一种基于WiFi Direct技术的位置信息共享方法

王冰冰，陈 刚，张锦明，2

(1. 信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001； 2. 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100081)

一种基于WiFi Direct技术的位置信息共享方法

王冰冰1，陈 刚1，张锦明1，2

(1. 信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001； 2. 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100081)

当移动设备处于离线状态时，设备之间难以实现基于位置的信息共享。本文尝试利用Android设备搭载的WiFi Direct技术建立无线自组织网络的方法，实现了在该网络下位置信息的共享，并对该网络的性能进行了测试，同时考虑了设备中存在有设备与服务器连接时的信息共享情况。试验表明，该方法可在一定程度上解决因网络中断，设备之间不能进行位置等信息的共享或从服务器获取信息的问题。

位置服务；WiFi Direct；自组织网络；位置信息共享

随着Android等智能终端的普及，以及互联网技术和移动网络的飞速发展，以地理位置为核心的LBS应用发展迅速[1]，被广泛应用于商业、市政及军事领域等。在各领域中其结构体系均包括终端、移动互联网、服务器及数据库4个基本组件[2- 5]，从而保证用户能够使用较完整的位置服务。

然而，在较恶劣的环境下，并不能保证移动互联网的覆盖，处于离线状态的终端及终端之间则近乎处于孤立的状态。另一方面，突破单一无线网络的束缚，面向智能移动终端提供定制化的天基信息服务，开发多通信网络的移动位置服务APP，也是当代地球空间信息学必须解决的关键技术问题之一[6]。

自组织网络因其无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，常被用于灾区或山区等各种通信设施无法使用的情况下，作为保持救援队伍通信畅通的一种方式[7]。自Android系统诞生之后，其设备逐渐搭载了多种近距离通信技术，如WiFi Direct技术等(主要技术及参数对比见表1)，为利用该平台建立自组织网络提供了机遇。因此国内外的一些研究者开始利用该平台建立自组织网络，文献[8—11]通过修改Android系统的底层源代码，添加相关协议，利用WiFi技术建立了自组织网络。但该方法实现难度大，且对源代码的修改使其难以大范围应用。另因其采用WiFi技术，致使自组织网络不能与移动互联网相结合，继而实现面向多网络通信提供位置服务。

表1 Android设备上近距离传输技术参数对比

注：最大值为理论值，另一些厂商在其产品中去除了NFC技术。

WiFi Direct是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接，继而实现点对点的数据传输[12- 13]，且其不与移动互联网接口及WiFi接口冲突，较好地避免了上述问题。国内对该技术的研究相对简单，仅利用该技术实现了多媒体等文件的传输[14- 18]；文献[19—21]利用该技术建立了自组织网络，但前提是脱离了原组并与另一组建立连接，方可完成信息的转发，时效性不强。文献[22—23]的方法虽时效较强，但未考虑与服务器恢复连接后的情况，也并未实现具体应用。

而制约该技术被广泛应用的因素主要有两点：一是传输距离，即使是理论最大值也不能达到可自由使用的范围；二是通信协议，WiFi联盟并未将自组织网络的相关协议加入该技术中。对于前者，2016年1月5号，WiFi联盟公布WiFi新标准——802.11ah，可实现低功耗、长距离(最大可达1000 m)无线区域网络连结，改善目前WiFi信号易受建筑物阻碍而影响传输距离和覆盖范围的弊病，而对于后者则可通过一定的编程方法解决。因此该技术具有较好的应用前景，如应用于多人协同定位、无人机自组织网络协同测绘等方向。

综上，本文通过改善文献[22—23]中的方法，尝试利用Android设备搭载的WiFi Direct技术，建立设备之间的自组织网络，同时考虑与服务器恢复连接时的信息传输方式，并对该网络进行测试，为设备在离线状态下实现位置等信息的共享提供一种解决方案。

1 基于WiFi Direct技术的信息共享

1.1 总体设计

为实现设备在离线状态下的位置信息共享，同时考虑设备与服务器恢复连接时的情形，在设计时采用如下设计思路：

(1) 考虑设备在各种环境下的使用，综合应用多种定位方法，实现设备的定位。

(2) 当周围存在可接入网络时，设备可在互联网及自组织网络两种网络下同时工作。当设备处于离线状态时，小组设备之间通过建立自组织网络共享位置等信息，而当其中存在设备与无线网络建立连接时，该设备就作为中转设备，将服务器信息(如POI)通过自组织网络分发至离线设备，离线设备通过自组织网络将信息(如位置)发送至中转设备，最后上传至服务器。

(3) 将获取的其他设备位置信息标记在地图上，从而直观地了解彼此的相对位置。

在该过程中，主要需解决3个问题：移动端的定位、基于WiFi Direct自组织网络的构建及位置等信息在地图上的展示，因此总体设计共分3层，如图1所示。

图1 总体设计

(1) 地图展示层：展示来自定位层或通信层接收到的位置等信息，并为用户提供一些功能，如获取自组织网络中其他设备的位置信息。

(2) 定位层：利用卫星或基站完成各种情境下(如室内、外，在、离线)的定位，并通过通信层进行传输或地图展示层进行显示。

(3) 通信层：完成自组织网络的构建并负责信息(如位置)的接收与发送。

其中，因地图展示层使用百度地图SDK，其实现只需调用相应的方法即可，不再赘述，而着重阐述定位层及通信层中可能遇到的问题及解决方法。

1.2 不同情境下设备的定位

定位层根据不同的情境完成设备的定位：

(1) 设备处于在线状态时，无论室内、室外均可利用百度地图的“GPS+基站”定位方法实现定位。

(2) 设备处于离线状态时，室外的设备可利用GPS完成定位，而室内的设备可利用自组织网络共享其他设备的位置，进而实现自身定位，如图2所示。

图2 离线设备的室内定位

1.3 基于WiFi Direct技术的自组织网络构建

该过程主要包括以下2个步骤：

(1) 构建组内自组织网络。根据WiFi Direct的官方协议[12]，利用Google公司提供的Android相关接口，使用3台(至少2台)设备建立如图3所示的小组，并实现组内成员之间的相互通信，即GO与GC之间、GC与GC之间的相互通信。

(2) 构建组间自组织网络。因设备不能同时作为两组或多组中的GC或LC[23]，因此如图4所示，通过WiFi连接， 使一组中的GO设备作为另一组的

LC设备，进而构建大范围的自组织网络，理论上N可取无穷大。本试验在两个小组之间实现信息共享。

图3 组内通信示意图

图4 组间自组织网络示意图

2 试验与分析

2.1 试验设计

2.1.1 试验设备及数据

本次试验选取4部不同手机作为试验设备，其具体配置参数见表2。

表2 设备配置参数

选择不同设备，是为了证明该自组织网络可在不同Android系统版本之间建立。

试验数据为245 658 KB大小的视频及9张平均大小为2 902.47 KB图片。

2.1.2 试验规则

WiFi Direct小组是整个自组织网络的基础单元，本试验只对图3所示的组内自组织网络传输性能进行测试，设备为酷派(作为GO)、华为M2及荣耀5C。在空旷无遮挡的环境下，分别以视频和9张图片为试验数据，记录从GC发送到GO的耗时，以及GC到GC的耗时。试验次数为10次，各取平均值作为所耗费时间。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 试验结果及数据

试验结果见表3。

表3 试验结果

注：GC→GO即荣耀→酷派，GC→GC即荣耀→华为M2

2.2.2 共享的位置信息在地图上的展示

该应用的主界面如图5所示，组网设置界面如图6所示，组网中各设备的位置在地图上的展示如图7所示。

2.2.3 试验总结及分析

2.2.3.1 试验总结

(1) 在同一小组中，GC与GO的最大距离为60 m左右，即GC与GC之间的距离可达120 m，最大传输速度为3 MB/s左右，最小为500 KB/s(该数值易受设备硬件影响)。

图5 应用程序主界面

图6 组网设置界面

图7

(2) 随着距离及经过中间节点的数量的增大，传输速度降低。

(3) Android 4.0以上版本均能较好地使用该技术。

2.2.3.2 分 析

综上，利用该方法可实现设备之间的相互通信，当利用该技术建立自组织网络并进行数据传输时，距离较近的设备之间(如同一小组内)可进行多媒体数据的传输。另一方面，传输经过中间节点时速率会降低，因此利用该技术建立较大范围自组织网络时，距离较远的设备之间不宜进行较大数据(如视频等)的传输，可进行小数据量的信息共享，如POI数据等。因此该方法可在一定程度上弥补因网络中断，设备之间不能共享信息或与服务器交互的缺陷。

3 结 语

针对离线状态下设备之间难以实现位置等信息共享的问题，本文通过对Android设备上建立自组织网络的方法进行对比分析，尝试利用其搭载的WiFi Direct技术建立自组织网络的方法实现位置信息的共享。试验表明，利用该方法可实现设备在离线状态下的互联互通，且较其他方法，如WiFi、蓝牙，更有可扩展性，可在因自然灾害等原因，基础通信设施遭破坏的情况下，作为一种临时搭建的网络来解决位置等信息共享的问题。另因该技术不与移动互联网冲突，因此即使与服务器建立连接，该网络仍可作为一种辅助的通信手段。而目前制约该技术被广泛应用的主要限制因素是其较短的传输距离，但该技术在测绘领域仍有较好的应用前景。笔者将在后续研究中尝试开展基于该技术其他应用试验，如无人机自组织网络等。

[1] 李霖,王伟,谭永滨,等. 导航与LBS关键技术标准化研究进展[J]. 测绘通报,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，张继贤，唐新明，等. LBS体系结构及关键技术的研究[J].测绘科学，2007，32(5):144- 146.

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

[5] 曹红杰，陈应东，刘丹.位置服务——理论、技术与实践[M].北京：科学出版社，2015:8- 12.

[6] 李德仁. 展望大数据时代的地球空间信息学[J]. 测绘学报,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] 吴静丽. 基于Android平台的自组织网络框架的设计与实现[D].北京：北京邮电大学,2014.

[11] 张道宁. 基于Android智能终端的AdHoc功能库的设计与实现[D].北京：北京邮电大学,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] 杨艾平. 基于Wi- Fi Direct的Android文件传输研究与实现[D].南昌：东华大学,2014.

[15] 刘文琦. 基于Wi- Fi Direct语音传输的语音压缩算法的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学,2014.

[16] 史宁宁. 基于Wi- Fi Direct的移动共享和通讯平台的设计与实现[D].西安：长安大学,2014.

[17] 泰凯文. 基于Wi- Fi Direct的音视频共享系统的研究与实现[D].北京：北京邮电大学,2013.

[18] 谷丁云. 基于Wi- Fi Direct的对等的移动社交网络软件平台设计与原型实现[D].南京：南京邮电大学,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

国家自然科学基金(41371383) 作者简介： 王冰冰(1991—)，男，硕士生，主要研究方向为位置服务。E- mail：641397730@qq.com

王冰冰，陈刚，张锦明.一种基于WiFi Direct技术的位置信息共享方法[J].测绘通报，2017(3)：62- 66.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0085.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0062- 05