基于Wi—Fi网络的无线显示技术的设计与实现

胡秋伟

摘 要

本文介绍了基于Wi-Fi网络的无线显示技术Miracast的基础技术，及其在机顶盒平台上的软件设计，经过代码实现、调试和优化，得到符合技术标准的测试结果。

【关键词】Wi-Fi Display Wi-Fi Direct 流媒体协议

1 引言

在用户体验的话题日益趋于热门的情况下，大部分个人都拥有多个手机或平板电脑等移动设备，当有分享手机或平板电脑的屏幕给大家的需求时，如演示投影讲稿，共同观看影片，就需要一种快速、无缝切换手机或平板电脑小屏幕到电视或投影仪大屏幕的方法，替代传统有线连接的无线显示技术将有广阔的市场前景。

Wi-Fi联盟于2012年9月所发布了Wi-Fi Display技术标准，其商用名为Miracast。这项技术能够利用现有的Wi-Fi无线网络实现将源端设备的小屏幕投射至机顶盒/电视机的大屏幕。本文主要介绍了基于Wi-Fi Display技术标准在机顶盒硬件平台上无线显示功能的设计与实现。

2 技术对比

目前已经形成标准的主流无线显示技术有：WHDI（Wireless Home Digital Interface，无线家庭数字接口），WiGig（Wireless Gigabit，无线千兆比特），WirelessHD以及Miracast。

其中，WHDI技术无法兼容现有Wi-Fi网络，且其由AMIMON公司所独占；WiGig技术尽管能较好兼容现有Wi-Fi网络，但其由Silicon Image公司所独占，其他厂家要开发基于这项技术的产品必须付出较多的花费来获得专利授权或是芯片；WirelessHD技术则不兼容现有Wi-Fi网络，且其对无线带宽的开销相当大；上述三项技术都有各自的原因导致市场化并不很理想。

由Wi-Fi联盟推出的Miracast技术不仅能兼容Wi-Fi网络，其对无线带宽的需求也不高，因此市场化比较容易。尤其是在英特尔宣布其一直开发维护的WiDi（Intel Wireless Display）技术将从3.5版本开始与Miracast兼容，这无疑给Miracast技术的市场化再次推波助澜。由此可见，Miracast是当下最被看好的一项无线显示技术，自从开放认证后，通过了技术认证的产品遍地开花，越来越多的厂商都在基于这项技术开发新产品。

3 基础技术介绍

Miracast主要使用了Wi-Fi Direct技术、流媒体协议簇、可选的用于保护音视频串流的HDCP技术以及核心的Wi-Fi Display技术。

Wi-Fi Direct技术是由Wi-Fi联盟于2010年10月发布的一项用于Wi-Fi设备直接连接而无需传统的无线路由器或无线接入点的支持。这项技术与蓝牙类似，允许无线设备以点对点方式互连，相较蓝牙在传输速度和距离方面则有大幅提升。Wi-Fi Direct技术通过提供设备发现、服务发现、创建群组以及电源管理等关键的功能和服务来实现Wi-Fi设备的直接连接。

流媒体协议簇主要由RTSP、SDP及RTP协议组成，它们在Miracast技术中发挥的作用分别是，RTSP协议建立和管理Miracast通信会话，SDP协议描述会话格式信息，RTP协议则实现对源端音视频数据的网络承载。

HDCP技术是由DCP LLC推出的对视频内容进行保护的一项技术。通过这项技术，高清晰的视频画面将无法呈现于未能通过HDCP系统认证的显示设备上。

Wi-Fi Display技术是Miracast的核心技术。源端和显示端设备参考模型如图1所示，其中，Wi-Fi Direct在图示的Wi-Fi MAC（Direct Link）以及LLC层实现，流媒体协议簇在网络传输层实现，AV Mux/Demux及其上层模块则一般在应用层实现。

4 设计与实现

Miracast显示端软件主要包括：

（1）Wi-Fi Driver：经过移植支持Wi-Fi Direct的无线网卡驱动程序；

（2）RTSP：为Wi-Fi Display实现的一个最基本的RTSP函数库；

（3）HDCP：提供内容保护；

（4）wpa_supplicant：创建和管理Wi-Fi Direct的p2p0网络设备的实用工具；

（5）Miracast Daemon：Miracast后台服务程序，Wi-Fi Display的核心代码，包含对wpa_supplicant的操作，还有对RTSP会话的建立和管理和DHCP服务分配IP地址，以及可选的HDCP保护系统的认证交互；

（6）Miracast Player：实现收取数据并解复用解码后显示。

Miracast软件设计模块框图如图2所示，完整操作过程如下：

（1）源端设备开启Wi-Fi Direct模式，并发起连接请求；

（2）显示端设备也开启Wi-Fi Direct模式，监听并接受源端设备请求后组建群组并建立LLC链路；

（3）显示端设备通过wpa_supplicant配置Wi-Fi网络，成功后使用DHCP分配IP地址，使得源端和显示端设备处于同一网段的WLAN；

（4）开始进行RTSP握手并建立Wi-Fi Display会话，如果需要对传送画面进行保护，则要额外进行HDCP系统认证授权；

（5）此时显示端设备的RTP端口上将出现可用的RTP报文，Player获取RTP报文去除头部后获得TS流，再将TS流解复用后送至音视频解码器，便可恢复与源端投射内容一致的图像和声音。

5 结束语

本文介绍了Miracast无线显示的基础技术，还对具体的软件设计进行了流程图的设计和详细流程的说明。经过在机顶盒平台上代码实现，并使用Google Nexus 4手机进行连接测试后，测试结果发现连接速度较快，音画质量较优秀，小屏到大屏的画面延小于200毫秒，符合Wi-Fi Display技术标准。

Google公司智能手机操作系统Android从4.2版本开始内置Miracast功能，微软公司于2013年发布的Windows 8.1也已原生支持Miracast功能。随着科技行业颇具影响力的公司的努力，Miracast技术将得到不断的完善和发展，未来Miracast设备的配对和使用将如同蓝牙或NFC一样简单便捷，将成为一种流行的多屏互动关键技术。

参考文献

[1]汪宗.几种家用无线高清技术分析[J].电视技术，2010，34（01）：62-64。

[2]Wi-Fi Alliance，Wi-Fi P2P Technical Specification v1.2，2010.

[3]IETF，RFC 2326，Real Time Streaming Protocol （RTSP），1998.

[4]IETF，RFC 4566，SDP：Session Description Protocol 2006.

[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.

作者单位

上海交通大学电子与通信工程专业Z1203422班 上海市 200030