基于WiFi多点接入的北斗安卓应用开发

姬文军，王 腾

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

北斗卫星导航系统是我国自主研发且具有通信能力的卫星导航系统，与GPS、GLALOS并称为三大卫星导航定位系统[1]。与其他卫星导航定位系统不同的是，北斗卫星导航系统具有双向短报文通信功能，可在移动通信网络难以覆盖的区域实现低成本卫星通信[2-3]。

北斗短报文通信功能的实现主要依托北斗终端以及相应软件实现。随着技术的发展，安卓系统、蓝牙[4-5]和WiFi等技术都被应用在北斗终端里，这些新技术的引用使得智能手机可以通过相应的软件实现与北斗终端的无线互联，从而实现北斗短报文的收发。目前智能手机通过蓝牙与北斗终端互联进而实现短报文通信的模式已被广泛应用。

蓝牙互联技术的点对点通信特性，导致智能手机通过蓝牙与北斗终端同一时刻只能一对一连接，且有效通信距离小于10 m。这样的特性使得基于蓝牙连接的北斗短报文通信模式难以实现多智能手机与单北斗终端的同时连接，难以实现组队户外作业的通信距离要求，也不利于北斗短报文通信资源的共享。

基于上述原因，提出基于WiFi多点接入[6]技术，该技术具有以下优点：① 实现了多智能手机与单北斗终端的互联互通，从而实现北斗通信资源的实时共享；② 具有有效连接距离远的特点，野外可靠通信距离不小于30 m。由于该技术的特点，使得该技术更能适合组队户外作业应用场景，能更好地实现北斗短报文通信资源的共享。

1 研究现状

1.1 短报文终端产品现状

早期北斗终端多为分体设计，是将天线与主机分离，天线发送功率较大，收发成功率较高，比较典型的是北斗指挥机，但是由于其分体式体积大、对接口稳定性要求较高和不易便携等特点，难以满足民用北斗终端市场的便携易用需求，因此单体式北斗终端得到发展和应用。单体式北斗终端将天线和主机融合在一起，虽然发射功率变小了，但避免了复杂走线的同时，体积大大缩小，更便于安装、使用。随着技术的发展，新一代的单体式终端已经具备了搭载Android智能操作系统，配备WiFi、蓝牙等外围设备[7-8]的能力，这使得北斗终端可以通过蓝牙、WiFi等无线手段与智能手机互联，实现更为便捷的短报文收发，提高了北斗终端的易用性。

1.2 短报文通信软件发展现状

目前各类基于北斗短报文通信技术的软件有多种，大多数以行业解决方案为主，涉及应急通信、位置监控和数据传输等。包括渔船位置监控、海上应急救援、气象监测和水利水文监测等，应用领域非常广阔[9-10]。

相对于北斗终端的发展，短报文通信软件最初无论是针对分体式北斗终端的上位机软件还是针对单体式北斗终端的嵌入式软件，操作繁琐且只能一对一连接；直到Android等智能手机的兴起，以及蓝牙技术的成熟应用，嵌入式北斗通信软件开始采用智能手机通过蓝牙互联的方式与北斗短报文终端进行连接，虽然蓝牙互联比有线方式方便许多，但智能手机和北斗终端同一时刻依然只能一对一连接[11]。

2 WiFi多点接入应用技术

基于WiFi多点接入应用技术是通过北斗终端作为WiFi热点，智能手机通过该热点与北斗终端关联，实现信息北斗短报文信息的收发，包含了3类通信模式：① 普通通信，即北斗终端利用WiFi热点实现信息的通播，短报文中不包含目的标识；② 隐私通信，短报文中含有智能手机的唯一标识，即智能手机通过WiFi连接北斗终端，能可靠地接收发送给自身的北斗短报文信息，而不会被其他智能手机读取；③ 紧急通信，即发送优先级总是高于普通短报文，达到紧急通信的目的。为了顺利实现这3类通信模式，涉及到自动路由寻址技术[12]、短报文发送缓存技术[13]和北斗信息发送策略3个关键技术[14]。

2.1 自动路由寻址技术

WiFi多点接入使得多个智能手机可以同时连接一台北斗终端，在共享北斗通信资源的同时，保障通信的可靠性也就显得尤为重要。通过自动路由寻址技术保证私密信息的发送方和接收方是同一个智能手机。

目前，存在2种自动路由寻址技术：

① 建立路由地址表，北斗终端通过查找路由地址表，可将信息精确地发送到指定的智能手机，实现信息的可靠发送，如图1所示；

② 通过通播和目的标识的方法，自定义通信协议，北斗终端通播收到的信息，智能手机端解析收到的信息并与目的标识匹配，实现信息可靠发送，如图2所示。

图1 自动路由寻址技术

图2 标识识别寻址技术

对于这2种寻址技术，第1种技术的优点是简化了智能手机的信息解析流程，而缺点是北斗终端需要实时解析信息从而确定信息的接收方，增大了北斗终端的信息处理负担，尤其在连接数量较多的情况下，同时也提高了北斗终端在整个信息处理流程中的耦合性；第②种技术的优点是北斗终端只作为信息转发的实体，在整个信息处理流程中，透明度较高，易于维护，而缺点是每个智能手机都需要将收到的通播信息进行解析。基于系统稳定、可扩展的要求，采用了第②种寻址技术实现短报文信息的发送和接收。

2.2 北斗信息发送策略

由于北斗通信资源有限，信息之间也有重要和不重要之分，采用传统顺序发送策略，易于实现，但由于没有优先级，北斗信息发送频度的限制可能导致重要的信息难以及时发出。

针对上述问题，本文采用了基于优先级的信息发送策略。在信息发送过程中，构建多个优先级的信息发送队列，信息在发送时，北斗终端优先发送高优先级队列的信息，然后再发送低优先级队列的信息，如图3所示。

图3 优先级发送策略

2.3 短报文发送缓存技术

目前，短报文民用需求的迫切性与北斗通信资源的有限性存在着矛盾，为了确保通信的可靠性，在多个智能手机连接时，短报文发送需要采用发送缓存技术。

缓存技术是为了协调吞吐速度相差很大的设备/软件之间数据传送而采用的技术，根据硬件资源大小、连接终端数量的限制、发送策略的影响，发送缓存设计有环形缓存队列和多优先级缓存队列2种。

其中，环形缓存队列，兼顾了硬件资源和智能手机连接数限制；多优先级缓存队列满足了信息优先级发送策略，但由于环形缓存队列存在不重要的信息覆盖重要信息的可能性，因此多优先级缓存队列是最好的选择。

3 WiFi应用技术实现

3.1 系统结构

整个系统分为2个部分：一是北斗终端中的软件，主要负责WiFi热点、智能手机唯一标识和数据收发的管理；二是智能手机中的软件，主要负责连接管理、数据收发与解析以及北斗信息识别，系统结构图如图4所示。

图4 系统结构

3.2 系统界面

系统共有3个主界面：

① 短报文收发界面，主要负责短报文解析、唯一标识比对与报文显示；

② 当前北斗终端位置信息，主要负责展示当前位置以及友邻位置；

③ 北斗设备状态信息界面，主要负责展示北斗终端及时信息与基本配置，如图5所示。

图5 系统界面

4 实验

采用2台不同品牌的智能手机，并标注1号和2号，在开启北斗终端WiFi热点的情况下，2台智能手机同时连接到该热点，并分别与北斗终端进行普通通信和隐私通信。通过对比2台智能手机接收短报文情况来验证自动路由寻址技术的可靠性；通过1号和2号智能手机连续进行多次普通通信和紧急通信，根据短报文接收情况来验证北斗信息发送策略与短报文发送缓存技术的合理性。

4.1 普通通信与隐私通信

在进行普通通信时，使用1号智能手机，在新建或回复短报文时使用自发自收并选择普通发送；在进行隐私通信时，使用1号智能手机，在新建或回复短报文时使用自发自收并选择隐私发送。

结果发现，在1号智能手机发送普通短报文后，1号和2号智能手机同时收到了回复的短报文信息；而在1号智能手机发送隐私短报文后，只有1号智能手机收到了回复的短报文信息。由此验证了在WiFi多点接入的情况下，通过通播和目的标识实现了通信的可靠性。

4.2 普通通信与紧急通信

使用1号和2号智能手机，在新建或回复短报文时多次重复使用自发自收并随机选择普通发送和紧急发送。

结果发现，无论1号还是2号智能手机，在完成多次随机发送后，都是首先收到紧急短报文信息，然后才收到普通短报文信息，并且所有通信申请均按通信频度依次收到。由此验证了在WiFi多点接入的情况下，采用多优先级队列结合短报文缓存技术的合理性。

5 结束语

针对当前卫星通信资源与民用短报文需求之间的矛盾，综合分析了WiFi热点技术特点，提出了开发基于WiFi多点接入的北斗安卓应用来共享北斗信道资源的方法。依托北斗多模一体机项目对北斗多模一体机进行原型设计并展开测试验证，测试结果表明，利用WiFi多点接入技术，与传统利用蓝牙接入技术相比，实现了多个智能手机同时连接北斗终端，并且每个智能手机之间相互独立，同时增大了智能手机与北斗终端的有效连接距离。本文的研究成果提高了北斗通信信道的使用效率，降低了北斗终端消费者的使用成本，加快了我国北斗民品应用进程。