基于Wi—Fi網絡的無線顯示技術的設計與實現

胡秋偉

摘 要

本文介紹了基于Wi-Fi網絡的無線顯示技術Miracast的基礎技術，及其在機頂盒平臺上的軟件設計，經過代碼實現、調試和優化，得到符合技術標準的測試結果。

【關鍵詞】Wi-Fi Display Wi-Fi Direct 流媒體協議

1 引言

在用戶體驗的話題日益趨于熱門的情況下，大部分個人都擁有多個手機或平板電腦等移動設備，當有分享手機或平板電腦的屏幕給大家的需求時，如演示投影講稿，共同觀看影片，就需要一種快速、無縫切換手機或平板電腦小屏幕到電視或投影儀大屏幕的方法，替代傳統有線連接的無線顯示技術將有廣闊的市場前景。

Wi-Fi聯盟于2012年9月所發布了Wi-Fi Display技術標準，其商用名為Miracast。這項技術能夠利用現有的Wi-Fi無線網絡實現將源端設備的小屏幕投射至機頂盒/電視機的大屏幕。本文主要介紹了基于Wi-Fi Display技術標準在機頂盒硬件平臺上無線顯示功能的設計與實現。

2 技術對比

目前已經形成標準的主流無線顯示技術有：WHDI（Wireless Home Digital Interface，無線家庭數字接口），WiGig（Wireless Gigabit，無線千兆比特），WirelessHD以及Miracast。

其中，WHDI技術無法兼容現有Wi-Fi網絡，且其由AMIMON公司所獨占；WiGig技術盡管能較好兼容現有Wi-Fi網絡，但其由Silicon Image公司所獨占，其他廠家要開發基于這項技術的產品必須付出較多的花費來獲得專利授權或是芯片；WirelessHD技術則不兼容現有Wi-Fi網絡，且其對無線帶寬的開銷相當大；上述三項技術都有各自的原因導致市場化并不很理想。

由Wi-Fi聯盟推出的Miracast技術不僅能兼容Wi-Fi網絡，其對無線帶寬的需求也不高，因此市場化比較容易。尤其是在英特爾宣布其一直開發維護的WiDi（Intel Wireless Display）技術將從3.5版本開始與Miracast兼容，這無疑給Miracast技術的市場化再次推波助瀾。由此可見，Miracast是當下最被看好的一項無線顯示技術，自從開放認證后，通過了技術認證的產品遍地開花，越來越多的廠商都在基于這項技術開發新產品。

3 基礎技術介紹

Miracast主要使用了Wi-Fi Direct技術、流媒體協議簇、可選的用于保護音視頻串流的HDCP技術以及核心的Wi-Fi Display技術。

Wi-Fi Direct技術是由Wi-Fi聯盟于2010年10月發布的一項用于Wi-Fi設備直接連接而無需傳統的無線路由器或無線接入點的支持。這項技術與藍牙類似，允許無線設備以點對點方式互連，相較藍牙在傳輸速度和距離方面則有大幅提升。Wi-Fi Direct技術通過提供設備發現、服務發現、創建群組以及電源管理等關鍵的功能和服務來實現Wi-Fi設備的直接連接。

流媒體協議簇主要由RTSP、SDP及RTP協議組成，它們在Miracast技術中發揮的作用分別是，RTSP協議建立和管理Miracast通信會話，SDP協議描述會話格式信息，RTP協議則實現對源端音視頻數據的網絡承載。

HDCP技術是由DCP LLC推出的對視頻內容進行保護的一項技術。通過這項技術，高清晰的視頻畫面將無法呈現于未能通過HDCP系統認證的顯示設備上。

Wi-Fi Display技術是Miracast的核心技術。源端和顯示端設備參考模型如圖1所示，其中，Wi-Fi Direct在圖示的Wi-Fi MAC（Direct Link）以及LLC層實現，流媒體協議簇在網絡傳輸層實現，AV Mux/Demux及其上層模塊則一般在應用層實現。

4 設計與實現

Miracast顯示端軟件主要包括：

（1）Wi-Fi Driver：經過移植支持Wi-Fi Direct的無線網卡驅動程序；

（2）RTSP：為Wi-Fi Display實現的一個最基本的RTSP函數庫；

（3）HDCP：提供內容保護；

（4）wpa_supplicant：創建和管理Wi-Fi Direct的p2p0網絡設備的實用工具；

（5）Miracast Daemon：Miracast后臺服務程序，Wi-Fi Display的核心代碼，包含對wpa_supplicant的操作，還有對RTSP會話的建立和管理和DHCP服務分配IP地址，以及可選的HDCP保護系統的認證交互；

（6）Miracast Player：實現收取數據并解復用解碼后顯示。

Miracast軟件設計模塊框圖如圖2所示，完整操作過程如下：

（1）源端設備開啟Wi-Fi Direct模式，并發起連接請求；

（2）顯示端設備也開啟Wi-Fi Direct模式，監聽并接受源端設備請求后組建群組并建立LLC鏈路；

（3）顯示端設備通過wpa_supplicant配置Wi-Fi網絡，成功后使用DHCP分配IP地址，使得源端和顯示端設備處于同一網段的WLAN；

（4）開始進行RTSP握手并建立Wi-Fi Display會話，如果需要對傳送畫面進行保護，則要額外進行HDCP系統認證授權；

（5）此時顯示端設備的RTP端口上將出現可用的RTP報文，Player獲取RTP報文去除頭部后獲得TS流，再將TS流解復用后送至音視頻解碼器，便可恢復與源端投射內容一致的圖像和聲音。

5 結束語

本文介紹了Miracast無線顯示的基礎技術，還對具體的軟件設計進行了流程圖的設計和詳細流程的說明。經過在機頂盒平臺上代碼實現，并使用Google Nexus 4手機進行連接測試后，測試結果發現連接速度較快，音畫質量較優秀，小屏到大屏的畫面延小于200毫秒，符合Wi-Fi Display技術標準。

Google公司智能手機操作系統Android從4.2版本開始內置Miracast功能，微軟公司于2013年發布的Windows 8.1也已原生支持Miracast功能。隨著科技行業頗具影響力的公司的努力，Miracast技術將得到不斷的完善和發展，未來Miracast設備的配對和使用將如同藍牙或NFC一樣簡單便捷，將成為一種流行的多屏互動關鍵技術。

參考文獻

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[5]IETF，RFC 3550，RTP：A Transport Protocol for Real-Time Applications，2003.

[6]Wi-Fi Alliance，Wi-Fi Display Technical Specification v1.0.0，2012.

作者單位

上海交通大學電子與通信工程專業Z1203422班 上海市 200030