基于Ad-hoc的Android手機多媒體通信開發與實現

朱麗平，鄧慧茹，焦雄偉，趙小兵

(中央民族大學 信息工程學院，北京 100081)

基于Ad-hoc的Android手機多媒體通信開發與實現

朱麗平，鄧慧茹，焦雄偉，趙小兵

(中央民族大學 信息工程學院，北京 100081)

為了評估基于Android手機的Ad-hoc多媒體通信在實際應用中的效果，基于Android OS 2.3.6開發了一套Ad-hoc自組織網絡通信軟件，能夠實現無基站環境下手機之間通過多跳傳輸文本、圖片以及語音數據。給出了軟件整體功能用例圖和關鍵通信模塊的類圖和流程圖，對單跳和多跳傳輸時消息的正確接收率和耗電量進行了測試。結果表明，等數據量的不同類型消息在同等距離內的正確接收率差別不明顯，文字的正確接收率最穩定，數據量較小時消息的多跳傳輸正確接收率比數據量大時高。發送端和接收端工作2小時11分耗電量分別占電池總電量的29%和24%。關鍵詞: Ad-hoc網絡；Android手機；多媒體通信

近年來，由于移動終端的實時便捷以及移動通信網絡的覆蓋，人們在生活中可以隨時隨地通信、上網。但是移動通信網絡是有中心的，必須具備一定的網絡環境如基站的支持才能實施。當處于邊遠山區、原始森林或者地下作業等情況下，沒有移動通信網絡基礎設施，需要構建自組織的無線通信網絡——Ad-hoc網絡。Ad-hoc網絡[1]又稱為多跳網、無基礎設施網或自組織網。這種網絡不需要固定的網絡基礎設施，每個節點都是可移動的，動態地與其他節點保持聯系，每個節點既是終端，也可以作為路由器轉發報文。

Ad-hoc網絡作為時下無線通信網絡的熱點，國內外學者對其體系結構、路由協議、安全性以及MAC協議等做了分析研究，并根據其特點將其與實際結合應用到生產生活領域中，例如醫療救護[2]、工業生產[3]、智能家居[4]、車載游戲[5]以及移動教育[6]等。文獻[7]中提出了利用Ad-hoc網絡實現智能手機間語音通信的設計思想，但是沒有將思想付諸于實踐。文獻[8]中闡述了Ad-hoc網絡在Android系統上的應用及文字通信功能的實現，消息的表現形式單一。在基于Android的Ad-hoc通信軟件開發方面，將Android設備的WiFi模塊配置為Ad-hoc模式可以實現基于WiFi的無中心點對點通信。文獻[9]介紹了不同Android版本開啟Ad-hoc功能的方法，在Ad-hoc無線網絡IP地址設置方面采用了IPv6技術。眾多研究實現了基于WiFi技術的Android設備Ad-hoc點對點通信[10-11]。文獻[12]將Ad-hoc點對點無線通信網絡與基于Internet的社會網絡相結合，可以實現Internet用戶與Ad-hoc用戶之間的資源共享。文獻[13]以Android模擬器為實現平臺，采用了AODV路由協議，但其java源碼非標準化。文獻[12]按照RFC 3561國際標準規范對AODV的java源碼進行了標準化，并將其移植到Android手機中實現了多跳文本通信。文獻[14]介紹了基于WiFi Direct技術的Android手機Ad-hoc通信系統的實現，從論文中未能看出該系統在多跳路由建立與組網的驗證和測試結果。本文在文獻[14]研究工作的基礎上進一步在Android手機上實現了集多民族語言文字、圖片以及即時語音一體的多媒體通信，并在不同環境下對Ad-hoc多媒體通信的單跳和多跳性能進行了測試。

1 軟件設計

1.1 總體結構設計

軟件采用自底向上的分層結構設計，其總體框架如圖1所示，共分為3層，底層為Ad-hoc庫層，中間層為數據傳輸層，最上層為表示層。

圖1 軟件總體框架圖

1)Ad-hoc庫層

本文的工作重心為IPTV網絡測試儀中以太網控制器的設計與實現，具體包含：MII/GMII接口時序仿真；10/100/1 000 Mbit/s以太網控制器算法設計與實現。Ad-hoc庫層處于軟件的最底層，該層分為Ad-hoc路由協議和數據傳輸協議兩部分。其中路由協議負責建立Ad-hoc網絡，數據傳輸協議的功能是為上層傳送數據提供接口。

2)數據傳輸層

數據傳輸層介于Ad-hoc功能底層和應用層之間，向下調用Ad-hoc功能庫的方法，向上通知表示層更新圖形界面。具體而言，就是通過路由協議向已連接的目標節點發送數據，監聽是否有消息到達，并根據接收消息的類型決定是否通知表示層更新界面。

3)表示層

表示層即軟件的圖形界面，包括聊天會話界面和聯系人界面，會話界面顯示發送和接收到的消息內容，聯系人界面顯示當前設備可達設備的IP。

1.2 軟件功能設計

軟件主要具備聯系人功能和聊天功能。軟件整體功能用例圖如圖2所示。

1)聯系人功能

用戶通過自動查找周圍可連接設備，獲得其IP，然后將這些IP加入到路由表中作為聯系人。當原來可以連接的設備不可達時，刪除該臺設備，并更新路由表。

2)聊天功能

用戶可以向聯系人發送消息，也可以接收來自聯系人的消息進行聊天。消息類型包括文本、圖片和語音。文本可以是英、漢、藏、維、朝等多種民族語言文字、數字和字符，發送不同語言文字需要先嵌入相應的輸入法。圖片來自于本機拍攝和保存的圖像，用戶選擇本機中已經存在的圖片發送給聯系人。發送語音消息時，需要先錄制聲音片段，然后將錄制好的聲音處理后發送，另一端接收到語音消息時，要先將數據解包處理后播放。語音消息聊天框圖如圖3所示。

圖2 軟件整體功能用例圖

圖3 語音消息聊天框圖

2 多媒體通信功能的開發與實現

為了便于操作，設備IP地址前3位固定為：192.168.88，最后1位作為用戶標識符。

Ad-hoc多媒體通信軟件主要功能為聊天，分為發送和接收兩部分。用戶輸入目標設備編號，該編號自動添加為IP地址的最后一位，組成完整的目的IP地址。啟動連接按鈕，設備連接成功，可以在路由表中查看可連接的IP地址。

2.1 Ad-hoc庫

手機處于Ad-hoc模式中，非WiFi正常模式，會使電池消耗的很快，考慮到這一因素，本軟件采用Ad-hoc的AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV)路由協議，快速準確地獲取到達目標節點的路由。AODV路由協議是一種按需距離矢量路由協議[15-16]。節點向其他節點發送數據包，如果沒有到達目的節點的路由，則該節點需以多播的形式發出PPEQ(路由請求)。鄰居節點接收到RREQ，判斷目的節點是否是自身，如果是則向源節點發送RREP(路由應答)；如果不是，則查找是否有到達目的節點的路由，如果有則向源節點發送RREP，否則向其他節點轉發RREQ。AODV路由協議通過定期廣播hello報文維護路由，如果發現一條連接斷開，導致出現不可達節點，則節點發送RERR(路由錯誤)通知這些不可達節點更新路由。AODV路由協議實現分為4部分，其類圖如圖4所示。其中Node類表示網絡中節點，Sender類發送消息，Receiver類接收消息，RouteTableManager管理路由表。

由于本文中數據類型是文字、語音、圖片這些普通類型的數據，即使丟失一兩個數據包，也不會對接收結果產生太大影響，所以傳輸協議使用UDP協議。UDP是ISO參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向操作的簡單非可靠信息傳送服務[17]，資源消耗小，傳輸速度快。

圖4 AODV路由協議實現類圖(截圖)

2.2 發送

消息內容以字節數組方式存儲，與Ad-hoc數據類型、消息發送的序列號以及消息類型組成字節數組。Ad-hoc功能庫定義了7種數據類型，分別是路由創建失敗(ROUTE_ESTABLISHMENT_FAILURE)、數據接收(DATA_RECEIVED)、數據發送成功(DATA_SENT_SUCCESS)、無效路由(ROUTE_INVALID)、路由創建(ROUTE_CREATED)、無效目的地址(INVALID_DESTINATION_ADDRESS)和數據大小超過最大(DATA_SIZE_EXCEEDES_MAX)。消息內容分3種，分別是文字、圖片和語音。其中語音消息需要發送前創建MediaRecorder對象設置聲音來源、音頻文件格式以及音頻文件的保存位置錄制音頻文件，然后調用文件輸入流FileInputStream將錄制好的音頻文件讀入字節數組作為消息內容，圖片消息同語音消息一樣，調用文件輸入流將選擇發送的本地圖片讀入字節數組。

初始化Ad-hoc數據類型為ROUTE_CREATED，點擊發送按鈕調用Ad-hoc庫中Node類的sendData方法向目的節點發送消息。在Node類中實例化Sender，調用其queueUserMessageFromNode方法，將節點需要發送的消息加入到消息隊列UserMessageFromNod中，然后在Sender中創建UdpSender，使用UDP協議向目的IP傳送數據。數據傳輸流程圖如圖5所示。

圖5 數據傳輸流程圖

多次向同一目標節點發送消息時，為了使接收到的消息能夠按發送的順序排列，源節點需要為消息定義一個序列號，每次發送消息時都會為使用getNextSequenceNumber() 方法為下一條消息設置序列號。

2.3 接收

ReceiveMassage類實現Observer接口，負責監聽節點是否有消息到達，類圖如圖6所示。當接收到消息時，ReceiveMassage會實例化一個MessageToObserver對象，獲得其數據類型type并判斷，當接收到的數據類型是DATA_RECEIVED時，證明消息接收成功，然后ReceiveMassage類調用getContainedData方法獲得消息并處理，通知應用層更新聊天界面。

圖6 ReceiveMassage類圖

接收到的消息以字節數組形式存儲，判斷消息是文字、圖片或者語音中的哪一類。截取接收到的字節數組的前10個字節，用String類中的split方法截取數組的第3個元素，判斷其值，如果是“word”則在聊天界面上顯示文字；如果是“imag”，則將字節數組的第10位后面的字節重新寫入另外一個數組，然后使用文件輸出流FileOutputStream將新的數組寫入圖片文件中，并在界面中顯示該圖片；如果是“voice”，則將字節數組的第10位后面的字節重新寫入另外一個數組，然后將新的數組寫入后綴為.amr的音頻文件中，并在界面中顯示該語音信息調用MediaPlayer 對象的start()方法播放信息。消息接收流程圖如圖7所示。

圖7 消息接收流程圖

3 運行測試

WiFi(基于IEEE 802.11b標準的無線局域網)具有多個工作模式，通常情況使用的是AP模式，也就是作為WiFi熱點，其他用戶以無線的方式接入構建LAN或WAN。Ad-hoc模式是WiFi的一種工作模式，但是原生的Android系統并不支持該模式[12]，因此本文對Android系統中有關WiFi的文件進行了修改。首先確保手機獲得root權限，然后在關閉WiFi的情況下修改/system/etc/wifi/tiwlan.ini文件，打開WiFiAdhoc，在/system/etc/wifi/wpa_supplicant.conf文件中新增一個Ad-hoc節點，最后刪除/data/misc/wifi/wap_supplicant.conf文件。

本文使用Android 2.3.6版本MOTOROLA defy(ME526)手機分別測試了在不同距離、不同環境、不同類型消息的傳輸效率，用消息正確接收率表示傳輸效率。距離測試采用Leica DISTO D3a測距儀。

3.1 單跳測試

取2部上述手機，在圖8a所示樓內由一部手機向另一部手機發送1 000條消息，測試消息的正確接收率。發送的消息包括文本、聲音和圖片。圖8b給出了3種消息的數據量大小相同情況下(均為10 kbyte)，兩部手機分別相距10 m、20 m、30 m、40 m和50 m時的單跳測試結果。圖8c給出了同一距離(40 m)情況下，數據量大小分別為5 kbyte、10 kbyte和20 kbyte時的單跳測試結果。

圖8 樓內單跳測試結果

圖8b表明，等數據量的不同類型消息在同等距離內的正確接收率差別不明顯，文字的接收率相對于其他兩種消息類型更加穩定。圖8c顯示當消息攜帶的數據量增大時消息的正確接收率會呈現下降趨勢。通常情況下，按數據量從小到大對消息類型排序依次是文字<語音<圖片，所以消息的正確接收率也會根據消息類型變化。在林蔭道以及操場進行同樣的測試也可得出類似的結論。

3.2 多跳測試

取5部手機IP分別設置為192.168.88.1、192.168.88.2、192.168.883、192.168.88.4、192.168.88.5依次命名為A、B、C、D、E。在室內使用A手機向其他4部手機分別發送1 000次消息，其中C、D、E手機通過多跳接收到消息，消息傳輸路徑如圖9所示。為了測試接收到的消息是經過多跳傳輸的，在實驗中A手機需要屏蔽掉C、D、E手機；B手機屏蔽掉D、E手機；C手機屏蔽掉A、E手機，以確保其接收到的消息是通過B手轉發，而非A手機直接發送；D手機屏蔽掉A、B手機；E手機屏蔽掉A、B、C手機。測試所用的文本、聲音和圖片數據量大小分別為12 kbyte，2.8 kbyte和29 kbyte。

圖9 多跳消息傳輸路徑

雖然由于無線信道的時變性，使得每次測試結果都不完全相同。但多次測試結果都表明，當A手機不能直接向C、D、E手機發送數據時，可以通過中間手機多跳轉發。圖10顯示的是某一次的測試結果。顯然，數據量較小時消息的多跳傳輸正確接收率比數據量大時高。與現有的基于中心控制的廣域4G移動網絡相比，Ad-hoc網絡采用了完全不同的通信模式，移動終端之間通過自組織形成局域網，無需控制中心，通過終端之間的協同實現多跳傳輸。在發生自然災害基礎設施毀壞時，如果能夠將手機切換為Ad-hoc多跳工作模式，則可以方便在人們之間廣播救助信息，與業余無線電通信設備的使用相結合，還可以實現與外界的信息交流。

圖10 多跳測試結果

3.3 手機耗電量測試

手機電池容量為1 650 mAh，實驗開始2小時11分后，發送端手機運行該軟件耗電量為478.5 mAh，耗電量占電池容量的29%，接收端手機在該軟件上的耗電量為396 mAh，占電池容量的24%。從測試結果來看，盡管在功率受限情況下，Ad-hoc多跳通信模式在小數據量或文本傳輸方面仍具有較高的準確性，可用于群組成員之間環境感知信息如位置信息、各種手機傳感器信息等的傳遞，也可以作為自然災害發生時傳遞呼救信息的一種應急通信方式。國內外眾多5G研究者都將Ad-hoc模式列為未來網絡的需求之一，中國IMT-2020網絡工作組提出了低功耗大連接場景的需求[18]，這是傳統4G移動網絡難以企及，而Ad-hoc網絡可望大有作為的應用領域。

4 結束語

Ad-hoc多媒體通信軟件克服了傳統移動通信網絡需要一定網絡基礎設施的弊端，使用該軟件可以在沒有移動通信網絡信號或者信號被屏蔽的地方實現文字、圖片以及語音通信，有較高的實用性。目前軟件還有很多地方需要改進和提高，比如可以增加視頻功能、定位功能等，成為一個比較全面的通信工具軟件，另外，修改了手機配置文件后的Ad-hoc網絡并不穩定。同時軟件在安全性上也有一些缺陷，Ad-hoc網絡采用的是開放的無線信道，容易被竊聽和攔截，今后需要繼續研究Ad-hoc網絡的加密和解密算法。

[1] BORGONOVO F， CAPONE A， CESANA M， et al. ADHOC： a new， flexible and reliable MAC architecture for ad-hoc networks[C]Proc. //2003 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. New Orleans， Louisiana， USA：IEEE， 2003：965-970.

[2] 康樂，江國泰，王新紅.Adhoc網絡及其在醫療救護領域的應用[C]// 2005年上海市生物醫學工程學會學術年會論文集.上海：中國學術期刊(光盤版)電子雜志社有限公司，2005.

[3] 戴琦琦.AdHoc網絡在工業環境中的應用研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[4] 周亦敏，朱李輝.Ad hoc網絡在智能家居中的應用研究[J].通信技術，2008，41(12)：271-273.

[5] TONGUZ O K， BOBAN M. Multiplayer games over vehicular ad hoc networks： a new application[J]. Ad Hoc networks，2010，8(5)：531-543.

[6] MOHAMMED A，TANWEER A.Design an M-learning framework for smart learning in Ad Hoc network of Android devices [C]//2015 International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing (IIH-MSP). Adelaide， Australia： IEEE，2015：1-5.

[7] 林秋鵬.基于Ad Hoc網絡的智能手機語音通信系統設計[J].電腦知識與技術，2012，8(1)：81-83.

[8] JRADI R K， REEDTZ L S. Ad-hoc network on Android[J]. Technical university of Denmark Kgs Lyngby， 2010(1)：245.

[9] LIN W Y， HSUEH K-P， PA P-S. The development of emergency communication APP using ad hoc network with IPv6[C]//The Eleventh International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing. Adelaide， Australia：IEEE，2015：41-44.

[10] 孟祥龍，劉敬浩.一種基于Android 平臺的Ad hoc通信系統的實現[J].信息技術，2015(9)：95-97.

[11] ALAM T， ALJOHANI M. Design and implementation of an ad hoc network among android smart devices[C]//2015 International Conference on Green Computing and Internet of Things (ICGCIoT). Greater Noida， India：IEEE，2015：1322-1327.

[12] ZHANG D Q， XIONG H Y， VASILAKOS A V. BASA： building mobile ad-hoc social networks on top of android[J]. IEEE network， 2014，28(1)： 4-9.

[13] 李芳.基于Android 的多跳無線網絡通信軟件的設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2010.

[14] 陳明.基于Android的Ad-hoc網絡多跳通信的研究與實現[D]. 北京：中央民族大學，2015.

[15] 王丹.Ad hoc網絡移動模型研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[16] 劉元安，唐碧華，胡月梅.Ad hoc網絡中的路由算法[J]. 北京郵電大學學報，2004，27(2)：1-7.

[17] 趙飛，葉震.UDP協議與TCP協議的對比分析與可靠性改進[J].計算機技術與發展，2006， 16(9)：219-221.

[18] 王胡成，徐暉，程志密，等.5G 網絡技術研究現狀和發展趨勢[J].電信科學，2015(9)：1-7.

朱麗平(1970— )，女，碩士生導師，主要研究方向為移動互聯網應用；

鄧慧茹(1994— )，女，碩士生，主研Android軟件開發與應用；

焦雄偉(1994— )，本科生，主研通信網測試；

趙小兵(1967— )，女，博士生導師，主要研究方向為自然語言處理及網絡應用。

責任編輯：閆雯雯

Ad-hoc network-based multimedia communication development and implementation with Android smartphone

ZHU Li ping， DENG Huiru， JIAO Xiongwei， ZHAO Xiaobing

(InformationEngineeringCollege，MinzuUniversityofChina，Beijing100081，China)

To evaluate the effect of the Ad-hoc multimedia communication with Android smartphone in practical applications， a set of communication software with Ad-hoc self-organized network is developed using Android OS 2.3.6. It is capable of transferring text， image and speech data via multi-hop between smartphones without the base station. The use case diagram of the system function and the class diagram and the flow diagram of the key communication modules are given. Tests are conducted on correct reception rate of messages on single-hop and multi-hop conditions and the power consumption of the software. It is found that correct reception rate for different messages within the same range and with equal data size shows little difference. The correct reception rate for text is the most stable among the three， and the correct reception rate for messages with small data size is higher than that with large data size. The power consumption of the software in the sending phone and the receiving phone is 29% and 24% of the total battery power， respectively.

Ad-hoc network； Android smart phone； multimedia communication

朱麗平，鄧慧茹，焦雄偉，等. 基于Ad-hoc的Android手機多媒體通信開發與實現[J].電視技術，2017，41(2)：28-34. ZHU L P， DENG H R， JIAO X W， et al. Ad-hoc network-based multimedia communication development and implementation with Android smartphone[J]. Video engineering，2017，41(2)：28-34.

TP393.1

A

10.16280/j.videoe.2017.02.007

國家自然科學基金項目(61331013)；中央民族大學“一流大學一流學科”軟件工程學科建設項目

2016-06-02