CN111586634B - V2x外场测试场景映射方法、测试方法和测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种V2X外场测试场景映射方法、测试方法和测试系统，该V2X外场测试场景映射方法包括如下步骤：在测试场景库中确定测试场景；将测试场景中的通信因素和环境因素映射到测试系统中，控制测试系统中开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；开启节点(及参与车辆)进行广播通信并输出通信结果。本发明对V2X测试系统中的测试场景库进行设计，既考虑车辆密度，多普勒频移等通信因素，又考虑天气特征，道路特征，建筑物特征等环境因素，将抽象场景描述参数化，场景控制模式简单，测试灵活性高，场景转换效率高。
Description
技术领域
本发明属于外场测试技术领域，涉及一种V2X外场测试场景映射方法、测试方法和测试系统。
背景技术
V2X(Vehicle-to-everything)技术与传感器技术协同工作，以消除危及生命的碰撞并实现未来的自动驾驶。V2V(Vehicle-to-Vehicle communication)通信是V2V系统的基石，它使车辆能够无线交换实时状态消息。测试规范的缺乏严重阻碍了支持V2V设备的市场化进程。
在以市场为导向的发展过程中，汽车制造商关心如何评估V2X部件的整体性能。在过去的几年里，研究人员和测试机构开发了一些现场测试方案，并在示范地区实施了大量测试，如美国密歇根州的M-city，中国上海的Anice city，瑞典的AstaZero。然而，大多数现场测试遵循车辆测试规则，这些规则只关注车辆应用测试，而忽略通信测试。且很多学者使用仿真平台进行研究性测试，但仿真平台通常具有理想化的特点，忽略很多现实因素。为了克服基于理论仿真研究的局限性，车间通信的测试必须还原真实的场景。
目前已有的测试平台一般会提供(a)可控的车密度，(b)持续的可用性和频繁的移动性，(c)路边基础设施的光纤骨干，(d)远程实验的互联网接入。而在现有的车联网外场测试中往往着重于应用测试，并且大部分的应用测试都是双车(三车)环境下的，没有基于通信性能的测试。另外，测试平台一般默认通信环境是理想的，最多也只是信道的模拟，没有考虑干扰的因素。测试的结果并没有把通信和应用区分开来，不利于安全应用开发的快速诊断。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种V2X外场测试场景映射方法、测试方法和测试系统。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种V2X外场测试场景映射方法，其包括如下步骤：
在测试场景库中确定测试场景；
当测试场景中有待测车辆参与时，获取待测实际场景中待测车辆的信息；
将所述测试场景中的通信因素和环境因素映射到测试系统中，控制测试系统中开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；
所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果。
本发明对V2X测试系统中的测试场景库进行设计，既考虑车辆密度，多普勒频移等通信因素，又考虑天气特征，道路特征，建筑物特征等环境因素。
本发明完善了V2X测试的测试场景定义，改变现有实际应用中多是应用场景缺少对通信场景的定义，本发明能够将应用测试和通信测试很好的联合起来。解决目前外场测试中不同车辆密度场景和干扰场景的模拟困难问题，特别是降低了密度条件下V2X测试的成本(由于成本、实际场地限制等原因，难以模拟实际道路雨雾天气场景等原因，现有的很多涉及车辆密度场景的测试都是利用仿真进行的)。
本发明采用将抽象场景描述为参数化的方法，场景控制模式简单，测试灵活性高，场景转换效率高，使任意场景下车辆的密度条件可控。
根据本发明一种优选实施方式，所述通信因素包括车辆密度因素和多普勒频移因素，所述环境因素包括天气条件因素、路径损耗因素和建筑物特性因素。本发明的测试场景库既考虑车辆密度，多普勒频移等通信因素，又考虑天气特征，道路特征，建筑物特征等环境因素，解决目前外场测试中不同车辆密度场景和干扰场景的模拟困难问题。
根据本发明的另一种优选实施方式，控制测试系统中开启节点的数目的方法为：对于模拟道路上的车辆密度小于节点数目的中低车辆密度的环境，均匀选择开启相应数目的节点，根据待测实际场景中车辆在道路中的车道位置，当车辆在道路一侧则选择开启车辆侧的节点，当车辆位于中间车道则开启道路双侧的节点。
根据本发明的再另一种优选实施方式，控制开启节点的信息发射速率的方法为：对于模拟道路上车辆密度小于节点数目的中低车辆密度的环境，开启节点的发射速率为r0；当模拟道路上的车辆数目超过道路上铺设的节点总数时，则通过提高消息发送速率来增加虚拟车辆的数目，节点发送速率
其中，r0是V2X通信协议标准中规定的信息发送速率，nr为该场景下模拟道路上的车辆数量，nm为节点的数量。
通过调节信息发送速率以及开启节点数目来实现车辆密度控制。
根据本发明的再另一种优选实施方式，控制开启节点的信息发射功率的方法为：
pi'＝p0-μi'，
其中，p0初始功率，μi'为开启的第i个节点的信号衰减量，i＝1,2,…N，N为开启的节点总数，
利用信号衰落的分布特性函数生成各开启节点随机分布于其正态分布函数上的信号衰减量μi'，
其中信号衰落的分布特性函数：
μ为衰减均值，σ2为从测试场景对应的实际场景测量样本中得到的衰减方差。
通过控制开启节点的信息发射功率，实现天气、路径损耗、路侧建筑物以及多普勒效应等因素对V2X通信的影响。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种V2X外场测试方法，其包括如下步骤：
S1，建立V2X外场测试系统，建立测试场景库，当测试场景中有待测车辆参与时，执行步骤S2，当测试场景中没有待测车辆参与时，执行步骤S3；
S2，获取待测实际场景中待测车辆的信息；
S3，将所述测试场景中与待测实际场景信息对应的通信因素和环境因素映射到测试系统中，控制测试系统中开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；
所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果。
本发明的V2X外场测试方法从两方面考虑测试场景，一个是通信因素，另一个是环境因素。将抽象化的环境描述转化为具体的参数配置，实现通信场景库与实际测试系统配置参数的映射，提高了V2X外场测试的准确性。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种外场测试系统，其包括服务器以及分布于道路两侧的多个节点，在所述服务器中设置有测试场景库，所述服务器利用本发明映射方法将所述测试场景中的通信因素和环境因素映射到测试系统的节点，控制开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果。
本发明的外场测试系统全面考虑通信因素和环境因素，将抽象化的环境描述转化为具体的参数配置，实现通信场景库与实际测试系统配置参数的映射，控制控制开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率，提高了V2X外场测试的准确性。
附图说明
图1是本发明一种优选实施方式中V2X外场测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明用以支撑V2X外场测试，提高其测试完善性。提升V2X技术的安全性能保障和加快其技术成熟。
本发明从两方面考虑测试场景，一个是通信因素，另一个是环境因素。研究两种因素所对应的各种特征，将抽象化的环境描述转化为具体的参数配置，实现通信场景库与实际测试系统配置参数的映射。
本发明定义了V2X外场测试中的场景库及每个场景库与测试系统配置参数的映射方式，即系统中实际选择的模拟测试场景与系统配置间的对应关系。
首先，建立V2X测试场景库并对V2X测试场景库参数化。
V2V通信性能的下降通常由多种原因造成，如恶劣天气会影响信道质量，高车辆密度将会带来较高的信道竞争和同频干扰。本发明需要分析不同的道路场景，并从所关注的道路场景中提取不同的环境因素并进行分类，以使各单因素可控并可组合。
为了将场景库应用于V2X外场测试系统，需要定量分析场景库中的环境单影响因素。并且为了将场景库应用到实际V2X测试系统中，需要在控制变量条件下，明确各单因素对应造成的信号衰减的量，再将各单因素对应的衰减量组合映射为测试系统中的配置参数。另外，在真实行车环境中，各车辆因位置、速度等的不同，信号受到环境的衰减作用并不相同，各车辆的衰减应该在一定区间内变化。如图1所示，路侧各节点获取服务器下发的配置进行V2X消息的收发模拟，以模拟不同环境以及不同车辆密度场景。
步骤一：道路场景选择，V2X通信影响因素的提取、分类及其定量分析。
本发明主要考虑的三种道路场景：高速公路，城市道路以及乡村公路。基于以上道路场景，影响V2X通信的主要因素可以分为两大类：通信因素以及环境因素。通信因素包括车辆密度和多普勒频移。
车辆密度通过公式ρ＝V/C进行计算，其中V为道路实时车辆数，C为最大通信容量。2018年，北京市交通委公布了《北京市自动驾驶汽车试验道路要求》，确定了四个密度等级，见表1。
表1.车辆密度的等级
| 车辆密度等级 | 车辆密度 | 每100米车辆数目 |
| 低 | <0.3 | 15 |
| 中 | 0.3-0.6 | 25 |
| 高 | 0.6-0.8 | 50 |
| 拥塞 | >0.8 | 100 |
V2V通信为车辆高速移动场景，根据3GPP Release 14，扩展车辆A(EVA)衰落信道的多普勒频移计算为：
其中c相对运动速度，λ为中心频率的波长，θ为天线的仰角。3GPP Release 14规定LTE-V2X的工作频率为5.9GHz。本发明假设θ＝0，并考虑三种相对移动速度，如表2所示。
表2.多普勒效应等级
| 场景 | 车辆相对移动速度 | 多普勒频移 | 衰减(dB) |
| 城区 | 60km/h | 320Hz | 0.6 |
| 高速公路 | 120km/h | 650Hz | 2.5 |
| 高速公路(反方向) | 200km/h | 1090Hz | 8.0 |
环境因素包括天气条件、路径损耗和建筑物特性。
本发明选择天气条件中的两种普遍情况进行考虑：雨和雾。ITU-R P.838和ITU-RP.840分别根据感知和能见度定义了雨、雾衰减率的计算方法：
γR-kRα，
其中，系数k和α取决于频率f(GHz)和电磁波的极化方式，在本发明中采取水平路径和圆极化，频率为5.9GHz。根据ITU-R P.838中公式计算得到αH＝1.6002，αV＝1.5788，kH＝0.00064027,kV＝0.00044763，最后得到α＝1.5914，k＝0.00054395，由此总结了表3所示几种情况。
表3.降雨等级与衰减率的对应关系
| 降雨等级 | 降雨量 | 衰减率dB/km |
| 小雨 | 10mm/h | 0.0212 |
| 中雨 | 25mm/h | 0.0913 |
| 大雨 | 50mm/h | 0.2750 |
| 暴雨 | 100mm/h | 0.8287 |
| 大暴雨 | 250mm/h | 3.5617 |
| 特大暴雨 | 300mm/h | 4.7607 |
雾衰是由通常小于0.01cm的小水滴组成的云或雾造成的，可根据ITU-RP.840计算，本发明将起雾天气分为了5个等级，其对应的能见度及衰减量如表4所示。
表4.起雾等级与衰减率的对应关系
| 等级(25oC) | 能见度m | 衰减率(dB/km) |
| 轻雾 | 1000 | 5.3182e-05 |
| 雾 | 500 | 1.5465e-04 |
| 大雾 | 200 | 6.3413e-04 |
| 浓雾 | 50 | 0.0054 |
| 强浓雾 | 30 | 0.0118 |
路径损耗与道路特性密切相关，在直行道路/开放区域情况下只考虑视线(Line-of-sight,LOS)路径损失，其表示为
PL＝22.7log10d+27+20log10fc,
其中d是发送者和接收者之间的距离，fc是工作频率，在交叉口情况下，应考虑非视距范围(Non-line-of-sight,NLOS)损失，NLOS损失可计算为：
PL＝min(PL(d1,d2),PL(d2,d1))，
其中，
PL(dk,dl)＝PLLOS(dk)+17.3-12.5ηj+10ηjlog(dl)+3log10(fc)，
ηj是一个与dk相关的系数，取值为ηj＝max(2.8-0.0024dk，1.84)，
dk与dl分别表示十字路口中k、l两辆车到十字路口中心的距离，
PLLOS(dk)是当d取dk时由LOS路径损耗公式
PL＝22.7log10d+27+20log10fc所计算出的LOS路劲损耗值。
本发明采用三维模型，(例如3D窄带MIMO车载通信信道的频率非选择性的衰落信道模型)模拟不同城市建筑物高度环境的衰落特征。三维模型引入了仰角因子。本发明只考虑关键场景，即道路被玻璃建筑包围，其反射系数(c)约为0.8。根据模型模拟和现场实测结果，得到了不同城市建筑物高度环境的路径损耗，建筑特征及相应参数见表5。
表5.建筑特征及相应参数
步骤二：V2X测试场景库的设计
本专利考虑乡村道路，城市道路以及高速公路三种道路场景，把道路情形对V2X通信的影响因素分为了五大类。场景库的建立需要再根据实际道路的情况(考虑不同道路的限速情况等)进行建立。以直道和十字路口两种道路类型为基础，可以考虑的有高速直道，乡村公路直道，城市道路直道以及城市道路十字路口四种道路环境。
在四类道路环境的基础上，根据实际情况对不同的环境因素进行合理组合，可以得到典型的道路场景的测试用例，用于外场测试。场景组合时各个道路因素之间有约束关系，例如建筑物高度受到道路场景限制，乡村直道不会出现高层建筑；车辆速度也受到道路场景和车辆密度的限制，继而影响多普勒效应；此外，天气情况也会影响车辆速度。所以，场景组合时需要综合考虑以上因素。以下测试用例组合只考虑极端恶劣天气(降雨量为250mm/h，能见度为50m)，实际测试中可以细分天气恶劣等级进行组合。
在高速路场景下，通常没有路侧建筑物，主要的考虑因素为由较高车辆移动速度造成的多普勒效应和车辆密度的影响。通常高速路上的车辆车速在60km/h至120km/h之间，考虑低、中、高三种程度的多普勒频移；通常会有低、中、高三种车辆密度；同时只需要考虑LOS的路径损耗。表6展示了高速公路直道的典型场景及其特点。
表6.高速公路直道的典型场景
乡村公路一般车辆密度较低，车辆速度也较低；路侧通常为低矮建筑物，因而除了考虑LOS路径损耗之外也考虑低矮建筑物引起的NLOS带来的路径损耗。表7展示了乡村公路直道的典型场景及其特点。
表7.乡村公路直道的典型场景
城市道路场景有更多的可变因素，如车辆密度情况和建筑物高度均可以取不同等级。但因为城市道路的限速，多普勒造成的影响则有限。表8展示了城市道路直道的典型场景及其特点。
表8.城市道路直道的典型场景
在城市道路十字路口场景中，环境节点铺设在测试场地的十字路口中，其测试用例与直道相似。
基于以上场景设置，本发明提供了一种V2X外场测试场景映射方法，其包括如下步骤：
在测试场景库中确定测试场景；
将所述测试场景中的通信因素(包括车辆密度因素和多普勒频移因素)和环境因素(包括天气条件因素、路径损耗因素和建筑物特性因素)映射到测试系统中，控制测试系统中开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率，在本实施方式中，如图1所示，可对实际车辆进行测试，节点模拟其他车辆；也可没有实际车辆，只开启测试系统的节点模拟车辆的通信。
所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，即节点之间广播通信(在通讯设备通信距离范围之内)。或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果，即车辆之间、车辆与节点之间、节点之间都可以广播通信(在通讯设备通信距离范围之内)。
在本实施方式中，控制测试系统中开启节点的数目的方法为：
根据不同场景的不同密度情况，以表1所示选取要模拟的车辆数目，开启相应节点数目，但是当模拟的车辆数目>实际最大节点数时，则开启所有节点，并采用倍速的方式来模拟所需数量。
对于模拟道路上的车辆密度小于节点数目的中低车辆密度的环境，均匀选择开启相应数目的节点，具体根据待测实际场景中车辆在道路中的车道位置，当车辆在道路一侧则选择开启车辆侧的节点，当车辆位于中间车道则开启道路双侧的节点。例如，假设当待测车辆在最左侧车道，所有其余车辆都在其右侧，则选择开启节点数目并均匀开启道路中右侧的节点；左侧节点的开启同理；当待测车辆位于中间车道，则开启双侧。
控制开启节点的信息发射速率的方法为：
对于模拟道路上车辆密度小于节点数目的中低车辆密度的环境，开启节点的发射速率为r0；
当模拟道路上的车辆数目超过道路上铺设的节点总数时，则通过提高消息发送速率来增加虚拟车辆的数目，节点发送速率
其中，r0是V2X通信协议标准中规定的信息发送速率，nr为该场景下模拟道路上的车辆数量，nm为节点的数量。
控制开启节点的信息发射功率的方法为：
pi'＝p0-μi'，
其中，p0初始功率，μi'为开启的第i个节点的信号衰减量，i＝1,2,…N，N为开启的节点总数，
场景中有多个节点的衰减率呈正态分布，计算得到每种场景对应正态分布公式的参数(μ和σ2)，就可以按照此正态分布函数随机生成衰减量，随机数个数为参与的节点数量。利用信号衰落的分布特性函数生成各开启节点随机分布于其正态分布函数上的信号衰减量μi'。
信号衰落的分布特性函数：
μ为衰减均值，σ2为从测试场景对应的实际场景测量样本中得到的衰减方差。μ可通过MATLAB软件信道建模得到，σ2为从测试场景对应的实际场景测量样本中得到的衰减方差，事先(场景库参数映射的前期工作)通过在实际场景中多次采集相应场景数据，然后求多组数据的方差值得到的。
本发明提供了一种外场测试系统，其包括服务器以及分布于道路两侧的多个节点，在所述服务器中设置有测试场景库，所述服务器利用本发明的映射方法将所述测试场景中的通信因素和环境因素映射到测试系统的节点(前面已经描述，此处不再赘述)，控制开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果。
本发明还提供了一种V2X外场测试方法，其包括如下步骤：
建立V2X外场测试系统，具体可采用现有的任意测试系统，也可以采用本发明所述的测试系统。
建立测试场景库，测试场景中包括通信因素(包括车辆密度因素和多普勒频移因素)和环境因素(包括天气条件因素、路径损耗因素和建筑物特性因素)。
获取待测实际场景中待测车辆的信息，例如待测测量的位置信息，MAC地址和IP地址信息，如果实际测试中没有待测车辆，直接进行下一步将测试场景中与待测实际场景信息对应的通信因素和环境因素映射到测试系统中。MAC地址和IP地址信息用于在测试中识别待测设备，以便于正确接收并识别待测设备发送的数据包。
将所述测试场景中与待测实际场景信息对应的通信因素和环境因素映射到测试系统中，控制测试系统中开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果，进而验证通信质量。
在本发明说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种V2X外场测试场景映射方法，其特征在于，包括如下步骤：
在测试场景库中确定测试场景；
将所述测试场景中的通信因素和环境因素映射到测试系统中，控制测试系统中开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；
控制测试系统中开启节点的数目的方法为：对于模拟道路上的车辆密度小于节点数目的中低车辆密度的环境，均匀选择开启相应数目的节点，根据待测实际场景中车辆在道路中的车道位置，当车辆在道路一侧则选择开启车辆侧的节点，当车辆位于中间车道则开启道路双侧的节点；
控制开启节点的信息发射速率的方法为：对于模拟道路上车辆密度小于节点数目的中低车辆密度的环境，开启节点的发射速率为r0；当模拟道路上的车辆数目超过道路上铺设的节点总数时，则通过提高消息发送速率来增加虚拟车辆的数目，节点发送速率
其中，r0是V2X通信协议标准中规定的信息发送速率，nr为该场景下模拟道路上的车辆数量，nm为节点的数量；
控制开启节点的信息发射功率的方法为：
pi'＝p0-μi'，
其中，p0初始功率，μi'为开启的第i个节点的信号衰减量，i＝1,2,…N，N为开启的节点总数，
利用信号衰落的分布特性函数生成各开启节点随机分布于其正态分布函数上的信号衰减量μi'，
其中信号衰落的分布特性函数：
μ为衰减均值，σ2为从测试场景对应的实际场景测量样本中得到的衰减方差；
所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果。
2.如权利要求1所述的V2X外场测试场景映射方法，其特征在于，所述通信因素包括车辆密度因素和多普勒频移因素，所述环境因素包括天气条件因素、路径损耗因素和建筑物特性因素。
3.一种利用权利要求1或2所述V2X外场测试场景映射方法的外场测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，建立V2X外场测试系统，建立测试场景库，当测试场景中有待测车辆参与时，执行步骤S2，当测试场景中没有待测车辆参与时，执行步骤S3；
S2，获取待测实际场景中待测车辆的信息；
S3，将所述测试场景中与待测实际场景信息对应的通信因素和环境因素映射到测试系统中，控制测试系统中开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；
所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果，或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果。
4.一种外场测试系统，其特征在于，包括服务器以及分布于道路两侧的多个节点，在所述服务器中设置有测试场景库，所述服务器利用权利要求1或2所述的映射方法将所述测试场景中的通信因素和环境因素映射到测试系统的节点，控制开启节点的数目、控制开启节点的信息发射功率和发送速率；所述开启节点间进行广播通信并输出通信结果,或者开启节点以及参与车辆均进行广播通信并输出通信结果。
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