基于WiFi多點接入的北斗安卓應用開發

姬文軍，王 騰

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

北斗衛星導航系統是我國自主研發且具有通信能力的衛星導航系統，與GPS、GLALOS并稱為三大衛星導航定位系統[1]。與其他衛星導航定位系統不同的是，北斗衛星導航系統具有雙向短報文通信功能，可在移動通信網絡難以覆蓋的區域實現低成本衛星通信[2-3]。

北斗短報文通信功能的實現主要依托北斗終端以及相應軟件實現。隨著技術的發展，安卓系統、藍牙[4-5]和WiFi等技術都被應用在北斗終端里，這些新技術的引用使得智能手機可以通過相應的軟件實現與北斗終端的無線互聯，從而實現北斗短報文的收發。目前智能手機通過藍牙與北斗終端互聯進而實現短報文通信的模式已被廣泛應用。

藍牙互聯技術的點對點通信特性，導致智能手機通過藍牙與北斗終端同一時刻只能一對一連接，且有效通信距離小于10 m。這樣的特性使得基于藍牙連接的北斗短報文通信模式難以實現多智能手機與單北斗終端的同時連接，難以實現組隊戶外作業的通信距離要求，也不利于北斗短報文通信資源的共享。

基于上述原因，提出基于WiFi多點接入[6]技術，該技術具有以下優點：① 實現了多智能手機與單北斗終端的互聯互通，從而實現北斗通信資源的實時共享；② 具有有效連接距離遠的特點，野外可靠通信距離不小于30 m。由于該技術的特點，使得該技術更能適合組隊戶外作業應用場景，能更好地實現北斗短報文通信資源的共享。

1 研究現狀

1.1 短報文終端產品現狀

早期北斗終端多為分體設計，是將天線與主機分離，天線發送功率較大，收發成功率較高，比較典型的是北斗指揮機，但是由于其分體式體積大、對接口穩定性要求較高和不易便攜等特點，難以滿足民用北斗終端市場的便攜易用需求，因此單體式北斗終端得到發展和應用。單體式北斗終端將天線和主機融合在一起，雖然發射功率變小了，但避免了復雜走線的同時，體積大大縮小，更便于安裝、使用。隨著技術的發展，新一代的單體式終端已經具備了搭載Android智能操作系統，配備WiFi、藍牙等外圍設備[7-8]的能力，這使得北斗終端可以通過藍牙、WiFi等無線手段與智能手機互聯，實現更為便捷的短報文收發，提高了北斗終端的易用性。

1.2 短報文通信軟件發展現狀

目前各類基于北斗短報文通信技術的軟件有多種，大多數以行業解決方案為主，涉及應急通信、位置監控和數據傳輸等。包括漁船位置監控、海上應急救援、氣象監測和水利水文監測等，應用領域非常廣闊[9-10]。

相對于北斗終端的發展，短報文通信軟件最初無論是針對分體式北斗終端的上位機軟件還是針對單體式北斗終端的嵌入式軟件，操作繁瑣且只能一對一連接；直到Android等智能手機的興起，以及藍牙技術的成熟應用，嵌入式北斗通信軟件開始采用智能手機通過藍牙互聯的方式與北斗短報文終端進行連接，雖然藍牙互聯比有線方式方便許多，但智能手機和北斗終端同一時刻依然只能一對一連接[11]。

2 WiFi多點接入應用技術

基于WiFi多點接入應用技術是通過北斗終端作為WiFi熱點，智能手機通過該熱點與北斗終端關聯，實現信息北斗短報文信息的收發，包含了3類通信模式：① 普通通信，即北斗終端利用WiFi熱點實現信息的通播，短報文中不包含目的標識；② 隱私通信，短報文中含有智能手機的唯一標識，即智能手機通過WiFi連接北斗終端，能可靠地接收發送給自身的北斗短報文信息，而不會被其他智能手機讀??；③ 緊急通信，即發送優先級總是高于普通短報文，達到緊急通信的目的。為了順利實現這3類通信模式，涉及到自動路由尋址技術[12]、短報文發送緩存技術[13]和北斗信息發送策略3個關鍵技術[14]。

2.1 自動路由尋址技術

WiFi多點接入使得多個智能手機可以同時連接一臺北斗終端，在共享北斗通信資源的同時，保障通信的可靠性也就顯得尤為重要。通過自動路由尋址技術保證私密信息的發送方和接收方是同一個智能手機。

目前，存在2種自動路由尋址技術：

① 建立路由地址表，北斗終端通過查找路由地址表，可將信息精確地發送到指定的智能手機，實現信息的可靠發送，如圖1所示；

② 通過通播和目的標識的方法，自定義通信協議，北斗終端通播收到的信息，智能手機端解析收到的信息并與目的標識匹配，實現信息可靠發送，如圖2所示。

圖1 自動路由尋址技術

圖2 標識識別尋址技術

對于這2種尋址技術，第1種技術的優點是簡化了智能手機的信息解析流程，而缺點是北斗終端需要實時解析信息從而確定信息的接收方，增大了北斗終端的信息處理負擔，尤其在連接數量較多的情況下，同時也提高了北斗終端在整個信息處理流程中的耦合性；第②種技術的優點是北斗終端只作為信息轉發的實體，在整個信息處理流程中，透明度較高，易于維護，而缺點是每個智能手機都需要將收到的通播信息進行解析?；谙到y穩定、可擴展的要求，采用了第②種尋址技術實現短報文信息的發送和接收。

2.2 北斗信息發送策略

由于北斗通信資源有限，信息之間也有重要和不重要之分，采用傳統順序發送策略，易于實現，但由于沒有優先級，北斗信息發送頻度的限制可能導致重要的信息難以及時發出。

針對上述問題，本文采用了基于優先級的信息發送策略。在信息發送過程中，構建多個優先級的信息發送隊列，信息在發送時，北斗終端優先發送高優先級隊列的信息，然后再發送低優先級隊列的信息，如圖3所示。

圖3 優先級發送策略

2.3 短報文發送緩存技術

目前，短報文民用需求的迫切性與北斗通信資源的有限性存在著矛盾，為了確保通信的可靠性，在多個智能手機連接時，短報文發送需要采用發送緩存技術。

緩存技術是為了協調吞吐速度相差很大的設備/軟件之間數據傳送而采用的技術，根據硬件資源大小、連接終端數量的限制、發送策略的影響，發送緩存設計有環形緩存隊列和多優先級緩存隊列2種。

其中，環形緩存隊列，兼顧了硬件資源和智能手機連接數限制；多優先級緩存隊列滿足了信息優先級發送策略，但由于環形緩存隊列存在不重要的信息覆蓋重要信息的可能性，因此多優先級緩存隊列是最好的選擇。

3 WiFi應用技術實現

3.1 系統結構

整個系統分為2個部分：一是北斗終端中的軟件，主要負責WiFi熱點、智能手機唯一標識和數據收發的管理；二是智能手機中的軟件，主要負責連接管理、數據收發與解析以及北斗信息識別，系統結構圖如圖4所示。

圖4 系統結構

3.2 系統界面

系統共有3個主界面：

① 短報文收發界面，主要負責短報文解析、唯一標識比對與報文顯示；

② 當前北斗終端位置信息，主要負責展示當前位置以及友鄰位置；

③ 北斗設備狀態信息界面，主要負責展示北斗終端及時信息與基本配置，如圖5所示。

圖5 系統界面

4 實驗

采用2臺不同品牌的智能手機，并標注1號和2號，在開啟北斗終端WiFi熱點的情況下，2臺智能手機同時連接到該熱點，并分別與北斗終端進行普通通信和隱私通信。通過對比2臺智能手機接收短報文情況來驗證自動路由尋址技術的可靠性；通過1號和2號智能手機連續進行多次普通通信和緊急通信，根據短報文接收情況來驗證北斗信息發送策略與短報文發送緩存技術的合理性。

4.1 普通通信與隱私通信

在進行普通通信時，使用1號智能手機，在新建或回復短報文時使用自發自收并選擇普通發送；在進行隱私通信時，使用1號智能手機，在新建或回復短報文時使用自發自收并選擇隱私發送。

結果發現，在1號智能手機發送普通短報文后，1號和2號智能手機同時收到了回復的短報文信息；而在1號智能手機發送隱私短報文后，只有1號智能手機收到了回復的短報文信息。由此驗證了在WiFi多點接入的情況下，通過通播和目的標識實現了通信的可靠性。

4.2 普通通信與緊急通信

使用1號和2號智能手機，在新建或回復短報文時多次重復使用自發自收并隨機選擇普通發送和緊急發送。

結果發現，無論1號還是2號智能手機，在完成多次隨機發送后，都是首先收到緊急短報文信息，然后才收到普通短報文信息，并且所有通信申請均按通信頻度依次收到。由此驗證了在WiFi多點接入的情況下，采用多優先級隊列結合短報文緩存技術的合理性。

5 結束語

針對當前衛星通信資源與民用短報文需求之間的矛盾，綜合分析了WiFi熱點技術特點，提出了開發基于WiFi多點接入的北斗安卓應用來共享北斗信道資源的方法。依托北斗多模一體機項目對北斗多模一體機進行原型設計并展開測試驗證，測試結果表明，利用WiFi多點接入技術，與傳統利用藍牙接入技術相比，實現了多個智能手機同時連接北斗終端，并且每個智能手機之間相互獨立，同時增大了智能手機與北斗終端的有效連接距離。本文的研究成果提高了北斗通信信道的使用效率，降低了北斗終端消費者的使用成本，加快了我國北斗民品應用進程。