CN110224893B

CN110224893B - 一种用于车载异构网络的计算机测试系统及测试方法

Info

Publication number: CN110224893B
Application number: CN201910522699.0A
Authority: CN
Inventors: 赵祥模; 张心睿; 李骁驰; 王润民; 徐志刚; 刘丁贝; 邓晓峰; 王文威
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2039-06-17
Also published as: CN110224893A

Abstract

本发明公开了一种用于车载异构网络的计算机测试系统及测试方法，通过计算机连接多以太网卡的方式，实现计算机在多种车联网系统的同时接入，利用多线程技术实现多车联网终端场景的模拟，以实现测试平台条件下，用较少的终端数量模拟复杂的车联网通信场景，系统能够兼容各类适用于车联网的无线通信技术，实现不同类型、不同需求和不同目的的车在异构网络选择方法的测试和验证；采用通用集成开发环境对所测试算法进行调试，能够为不同类型，不同流程的车载异构网络切换方法提供切换流程支持和数据接口支持，测试同时收集网络性能信息和网络状态数据，用于对车载异构网络切换算法对网络性能的影响、应用效应的影响作出准确评价。

Description

一种用于车载异构网络的计算机测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种用于车载异构网络的计算机测试系统及测试方法。

背景技术

车联网技术通过车辆、路侧设备间的信息共享，实现交通系统中的协同感知功能，从而实现保证交通安全、提高交通效率，起到节能减排的目的。车联网系统需要适应复杂的城市、乡村道路环境，不同的车辆密度和不同应用的需求。这使得单一无线接入网络难以较好的实现车联网系统的功能。针对这一问题，大量研究提出利用车载异构网络实现车联网通信。在车载异构网络中，车联网终端在不同的无线网络中切换，选择不同的无线通信技术，为车联网应用提供可靠的网络服务。现有的车载异构网络切换方法，主要依据终端接收信号强度、依据终端和基站距离、依据网络容量和依据网络综合性能等方法进行网络切换。车载异构网络系统通过上述方法，将具有不同服务质量需求的应用消息搭载在具有不同特性的网络中，为车联网应用提供面向最大交付能力的网络服务。

但就目前为止，对于车载异构网络组织方式和切换方法的研究主要基于仿真验证。车载异构网络实测设备需要对切换算法有针对性的进行硬件、软件开发，导致了开发流程较长、成本较高；所开发设备仅支持特定网络和特定算法，兼容性差，难以满足不同的切换算法测试需求；这些问题导致了车载异构网络测试困难，严重影响了车载异构网络技术的发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于车载异构网络的计算机测试系统及测试方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于车载异构网络的计算机测试系统，包括计算机、以太网卡和异构网络终端；

计算机用于车载异构网络的信息收集、网络选择决策、网络选择执行以及对多个终端的模拟工作；

以太网卡用于计算机与异构网络终端的通信，将不同网络信息以以太网的方式实现异构网络终端与计算机的直接通信；

异构网络终端用于将计算机的网络信息传递到自身所支持的无线网络系统中，同时接收无线网络信息并将接收到的无线网络信息转发到计算机。

进一步的，计算机包括数据收集模块、网络选择决策模块、网络选择执行模块以及多终端场景模拟模块；

数据收集模块用于收集网络性能参数，并根据网络性能参数对网络性能进行评价得到评价结果，根据评价结果为网络选择决策模块提供决策依据；

网络选择决策模块根据数据收集模块提供的评价结果执行网络选择算法；

网络选择执行模块根据网络选择决策模块选择出的目标网络，按照自定义触发逻辑实现网络的切入和切出；

多终端场景模拟模块针对不同车载异构网络选择算法设计不同的网络切换逻辑和程序执行顺序，维护数据收集模块的参数、网络选择决策模块模拟的终端数量以及网络选择执行模块所采用的参数，保证测试系统的测试流程正常运行。

进一步的，计算机与以太网卡通过USB或PCI-E接口连接，计算机端设有多个接口，以满足多个以太网同时连接。

进一步的，计算机通过套接字编程实现多网卡的软切换。

进一步的，异构网络终端包括基于功能调用的网络终端和基于透明传输的网络终端；计算机通过网卡向基于功能调用的网络终端的网络端口发送消息，基于功能调用的网络终端响应该消息并对消息进行无线网络上的转发；基于透明传输的终端在实现网络配置后，计算机直接向目的终端发送消息，实现透明传输。

进一步的，数据收集模块基于接收到的消息对车联网系统中各个网络的性能参数进行收集；同时接收多终端场景模拟模块的网络接入成本和切换逻辑主观数据，将两种信息结合进行评价得到评价结果，并将评价结果发送给网络选择决策模块，供其参考进行网络选择决策。

一种车载异构网络测试方法，包括以下步骤：首先依照多终端场景模拟模块进行计算机系统初始化，初始化后多终端场景模拟模块根据初始化参数执行首次消息传输；与此同时，异构网络终端接收其他终端发出的消息并将接收到的消息传送至数据收集模块，数据收集模块根据接收到的信息结合本地消息基于预设网络性能评价函数做出网络性能评价，并将网络性能评价结果传输至网络选择决策模块，网络选择决策模块根据网络性能评价结果做出切换决策，最后通过网络选择执行模块根据网络选择决策模块选择出的目标网络，按照自定义触发逻辑实现网络的切入和切出，实现车载异构网络的测试。

进一步的，计算机初始化内容包括模拟终端数量、各网络初始化终端数量、网络性能评价函数、传输消息内容格式、切换周期、切换概率和切换行为触发点。

进一步的，计算机初始化内容具体包括以下步骤：

a、按照设备接口需求，将多个以太网卡通过PCI-E接口或USB接口连接到计算机，将异构网络终端分别连接到多个以太网卡；按照异构网络连接需求配置网卡IP地址、网关和子网掩码信息；并记录网卡对应异构网络编号；

b、配置网络评价函数f(x)，其中x为数据收集模块采集的网络参数向量；根据网络评价函数f(x)配置网络切换逻辑，设置网络切换行为和判定行为流程；配置网络切换概率p(x)，其中x为数据收集模块采集的网络参数向量；

c、将在网络编号确定过程中确定的网络参数与对应的套接字网络切换逻辑相匹配，以实现网络软切换；

d、根据测试需求确定网络负载、确定传输协议、消息发送频率、包尺寸和传输内容；

e、调整网络测试时间、模拟终端数量和日志配置信息，从而完成计算机初始化。

进一步的，将完成初始化的计算机搭载不同测试车辆上，开启程序测试功能，执行测试，记录测试日志文件；通过测试日志文件获取每个周期各个终端所附着网络编号、各个周期网络性能评价函数结果和参数指标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于车载异构网络的计算机测试系统及测试方法，通过以太网卡实现计算机与异构网络终端的通信，将不同网络信息以以太网的方式实现异构网络终端与计算机的直接通信；异构网络终端用于将计算机的网络信息传递到自身所支持的无线网络系统中，同时接收无线网络信息并将接收到的无线网络信息转发到计算机，利用计算机实现车载异构网络的信息收集、网络选择决策、网络选择执行以及对多个终端的模拟工作；其能够兼容各种无线通信网络，能够搭载不同车载异构网络选择算法，通过计算机连接多以太网卡的方式，实现计算机在多种车联网系统的同时接入，利用多线程技术实现多车联网终端场景的模拟，以实现测试平台条件下，用较少的终端数量模拟复杂的车联网通信场景，系统能够兼容各类适用于车联网的无线通信技术，实现不同类型、不同需求和不同目的的车在异构网络选择方法的测试和验证；本发明采用灵活的硬件布设方式，能够实现对不同无线设备的即插即用；采用通用集成开发环境对所测试算法进行调试，能够为不同类型，不同流程的车载异构网络切换方法提供切换流程支持和数据接口支持，以实现不同算法的快速部署和快速测试，减少了测试开发流程，提高算法测试升级迭代速度；测试同时收集网络性能信息和网络状态数据，用于对车载异构网络切换算法对网络性能的影响、应用效应的影响作出准确评价。

进一步的，使用套接字编程实现多网卡的软切换，降低切换时间，减少因为硬切换造成的切换时延和开销，同时更符合网络终端IP永远在线的发展趋势。

附图说明

图1是测试系统结构示意图

图2是计算机系统结构示意图

图3是车载异构网络的计算机测试平台的工作流程示意图

图4是车载异构网络的计算机测试平台测试计算机工作流程图

图中，1为计算机，1-1为通信接口，2为以太网卡，2-1为以太网接口，3为异构网络终端，3-1为异构网络天线，4为数据收集模块，5为网络选择决策模块，6为网络选择执行模块，7为多终端场景模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1、图2所示，一种用于车载异构网络的计算机测试系统，包括计算机、以太网卡和异构网络终端；计算机用于车载异构网络的信息收集、网络选择决策、网络选择执行以及对多个终端的模拟工作；以太网卡用于计算机与异构网络终端的通信，将不同网络信息以以太网的方式实现与计算机的直接通信；异构网络终端用于将计算机的网络信息传递到自身所支持的无线网络系统中，并将接收到的无线网络信息转发到计算机。

计算机包括数据收集模块、网络选择决策模块、网络选择执行模块以及多终端场景模拟模块；数据收集模块用于收集网络性能参数，并根据网络性能参数对网络性能进行评价得到评价结果，根据评价结果为网络选择决策模块提供决策依据；网络选择决策模块为开放逻辑模块，测试者可以根据自身需要，对网络选择决策模块进行编程，根据数据收集模块提供的评价结果执行网络选择算法；网络选择执行模块为开放逻辑模块，测试者可以根据自身需要，对网络选择执行模块进行编程，根据网络选择决策模块选择出的目标网络，按照自定义触发逻辑实现网络的切入和切出；多终端场景模拟模块针对不同车载异构网络选择算法设计不同的网络切换逻辑和程序执行顺序，维护数据收集模块的参数、网络选择决策模块模拟的终端数量以及网络选择执行模块所采用的参数，保证测试系统的测试流程正常运行；多终端场景模拟模块为开放逻辑模块，测试者可以根据自身需要，对多终端场景模拟模块进行编程，确定测试使用的车联网网络负载和模拟的网络终端数量，以实现利用较少终端模拟复杂的车联网场景的目的。

计算机与以太网卡通过USB或PCI-E接口连接，计算机端设有多个接口，以满足多个以太网同时连接；计算机对于特定应用或特定消息，计算机一次仅选择一个网卡，即一种车载无线网络进行通信；同时，计算机同时监听所有网卡上传的消息。计算机的性能满足模拟多终端测试场景中数据包的实时处理和多终端网络选择。计算机支持统一的集成软件开发环境，用于网络选择算法的调试配置和系统参数调整。

以太网卡用于实现计算机同时接入不同网络媒介，以太网卡一端与计算机通信接口相连，另一端通过以太网接口与车载网络通信终端相连，不同的网卡连接不同类型的无线网络通信终端。计算机内置的网卡数量不足以支持车载异构网络中多种网络的测试，通过计算机预留通信接口PCI-E或USB外接以太网卡。对于计算机，通过套接字编程，实现在发布一条消息或进行一次连接时，仅通过特定网卡实现通信，通过这种方式，实现车载异构网络的“软选择”、“软切换”；此外，以太网卡将通过异构网络终端接收的所有消息传递给计算机供计算机进行数据保存。

异构网络终端用于车联网通信，具有特定无线通信协议的网络终端，包括DSRC、LTE-V、LTE、5G、Wi-Fi或EUHT。异构网络终端通过以太网接口与以太网卡相连，从而实现和测试计算机的直接通信；异构网络终端响应来自计算机的网络连接请求，并接收来自无线网络的信息并转发给计算机。异构网络发送和接收无线信号需经过异构网络天线。

异构网络终端包括基于功能调用的网络终端和基于透明传输的网络终端；计算机通过网卡向基于功能调用的网络终端的网络端口发送消息，基于功能调用的网络终端响应该消息并对消息进行无线网络上的转发；基于透明传输的终端在实现网络配置后，计算机直接向目的终端发送消息，实现透明传输。

数据收集模块基于接收到的消息对车联网系统中各个网络的性能参数进行收集；同时接收多终端场景模拟模块的网络接入成本和切换逻辑主观数据，将两种信息结合进行评价得到评价结果，并将评价结果发送给网络选择决策模块，供其参考进行网络选择决策；

网络选择决策模块用于模拟在真实车联网场景下车联网终端独立的进行网络切换的过程。由于在测试场景中，网络终端数量、终端密度和真实交通场景相比较少。为此，我们通过多个计算机线程模拟多个终端，实现较少终端模拟大量终端的网络选择和信息传输需求。网络选择决策模块从数据收集模块接收用于网络选择判定的参数，这些参数为网络选择算法所需的参数，包括网络性能参数、网络接入成本和切换逻辑。网络选择执行模块为可编程模块，可根据网络选择算法开发者需求对具体的选择算法进行调整。

网络选择执行模块根据网络选择决策模块的网络选择需求，通过不同的网卡实现网络连接；网络选择执行模块能够实现可变包内容、可变包大小、可变传输频率和可变传输类型的网络消息。网络选择执行模块为可编程模块，可根据网络选择开发者需求或测试者需求，提供不同类型的负载，包括且不限于TCP、UDP传输需求。

以上模块在工作时，工作流程如图3所示。首先依照多终端场景模拟模块进行系统初始化，初始化内容包括模拟终端数量、各网络初始化终端数量、网络性能评价函数、传输消息内容格式、切换周期、切换概率和切换行为触发点；多终端场景模拟模块根据初始化参数执行首次消息传输；与此同时，异构网络终端接收其他终端发出的消息并将接收到的消息传送至数据收集模块，数据收集模块根据接收到的信息结合本地消息基于预设网络性能评价函数做出网络性能评价，并将网络性能评价结果传输至网络选择决策模块，网络选择决策模块根据网络性能评价结果做出切换决策，最后通过网络选择执行模块根据网络选择决策模块选择出的目标网络，按照自定义触发逻辑实现网络的切入和切出，实现车载异构网络的测试。

切换决策触发时间依照多终端场景模块预设执行。

上述面向车载异构网络的计算机测试平台具有如下功能：

1)设备可假设于汽车上，实现在车辆环境下车载异构网络的测试；

2)系统同时接入异构网络终端所支持的所有无线网络系统，实现车辆环境下的网络接入，并通过软切换实现车载异构网络的选择和切换过程；

3)通过二次开发，实现车载异构网络选择算法的搭载与测试，车载异构网络选择算法可以自定义所需的网络性能参数，用户/应用偏好参数，网络接入价格和价格权重系数，模拟终端数量，模拟负载类型和其他切换逻辑。用于不同车载异构网络选择算法的性能验证和对比测试；

4)系统兼容不同种类的无线接入技术，能够为测试场景中的应用提供透明传输服务。

上述面向车载异构网络的计算机测试平台的工作流程如图4所示，包括A)连接设备，确定网络编号，B)配置算法，包括网络选择决策配置和逻辑配置，C)确定网卡配置和场景配置，D)接入异构网络，E)执行。

具体工作流程按照以下步骤执行。

A.连接设备，确定网络编号：

a)按照设备接口需求，将多个以太网卡通过PCI-E接口或USB接口连接到计算机，将异构网络终端分别连接到多个以太网卡；

b)设备上电，检查设备工作情况，如果设备无法正常工作则重新检查并连接设备；

c)按照异构网络连接需求配置网卡IP地址、网关和子网掩码信息；并记录网卡对应异构网络编号；

d)测试网络连接，确定各个网络独立工作正常；

B.配置算法，包括网络选择决策配置和逻辑配置。

a)配置网络评价函数f(x)，其中x为数据收集模块采集的网络参数向量；

b)配置网络切换逻辑，设置网络切换行为和判定行为流程；

c)配置网络切换概率p(x)，其中x为数据收集模块采集的网络参数向量；

C.确认网卡配置和场景配置：

a)将在网络编号确定过程中确定的网络参数与对应的套接字相匹配，以实现网络软切换；

b)根据测试需求确定网络负载、确定传输协议、消息发送频率、包尺寸和传输内容；

c)调整其他需要调整的测试场景，包括网络测试时间、模拟终端数量和日志配置。

D.接入异构网络：

a)确认网络参数未发生变化，每种无线接入网络连接通信正常，然后执行测试，记录测试参数信息。

具体实施例：

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：融合DSRC、LTE和Wi-Fi的多因素决策车载异构网络切换测试

测试对象是多因素决策车载异构网络切换算法的性能，包括候选网络，DSRC、LTE和Wi-Fi的网络性能参数变化，虚拟终端切换行为变化；在测试系统中，每个异构网络终端以10Hz频率向周围环境广播信标信息；信标包括虚拟终端ID、信息发送时间、信息序号以及占位符，单个包长190字节；系统模拟20台终端广播消息下的异构网络环境，每辆汽车搭载的测试平台模拟10台终端；

测试预制条件：系统内功能模块加电并正常运行，两辆汽车搭载本发明所提供异构网络计算机测试平台；DSRC、LTE和Wi-Fi系统连接正常，LTE和Wi-Fi实现网络附着，具体测试包括以下步骤：

A.连接设备，确定网络编号：

a)通过以太网线将DSRC、LTE和Wi-Fi设备连接到计算机；

b)设备上电，检查DSRC、LTE和Wi-Fi的连接情况，确保DSRC正常广播消息，LTE和Wi-Fi成功附着到目标基站和接入点；

c)对每个以太网卡接入的网络设置IP地址、网关地址以及子网掩码，确保计算机发出的控制信息正常发送给DSRC，且计算机能够通过LTE和Wi-Fi实现透明传输；

d)测试网络连接，确定各个网络能够独立的发布信息。

B.配置算法，包括网络选择决策配置和逻辑配置。

a)配置网络评价函数f(x)，其中x为数据收集模块采集的网络参数向量；在本系统中，x包含丢包率x₁、传输时延x₂和时延抖动x₃；网络评价参数f(x)＝0.45x₁+0.45x₂+0.1x₃。

b)配置网络切换逻辑，网络切换行为在每次广播消息之前作出，判定流程为终端总选择当前最优网络进行消息广播；

c)配置网络切换概率P(x)，对于本系统切换概率P(x)＝1，即每次切换周期均按照切换逻辑进行切换。

C.配置软件，包括网卡配置和场景配置。

a)配置三个网卡的编号信息，用于套接字编程，此处连接DSRC的网卡编号为1，连接LTE的网卡编号为2，连接Wi-Fi的网卡编号为3；用于配置套接字网卡选择；

b)建立消息包格式，消息包格式为【ID】【名称】【时间】【占位符】；占位符保证每个包长度均为190字节；

c)设置模拟网络终端数量为10，车辆1消息包ID为1-10，模拟前10个车载设备，车辆2消息包ID为11-20，模拟后10个车载设备；设置日志名称路径为“D:\test_1.txt”用于记录日志信息；

D.接入异构网络。

a)在两台车上均运行测试程序，测试程序运行一分钟后关闭，读取“D:\test_1.txt”文件，判定工作是否正常，若不正常，返回步骤A检查错误；若正常则开始进行正式测试。

E.执行。

a)两辆测试车辆在测试区域以预设速度进行移动，此处以40km/h移动；

b)开启程序测试功能，执行测试，记录日志文件；

c)处理测试文件，获取每个周期各个终端所附着网络编号、各个周期网络性能评价函数结果和参数指标。

以下给出本发明中涉及的专业缩略语：

专用短程通信(Dedicated Short-Range Communication，简称DSRC)

长期演进(Long Term Extension，简称LTE)

无线保真(Wireless-Fidelity，简称Wi-Fi)

外围组件互连表示(Peripheral Component Interconnect Express，简称PCI-E)

通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)

第五代移动网络(5th Generation Mobile Networks，简称5G)

增强超宽带(Enhanced Ultra-High Bandwidth，简称EUHT)

用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)

传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)。

Claims

1.一种用于车载异构网络的计算机测试系统，其特征在于，包括计算机、以太网卡和异构网络终端；

异构网络终端用于将计算机的网络信息传递到自身所支持的无线网络系统中，同时接收无线网络信息并将接收到的无线网络信息转发到计算机；计算机包括数据收集模块、网络选择决策模块、网络选择执行模块以及多终端场景模拟模块；

2.根据权利要求1所述的一种用于车载异构网络的计算机测试系统，其特征在于，计算机与以太网卡通过USB或PCI-E接口连接，计算机端设有多个接口，以满足多个以太网同时连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于车载异构网络的计算机测试系统，其特征在于，计算机通过套接字编程实现多网卡的软切换。

4.根据权利要求1所述的一种用于车载异构网络的计算机测试系统，其特征在于，异构网络终端包括基于功能调用的网络终端和基于透明传输的网络终端；计算机通过网卡向基于功能调用的网络终端的网络端口发送消息，基于功能调用的网络终端响应该消息并对消息进行无线网络上的转发；基于透明传输的终端在实现网络配置后，计算机直接向目的终端发送消息，实现透明传输。

5.根据权利要求1所述的一种用于车载异构网络的计算机测试系统，其特征在于，数据收集模块基于接收到的消息对车联网系统中各个网络的性能参数进行收集；同时接收多终端场景模拟模块的网络接入成本和切换逻辑主观数据，将两种信息结合进行评价得到评价结果，并将评价结果发送给网络选择决策模块，供其参考进行网络选择决策。

6.一种基于权利要求1所述测试系统的车载异构网络测试方法，其特征在于，包括以下步骤：首先依照多终端场景模拟模块进行计算机系统初始化，初始化后多终端场景模拟模块根据初始化参数执行首次消息传输；与此同时，异构网络终端接收其他终端发出的消息并将接收到的消息传送至数据收集模块，数据收集模块根据接收到的信息结合本地消息基于预设网络性能评价函数做出网络性能评价，并将网络性能评价结果传输至网络选择决策模块，网络选择决策模块根据网络性能评价结果做出切换决策，最后通过网络选择执行模块根据网络选择决策模块选择出的目标网络，按照自定义触发逻辑实现网络的切入和切出，实现车载异构网络的测试。

7.根据权利要求6所述的车载异构网络测试方法，其特征在于，计算机初始化内容包括模拟终端数量、各网络初始化终端数量、网络性能评价函数、传输消息内容格式、切换周期、切换概率和切换行为触发点。

8.根据权利要求7所述的车载异构网络测试方法，其特征在于，计算机初始化内容具体包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的车载异构网络测试方法，其特征在于，将完成初始化的计算机搭载不同测试车辆上，开启程序测试功能，执行测试，记录测试日志文件；通过测试日志文件获取每个周期各个终端所附着网络编号、各个周期网络性能评价函数结果和参数指标。