王冰冰，陳 剛，張錦明，2

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

一種基于WiFi Direct技術的位置信息共享方法

王冰冰1，陳 剛1，張錦明1，2

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

當移動設備處于離線狀態(tài)時，設備之間難以實現(xiàn)基于位置的信息共享。本文嘗試利用Android設備搭載的WiFi Direct技術建立無線自組織網(wǎng)絡的方法，實現(xiàn)了在該網(wǎng)絡下位置信息的共享，并對該網(wǎng)絡的性能進行了測試，同時考慮了設備中存在有設備與服務器連接時的信息共享情況。試驗表明，該方法可在一定程度上解決因網(wǎng)絡中斷，設備之間不能進行位置等信息的共享或從服務器獲取信息的問題。

位置服務；WiFi Direct；自組織網(wǎng)絡；位置信息共享

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

然而，在較惡劣的環(huán)境下，并不能保證移動互聯(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)絡的束縛，面向智能移動終端提供定制化的天基信息服務，開發(fā)多通信網(wǎng)絡的移動位置服務APP，也是當代地球空間信息學必須解決的關鍵技術問題之一[6]。

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

表1 Android設備上近距離傳輸技術參數(shù)對比

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。

WiFi Direct是指允許無線網(wǎng)絡中的設備無需通過無線路由器即可相互連接，繼而實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸[12- 13]，且其不與移動互聯(lián)網(wǎng)接口及WiFi接口沖突，較好地避免了上述問題。國內(nèi)對該技術的研究相對簡單，僅利用該技術實現(xiàn)了多媒體等文件的傳輸[14- 18]；文獻[19—21]利用該技術建立了自組織網(wǎng)絡，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)，時效性不強。文獻[22—23]的方法雖時效較強，但未考慮與服務器恢復連接后的情況，也并未實現(xiàn)具體應用。

而制約該技術被廣泛應用的因素主要有兩點：一是傳輸距離，即使是理論最大值也不能達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)絡的相關協(xié)議加入該技術中。對于前者，2016年1月5號，WiFi聯(lián)盟公布WiFi新標準——802.11ah，可實現(xiàn)低功耗、長距離(最大可達1000 m)無線區(qū)域網(wǎng)絡連結(jié)，改善目前WiFi信號易受建筑物阻礙而影響傳輸距離和覆蓋范圍的弊病，而對于后者則可通過一定的編程方法解決。因此該技術具有較好的應用前景，如應用于多人協(xié)同定位、無人機自組織網(wǎng)絡協(xié)同測繪等方向。

綜上，本文通過改善文獻[22—23]中的方法，嘗試利用Android設備搭載的WiFi Direct技術，建立設備之間的自組織網(wǎng)絡，同時考慮與服務器恢復連接時的信息傳輸方式，并對該網(wǎng)絡進行測試，為設備在離線狀態(tài)下實現(xiàn)位置等信息的共享提供一種解決方案。

1 基于WiFi Direct技術的信息共享

1.1 總體設計

為實現(xiàn)設備在離線狀態(tài)下的位置信息共享，同時考慮設備與服務器恢復連接時的情形，在設計時采用如下設計思路：

(1) 考慮設備在各種環(huán)境下的使用，綜合應用多種定位方法，實現(xiàn)設備的定位。

(2) 當周圍存在可接入網(wǎng)絡時，設備可在互聯(lián)網(wǎng)及自組織網(wǎng)絡兩種網(wǎng)絡下同時工作。當設備處于離線狀態(tài)時，小組設備之間通過建立自組織網(wǎng)絡共享位置等信息，而當其中存在設備與無線網(wǎng)絡建立連接時，該設備就作為中轉(zhuǎn)設備，將服務器信息(如POI)通過自組織網(wǎng)絡分發(fā)至離線設備，離線設備通過自組織網(wǎng)絡將信息(如位置)發(fā)送至中轉(zhuǎn)設備，最后上傳至服務器。

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

在該過程中，主要需解決3個問題：移動端的定位、基于WiFi Direct自組織網(wǎng)絡的構(gòu)建及位置等信息在地圖上的展示，因此總體設計共分3層，如圖1所示。

圖1 總體設計

(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)絡中其他設備的位置信息。

(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，并通過通信層進行傳輸或地圖展示層進行顯示。

(3) 通信層：完成自組織網(wǎng)絡的構(gòu)建并負責信息(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，其實現(xiàn)只需調(diào)用相應的方法即可，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 不同情境下設備的定位

定位層根據(jù)不同的情境完成設備的定位：

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

(2) 設備處于離線狀態(tài)時，室外的設備可利用GPS完成定位，而室內(nèi)的設備可利用自組織網(wǎng)絡共享其他設備的位置，進而實現(xiàn)自身定位，如圖2所示。

圖2 離線設備的室內(nèi)定位

1.3 基于WiFi Direct技術的自組織網(wǎng)絡構(gòu)建

該過程主要包括以下2個步驟：

(1) 構(gòu)建組內(nèi)自組織網(wǎng)絡。根據(jù)WiFi Direct的官方協(xié)議[12]，利用Google公司提供的Android相關接口，使用3臺(至少2臺)設備建立如圖3所示的小組，并實現(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。因設備不能同時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設備作為另一組的

LC設備，進而構(gòu)建大范圍的自組織網(wǎng)絡，理論上N可取無窮大。本試驗在兩個小組之間實現(xiàn)信息共享。

圖3 組內(nèi)通信示意圖

圖4 組間自組織網(wǎng)絡示意圖

2 試驗與分析

2.1 試驗設計

2.1.1 試驗設備及數(shù)據(jù)

本次試驗選取4部不同手機作為試驗設備，其具體配置參數(shù)見表2。

表2 設備配置參數(shù)

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

試驗數(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 試驗規(guī)則

WiFi Direct小組是整個自組織網(wǎng)絡的基礎單元，本試驗只對圖3所示的組內(nèi)自組織網(wǎng)絡傳輸性能進行測試，設備為酷派(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張圖片為試驗數(shù)據(jù)，記錄從GC發(fā)送到GO的耗時，以及GC到GC的耗時。試驗次數(shù)為10次，各取平均值作為所耗費時間。

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果見表3。

表3 試驗結(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

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

2.2.3 試驗總結(jié)及分析

2.2.3.1 試驗總結(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)值易受設備硬件影響)。

圖5 應用程序主界面

圖6 組網(wǎng)設置界面

圖7

(2) 隨著距離及經(jīng)過中間節(jié)點的數(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。

2.2.3.2 分 析

綜上，利用該方法可實現(xiàn)設備之間的相互通信，當利用該技術建立自組織網(wǎng)絡并進行數(shù)據(jù)傳輸時，距離較近的設備之間(如同一小組內(nèi))可進行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。另一方面，傳輸經(jīng)過中間節(jié)點時速率會降低，因此利用該技術建立較大范圍自組織網(wǎng)絡時，距離較遠的設備之間不宜進行較大數(shù)據(jù)(如視頻等)的傳輸，可進行小數(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因網(wǎng)絡中斷，設備之間不能共享信息或與服務器交互的缺陷。

3 結(jié) 語

針對離線狀態(tài)下設備之間難以實現(xiàn)位置等信息共享的問題，本文通過對Android設備上建立自組織網(wǎng)絡的方法進行對比分析，嘗試利用其搭載的WiFi Direct技術建立自組織網(wǎng)絡的方法實現(xiàn)位置信息的共享。試驗表明，利用該方法可實現(xiàn)設備在離線狀態(tài)下的互聯(lián)互通，且較其他方法，如WiFi、藍牙，更有可擴展性，可在因自然災害等原因，基礎通信設施遭破壞的情況下，作為一種臨時搭建的網(wǎng)絡來解決位置等信息共享的問題。另因該技術不與移動互聯(lián)網(wǎng)沖突，因此即使與服務器建立連接，該網(wǎng)絡仍可作為一種輔助的通信手段。而目前制約該技術被廣泛應用的主要限制因素是其較短的傳輸距離，但該技術在測繪領域仍有較好的應用前景。筆者將在后續(xù)研究中嘗試開展基于該技術其他應用試驗，如無人機自組織網(wǎng)絡等。

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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

國家自然科學基金(41371383) 作者簡介： 王冰冰(1991—)，男，碩士生，主要研究方向為位置服務。E- mail：641397730@qq.com

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

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0085.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0062- 05