一種基于Android和JXTA協(xié)議模型的無線D2D通信技術(shù)

摘要：移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展使得頻譜資源日益緊缺。D2D通信是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信的新型技術(shù)。它能減少小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，還能支持新型的小范圍點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，是未來綠色通信發(fā)展的趨勢。針對這一新型的通信技術(shù)，提出了基于Android OS平臺，以JXTA協(xié)議為模型的無線D2D通信技術(shù)，使得移動終端之間能夠進(jìn)行通信與資源共享，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗驗證了其有效性。
關(guān)鍵詞：Android；D2D；JXTA；WiFi；P2P

0 引言
    隨著移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)和發(fā)展，帶來需求帶寬的迅速增大，但是由于移動通信系統(tǒng)頻譜資源非常有限，可分配的帶寬滿足不了實(shí)際的應(yīng)用需要，所以亟需研究更有效的帶寬分配和利用的技術(shù)。D2D(Device to Device)通信是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信的新型技術(shù)。它不依賴中心節(jié)點(diǎn)而是依靠網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自組織與對等協(xié)作的資源發(fā)現(xiàn)和共享，因此擁有自組織、可擴(kuò)展性、魯棒性、容錯性以及負(fù)載均衡等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上解決無線通信系統(tǒng)的頻譜資源匱乏的問題，同時它還能減少小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載、減少移動終端的電池功耗、增加比特率等，它是未來綠色通信發(fā)展的趨勢。
    針對這一新型的通信技術(shù)，本文提出了基于WiFi的自組織網(wǎng)絡(luò)的D2D通信模型，能以現(xiàn)有的數(shù)臺近距離智能終端為基礎(chǔ)，使得這些終端之間能夠進(jìn)行通信與資源共享。本文基于Android操作系統(tǒng)，以JXTA協(xié)議為模型，最終實(shí)現(xiàn)了基于WiFi的D2D通信，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗驗證了其有效性。

1 D2D通信系統(tǒng)模型
   該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手機(jī)等智能終端之間進(jìn)行通信和資源的共享，任務(wù)包括實(shí)現(xiàn)D2D網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的架設(shè)、Android平臺的JXTA技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的資源共享。
    D2D網(wǎng)絡(luò)主要由3個部分組成，分別是Android平臺節(jié)點(diǎn)、PC平臺節(jié)點(diǎn)和Peer集合點(diǎn)，其中Peer集合點(diǎn)負(fù)責(zé)收集和發(fā)送節(jié)點(diǎn)列表信息，起到系統(tǒng)調(diào)度的作用，各節(jié)點(diǎn)可以通過集合點(diǎn)獲取存在的節(jié)點(diǎn)列表，通過該列表，即可對該對等網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)模型如圖1所示。

    該系統(tǒng)主要通過JXTA協(xié)議構(gòu)建一個D2D網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置有若干個PC機(jī)節(jié)點(diǎn)和手機(jī)節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)中都有共享文件，任意節(jié)點(diǎn)可通過D2D網(wǎng)絡(luò)集合點(diǎn)訪問其他節(jié)點(diǎn)的共享資源。系統(tǒng)啟動時首先進(jìn)行初始化，初始化過程會檢查手機(jī)用戶是否通過WiFi連入網(wǎng)絡(luò)、檢查緩存情況、啟動JXTA網(wǎng)絡(luò)連接，啟動之后將搜索JXTA網(wǎng)絡(luò)集合點(diǎn)RDV，讀取集合點(diǎn)上的Peer列表。待初始化完畢之后，各個Peer節(jié)點(diǎn)就可以利用JXTA網(wǎng)絡(luò)提供的管道服務(wù)互相通信了，Peer節(jié)點(diǎn)也可以向RDV節(jié)點(diǎn)請求所有節(jié)點(diǎn)共享的資源文件，資源集合點(diǎn)將相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)所共享的資源列表以XML文件的形式反饋給請求節(jié)點(diǎn)，接到反饋的資源列表之后，通信系統(tǒng)根據(jù)用戶的選擇，向相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送文件傳輸請求，經(jīng)握手后即開始傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的主要流程圖如圖2所示。
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2 D2D通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2．1 接入網(wǎng)的配置
    要實(shí)現(xiàn)D2D的通信，終端設(shè)備必須先接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，因此在程序啟動時，應(yīng)先檢查終端設(shè)備是否已接入網(wǎng)絡(luò)，其代碼如下：
   

    若用戶已接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，則啟動主應(yīng)用程序的UI。在進(jìn)入應(yīng)用程序的主界面之前，需要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，檢查緩存情況，啟動JXTA網(wǎng)絡(luò)連接，搜索JXTA集合點(diǎn)RDV并讀取集合點(diǎn)上的Peer列表。系統(tǒng)的主界面如圖3所示。

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2．2 節(jié)點(diǎn)搜索功能
    該功能主要用于對網(wǎng)絡(luò)上的Peer節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜索，維護(hù)一個節(jié)點(diǎn)列表。該搜索程序通過JXTA對等機(jī)發(fā)現(xiàn)協(xié)議PDP(Peer Discovery Protoc ol)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)搜索，PDP定義了發(fā)現(xiàn)其他Peer和資源的協(xié)議，該協(xié)議包括兩個方面：一方面用于請求獲得其他Peer的Advertisement；另一方面用于響應(yīng)其他Peer的這種請求。Peer給所有已知的Peer和Rendezvous Peer發(fā)送一個Discovery Query Message，Rendezvous Peer對Discove ry請求進(jìn)行處理，并返回一個Discovery Response Message，其中包含其緩存中advertisement。另外它還把這個請求廣播給所有知道的Pe er，收到請求的Peer搜索本地緩存尋找匹配advertisement，如果找到，就直接給最初的請求方發(fā)送一個Discovery Response Message。該程序運(yùn)行在一個線程中，在該線程中執(zhí)行一個循環(huán)，每隔30 s獲取一次節(jié)點(diǎn)列表。節(jié)點(diǎn)搜索線程代碼如下：


    當(dāng)用戶單擊Peer List菜單選項時，Peer節(jié)點(diǎn)從RDV集合點(diǎn)讀取節(jié)點(diǎn)列表，并顯示在相應(yīng)的UI界面中，如圖4所示。

    而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表收集主要完成啟動并初始化JXTA網(wǎng)絡(luò)，形成一個網(wǎng)絡(luò)集合點(diǎn)Rendezvous Peer，集合點(diǎn)服務(wù)的主要功能是允許Peer網(wǎng)絡(luò)上的其他Peer傳播消息。該集合點(diǎn)可以監(jiān)聽到所有相鄰網(wǎng)絡(luò)請求連接的Peer節(jié)點(diǎn)，包括PC機(jī)模擬節(jié)點(diǎn)和Android手機(jī)節(jié)點(diǎn)，通過一個節(jié)點(diǎn)列表對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行維護(hù)，接收節(jié)點(diǎn)的連接與退出請求。當(dāng)用戶單擊Leave Network要離開網(wǎng)絡(luò)時，必須通過advertisement通知RDV節(jié)點(diǎn)，此時RDV節(jié)點(diǎn)就可以更新所擁有的節(jié)點(diǎn)列表，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)下一次從RDV節(jié)點(diǎn)讀取節(jié)點(diǎn)列表信息時，就可以及時地更新在線的節(jié)點(diǎn)。
    集合點(diǎn)類的設(shè)計主要是通過集合點(diǎn)協(xié)議RVP(Rendezvous Protocol)，簡單Peer運(yùn)用該協(xié)議同集合點(diǎn)相連接，由集合點(diǎn)代表自己向其他Peer傳播消息。RVP的實(shí)現(xiàn)扮演雙重角色，為傳播消息提供了統(tǒng)一的API，該功能不依賴Peer是否配置成集合點(diǎn)。
2．3 通信模塊的設(shè)計
     通信模塊采用JXTA雙向管道進(jìn)行消息傳輸。當(dāng)用戶登錄之后，啟動一個線程，在線程里創(chuàng)建JxtaServerPipe，不停輪詢，等待其他用戶發(fā)來的消息。當(dāng)用戶A想與用戶B聊天時，只要建立一個到用戶B的JxtaBiDiPipe，該JxtaBiDiPipe和用戶B的JxtaServerPipe進(jìn)行連接。聊天消息是用XML進(jìn)行封裝的，不同的消息可以定義不同的命名空間，以便接收端進(jìn)行區(qū)別。而且一條消息可以包含多部分信息，比如區(qū)分消息的版本、消息發(fā)送者名字等等。接收端對接收到的消息進(jìn)行解析處理，然后顯示到聊天對話界面里。
    信息發(fā)送的源代碼(信息接收的實(shí)現(xiàn)類似)如下：
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2．4 文件發(fā)送與接收
    文件發(fā)送的實(shí)現(xiàn)是利用P2PSocket編寫的程序，可以在任意Peer之間對等地傳輸文件。該程序通過JXTA管道綁定協(xié)議，由Pipe向遠(yuǎn)程Pee*r發(fā)送文件，文件將以流的形式傳遞通過PipeMsgEvent實(shí)現(xiàn)PipeMsgListener，每次當(dāng)有消息傳送到管道的時候，事件將被捕獲。通過fileRequest處理共享文件列表的請求，向?qū)Ψ桨l(fā)送包含共享文件名的列表的消息在一個線程中執(zhí)行一個循環(huán)，通過JXTA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文件資源廣播，如果得到回應(yīng)就進(jìn)行資源請求確認(rèn)，確認(rèn)完成之后調(diào)用this，socket Service．file Transfer()函數(shù)發(fā)送當(dāng)前文件資源。
    文件發(fā)送的源代碼如下：

    當(dāng)單擊File Share菜單選項時，會顯示出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)所共享的文件，如圖5所示。

    當(dāng)用戶可以選中其中的某一個文件，JXTA網(wǎng)絡(luò)利用Pipe從共享該文件的節(jié)點(diǎn)那里讀取數(shù)據(jù)并存儲在本機(jī)的SD卡上，文件接收的代碼和發(fā)送的類似。

3 結(jié)語
    本文研究并設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于Android操作系統(tǒng)，以JXTA協(xié)議為模型，應(yīng)用WiFi網(wǎng)絡(luò)的無線D2D通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能以現(xiàn)有的數(shù)臺近距離的智能手機(jī)為基礎(chǔ)，建立起一個無線P2P網(wǎng)絡(luò)，使得這些用戶之間能夠方便地進(jìn)行通信與資源共享，這將成為諸多用戶豐富自身手機(jī)資源的有效途徑。