CN104394515B - 基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法 - Google Patents

基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Android WI‑FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，设置一个广播门限值T，当结点电量P<T时，系统只加入广播树，不参选广播树转发结点；当P>=T时，结点尝试与它的邻居建立Wi‑Fi Direct连接；双方交互的Go intent值为剩余电量值P，剩余电量值高者成为GO，而另一方则成为GC；GO记录自己负责的结点号，构建以自己为根，其他GC为叶的树；GO继续尝试与其他不在树上的邻居结点建立新的Wi‑Fi Direct；最后，根结点向所有中间结点和叶子广播一条消息，消息指明该根结点是广播树的根，所有广播信息可以交给根结点转发，以后，全网的广播消息可以先发给根结点，再由根结点根据广播树逐跳转发，直到到达所有结点。本发明确保了所构建的广播树具有尽可能长的生命周期。

Description

基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立 方法
技术领域
本发明涉及一种基于Andriod操作系统的Wi-Fi Direct模式，适用于运行Andriod4.0以上操作系统手机的长生命周期广播树建立方法；所谓生命周期是指广播树建立后，到这棵树上的任一个结点因电量耗尽导致广播树断开的时间。
背景技术
近年来，智能手机已经得到了广泛普及。智能手机上的主流操作系统主要有两个：Android操作系统和IOS操作系统。其中，IOS操作系统由苹果公司开发，主要用于Iphone系列手机，而Android操作系统则由Google公司开发，运行的操作系统涵盖三星及绝大部分国产手机如华为、中兴，以及大量智能家居系统如电视等。这些手机上大多集成有Wi-Fi芯片组，可以实现无线数据传输，各种无线网络应用如微信已经广泛使用。但是，目前的绝大多数无线应用都要依赖基础设施，即2G/3G/4G的移动基站或者是Wi-Fi热点，有些移动用户相互之间的信息交互也要经过基站或者热点转发，因而在基站和热点缺乏(如偏远景区、边远地区等)以及特殊环境如海上、自然灾害时，手机的无线数据传输功能则完全不可使用。严重影响了用户体验。
随着微信等交互工具越来越普及，近年来不依赖基站或基础设施，手机之间直接进行数据交互的需求越来越多，越来越迫切。为了满足这一需求，Wi-Fi标准工作组在制定IEEE 802.11标准的基础上，增加了ad hoc模式和Wi-Fi Direct模式，并且制订了WI-FIP2P技术规范。Ad hoc模式可以支持多个Wi-Fi设备之间自组网，但是迄今为止，ad hoc模式没有得到广泛响应，大部分手机的Wi-Fi芯片组不支持ad hoc模式。同时，即便是手机Wi-Fi芯片组支持ad hoc模式，从Wi-Fi的常规模式切换到ad hoc模式也需要应用具有root权限。这个权限只有少量智能机预装软件才具备。一般手机很难获得这一权限，从而导致了adhoc模式并不实用。另一方面，Wi-Fi Direct模式近年来得到了很多手机生产厂家和操作系统的支持，Google公司在Android 4.0后支持Wi-Fi Direct模式，且从常规模式切换到Wi-Fi Direct模式不需要root权限。
正是Wi-Fi Direct模式与常规模式的兼容性和无需root的便利特点，推动了 Wi-Fi Direct的迅速普及，国际研究机构ABI Research估计，截至现在，已经交付的Wi-FiDirect设备有20亿，到2018年，预计所有Wi-Fi设备中将有81％均支持Wi-Fi Direct连接。一些手机软件如快牙等都支持Wi-Fi Direct。
但是到目前为止，Wi-Fi Direct的主要应用模式是用于点到点文件直传，无法实现广播，即在同一地域的一个人同时把消息传递给所有人。这就限制了Wi-FiDirect的应用。本发明就是利用Wi-Fi Direct的实现便利和普及性，通过利用Wi-FiDirect机制，在一个局部区域里参与通信的多个手机之间，建立起一个能持续工作较长时间的广播树(支持多跳)，这些手机需要发给其他人的广播信息，均通过广播树转发，实现了全网信息共享功能。扩展了Wi-Fi Direct的应用领域。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，利用Wi-Fi Direct无需root可以直接在无基站、无Wi-Fi热点条件下互相通信的功能，借助标准Wi-Fi Direct交互机制，本发明提供一种基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，在参与通信的安卓智能机多个用户之间建立一个支持多跳的，以最高剩余电量的智能手机(以下称为结点)为核心转发结点的广播树，从而在无需基站，无需操作系统root权限的条件下，实现多个结点之间的广播问题，同时尽可能地延长所建立的广播树的持续工作时间。
技术方案：在Wi-Fi Direct通信协议设计中，通信双方地位并不相等。其中一个被称为Group Owner(GO)，另一个被称为Group Client(GC)。GO和GC的选择由双方建链时交互的GO intent值确定。GO intent值高者成为GO。规范里对用什么值作为GO intent没有明确规定。对于其他新加入结点来说，GO承担类似Wi-Fi热点的功能，可以支持无Wi-Fi Direct功能的结点接入。同时GO还可以与其他结点进一步协商，成为其他结点的GC或者GO。通过这种方式，Wi-FiDirect可以实现多跳转发。一种基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，就是充分利用了这一功能来建立广播树。把参与结点的剩余电量作为GO Intent值。
当一个区域里两个或多个结点需要不借助基站以广播的方式交互信息，且每个结点跟邻居的一个或多个结点处于Wi-Fi信号的通信范围内时，开始尝试建立广播树。系统设置一个广播门限值T，当结点电量P<T时(P,T的取值均在0-100 之间。电量全满为100。电量90％为90。依次类推。T是个系统设置参数，T值过大建立广播树可能会失败，T值过小广播树可能持续时间过短，一般情况可以设置为0.3)，系统只加入广播树，不参选广播树转发结点。当P>＝T时，结点(设为A)周期性地发送probe request消息，携带自己的剩余电量信息，同时也侦听并记录其邻居的剩余电量值，并在经过一段时间侦听后(标准500ms)，发现其剩余电量不小于其所有邻居的剩余电量值时，尝试与它的剩余电量次大的邻居建立Wi-FiDirect连接。建立方式遵循Wi-Fi Direct规范。双方交互的Go intent值为剩余电量值P。剩余电量值高者成为GO，而另一方则成为GC。双方交互的Go intent值还可以是剩余电量值P与其他参数如结点号的函数，例如电量值P*n/N(n设为结点号，N为结点总数)。这样的函数可以确保结点号大的结点更倾向于成为GO。GO记录自己负责的结点号，构建以自己为根，其他GC为叶的树。如图2所示。随后，GO继续尝试与其他不在树上的邻居结点建立新的Wi-FiDirect。如果它在侦听信道上听到有其他GO发的beacon消息或者DHCP offer消息时，它将首先尝试跟这些GO建立新的Wi-Fi Direct。建立新的Wi-Fi Direct时的判决依据仍然是结点剩余电量。这样它有可能维持为GO，或者成为另一个GO的GC。成为GC的一方GO，将把以自己为根的广播树上报给自己的新GO，如图3所示。新GO将把成为自己的GC的那个GO，列为以自己为根的树的下一跳结点。这样两个广播树合并成一个。新GO将继续尝试与不在广播树里的结点建立Wi-Fi Direct连接，直到自己被别的广播树合并或自己成为所有邻居的根。
最后，根结点向所有中间结点和叶子广播一条消息，消息指明该根结点是广播树的根。所有广播信息可以交给根结点转发。以后，全网的广播消息可以先发给根结点，再由根结点根据广播树逐跳转发，直到到达所有结点。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，利用Wi-Fi Direct建立的广播树，可以不依赖2G/3G/4G基站，在邻近的手机之间共享、交互信息，使手机成为一种可以脱离基站的群组之间交流工具，由于采用的Wi-Fi Direct模式，所以采用此方法的应用程序不需要root权限，只要在运行andriod 4.0的手机上均可实现，并且建成的广播树，其核心组成员(Group owner)选择的是邻近手机中剩余电量最大者，从而确保了所构建的广播树具有尽可能长的生命周期。
附图说明
图1为WIFI direct建立多跳连接原理图；
图2为结点B被选举为GO，以自己为根建立广播树的原理图；
图3为B、C结点用Wi-Fi Direct连接，C被选举为GO，广播树合并的原理图；
图4为probe request里P2P IE的补充消息格式。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，具体包括如下步骤：
第一步：运行android操作系统的智能平台开机、初始化完成后，即在wifi信道发起探测请求(probe request)消息，同时也侦听其他结点的探测请求(proberequest)消息。记录发送探测请求(probe request)消息的剩余电量信息。每个结点i探测消息在option字段里，在P2P信息元素(Information Element，以下简称IE)里携带自己的电量信息。
第二步：一个想加入广播组的结点i首先按照WI-FI P2P技术规范，周期性地进入侦听(listen)和搜索(search)状态。在侦听状态，听其他结点的探测请求(probe request)消息，在搜索状态，在wifi信道发起探测请求(probe request)消息，其他结点会收到自己发送的探测请求消息。在结点i发送的探测请求消息里的P2P IE的vendor specificattribute(221)属性字段里，包含本结点的剩余电量Pi。消息格式参见图4。即属性字段为221，长度为2字节。再接下来的1个字节为消息类型。此处为1，代表是用户自定义的电量通告消息。再后面的1个字节为以百分比计的电量值，取整数0-100。经过侦听周期后(按照标准500ms)，如果存在组beacon消息的话，则加入该组。该组GO将该结点列为本组广播树的叶结点。跳转到第五步，如果不存在beacon消息，进入下一步。
第二步：根据收到的邻居结点j发送的probe request消息里的结点的剩余电量Pj，并对所有收到的Pj，以及自身的Pi排序，决定自己是否建链。设最大剩 余电量值为PMAX。如果Pi<PMAX，则经过一段时间后返回第一步，否则进入第三步；
第三步：采用Wi-Fi Direct的标准连接模式，尝试跟通告消息里剩余电量次优的某个邻居发送GO Negotiation request；建立连接时的组拥有者倾向(Group Ownerintent,GO intent)值取值为取值如下：
GO Intent高的结点成为GO。不失一般性，设结点为B，电量为PB。设结点B与结点A建链，PB>PA；所以B被选为GO，A被选为GC(Group Client)。B与A交互的Go intent值还可以是剩余电量值P与其他参数如结点号的函数，例如A的Go intent是PA*A/N,B的Go intent是PB*B/N，比较这两个函数值的大小。不失一般性，假设B的函数值均为较大者，因此被选举为GO。B建立一个广播树，根为B，叶结点为A；随后B在信道上发beacon消息，通告自己是本组GO；
第四步：其他结点听到GO在信道上的beacon消息，加入此组，GO将这些加入结点列为广播树的叶结点。图2中，结点D听到结点B的beacon消息，加入此组，构成如图2右侧所示广播树。
第五步：GO尝试与信道上其他发探寻(beacon)的GO建立Wi-Fi Direct连接。通告交互电量确定新的GO。图3中，结点B发消息与结点C建立Wi-Fi Direct连接。PB<PC，则结点C被选为新的GO，而B结点为新组的GC。
第六步：新选出的GC结点向新GO结点通告自己所建立的广播树信息，新GO结点将新GC结点作为子结点，把新GC结点的广播树嫁接入自己的原有广播树。如图3所示，B结点将自己的广播树信息通告给C。C将B建的广播树作为自己的子树，将B作为自己的子结点嫁接。这样形成的新的广播树如图3右下所示。C为根结点，B为中转结点，A,D,F均为叶结点。
第七步：新选出的GO结点检测信道上是否存在未加入广播树的结点。如果有，跳转到第五步，如果没有，GO结点向全网结点，通过建成的广播树发布广播消息，告知所有结点本结点是广播根结点。这样以后全网的广播消息可以交给根结点转发。在图3中，C向全网其他结点B,A,D,F通告自己是根结点。以后所有结点如果有广播消息，将首先逐跳传送给C，再由C通过广播树转发。

Claims (3)

1.一种基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，其特征在于，当一个区域里两个或多个结点需要不借助基站以广播的方式交互信息，且每个结点跟邻居的一个或多个结点处于Wi-Fi信号的通信范围内时，开始尝试建立广播树；具体包括如下步骤：
1)、需加入广播组的智能终端，以下称为结点，先发送Wi-Fi查询请求，里面携带本结点电量信息；
2)、结点剩余电量均不小于邻居剩余电量者尝试跟某个剩余电量次优的邻居建立连接；建立连接时的组拥有者倾向值为：
，
电量高的结点成为GO，电量低者成为GC；
3)、GO建立广播树，以自己为广播树根结点，其他GC为广播树的叶结点；
4)、GO尝试与信道上其他GO建立Wi-Fi Direct连接；通告交互电量，电量高者为新的GO，电量低者为新的GC；
5)、新选出的GC结点向新GO结点通告自己所建立的广播树信息，新GO结点将新GC结点作为子结点，把新GC结点的广播树嫁接入自己的广播树；形成以自己为根的新广播树；
长生命周期广播树建立完成后，根结点向所有中间结点和叶子广播一条消息，消息指明该根结点是广播树的根，所有广播信息可以交给根结点转发，以后，全网的广播消息可以先发给根结点，再由根结点根据广播树逐跳转发，直到到达所有结点；
一个想加入广播树的结点i首先利用Wi-Fi信道侦听自己身边有没有已经建立起来的Wi-Fi Direct组beacon消息，以及侦听其他邻居结点j发送的查询请求消息；记录每个邻居发送查询请求消息的电量Pj，如果没有已经建立起来的广播树，则根据电量建立广播树；经过侦听周期后，如果存在组beacon消息的话，则加入该组；该组GO将该结点列为本组广播树的叶结点。
2.如权利要求1所述的基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，其特征在于：需加入广播组的智能终端为运行Andriod4.0以上版本操作系统的智能终端，采用标准的Wi-Fi Direct规范定义的标准连接模式。
3.根据权利要求1所述的基于Android WI-FI DIRECT模式的长生命周期广播树建立方法，其特征在于：建立连接时的组拥有者倾向取值是终端当前剩余电量与结点编号的函数。
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