送給無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)。之所以沒(méi)有使用JPEG等靜態(tài)圖像編碼,是因?yàn)楦叻直媛实淖烂孀ト〉淖烂鎴D像數(shù)據(jù)量比較大,會(huì)給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶來(lái)很大的壓力。而H.264則是一種高性能的視頻編碼技術(shù)[14],它具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率的同時(shí)還能擁有高質(zhì)量的圖像效果,這對(duì)使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較合適的選擇。
2.3.3 用戶(hù)投影切換軟件設(shè)計(jì)
投影儀在很多場(chǎng)合的應(yīng)用,都涉及到用戶(hù)切換的問(wèn)題。如在圓桌會(huì)議中,一個(gè)演講者做完演講,就需要把訪問(wèn)投影儀的權(quán)限釋放給下一個(gè)演講者。在本文中,采用多進(jìn)程、多端口的設(shè)計(jì)方法來(lái)有效解決這一問(wèn)題。客戶(hù)端和無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)端的一個(gè)進(jìn)程A在端口50001負(fù)責(zé)傳輸H.264流,另一個(gè)進(jìn)程B在端口50002負(fù)責(zé)傳輸用戶(hù)切換的控制數(shù)據(jù)。多進(jìn)程、多端口的方法可以有效的識(shí)別H.264數(shù)據(jù)流和控制信息,避免在如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)流和控制信息上占用太多的MCU資源,從而使得H.264數(shù)據(jù)流得到及時(shí)的處理,進(jìn)而保證屏幕顯示的實(shí)時(shí)性。
無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)端也創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程B負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)端口50002,判斷是否有訪問(wèn)投影儀的申請(qǐng)。如果有申請(qǐng),就詢(xún)問(wèn)正在投影的設(shè)備是否愿意釋放投影的權(quán)限,并根據(jù)正在投影設(shè)備的回復(fù)響應(yīng)預(yù)投影設(shè)備的請(qǐng)求。如圖5所示為無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的進(jìn)程B的流程圖。
圖5 無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的進(jìn)程B的流程
為了驗(yàn)證無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)的實(shí)際效果,特通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)的條件是:無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)和客戶(hù)端都使用802.11n,桌面分辨率分別設(shè)置為1024x768和1280x800兩種情況,兩者的距離為5m,并且分別在開(kāi)啟橋接和關(guān)閉橋接的條件下進(jìn)行測(cè)試。并且通過(guò)計(jì)算客戶(hù)端的桌面與投影儀投影的桌面的時(shí)鐘差來(lái)估算傳輸?shù)臅r(shí)延。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在關(guān)閉橋接的時(shí)候,無(wú)線投影網(wǎng)關(guān)只負(fù)責(zé)通過(guò)無(wú)線收發(fā)桌面數(shù)據(jù)流,沒(méi)有客戶(hù)端訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分流,此時(shí)接收到的桌面幀數(shù)比打開(kāi)橋接時(shí)要多一些;而對(duì)于高分辨率的桌面,因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)量比低分辨率的要大,因此接收數(shù)據(jù)幀的能力也明顯低于低分辨率時(shí)的能力。在上面的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,通過(guò)計(jì)算時(shí)鐘的差距,可以估算到時(shí)延都約為1秒。對(duì)于PPT演示、媒體播放等還是能夠給予良好的支持。
Wi-Fi Direct作為一項(xiàng)新近誕生的技術(shù)規(guī)范,解決了人們?cè)跓o(wú)AP時(shí)進(jìn)行直接連接的需求,必將成為無(wú)線局域網(wǎng)下一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)。本文在研究 Wi-Fi Direct特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種無(wú)線投影網(wǎng)關(guān),該網(wǎng)關(guān)可以作為外接模塊用在已經(jīng)面市的投影儀上,也可作為內(nèi)嵌模塊接入到正在研究的產(chǎn)品中,方便用戶(hù)通過(guò)無(wú)線與投影儀直接連接,滿(mǎn)足了人們對(duì)無(wú)線辦公的需求。但在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜的條件下,性能會(huì)有一些下降,因此需要在下一步的工作中加強(qiáng)對(duì)RTP協(xié)議的研究。
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