一種基于WiFi Direct技術(shù)的位置信息共享方法

王冰冰，陳 剛，張錦明，2

(1. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100081)

一種基于WiFi Direct技術(shù)的位置信息共享方法

王冰冰1，陳 剛1，張錦明1，2

(1. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100081)

當(dāng)移動(dòng)設(shè)備處于離線狀態(tài)時(shí)，設(shè)備之間難以實(shí)現(xiàn)基于位置的信息共享。本文嘗試?yán)肁ndroid設(shè)備搭載的WiFi Direct技術(shù)建立無線自組織網(wǎng)絡(luò)的方法，實(shí)現(xiàn)了在該網(wǎng)絡(luò)下位置信息的共享，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了測試，同時(shí)考慮了設(shè)備中存在有設(shè)備與服務(wù)器連接時(shí)的信息共享情況。試驗(yàn)表明，該方法可在一定程度上解決因網(wǎng)絡(luò)中斷，設(shè)備之間不能進(jìn)行位置等信息的共享或從服務(wù)器獲取信息的問題。

位置服務(wù)；WiFi Direct；自組織網(wǎng)絡(luò)；位置信息共享

隨著Android等智能終端的普及，以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，以地理位置為核心的LBS應(yīng)用發(fā)展迅速[1]，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)、市政及軍事領(lǐng)域等。在各領(lǐng)域中其結(jié)構(gòu)體系均包括終端、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫4個(gè)基本組件[2- 5]，從而保證用戶能夠使用較完整的位置服務(wù)。

然而，在較惡劣的環(huán)境下，并不能保證移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋，處于離線狀態(tài)的終端及終端之間則近乎處于孤立的狀態(tài)。另一方面，突破單一無線網(wǎng)絡(luò)的束縛，面向智能移動(dòng)終端提供定制化的天基信息服務(wù)，開發(fā)多通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)位置服務(wù)APP，也是當(dāng)代地球空間信息學(xué)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[6]。

自組織網(wǎng)絡(luò)因其無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，常被用于災(zāi)區(qū)或山區(qū)等各種通信設(shè)施無法使用的情況下，作為保持救援隊(duì)伍通信暢通的一種方式[7]。自Android系統(tǒng)誕生之后，其設(shè)備逐漸搭載了多種近距離通信技術(shù)，如WiFi Direct技術(shù)等(主要技術(shù)及參數(shù)對(duì)比見表1)，為利用該平臺(tái)建立自組織網(wǎng)絡(luò)提供了機(jī)遇。因此國內(nèi)外的一些研究者開始利用該平臺(tái)建立自組織網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[8—11]通過修改Android系統(tǒng)的底層源代碼，添加相關(guān)協(xié)議，利用WiFi技術(shù)建立了自組織網(wǎng)絡(luò)。但該方法實(shí)現(xiàn)難度大，且對(duì)源代碼的修改使其難以大范圍應(yīng)用。另因其采用WiFi技術(shù)，致使自組織網(wǎng)絡(luò)不能與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，繼而實(shí)現(xiàn)面向多網(wǎng)絡(luò)通信提供位置服務(wù)。

表1 Android設(shè)備上近距離傳輸技術(shù)參數(shù)對(duì)比

注：最大值為理論值，另一些廠商在其產(chǎn)品中去除了NFC技術(shù)。

WiFi Direct是指允許無線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無需通過無線路由器即可相互連接，繼而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸[12- 13]，且其不與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接口及WiFi接口沖突，較好地避免了上述問題。國內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究相對(duì)簡單，僅利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多媒體等文件的傳輸[14- 18]；文獻(xiàn)[19—21]利用該技術(shù)建立了自組織網(wǎng)絡(luò)，但前提是脫離了原組并與另一組建立連接，方可完成信息的轉(zhuǎn)發(fā)，時(shí)效性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[22—23]的方法雖時(shí)效較強(qiáng)，但未考慮與服務(wù)器恢復(fù)連接后的情況，也并未實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用。

而制約該技術(shù)被廣泛應(yīng)用的因素主要有兩點(diǎn)：一是傳輸距離，即使是理論最大值也不能達(dá)到可自由使用的范圍；二是通信協(xié)議，WiFi聯(lián)盟并未將自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議加入該技術(shù)中。對(duì)于前者，2016年1月5號(hào)，WiFi聯(lián)盟公布WiFi新標(biāo)準(zhǔn)——802.11ah，可實(shí)現(xiàn)低功耗、長距離(最大可達(dá)1000 m)無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，改善目前WiFi信號(hào)易受建筑物阻礙而影響傳輸距離和覆蓋范圍的弊病，而對(duì)于后者則可通過一定的編程方法解決。因此該技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，如應(yīng)用于多人協(xié)同定位、無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)同測繪等方向。

綜上，本文通過改善文獻(xiàn)[22—23]中的方法，嘗試?yán)肁ndroid設(shè)備搭載的WiFi Direct技術(shù)，建立設(shè)備之間的自組織網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)考慮與服務(wù)器恢復(fù)連接時(shí)的信息傳輸方式，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，為設(shè)備在離線狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)位置等信息的共享提供一種解決方案。

1 基于WiFi Direct技術(shù)的信息共享

1.1 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備在離線狀態(tài)下的位置信息共享，同時(shí)考慮設(shè)備與服務(wù)器恢復(fù)連接時(shí)的情形，在設(shè)計(jì)時(shí)采用如下設(shè)計(jì)思路：

(1) 考慮設(shè)備在各種環(huán)境下的使用，綜合應(yīng)用多種定位方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定位。

(2) 當(dāng)周圍存在可接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，設(shè)備可在互聯(lián)網(wǎng)及自組織網(wǎng)絡(luò)兩種網(wǎng)絡(luò)下同時(shí)工作。當(dāng)設(shè)備處于離線狀態(tài)時(shí)，小組設(shè)備之間通過建立自組織網(wǎng)絡(luò)共享位置等信息，而當(dāng)其中存在設(shè)備與無線網(wǎng)絡(luò)建立連接時(shí)，該設(shè)備就作為中轉(zhuǎn)設(shè)備，將服務(wù)器信息(如POI)通過自組織網(wǎng)絡(luò)分發(fā)至離線設(shè)備，離線設(shè)備通過自組織網(wǎng)絡(luò)將信息(如位置)發(fā)送至中轉(zhuǎn)設(shè)備，最后上傳至服務(wù)器。

(3) 將獲取的其他設(shè)備位置信息標(biāo)記在地圖上，從而直觀地了解彼此的相對(duì)位置。

在該過程中，主要需解決3個(gè)問題：移動(dòng)端的定位、基于WiFi Direct自組織網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及位置等信息在地圖上的展示，因此總體設(shè)計(jì)共分3層，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)

(1) 地圖展示層：展示來自定位層或通信層接收到的位置等信息，并為用戶提供一些功能，如獲取自組織網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的位置信息。

(2) 定位層：利用衛(wèi)星或基站完成各種情境下(如室內(nèi)、外，在、離線)的定位，并通過通信層進(jìn)行傳輸或地圖展示層進(jìn)行顯示。

(3) 通信層：完成自組織網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建并負(fù)責(zé)信息(如位置)的接收與發(fā)送。

其中，因地圖展示層使用百度地圖SDK，其實(shí)現(xiàn)只需調(diào)用相應(yīng)的方法即可，不再贅述，而著重闡述定位層及通信層中可能遇到的問題及解決方法。

1.2 不同情境下設(shè)備的定位

定位層根據(jù)不同的情境完成設(shè)備的定位：

(1) 設(shè)備處于在線狀態(tài)時(shí)，無論室內(nèi)、室外均可利用百度地圖的“GPS+基站”定位方法實(shí)現(xiàn)定位。

(2) 設(shè)備處于離線狀態(tài)時(shí)，室外的設(shè)備可利用GPS完成定位，而室內(nèi)的設(shè)備可利用自組織網(wǎng)絡(luò)共享其他設(shè)備的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自身定位，如圖2所示。

圖2 離線設(shè)備的室內(nèi)定位

1.3 基于WiFi Direct技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

該過程主要包括以下2個(gè)步驟：

(1) 構(gòu)建組內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)WiFi Direct的官方協(xié)議[12]，利用Google公司提供的Android相關(guān)接口，使用3臺(tái)(至少2臺(tái))設(shè)備建立如圖3所示的小組，并實(shí)現(xiàn)組內(nèi)成員之間的相互通信，即GO與GC之間、GC與GC之間的相互通信。

(2) 構(gòu)建組間自組織網(wǎng)絡(luò)。因設(shè)備不能同時(shí)作為兩組或多組中的GC或LC[23]，因此如圖4所示，通過WiFi連接， 使一組中的GO設(shè)備作為另一組的

LC設(shè)備，進(jìn)而構(gòu)建大范圍的自組織網(wǎng)絡(luò)，理論上N可取無窮大。本試驗(yàn)在兩個(gè)小組之間實(shí)現(xiàn)信息共享。

圖3 組內(nèi)通信示意圖

圖4 組間自組織網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)選取4部不同手機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備，其具體配置參數(shù)見表2。

表2 設(shè)備配置參數(shù)

選擇不同設(shè)備，是為了證明該自組織網(wǎng)絡(luò)可在不同Android系統(tǒng)版本之間建立。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為245 658 KB大小的視頻及9張平均大小為2 902.47 KB圖片。

2.1.2 試驗(yàn)規(guī)則

WiFi Direct小組是整個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)單元，本試驗(yàn)只對(duì)圖3所示的組內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行測試，設(shè)備為酷派(作為GO)、華為M2及榮耀5C。在空曠無遮擋的環(huán)境下，分別以視頻和9張圖片為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄從GC發(fā)送到GO的耗時(shí)，以及GC到GC的耗時(shí)。試驗(yàn)次數(shù)為10次，各取平均值作為所耗費(fèi)時(shí)間。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

注：GC→GO即榮耀→酷派，GC→GC即榮耀→華為M2

2.2.2 共享的位置信息在地圖上的展示

該應(yīng)用的主界面如圖5所示，組網(wǎng)設(shè)置界面如圖6所示，組網(wǎng)中各設(shè)備的位置在地圖上的展示如圖7所示。

2.2.3 試驗(yàn)總結(jié)及分析

2.2.3.1 試驗(yàn)總結(jié)

(1) 在同一小組中，GC與GO的最大距離為60 m左右，即GC與GC之間的距離可達(dá)120 m，最大傳輸速度為3 MB/s左右，最小為500 KB/s(該數(shù)值易受設(shè)備硬件影響)。

圖5 應(yīng)用程序主界面

圖6 組網(wǎng)設(shè)置界面

圖7

(2) 隨著距離及經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的增大，傳輸速度降低。

(3) Android 4.0以上版本均能較好地使用該技術(shù)。

2.2.3.2 分 析

綜上，利用該方法可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的相互通信，當(dāng)利用該技術(shù)建立自組織網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，距離較近的設(shè)備之間(如同一小組內(nèi))可進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。另一方面，傳輸經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)時(shí)速率會(huì)降低，因此利用該技術(shù)建立較大范圍自組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備之間不宜進(jìn)行較大數(shù)據(jù)(如視頻等)的傳輸，可進(jìn)行小數(shù)據(jù)量的信息共享，如POI數(shù)據(jù)等。因此該方法可在一定程度上彌補(bǔ)因網(wǎng)絡(luò)中斷，設(shè)備之間不能共享信息或與服務(wù)器交互的缺陷。

3 結(jié) 語

針對(duì)離線狀態(tài)下設(shè)備之間難以實(shí)現(xiàn)位置等信息共享的問題，本文通過對(duì)Android設(shè)備上建立自組織網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行對(duì)比分析，嘗試?yán)闷浯钶d的WiFi Direct技術(shù)建立自組織網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)位置信息的共享。試驗(yàn)表明，利用該方法可實(shí)現(xiàn)設(shè)備在離線狀態(tài)下的互聯(lián)互通，且較其他方法，如WiFi、藍(lán)牙，更有可擴(kuò)展性，可在因自然災(zāi)害等原因，基礎(chǔ)通信設(shè)施遭破壞的情況下，作為一種臨時(shí)搭建的網(wǎng)絡(luò)來解決位置等信息共享的問題。另因該技術(shù)不與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)沖突，因此即使與服務(wù)器建立連接，該網(wǎng)絡(luò)仍可作為一種輔助的通信手段。而目前制約該技術(shù)被廣泛應(yīng)用的主要限制因素是其較短的傳輸距離，但該技術(shù)在測繪領(lǐng)域仍有較好的應(yīng)用前景。筆者將在后續(xù)研究中嘗試開展基于該技術(shù)其他應(yīng)用試驗(yàn)，如無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)等。

[1] 李霖,王偉,譚永濱,等. 導(dǎo)航與LBS關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展[J]. 測繪通報(bào),2014(5):95- 98，126.

[2] STEINIGER S，NEUN M，EDWARDES A.Foundations of Location Based Services[J]. Lecture Notes on LBS，2006.

[3] 柳林，張繼賢，唐新明，等. LBS體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].測繪科學(xué)，2007，32(5):144- 146.

[4] FERRARO R，AKTIHANOGLU M.Location- aware Applications[M].[S.l.]：Manning Publications Co.，2011:3- 5.

[5] 曹紅杰，陳應(yīng)東，劉丹.位置服務(wù)——理論、技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2015:8- 12.

[6] 李德仁. 展望大數(shù)據(jù)時(shí)代的地球空間信息學(xué)[J]. 測繪學(xué)報(bào),2016,45(4):379- 384.

[7] LEGO K，SUTRADHAR D. Comparative Study of Adhoc Routing Protocol AODV，DSR and DSDV in Mobile Adhoc Network[J].Indian Journal of Computer Science and Engineering,2011,1(4):364- 371.

[8] JRADI R K, REEDTZ L S. Adhoc on Android[EB/OL]. [2016- 06- 20]. http:∥code. google. com/p/ad- hoc- on- android.

[9] CORRIERO N, COVINO E, MOTTOLA A. An Approach to Use FB- AODV with Android[J]. Procedia Computer Science, 2011(5): 336- 343.

[10] 吳靜麗. 基于Android平臺(tái)的自組織網(wǎng)絡(luò)框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2014.

[11] 張道寧. 基于Android智能終端的AdHoc功能庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2015.

[12] Wi- Fi Alliance, P2P Technical Group. Wi- Fi Peer- to- Peer (P2P) Technical Specification v1.0[EB/OL].[2016- 06- 20].www.wi- fi.org.

[13] CAMPS- MUR D, GARCIA- SAAVEDRA A, SERRANO P. Device- to- device Communications with Wi- Fi Direct: Overview and Experimentation[J]. IEEE Wireless Communications, 2013, 20(3): 96- 104.

[14] 楊艾平. 基于Wi- Fi Direct的Android文件傳輸研究與實(shí)現(xiàn)[D].南昌：東華大學(xué),2014.

[15] 劉文琦. 基于Wi- Fi Direct語音傳輸?shù)恼Z音壓縮算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2014.

[16] 史寧寧. 基于Wi- Fi Direct的移動(dòng)共享和通訊平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：長安大學(xué),2014.

[17] 泰凱文. 基于Wi- Fi Direct的音視頻共享系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2013.

[18] 谷丁云. 基于Wi- Fi Direct的對(duì)等的移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與原型實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué),2013.

[19] CONTI M，DELMASTRO F，MINUTIELLO G，et al.Experimenting Opportunistic Networks with WiFi Direct[C]∥Wireless Days(WD)，2013 IFIP. [S.l.]：IEEE，2013: 1- 6.

[20] OGAWA H.A Platform for Building Ad Hoc Social Networks Based on Wi- Fi Direct[C]∥2014 IEEE 3rd Global Conference on Consumer Electronics (GCCE). [S.l.]：IEEE, 2014: 626- 629.

[21] YAO C，ZHANG H，SONG L.Demo:WiFi Multihop: Implementing Device- to- Device Local Area Networks by Android Smartphones[C]∥Proceedings of the 16th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing.[S.l.]：ACM，2015:405- 406.

[22] DUAN Y, BORGIATTINO C, CASETTI C, et al. Wi- Fi Direct Multi- group Data Dissemination for Public Safety[C]∥ Proceedings of World Telecommunications Congress 2014. [S.l.]：VDE, 2014: 1- 6.

[23] CASETTI C, CHIASSERINI C F, PELLE L C, et al. Content- centric Routing in Wi- Fi Direct Multi- group Networks[C]∥2015 IEEE 16th International Symposium on World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM). [S.l.]：IEEE, 2015: 1- 9.

A Method for Location- based Information Sharing Based on WiFi Direct

WANG Bingbing1,CHEN Gang1，ZHANG Jinming1，2

(1. Institute of Geography Space Information， Information Engineering University，Zhengzhou 450001,China；2. Institute of Remote Sensing and Digital Earth,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100081, China)

It is difficult for devices to share location- based information with each other, when they are off- line. A method that builds and tests wireless ad hoc networks for Android devices based on WiFi Direct is tried, by which we implement the location- based information sharing, as well as we take the situation in which some devices in the group have a connection to the server into consideration. The test shows that the method could be a solution to the problem that devices can’t share location- based information with each other or request information from the server to some extent, which is caused by network interruption.

location- based service; WiFi Direct; ad hoc network; location- based information sharing

2016- 08- 31；

2017- 01- 10

國家自然科學(xué)基金(41371383) 作者簡介： 王冰冰(1991—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)槲恢梅?wù)。E- mail：641397730@qq.com

王冰冰，陳剛，張錦明.一種基于WiFi Direct技術(shù)的位置信息共享方法[J].測繪通報(bào)，2017(3)：62- 66.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0085.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0062- 05