CN106332164B - 一种车辆自组织网络数据传输性能测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆自组织网络数据传输性能测评方法，该方法首先设计统一的真实车辆自组网通信环境并利用现有的UDP通信机制设计真实的车辆自组网环境下的测试方法,之后基于车载自组织网络自身特点与统计学原理设计具体的数据处理方法与评价标准，从而能够考虑到在现实的数据传输环境下车辆自组织网络的复杂性。本发明在真实的车载环境下基于统计学相关方法设计了车辆自组织网络数据传输性能的测评方法，此方法能够考虑到车辆自组网的自身特点并可以研究数据传输性能与外部环境参数之间的关系，从而为后续的产品开发以及网络优化等提供真实的数据支持。

Description

一种车辆自组织网络数据传输性能测评方法

技术领域

本发明涉及无线网络测试技术，具体涉及车辆自组织网络通信的无线网络性能测评技术，属于计算机技术领域。

背景技术

智能交通技术在现代交通中占据越来越重要的角色，并成为了未来交通系统的发展方向，而高效的无线通信技术是实现智能交通技术的基础，由此基于DSRC的车载自组织网络技术应运而生，车载自组网(VANET)是道路上车辆之间(V2V)、车辆与路边接入点之间(V2I)可以相互通信的移动自组织网络。道路上的车辆可以交换各自的车速、位置和车载传感器等各种数据,并自动连接成一个无中心控制的无线分布式网络。车载自组网技术可以使交通运输更加安全、高效和舒适,是智能交通系统中的一个重要应用，然而车载网络节点形成的自组织网络环境下，具有自组性、多跳性、无中心，网络拓扑结构变化快以及无线信道不稳定且带宽受限等特点，针对车载环境下无线通信技术的稳定，高速，高效的要求，基于DSRC技术的无线通信网络性能成为了我们关注的重点，在未来随着DSRC技术在车载环境中的应用变得愈加广泛，对于DSRC设备的网络检测更是必不可少。而目前国内外对于DSRC设备的测试主要集中在物理层测试以及协议一致性测试等方面，对网络性能方面研究不足，且缺乏真实车载环境下的数据传输性能的测试与评价方法研究。

发明内容

本发明的目的是设计一种车辆自组织网络数据传输性能测评方法，从而获取基于DSRC 的无线网络的性能参数，为DSRC设备的大规模应用提供检测标准与技术支持。在此背景下，本发明所述的无线通信网络测试方法能够在考虑车辆自组织网络自身特点的情况下，获取基于DSRC的无线网络在真实车载环境下的性能参数，并且利用统计学原理设计了基于测试数据与外部参数的数据处理方法，并在此基础上构建了专用于车辆自组网的数据传输性能评价标准。

本发明的一种车辆自组织网络数据传输性能测评方法，包括以下几个步骤：

步骤1：测试方法设计；

步骤2：参数评价方法。

本发明的优点在于：

本发明在真实的车载环境下基于统计学相关方法设计了车辆自组织网络数据传输性能的测试方法，此方法能够考虑到车辆自组网的自身特点并可以研究数据传输性能与外部环境参数之间的关系，从而为后续的产品开发以及网络优化等提供真实的数据支持。

附图说明

图1为本发明使用的基于UDP的通信机制。

图2为本发明的交互操作设计图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种车辆自组织网络数据传输性能测评方法，包括以下几个步骤：

步骤1：测试方法设计

A.测试环境设计：

本发明的测评方法需要设计统一的真实车辆自组网通信环境，从而能够考虑到在现实的数据传输环境下车辆自组织网络的复杂性，如自组性、多跳性、无中心等特点，在车载环境应用的测试场景下，一个装载DSRC的通信节点需要满足以下功能：

1.可以进行消息的广播与转发，由于VANET的自组性和无中心性，其中的通信节点需要同时可以进行自身消息的广播，接收其他节点传递的消息，转发其他节点传递的消息；

2.高速运动下的双向通信，能够在运动的环境中实现与其他节点之间的双向通信

3.不受复杂的车辆运行环境干扰，如障碍物的遮挡等。

基于此，本发明设计的测试场景如下，在复杂的诸如障碍物遮挡等不利条件的城市环境，装载DSRC设备的通信节点在道路上高速行驶，同时进行消息的广播与转发，与周围的车辆节点进行信息传递，在此场景下进行无线网络性能的测试。

另外，在实际的测试中，为保证数据的可对照和统一化标准，需要对外部参数进行标准化的设置：

1.服务器和客户端通过DSRC设备通信时需要通过计算机连接，因此所有的测试场景中所使用的计算机的配置和性能需要保持统一。

2.在车载环境下，通信节点周围的环境必须保持统一，另外，通信节点之间的相对距离与速度也会对结果造成影响，因此测试中需要设置统一的一组相对距离和速度，分别进行测试。

3.网络中的节点数和通信的吞吐量即带宽占用率，当节点数增大或单个节点所耗费的吞吐量变大时会对网络中其他节点也产生影响，因此需要设置一组统一的节点数和吞吐量，分别针对它们进行测试。

B.核心参数与方法设计：

本发明所设计的测试方法如下：

1.使用基于UDP协议的通信机制，如图1所示，在此机制下，以Java语言为例，客户端和服务器两端的工作如下：

(1).客户端和服务器端分别初始化DatagramSocket类，并为之赋予诸如IP地址和端口号等信息；

(2).客户端初始化DatagramPacket对象，并在其中封装数据、数据长度、目标主机地址和目标主机端口等信息；

(3).服务器端通过DatagramSocket对象的receive方法开始以阻塞的方式，监听从网络上到自身的客户端请求；

(4).客户端通过DatagramSocket对象的send方法，向服务器端发送通信数据，并进入receive方法，线程阻塞直到收到回信；

(5).服务器端在接收到通信数据后，利用Java的多线程机制，可以并发处理来自多个客户端的数据，符合现实的通信场景，之后继续执行receive后面的方法，执行服务；

(6).服务器端完成执行客户端的服务请求后，通过send方法，向客户端返回执行结果；

(7).客户端收到回信，进行计算并处理，得到结果后，继续定期的循环。

通过以上通信机制，本发明可以实现通信节点并发处理来自多个节点的消息，符合之前设计的场景，另外，每隔一段时间客户端便向服务器发送一次请求，可以对网络性能质量进行实时的监控。

2.基于上述通信机制的基础上，客户端每隔一分钟发送一次数据，此数据中包含n个 Datapacket，即封装n个数据包一同发送到服务器中。确定要具体测试的性能参数，通过吞吐量、传输延迟，延迟抖动和丢包率来描述数据传输的速度和可靠性等。因此，本发明所使用的性能参数的定义及计算方法如下：

(1)时延,时延是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一个端所需要的时间。在测试中通常使用测试仪表发出测试包到收到数据包的时间间隔。它包括了发送时延，传播时延，处理时延，排队时延，本发明中利用n个数据包的平均往返延时作为一次数据发送周期内的时延：

其中T_is代表第i个包发送时的时刻，T_ir代表客户端收到服务器返回的第i个包的时刻。

(2)抖动，变化的时延被称作抖动(Jitter)，抖动大多起源于网络中的队列或缓冲，尤其是在低速链路时，抖动反映了网络的稳定性，抖动计算方法为前后两次数据发送之间的延时差值：

J＝|D_j+1-D_j|

(3)吞吐量：吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接收并转发的最大数据速率，也就是在丢包率为零时单位时间内发送的数据大小：

其中t_i代表每个数据包的大小。

(4)丢包率，网络丢包率是进行网络质量测试的一项指标，网络连通性质量越好，从客户端发送测试数据到测试平台的时间延迟值越小，网络丢包率就越小，丢包率＝（发送的测试包总数-收到的响应包数目）/发送的测试包总数：

其中，k代表收到响应包的数量。

3.另外，在实际的测试中，为了方便测试人员的操作，本发明设计一套交互界面以实现对测试方法的支撑，如图2所示，利用Java的GUI组件编程与多线程技术，开发操作界面，主线程为测试系统，副线程上设置事件监听器来监听界面上的每一个控件上对应的操作，包括测试系统的启动与关闭，IP地址，端口号，数据包大小，个数，测试周期，最大连接数等参数的设置，数据的保存与展示等等，当控件上的操作事件发生时，监听器会处理该事件并将请求传递给主线程测试系统，测试系统针对各个请求进行操作，基本流程为，首先通过参数相关控件设置好具体的参数，之后确定之后操作控件将参数传递给测试系统，然后操作 start控件，测试开始，测试过程中会产生上述性能参数数据，操作数据控件可以实现数据的实时展示与保存等，设置的终止时间到达时自动关闭，若想中途退出，利用close控件进行操作。至此，实时的性能监控测试系统的交互界面基本已经设计完成。

步骤2：参数评价方法

1.对每个单独的场景中测试出的性能参数数据进行基本的统计学数字特征计算，如期望，标准差，协方差等等：

D(X)＝E(X-E(X))²

2.研究时延(或抖动，吞吐量，丢包率)与连接数，相对速度，相对距离，数据包大小等给定的外部参数之间的关系，并进行主成分分析筛选出特征最明显的变量：

(1)首先计算出协方差矩阵，假设数据维度为m,则所得的数据集为{x₁,x₂,…x_m},构建协方差矩阵如下:

(2)计算协方差矩阵的特征向量和特征值,此步可以通过matlab等软件获取。

(3)将获得的特征值从大到小进行排列，即可获取各个维度的数据中影响较大的变量。

3.研究不同变量之间的相关性，借助person系数可以进行不同变量之间的相关性分析：

r为正时两变量为正相关，r为负时两变量呈现负相关，r的绝对值越大，二者相关性越强。

4.对获得的参数数据，如时延等进行分布模型的构建。

(1)首先根据实验数据选取合适的分布模型：f(x,k₁,k₂…k_n),其中(k₁,k₂…k_n)是所选取的分布模型的相关参数。

(2)改进此模型为如下模型：

其中β＝(h₁,h₂,…h_n+5)作为参数向量。

(3)利用非线性最小二乘法获得β的最优解，构建优化模型如下：

(4)利用Levenberg-Marquardt算法计算上述优化模型，解出β的最优解使得U达到最小值。至此，通过一系列对测试结果的处理，可以有效的研究各个测试参数之间的关系与影响，并构建了参数的分布模型，处理后的结果可以为DSRC产品开发，网络优化，拥塞控制等应用提供有力的数据支持，同时为后续的评价标准制定提供了理论和数据支撑。

B.针对车辆自组织网络的应用特点，以上述数据处理方法为基础提出专用于车载无线网的性能评价标准：

1.高速移动和近距离下的快速性与稳定：车载无线网最大的应用在于安全领域的避撞控制，协同跟驰等，因此车辆节点在高速移动和距离较近时对无线网的通信延时和稳定性有极其苛刻的要求，因此需要：

(1)设定此类场景下的网络性能参数的期望与标准差标准，以评价DSRC设备实际应用时通信的快速与稳定。

(2)根据测试场景中设置的一组标准的相对速度与距离，得出一组关于网络性能参数的测试结果，基于上述数据处理方法，设定网络性能参数与外界干扰因素(相对距离与相对速度)的相关性标准(person系数)，以评价通信受外界干扰的程度。

2.大规模并发下的高效性：在真实的车-车以及车-路通信时，尤其在道路堵塞的情况下，往往会面临通信节点多，网络流量大的情况，因此根据所设置的一组节点数和吞吐量，设定此类场景下的网络性能参数的期望与标准差标准，评价大规模并发通信时DSRC设备的性能表现。

3.不受障碍物影响的可靠性：在车-车通信时，不受障碍物的遮挡并保证通信的可靠性是 DSRC设备在车载无线网中的重要需求，因此需要：

(1)设定此类场景下的网络性能参数期望与标准差标准，以评价DSRC设备实际应用时的可靠性

(2)通过设置对照组获取测试结果，计算相关性，设定相关性标准。

Claims (1)

1.一种车辆自组织网络数据传输性能测评方法，包括以下几个步骤：

步骤一：测试方法设计

A.测试环境设计：

在车载环境应用的测试场景下，一个装载DSRC的通信节点需要满足以下功能：

(1)通信节点能够进行消息的广播与转发；

(2)在运动环境中，通信节点与其他节点之间能够双向通信；

(3)不受车辆运行环境干扰；

对外部参数进行标准化的设置：

(1)服务器和客户端通过DSRC设备通信时通过计算机连接，测试场景中所使用的计算机的配置和性能统一；

(2)在车载环境下，通信节点周围的环境保持统一，设置统一的一组相对距离和速度，分别进行测试；

(3)设置统一的节点数和吞吐量；

B.核心参数与方法设计：

本发明所设计的测试方法如下：

(1)使用基于UDP协议的通信机制，当采用Java语言时，客户端和服务器两端的工作如下：

1)客户端和服务器端分别初始化DatagramSocket类，并为之赋予IP地址和端口号；

2)客户端初始化DatagramPacket对象，并在其中封装数据、数据长度、目标主机地址和目标主机端口信息；

3)服务器端通过DatagramSocket对象的receive方法开始以阻塞的方式，监听从网络上到达的客户端请求；

4)客户端通过DatagramSocket对象的send方法，向服务器端发送通信数据，并进入receive方法，线程阻塞直到收到回信；

5)服务器端在接收到通信数据后，利用Java的多线程机制，并发处理来自多个客户端的数据，之后继续执行receive后面的方法，执行服务；

6)服务器端完成执行客户端的服务请求后，通过send方法，向客户端返回执行结果；

7)客户端收到回信，进行计算并处理，得到结果后，继续循环；

(2)基于上述通信机制，客户端每隔一分钟发送一次数据，数据中包含n个Datapacket，即封装n个数据包一同发送到服务器中；确定要具体测试的性能参数，通过吞吐量、传输延迟，延迟抖动和丢包率来描述数据传输的速度和可靠性，则使用的性能参数的定义及计算方法如下：

1)时延，时延为一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一个端所需要的时间，包括发送时延，传播时延，处理时延，排队时延，利用n个数据包的平均往返延时作为一次数据发送周期内的时延：

其中：T_is代表第i个包发送时的时刻，T_ir代表客户端收到服务器返回的第i个包的时刻；

2)抖动，变化的时延被称作抖动，抖动计算方法为前后两次数据发送之间的延时差值：

J＝|D_j+1-D_j|

3)吞吐量为在没有帧丢失的情况下，设备能够接收并转发的最大数据速率，也就是在丢包率为零时单位时间内发送的数据大小：

其中t_i代表每个数据包的大小；

4)丢包率，丢包率＝（发送的测试包总数-收到的响应包数目）/发送的测试包总数：

其中，k代表收到响应包的数量；

(3)设计交互界面，主线程为测试系统，副线程上设置事件监听器来监听界面上的每一个控件上对应的操作，包括测试系统的启动与关闭，IP地址，端口号，数据包大小，个数，测试周期，最大连接数的设置，数据的保存与展示，当控件上的操作事件发生时，监听器会处理该事件并将请求传递给主线程测试系统，测试系统针对各个请求进行操作，基本流程为，首先通过参数相关控件设置好具体的参数，之后确定之后操作控件将参数传递给测试系统，然后操作start控件，测试开始，测试过程中会产生上述性能参数数据，操作数据控件实现数据的实时展示与保存，设置的终止时间到达时自动关闭，若中途退出，利用close控件进行操作；

步骤二：参数评价方法

(1)对每个单独的场景中测试出的性能参数数据进行统计学数字特征计算，包括期望，标准差，协方差：

D(X)＝E(X-E(X))²

x_i为单独的场景X中测试出的性能参数数据，y_i为单独的场景Y中测试出的性能参数数据；

(2)研究时延与连接数，相对速度，相对距离，数据包大小给定的外部参数之间的关系，并进行主成分分析筛选出特征最明显的变量：

1)首先计算出协方差矩阵，假设数据维度为m,则所得的数据集为{x₁,x₂,…x_m},构建协方差矩阵如下:

2)计算协方差矩阵的特征向量和特征值；

3)将获得的特征值从大到小进行排列，获取各个维度的数据中影响大的变量；

(3)研究不同变量之间的相关性，进行不同变量之间的相关性分析：

其中，r为正时两变量为正相关，r为负时两变量呈现负相关；

(4)对获得的参数数据，进行分布模型的构建；

1)首先根据实验数据选取合适的分布模型：f(x,k₁,k₂…k_n),其中(k₁,k₂…k_n)是所选取的分布模型的相关参数；

2)改进此模型为如下模型：

其中：β＝(h₁,h₂,…h_n+5)作为参数向量；

3)利用非线性最小二乘法获得β的最优解，构建优化模型如下：

4)计算上述优化模型，解出β的最优解使得U达到最小值；

针对车辆自组织网络的应用特点，以上述数据处理方法为基础提出专用于车载无线网的性能评价标准：

一、高速移动和近距离下的快速性与稳定：

(1)设定此类场景下的网络性能参数的期望与标准差标准，以评价DSRC设备实际应用时通信的快速与稳定；

(2)根据测试场景中设置的一组标准的相对速度与距离，得出一组关于网络性能参数的测试结果，基于上述数据处理方法，设定网络性能参数与外界干扰因素的相关性标准，以评价通信受外界干扰的程度；

二、根据所设置的一组节点数和吞吐量，设定此类场景下的网络性能参数的期望与标准差标准，评价大规模并发通信时DSRC设备的性能表现；

三、不受障碍物影响的可靠性：

(1)设定此类场景下的网络性能参数期望与标准差标准，以评价DSRC设备实际应用时的可靠性

(2)通过设置对照组获取测试结果，计算相关性，设定相关性标准。