CN110290495A

CN110290495A - 车联网频谱协作仿真系统

Info

Publication number: CN110290495A
Application number: CN201910509465.2A
Authority: CN
Inventors: 吴启晖; 金珊珊; 董超
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2019-09-27

Abstract

本发明提供了一种车联网频谱协作仿真系统,属于车联网仿真领域。该车联网频谱协作仿真系统包括交通仿真模块，车联网动态分组模块，网络仿真模块,车联网频谱协作模块以及实时显示模块。本发明使得车联网仿真系统能够同时兼顾车联网场景的真实性和根据频谱态势进行动态换频的功能。该仿真系统无论是在车联网的场景上，还是在换频效果上，都具有非常直观的、可靠的展示效果。

Description

车联网频谱协作仿真系统

技术领域

本发明涉及一种车联网频谱协作仿真系统,属于车联网仿真领域。

背景技术

车辆自组织网络简称车联网（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs），是移动自组织网络的一种特殊形式，对于提升道路交通的信息化，减少交通事故，提高交通安全，均具有十分重要的意义，近年来已成为智能交通领域的研究热点。在车联网中，车辆可以通过车载单元（On-Board Unit，OBU）实现与其通信范围内车辆的V2V（Vehicular to Vehicular）通信，同时，车辆也可以通过道路两侧的路边单元（Road Side Unit，RSU）与其通信范围内的车辆实现V2R（Vehicular to RSU）通信。在未来，车辆还可以与路边行人以及路灯等路边交通设施进行通信，进一步为自动驾驶等应用提供有力的支持。

由于车辆具有高度的移动性，无线频谱资源就成为车联网的重要资源。1999年，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）为智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）分配了5850MHz-5925MHz总共75MHz的带宽，用于IEEE 802.11p技术标准，其中，5850MHz-5855MHz的5MHz是预留的保护频段，余下的从5855MHz-5925MHz频段共划分了7个信道，每个信道的带宽为10MHz。同时，FCC对每个信道的业务进行了定义，包括1个控制信道（CCH：Control CHannel）和6个服务信道（SCH：ServiceCHannel）。可以看出，FCC固定了这些信道的使用方式，具体来说，控制信道用于传输安全控制类消息，而服务信道则用于传输用户的业务信息。

随着包括自动驾驶、道路安全通告以及车内娱乐等车联网业务的发展与普及，固定分配的频谱使用模式已经无法满足需求。首先，车联网的拓扑是不停变化的，每一时刻都可能会有车辆加入或离开网络，网络拓扑随时间和位置的动态变化导致了频谱资源需求的动态性；其次，不同地域中的车辆密度不同，比如，城区的车辆密度会远远大于郊区，对任何地域都采用固定的频谱分配方式就显得灵活性不足；第三，车联网的网络环境十分复杂且在动态变化，物联网的兴起导致用频设备增多，这加剧了无线频谱环境的复杂性与动态性，车联网也不能幸免。因此，无论从车联网的动态用频需求还是车联网频谱资源本身的动态性来说，固定分配的频谱使用模式都会加剧车联网频谱资源的紧缺问题，频谱资源的动态灵活运用就成为了车联网发展的关键问题。

利用仿真来研究车联网可以不受测试成本和地点等因素的影响，并且还可以快速获得比较可靠的结果。近些年，有些研究是为了使车联网的场景更加符合实际而在交通仿真上所做研究，有些是在车联网网络仿真上进行了有益的探索，但都无法同时满足车联网真实性和车联网频谱资源的特征，比如，车辆有限的通信距离导致的频谱可重用性等。因此，如何使得车联网场景真实并且可以进行频谱级别的改造成为车联网仿真亟待解决的问题。

发明内容

针对现有仿真系统的缺陷或问题，本发明提出了一种车联网频谱协作仿真系统，用于针对车联网仿真系统能够同时兼顾车联网场景的真实性和根据频谱态势进行动态换频的功能需求。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种车联网频谱协作仿真系统，包括交通仿真模块、车联网动态分组模块、网络仿真模块、车联网频谱协作模块和实时显示模块，其中交通仿真模块、车联网动态分组模块、车联网频谱协作模块和网络仿真模块顺序连接，网络仿真模块分别与交通仿真模块和实时显示模块连接；

所述交通仿真模块，用于生成车辆的真实移动轨迹；

所述车联网动态分组模块，利用车辆的移动轨迹来对车辆进行分簇处理；

所述网络仿真模块，用于搭建车联网仿真场景，导入百度卫星地图和车辆移动轨迹，实时显示车辆分簇结果，进行实时换频和指定频率传输，视频和雷达模拟流量传输；

所述车联网频谱协作模块，用于根据信道增益以及分簇结果进行频谱决策；

所述实时显示模块，用于展示仿真过程中各个信道吞吐量和整个系统的吞吐量，以及系统的丢包率。

整个仿真系统分为离线部分和在线部分，所述离线部分包括交通仿真模块和车联网动态分组模块，所述在线部分包括网络仿真模块、车联网频谱协作模块和实时显示模块。

所述网络仿真模块和车联网频谱协作模块之间使用UDP来传输信息。

本发明的有益效果如下：

所述的车联网频谱协作仿真系统使得车联网仿真系统能够同时兼顾车联网场景的真实性和根据频谱态势进行动态换频的功能。该仿真系统无论是在车联网的场景上，还是在换频效果上，都具有非常直观的、可靠的展示效果。

附图说明

图1为本发明所涉及的仿真系统组成图。

图2为本发明所涉及的仿真流程图。

图3为本发明的网络仿真模块EXata分簇效果示意图。

图4为本发明的轨迹产生的流程图。

图5（a）为本发明换频前信道吞吐量示意图；图5（b）为本发明换频前系统吞吐量示意图；图5（c）为本发明换频前系统丢包率示意图。

图6（a）为本发明换频后信道吞吐量示意图；图6（b）为本发明换频后系统吞吐量示意图；图6（c）为本发明换频后系统丢包率示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的车联网频谱协作仿真系统包括如下模块：交通仿真模块（SUMO），生成车辆的真实移动轨迹；车联网动态分组模块（Matlab），利用车辆的移动轨迹来对车辆进行分簇处理；网络仿真模块（EXata），搭建车联网仿真场景，导入百度卫星地图和车辆移动轨迹，实时显示车辆分簇结果，进行实时换频和指定频率传输，视频和雷达模拟流量传输；车联网频谱协作模块（Matlab），根据信道增益以及分簇结果进行频谱决策；实时显示模块，展示仿真过程中各个信道吞吐量和整个系统的吞吐量，以及系统的丢包率。该仿真系统的组成如图1所示。

整个仿真系统分为离线部分和在线部分，仿真过程包括如下步骤，详细仿真流程图请见图2：

a、在交通仿真模块（SUMO）上配置车辆的场景，交通仿真结束后得到车辆的移动轨迹。

b、在网络仿真模块（EXata）上配置好节点，网络协议栈，以及ScenarioBackground Image File（背景文件）。

c、将车辆的移动轨迹分别发送给网络仿真模块（EXata）和车联网动态分组模块（Matlab）。

d、车联网动态分组模块（Matlab）对车辆进行分簇处理，并将分簇结果传给车联网频谱协作模块（Matlab）。

e、仿真进入在线执行阶段，网络仿真模块（EXata）将实时信道增益发送给车联网频谱协作模块（Matlab）, 车联网频谱协作模块（Matlab）通过频谱决策将换频信息以及分簇信息返回给网络仿真模块（EXata）。在图3中我们可以看到在簇内的车辆有阴影标识。

f、网络仿真模块（EXata）进行换频操作，然后将雷达和视频的模拟流量传输完毕后，再重复步骤d的操作。

g、网络仿真模块（EXata）和车联网频谱协作模块（Matlab）实时地将仿真结果和计算结果发送给实时显示模块。实时显示模块如图5、图6所示。

在步骤b中，网络仿真模块（EXata）的Scenario Background Image File是通过水经注下载的19级瓦片图经过拼接得到的.jpg。网络仿真模块（EXata）中地图效果如图3所示。

在步骤c中，将交通仿真模块（SUMO）仿真结束后产生的.tr文件和.net.xml文件经转换得到网络仿真模块（EXata）场景中的车辆节点的.node文件。车辆节点轨迹产生的流程图如图4所示。

在步骤e中模块之间使用UDP（用户数据报协议）来传输，消息格式为json。步骤如下：

1、车联网频谱协作模块守护于5666端口接收数据信息。车联网频谱协作模块收到网络仿真模块（EXata）信息后要向6132端口回送“ACK（确认字符）”,以实现流量控制，车联网频谱协作模块向实时显示模块发送了显示数据后，要等待实时显示模块回送“X_ACK（确认字符）”信息，直到收到该信息才可以进行下一次显示信息的发送，否则不再给实时显示模块送显示数据。

2、网络仿真模块（EXata）守护于6132端口接收“ACK”（确认字符）信息，以实现流量控制；

3、实时显示模块守护于7132端口接收信息，收到网络仿真模块（EXata）数据后要向6132端口回送“X_ACK”（确认字符）消息；收到车联网频谱协作模块的数据后，要向5666端口回送“X_ACK” （确认字符）消息。

在步骤f中需要将网络仿真模块（EXata）进行频谱级别的修改才能实现换频和流量加载功能。操作步骤如下：

1、在propagation.cpp（EXata源文件）自定义一个fading（衰落）模型，fading模型包含两个取值，一是网络仿真模块（EXata）自身计算的fading值，二是传给车联网频谱协作模块的fading值。目的是使得频谱协作的结果在传给车联网频谱协作模块的fading模块下执行换频和流量加载命令，流量传输完毕后，网络仿真模块（EXata）再计算fading值，然后将新的fading值传给车联网频谱协作模块。

2、启动定时器，周期性地读取公共存储空间模块中的path_loss（路径损耗）和path_fading（路径衰落）中的值，并一次性通过EXTERNAL_ForwardData()（反馈给外部接口信息的函数）函数将数据发送给车联网频谱协作模块。

3、在物理层初始化时将将接口与信道匹配，在StartTransmittingSignal()（开始传输信号函数）中根据频谱协作模块指定的channel（信道）来发送信号。

4、在InterfaceTutorialReceive()（接口接收函数）函数中接收到的数据包信息，在external.cpp（支持外部接口的源程序）中MSG_EXTERNAL_SendPacket（发送外部传来的数据包的函数）下发给目标节点相应数据包。

仿真运行过程中，通过实时显示模块可以展示各个信道以及整个系统的吞吐量和丢包率。图5(a)、6(a)所示的实时显示模块上，current表示当前时间，load表示可以回放，channel（数字）表示用到的信道号；图5(b)、6(b)中receive bps表示接收速率，sent bps表示发送速率；图5(c)、6(c)中drop ratio表示丢包率。

当时间为75s时，信道1被完全干扰并且传输速率为0bps；此时系统吞吐量如图5（b）所示，在图5（c）中的可以看出，系统丢包率明显上升。如图6(a)所示，仿真时间为80s时，信道1仍然被干扰，但是在这过程中车联网频谱协作模块根据信道状态决策出最合适的信道并将换频信息传给网络仿真模块（EXata）后，节点切换到信道19上进行传输，从图6（b）中可以看出，相比75s时，系统的吞吐量没有受到很大的影响，图6（c）中丢包率开始下降，说明了在仿真系统上实现了频谱协作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种车联网频谱协作仿真系统，其特征在于，包括交通仿真模块、车联网动态分组模块、网络仿真模块、车联网频谱协作模块和实时显示模块，其中交通仿真模块、车联网动态分组模块、车联网频谱协作模块和网络仿真模块顺序连接，网络仿真模块分别与交通仿真模块和实时显示模块连接；

所述交通仿真模块，用于生成车辆的真实移动轨迹；

2.根据权利要求1所述的车联网频谱协作仿真系统，其特征在于，整个仿真系统分为离线部分和在线部分，所述离线部分包括交通仿真模块和车联网动态分组模块，所述在线部分包括网络仿真模块、车联网频谱协作模块和实时显示模块。

3.根据权利要求1所述的车联网频谱协作仿真系统，其特征在于，所述网络仿真模块和车联网频谱协作模块之间使用UDP来传输信息。