孫 紅，俞衛(wèi)國

(1.上海理工大學，上海 200093；2.上?，F(xiàn)代光學系統(tǒng)重點實驗室，上海 200093)

0 引 言

隨著計算機網(wǎng)絡技術與通信技術的快速發(fā)展，人類已經(jīng)慢慢步入5G時代，移動設備和計算機網(wǎng)已經(jīng)成為日常生活中必不可少的工具。在此過程中，出現(xiàn)過大量基于安卓平臺的APP的開發(fā)，為人類的便攜生活做出貢獻。5G通信屬于未來計算機通信和移動通信網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向，具有十分廣闊的發(fā)展前景，目前已經(jīng)受到國內外的高度重視。主要發(fā)展表現(xiàn)為萬物互聯(lián)，從4G時代發(fā)展開始，智能家居行業(yè)誕生，但是只停留于初級階段。因此4G技術與真正”萬物互聯(lián)”在技術上還存在較大的差距。但是5G到來以后，其極大的流量，符合萬物互聯(lián)的發(fā)展需求。在未來的發(fā)展中，會真正實現(xiàn)”萬物互聯(lián)”。5G通信網(wǎng)絡實際是在4G通信網(wǎng)絡基礎上發(fā)展而來的，是4G移動通信的進一步的發(fā)展與延伸[1]。

5G部署的時間是很漫長的，在部署的過程中，需要設計一款能夠獲取5G信號參數(shù)的安卓APP。流程如下：首先需要找一塊部署的場地，建立多個信號基站，信號基站用來發(fā)射5G信號[2]，測試人員需要獲取這些無線參數(shù)并進行分析，從而分析信號的強弱，以及能否進行實際應用。測試人員會布置不同的點，將手機部署在這些點上，手機上安裝應用軟件，用來實際獲取信號參數(shù)。

上述說的應用軟件[3]，所需要實現(xiàn)的功能如下：

(1)在無人值守的條件下，獲取基站的信號參數(shù)。

(2)在無人值守的條件下，每秒可以以數(shù)據(jù)的形式上報基站的信號參數(shù)。

(3)在無人值守的情況下，可以上報手機的狀態(tài)，例如：當手機電量不足時，可以上報信息給測試人員。

(4)服務器可以下達一些簡單的指令，比如重啟指令，手機可以進行重啟。

(5)軟件可以以圖表的樣式來顯示各個參數(shù)的數(shù)值，特別是表格滑動的實現(xiàn)，使測試人員能更加直觀地觀察參數(shù)，提高用戶體驗。

(6)需要實現(xiàn)自動登錄，由于布置的點(手機)比較多，電腦下達重啟命令之后，再次進入軟件，需要自動連接，可人性化設計。

1 相關理論與關鍵技術

1.1 獲取基站信號參數(shù)的原理

本系統(tǒng)獲取的參數(shù)是5G信號參數(shù)，手機內部有5G(SIM)卡，當信號傳達手機時，要獲取的參數(shù)有IMSI、IP、PCI、RSRP、SINR、CQI等[3]，在實際應用中，這幾個參數(shù)在3G/4G的時代就可以獲取到，參考SDK里面的SingnalStrength類，查看源碼，發(fā)現(xiàn)SingnalStrength類里面有需要的參數(shù)，但是SingnalStrength類沒有需要的get方法?？梢酝ㄟ^toString()方法將這些參數(shù)解析出來。

在實際開發(fā)中，使用反射的方式來獲取，核心代碼如下：

Method method2=signalStrength.getClass().getMethod("getLteLevel");

level=method2.invoke(signalStrength);

最終獲取到各個信號參數(shù)值。

1.2 信號參數(shù)上報原理

首先了解傳輸層兩種協(xié)議:TCP協(xié)議與UDP協(xié)議[4]。

TCP協(xié)議是一種可靠傳輸協(xié)議，在TCP傳輸數(shù)據(jù)之前，會用三次握手來建立連接，而且在數(shù)據(jù)傳遞時，有確認、窗口、重傳、擁塞控制機制，在數(shù)據(jù)傳輸完之后，會斷開連接來節(jié)約資源，缺點是比較慢，耗時，容易被攻擊。

UDP協(xié)議是一種不可靠傳輸協(xié)議。沒有TCP的握手、確認、窗口、重傳、擁塞控制等機制，UDP是一個無狀態(tài)的傳輸協(xié)議，所以它在傳遞數(shù)據(jù)時非?？?。

在上報信號的過程中，選用的是UDP協(xié)議。因為上報只需要把收據(jù)上報過去就行了，程序不用關心服務器有沒有收到，要求數(shù)據(jù)傳輸快速。鏈路選擇的是內部傳輸網(wǎng)絡而不是5G移動傳輸網(wǎng)絡。也就是選擇WIFI鏈路傳輸。

1.3 Socket套接字編程

要想傳輸數(shù)據(jù)，假如使用藍牙協(xié)議傳輸，就要用到基于Bluetooth協(xié)議的Socket，這里使用的是基于TCP協(xié)議的Socket[5]。

Socket實際上是一種通信接口，基于不同的協(xié)議，有各種Socket，比如基于TCP和UDP協(xié)議的Socket，Android中使用是java的Socket模型。應用程序可以通過”套接字”向網(wǎng)絡發(fā)送請求或者應答網(wǎng)絡請求，這時把Socket分成了兩部分，一部分是服務器端Socket，這個Socket主要用來接收來自網(wǎng)絡的請求，它一直監(jiān)聽在某一個端口上。一部分是客戶端Socket，這個Socket向網(wǎng)絡發(fā)送請求。

通信流程如下:應用程序通過套接字也就是Socket可以選擇這兩種協(xié)議中的一種，可以選擇UDP發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以選擇TCP發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送出去通過“通信信道”也就是IP網(wǎng)絡的基礎網(wǎng)絡，來到服務器端(接收端)，就可以接收到數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的時候用UDP，接收數(shù)據(jù)的時候也要用UDP，發(fā)送數(shù)據(jù)的時候用TCP協(xié)議，接收的時候也要用TCP協(xié)議，在發(fā)送的時候指定接收端的IP地址和端口號就可以了，而數(shù)據(jù)包或者數(shù)據(jù)是如何發(fā)送的，框架已經(jīng)幫我們封裝好了[6]。流程如圖1所示。

圖1 Socket通信流程

1.4 下達指令原理

下達指令首先也要選擇鏈路，這次需要做的是給某個手機下達一些指令，比如重啟，需要的是可靠傳輸鏈路，所以整個過程是建立在TCP鏈路。指令采用的是基于Linux指令，比如重啟：-rebot，因為安卓的底層是基于Linux的，將指令包裝在數(shù)據(jù)包里面，然后通過程序解析出指令，再通過Java語言進行執(zhí)行[7]。

1.5 表格滑動原理

Android ViewPager適配器PageAdapter的使用。PageAdapter是一個抽象類，直接繼承于Object，導入包android.support.v4.view.PageAdapter即可使用。要使用PageAdapter首先要繼承PageAdapter類，至少要實現(xiàn)以下方法：getcount()，isViewFromObject()，destroyItem()。然后把設計好的表格進行封裝，放到一個list里面，再進行傳送。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 界面設計

Android界面布局方式[8]，包括框架布局、線性布局、表格布局、網(wǎng)格布局、相對布局和絕對布局?？蚣懿季?FrameLayout)是最簡單的界面布局，是用來存放一個元素的空白空間，而且子元素的位置不能夠指定，只能放在空白空間的左上角，如果有多個子元素，后放置的子元素將遮擋前面放置的子元素，這種布局使用最少。線性布局(Linearyout)是一種重要的界面布局，也是經(jīng)常使用到的一種界面布局，在現(xiàn)行布局中，所有的子元素都按照垂直或者水平的順序在界面上排列。相對布局(lativeLayout)是一種非常靈活的布局方式，能夠通過指定界面元素與其他元素的相對位置關系，確定界面的相對位置關系，確定界面中所有元素的布局位置。特點是最大程度上保證各種屏幕尺寸的手機正確顯示界面布局。剩下的布局參考文獻[9]。

該文設計的布局系統(tǒng)有個res資源文件，用來存放一些布局文件，布局文件都是以XML文件的形式存放在代碼中。各個組件有著嚴格的層次關系，最后利用Fragement元素來控制布局文件的加載。

2.2 系統(tǒng)程序框架

該文設計的Android無人值守信號參數(shù)上報軟件APP可以分為6個大模塊[10]，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊

各個模塊應用的場景[11]如下所述：

新用戶第一個安裝APP，打開APP后，會彈出一個詢問窗口是否選擇自動連接還是手動連接，一般都會選擇自動連接。自動連接會保存你上次輸入的IP以及端口，在無人的情況下會自動連接。

開啟后，APP就會通過5G移動鏈路獲取基站的參數(shù)信息，無線參數(shù)獲取模塊應用在此場景。在軟件實現(xiàn)的代碼中，會有一個定時器，每秒將獲取的參數(shù)以JSON格式上傳到數(shù)據(jù)庫，在執(zhí)行一段時間后，當手機電量過低時，會上報手機低電量的信息給工作人員。無線參數(shù)上報模塊就應用在此。在整個運行過程中，會顯示程序運行狀態(tài)，當輸入的IP地址不對時，連不上服務器時，會在顯示框中輸出：”輸入的IP地址格式不對，請輸入正確的IP地址格式”,提醒輸入人員輸入正確的IP格式。程序運行狀態(tài)顯示模塊顯示應用在此。

當有需求需要手機重啟時，而每個手機點分布的地方不一樣，工作人員很難去尋找每個手機點，然后去重啟手機，此時指令模塊就可以應用在此情境中。通信鏈路選擇模塊，上傳信號參數(shù)鏈路和指令下達的鏈路是不同的鏈路，上傳鏈路選擇的是UDP鏈路[12]，實行快速上傳，指令下達鏈路選擇的是TCP鏈路，需要用到點對點端到端安全鏈路。程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 信號參數(shù)上報模塊的實現(xiàn)

當用戶第一次安裝此軟件時，會出現(xiàn)彈窗，是否自動連接，當用戶選擇自動連接時，進入此頁面，然后輸入HostIp、HostPort、UE ID、ProjectID這四個參數(shù)，在XML布局文件中，這些是androidinput Type=“text”,根據(jù)屬性來設置輸入框的輸入限制。HostIp是服務器IP地址，port是端口號，這兩個參數(shù)需要封裝成UDP數(shù)據(jù)包，服務器端應用根據(jù)這兩個參數(shù)來獲取UDP數(shù)據(jù)包。IEID默認為1.1.1.1，用作以后預留的一個參數(shù)，ProjectID也是預留的參數(shù)，用作以后其他的項目預留的端口。這些參數(shù)都有自己的格式，用戶必須按照規(guī)定的格式進行輸入，如圖4所示。界面設置內容如上所述[13]。

圖4 上報模塊界面

數(shù)據(jù)參數(shù)上報后端設計，首先需要判斷網(wǎng)絡連接狀態(tài)，默認是移動5G網(wǎng)絡，也就是默認UDP傳輸方式，軟件被打開時就可以直接上報數(shù)據(jù)至服務器端。第一步：先編寫一個定時器,導入安卓定時器包new timer();設置定時器的時間，以及執(zhí)行的UDP方法。這里的時間設計為1 s上報一次，上報的過程是單獨開啟一個線程，UDP線程專門用于UDP編程，UDP分為UDP服務器端(UdpClient)和UDP客戶端(UdpReceive)，在服務器沒有發(fā)送指令時，UDP服務器端處于阻塞狀態(tài)，只有UDP客戶端上報指令的功能在運作，在java中，實現(xiàn)UDP編程就是套接字(Socket)編程[14]。核心代碼如下：

DatagramSocket ds=new

DatagramSocket();//拿到套接字對象

byte[] bytes=str.getBytes();//定義一個空間用于接受字符

DatagramPacket dp=new

DatagramPacket(bytes,bytes.length,address,6666);//將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，傳遞5個固定參數(shù)。

接下來就是解決可能拋出的異常，以及怎么協(xié)調好前端的控件顯示。

3.2 信號參數(shù)模塊的顯示實現(xiàn)

信號參數(shù)顯示模塊的實現(xiàn)是為了更人性化，為了工作人員能夠很方便地看出信號參數(shù)強弱。最上面的是RSRP、SINR、DownThrough這三個參數(shù)動態(tài)的顯示，以折線圖的形態(tài)顯示。引入jar包hellocharts.jar,一個開源的jar包庫，用作Android圖表的編程。然后根據(jù)jar的源碼，動態(tài)編寫折線圖，利用圖片滑動的原理，引入ViewAdapter容器。將編好的折線圖xml文件放入容器中，最終實現(xiàn)滑動效果。如圖5所示，頂部的折線圖顯示的是RSRP和SINR兩個參數(shù)的情況。

圖5 顯示模塊

接下來的IMSI、IP、PCI等顯示使用了布局文件中的相對布局，將布局先設置好，再利用SDK里面的SingnalStrength()來獲取相關參數(shù)，然后再來設置相應的數(shù)值到表格中，人性化地顯示再界面中，如圖5所示。

4 結束語

以搭建Android平臺為開發(fā)環(huán)境，使用了Android Studio為開發(fā)工具，運用計算機通信和計算機應用與技術，實現(xiàn)了5G信號參數(shù)獲取上報APP，完成了在無人監(jiān)聽的情況下，手機端能自動獲取5G信號參數(shù)、信號參數(shù)自動上報到計算機服務器端、動態(tài)顯示參數(shù)的任務。后續(xù)可以根據(jù)使用情況來進行改進，擴展更多的功能，服務于5G通信的部署[15]。