CN111741446A - V2x通信与应用联合测试方法及系统 - Google Patents

V2x通信与应用联合测试方法及系统 Download PDF

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CN111741446A CN202010549600.9A CN202010549600A CN111741446A CN 111741446 A CN111741446 A CN 111741446A CN 202010549600 A CN202010549600 A CN 202010549600A CN 111741446 A CN111741446 A CN 111741446A
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Abstract

本发明公开了一种V2X通信与应用联合测试方法及系统，该方法在测试场地的不同测试路段搭建对应不同测试场景的测试系统，当节点上电后，服务器接收节点的上线请求并将其与所属测试场景绑定；选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点；确定应用场景中RV数量、位置并生成相应BSM消息流；HV按照应用流程开始运动及执行消息收发，服务器收集路侧节点、HV节点和RV节点的通信数据信息，进行通信与应用的联合测试分析。本发明同一平台下进行两种测试，有利于提高平台的适用面和安全应用开发的快速诊断。本发明简单灵活地进行V2X应用流程的控制，精确地复现应用场景；用路侧节点模拟实际车辆避免了测试中可能存在的碰撞等安全问题。

Description

V2X通信与应用联合测试方法及系统
技术领域
本发明属于外场测试技术领域，涉及一种V2X通信与应用联合测试方法及系统。
背景技术
在以市场为导向的发展过程中，汽车制造商关心如何评估V2V(Vehicle-to-Vehicle)部件的整体性能。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，且模拟过程不能用于完成车辆功能测试。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。大多数汽车制造商认为，外场测试是可行的解决方案，在真实场景的实车测试可以为研究者提供更真实，更可靠的研究数据。在过去的几年中，研究人员和测试机构开发了几种外场测试方案，并在示范区进行了许多测试，例如美国密歇根州的M-city、中国重庆的智能汽车集成系统测试区(i-VISTA)和瑞典的AstaZero等，福特、通用、本田、现代起亚、奔驰、日产、丰田和大众等八家汽车制造商共3000辆汽车参与到测试中。此外，亚利桑那州Anthem，加利福尼亚州Palo Alto，弗罗里达州Orlando，密歇根州Oakland County，明尼苏达州，纽约Long Island和弗吉尼亚州Mclean都建有联网车辆(Connected Vehicle)实验场。
目前大多数与V2V相关的外场测试的关注点都集中在应用响应性能上，另外有一些关注点在通信性能上，在2012年，VSC3(Vehicle Safety Communications 3)联盟就发布了一个大规模的测试方案，使用带有6个发射器的测试车来模拟不同的车辆密度场景，在100-200辆的规模上进行OEM配置测试、应用程序测试和环路测试。CAMP(Crash AvoidanceMetrics Partnership)和VSC3联盟也进行了一系列的外场试验。基于CAMP的一些实验结果，BinCheng等人针对交通堵塞情况进行了仿真校准，以改进ns-3仿真模型。利用外场实验输出对仿真和实验进行交叉验证，相应的模型被用于几种概念验证(POC)实验设计中。但是这些外场测试只是为了评估通信性能，没有结合应用响应，无法反映通信情况在应用测试中的影响。
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通信与应用联合测试方法及系统。
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通信与应用联合测试方法，其包括如下步骤：
选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点；
确定RV数量，获取RV的位置和运动状态信息，根据应用流程生成BSM信息流，将BSM信息动态注入相应节点；
HV按照应用流程开始运动及执行消息收发，服务器收集路侧节点、HV节点和RV节点的通信数据信息，进行通信与应用的联合测试分析。
本发明面向V2V通信测试与应用联合测试，同一平台下进行两种测试，有利于提高平台的适用面和安全应用开发的快速诊断。本发明可以简单灵活地进行V2X应用流程的控制，且可以较为精确地复现应用场景；同时，用路侧节点模拟实际车辆地方式避免了测试中可能存在的碰撞等安全问题。
根据本发明的一种优选实施方式，选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点之前还包括初始化的步骤：初始化，在测试场地的不同测试路段搭建对应不同测试场景的测试系统，所述测试系统包括路侧节点和服务器，当节点上电后，服务器接收节点的上线请求并将其与所属测试场景绑定。
本发明设置有多种测试场景，保证测试的准确性。
根据本发明的一种优选实施方式，选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点的方法为：
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干扰节点的数目、控制开启干扰节点的信息发射功率和发送速率。
本发明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，控制测试系统中开启干扰节点的数目、控制开启干扰节点的信息发射功率和发送速率；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。
本发明能够将待测设备置于多场景(如高速公路，十字路口，郊区等)中进行测试。本发明采用将抽象场景描述参数化的方法，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。
根据本发明的另一种优选实施方式，在根据应用流程生成BSM信息流获取RV的位置和运动状态信息中，HV与RV之间的模拟通信距离通过控制RV的发送功率来调节，应用响应所依赖的车辆相对位置通过BSM中的车辆位置及加速度信息模拟。
本发明可进行应用测试的模拟，在一次测试中，HV(Host Vehicle，主车)是待测OBU，RV(Remote Vehicle，远端车辆)则由测试系统模拟。由于HV通过RV发送的BSM或其他应用类型消息感知RV，所以可以通过模拟RV的BSM消息来模拟不同位置和运动状态的RV。在实际场景中，HV与RV之间的距离一方面很大程度上决定了应用的响应，另一方面决定着HV与RV之间的通信质量。本发明的应用模拟方式可以简单灵活地进行V2X应用流程的控制，且可以较为精确地复现应用场景；同时，用路侧节点模拟实际车辆地方式避免了测试中可能存在的碰撞等安全问题。
根据本发明的再另一种优选实施方式，数据收集与分析方法为：
系统内环境节点的收发数据包信息由节点实时上传到服务器，数据包具有对应的id和时间戳，服务器获取数据包的平均传包率，网络整体的丢包率，单条数据包的时延，包错误率，信道繁忙度，平均包间间隔这些参数中的至少一者，其中，单个节点的平均传包率的计算方法是：
Figure BDA0002541972630000041
Pi为节点i在测试时间内总共发出的数据包数量；Ri为节点i的周围节点所统计得到的收到的节点i发出的数据包的数量；Dix为节点i在功率x下信息可达节点数量；
网络整体的丢包率，对所有节点的收发包数量求和，其中N为节点总数，
Figure BDA0002541972630000051
单条数据包的时延通过发送时间和接收时间的时间戳差值得出，节点平均时延是一段时间内该节点发出的所有数据包时延的算术平均值。
路侧环境节点除了收到系统内节点发送的信息，也会收到搭载待测设备(HV)及RV(s)的通信数据。在静态测试中，根据接收到HV发送的数据包的节点的位置信息，可以判断并在前端以地图形式展示待测设备的通信范围。通过实时数据分析，可以在任意时刻得到HV在不同距离下的丢包率和时延情况。
根据本发明的再另一种优选实施方式，数据收集与分析方法为：
为了得到待测设备的通信数据，待测设备上的待测节点在测试过程中会将收发信息以及响应信息存储为日志，日志中记录的具体内容为：
接收数据包的信息包括包ID，接收时间，接收通道，数据类型，消息内容；
发送数据包的信息包括包ID，发送时间，发送功率，发送信道，消息类型，消息内容；
应用响应信息包括响应时间，响应位置，响应类型，响应的消息ID，
获得了以上数据之后，分析得到时间线上HV与RV的相对位置，应用消息被HV接收的时间t1、对应消息内容，响应时间t2；对比HV接收到RV的消息内容以及RV发送的消息内容，判断HV是否未收到/未及时接收到响应的关键数据内容，通过计算t2-t1则可以判断应用计算花费的时间是否过长。
从而实现通信与应用的联合测试。
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通信与应用联合测试系统，其包括通信环境生成器、应用模拟器和被测车辆HV，以及RV和/或分布于道路两侧的多个节点；所述通信环境生成器选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点；所述应用模拟器确定RV数量和位置，根据应用流程生成BSM信息流，获取RV的位置和运动状态信息，将BSM信息动态注入相应节点；HV按照应用流程开始运动及执行消息收发，服务器收集路侧节点、HV节点和RV节点的通信数据信息，进行通信与应用的联合测试分析。
本发明面向V2V通信测试与应用联合测试，同一平台下进行两种测试，有利于提高平台的适用面和安全应用开发的快速诊断。本发明可以简单灵活地进行V2X应用流程的控制，且可以较为精确地复现应用场景；同时，用路侧节点模拟实际车辆地方式避免了测试中可能存在的碰撞等安全问题。
附图说明
图1是本发明一种优选实施方式中V2X通信与应用联合测试系统的结构示意图；
图2是本发明一种优选实施方式中V2X通信与应用联合测试方法的流程图；
图3是本发明一种优选实施方式中外场测试系统、应用模拟器以及待测车辆之间的信息传输关系图。
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。
在大规模测试方案设计中，需要既要考虑通信性能又要考虑应用性能。为此，本发明在充分考虑区域节点密度的基础上(在道路两侧均匀铺设环境节点，以模拟不同规模的车间通信)，提出了一个集成的V2V现场测试系统和一个V2V现场测试框架，包括通信测试和通信与应用的联合测试，该方案可用于第三方检测机构的认证过程。
如图2所示，本发明的V2X通信与应用联合测试方法包括如下步骤：
初始化(测试系统在初次使用时需要进行初始化，以后使用可进行也可不进行初始化)，初始化时，其中最重要的环节是场景建立和节点上线。在测试场地中可能需要在不同的测试路段搭建测试系统，以模拟不同的测试场景，如高速路直道，城市道路直道，城市道路十字路口等。不同测试路段的测试系统以及其下节点互相独立。当节点上电后，作为客户端会携带设备信息(如IP以及MAC地址)自动向服务器发送上线请求。服务器接收节点上线请求并验证后为其分配编号及位置信息、绑定所属测试路段(测试场景)，而后将其加入到系统中。在测试场地的不同测试路段搭建对应不同测试场景的测试系统，所述测试系统包括路侧节点和服务器，当节点上电后，服务器接收节点的上线请求并将其与所属测试场景绑定，具体是把节点添加到目标路段的节点组下，不同路段的节点组的管理与控制相互独立；选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点。
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：
Figure BDA0002541972630000091
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
Figure BDA0002541972630000092
Figure BDA0002541972630000101
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-R P.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
Figure BDA0002541972630000102
Figure BDA0002541972630000111
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。根据模型模拟和外场实测结果，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
Figure BDA0002541972630000112
Figure BDA0002541972630000121
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
Figure BDA0002541972630000131
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
Figure BDA0002541972630000132
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
Figure BDA0002541972630000141
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。
场景建立和节点上线后，确定RV数量和位置，根据应用流程(具体可以是V2X安全类应用测试的流程规范)生成BSM信息流，获取RV的经纬度和加速度信息，将BSM信息动态注入相应节点(即注入配置为RV的相应节点)。
系统以任务的形式对待测设备进行检测，一个任务对应于一次检测过程，任务由用户下发到节点执行，执行过程中返回实时数据信息，执行结束生成相应任务报告。任务下发过程中涉及物理场景选择，节点选择及配置，任务部署等步骤。任务控制则包括任务执行，任务取消，任务暂停，任务继续等状态维护。同时任务控制需对一系列过程进行协调，确保每个任务能按照用户需求正确执行，每个节点能按照配置信息准确进行数据包收发或状态转换。
具体选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点的方法为：
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
Figure BDA0002541972630000161
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：
Figure BDA0002541972630000162
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。
环境生成器生成环境节点的配置，其可以调用通信场景库的配置，也可以手动选择各环境变量的等级进行配置。通信场景库是特定道路下的各种典型恶劣场景的配置集合，可方便地进行一键配置。手动配置时，则要选择道路环境、节点分布、天气环境、车辆密度、建筑物高度等环境条件，各条件之间有一定的逻辑约束，例如，天气情况以及车辆密度情况将间接决定车辆速度，从而影响多普勒效应引起的信号衰减。对于选择的条件，后台系统自动进行逻辑计算，如根据选择的建筑物高度计算路径损耗，最后得到已选节点的配置，主要控制的参数为环境节点的拓扑结构、消息发送功率、消息发送速率等收发控制参数。环境节点的消息类型可以选择，可以是发送BSM信息，也可以是自定义可变长度消息，环境节点消息内容与收发控制配置参数在测试开始时一次性下发到参与节点，测试过程中环境配置不会发生变化。
然后，确定RV数量(不同应用测试中远端车辆(RV)的数量，不同的应用测试，参与的RV数量不同)和位置，根据应用流程生成BSM信息流，获取RV的位置和运动状态信息，将BSM信息动态注入相应节点。
在应用测试模拟中，应用响应所依赖的车辆相对位置可以完全通过BSM中的车辆位置及运动状态等信息进行模拟，而HV与RV之间的模拟通信距离则可以通过控制RV的发送功率来调节。在不同的应用测试中，HV的运动状态及BSM消息内容由其实际状态决定；RV可能为1个或多个，其运动状态也可能为静态或动态。RV(s)以及环境节点具体发送的BSM消息内容由应用模拟器生成，其与外场测试平台的关系以及交互流程分别如图3示。测试人员在测试配置完成后，通信相关参数被下发至通信环境生成器进行通信环境配置的生成；同时，应用相关参数则被发送至应用模拟器进行应用测试过程中的信息生成；在应用模拟器配置成功后，任务开始执行，应用模拟器会生成对应RV(s)的BSM消息内容并下发到测试系统，BSM中反映车辆位置的关键信息有"Latitude"、"Longitude"、"Speed"、"Heading"、"Acc_Lng"、"Acc_Lat"等，这些变量共同决定了所模拟车辆的当前位置，其在时间上的变化也就反映了车辆的运动状态。同时，任务的暂停，恢复，取消等控制也需要测试系统与应用模拟器之间的协调与交互。
在本发明的一种优选实施方式中，对于静态RV，其BSM中的经纬度信息以及发送功率固定；对于动态RV，则通过控制不同时刻的BSM消息的内容以及发送功率模拟不同的运动方式。
在RV行驶过程中(RV和环境节点的区别就在于控制和发送的BSM内容不同，环境节点只接受一次数据注入，且为固定信息，发送固定BSM；而RV的信息是持续注入的，每次注入的内容是不同的，是根据应用场景中RV的行进方式模拟出来的BSM消息)应用模拟器接收目标应用所设计的过程信息，生成i时刻RV的行驶方向角αi、加速度ai，
i时刻的纵向加速度：
Figure BDA0002541972630000182
i时刻的横向加速度：
Figure BDA0002541972630000183
RV的初始速度v，初始经度lng以及初始纬度lat，假设两次发送BSM间隔内加速度不发生变化，通过上一时刻(i-1时刻)RV的位置信息，计算得到下一时刻(i时刻)RV的位置信息：
Figure BDA0002541972630000184
Figure BDA0002541972630000181
vi＝vi-1+ai-1×t，
其中，t为两次发送BSM的时间间隔。
在10Hz的BSM发送频率下，为100ms。当RV(s)在直道上行驶且不发生路径偏移时，α1＝0，
Figure BDA0002541972630000191
由于RV可能是动态的，其发送的每一帧BSM消息内容都可能是不同的，因此其模拟数据是在测试过程中不停注入到相应节点中的。
由于HV通过RV发送的BSM或其他应用类型消息感知RV，所以可以通过模拟RV的BSM消息来模拟不同位置和运动状态的RV。BSM消息中的字段有"Time_Stamp"、"Latitude"、"Longitude"、"Speed"、"Heading"、"Acc_Lng"、"Acc_Lat"、"Path_History"等，分别代表了某时刻的BSM消息时间戳，车辆的经度、纬度，车辆速度，车辆行驶方向角，车辆横向、纵向加速度，历史路径等。在实际场景中，HV与RV之间的距离一方面很大程度上决定了应用的响应，另一方面决定着HV与RV之间的通信质量。
本发明中要求客户端能实时查看每个任务节点的当前状态(包括每个节点当前收包率，时延，航向角，位置等)。因此节点在执行任务过程中需要实时上传收发的数据包给系统后端，经后端分析处理，转化为用户需要的信息，返回给客户端。当道路节点较多时，实时数据包将是一个非常庞大的数据量(如道路上有100辆车，发送功率均为10HZ，每秒会有1000个数据包上传)，此时既需要确保后端数据分析的稳定性又需要确保实时性。
由于测试系统是一个分布式控制系统，对于任务状态(包括任务的配置、开始、暂停、恢复、终止)等的控制，需要考虑多个节点的状态与整体任务的一致性。因此，节点与服务器之间的任务控制需要建立确认机制，只有当任务下的所有参与节点都成功接收下发的任务配置或者根据状态更改指令开始/停止信息收发且返回确认，任务控制才算成功。
最后，HV按照应用流程开始运动及执行消息收发，服务器收集路侧节点、HV节点和RV节点的通信数据信息，进行通信与应用的联合测试分析。
本V2X测试系统不仅为测试提供了所需的通信环境，模拟了应用测试过程，同时也收集测试中的通信数据进行实时分析。在测试进行中，测试系统能够收集的有用数据有两类：1)系统内环境节点的通信数据；2)待测设备(HV)及RV(s)的通信数据。
在本实施方式中，数据收集与分析方法为：
系统内环境节点的收发数据包信息由节点实时上传到服务器，数据包具有对应的id和时间戳，服务器获取数据包的平均传包率，网络整体的丢包率，单条数据包的时延，包错误率，信道繁忙度，平均包间间隔这些参数中的至少一者，其中，单个节点的平均传包率的计算方法是：
Figure BDA0002541972630000201
Pi为节点i在测试时间内总共发出的数据包数量；Ri为节点i的周围节点所统计得到的收到的节点i发出的数据包的数量；Dix为节点i在功率x下信息可达节点数量；
网络整体的丢包率，对所有节点的收发包数量求和，其中N为节点总数，
Figure BDA0002541972630000202
单条数据包的时延通过发送时间和接收时间的时间戳差值得出，节点平均时延是一段时间内该节点发出的所有数据包时延的算术平均值。
路侧环境节点除了收到系统内节点发送的信息，也会收到搭载待测设备(HV)及RV(s)的通信数据。系统将这类数据包单独记录与处理，将用于最后的通信与应用的联合测试分析。同时，在静态测试中，根据接收到HV发送的数据包的节点的位置信息，可以判断并在前端以地图形式展示待测设备的通信范围。通过实时数据分析，可以在任意时刻得到HV在不同距离下的丢包率和时延情况并在前端以柱状图形式展示。
对于通信与应用的联合测试，任务环境配置下发成功后，应用测试也随即开始，HV按照应用测试流程开始运动及执行消息收发，被选择节点根据服务器下发的数据内容开始模拟RV消息收发，可采用现有的典型安全应用类型。安全应用测试在应用上的表现为响应是否及时；而响应的及时性不仅依赖于临界值的设定、算法的有效性，也受到消息可达性的影响。在测试结束后，可以获得的应用相关数据有：1)RV(s)的通信数据；2)待测设备(HV)的通信数据(需要从待测设备上获取)。
具体数据收集与分析方法为：
为了得到待测设备(HV)的通信数据，待测节点(是各大车厂的OBU设备，由主车辆(HV)搭载，测试的目的就在于测试其性能)在测试过程中会将收发信息以及响应信息存储为日志，日志中记录的具体内容为：
接收数据包的信息包括包ID，接收时间，接收通道，数据类型，消息内容；
发送数据包的信息包括包ID，发送时间，发送功率，发送信道，消息类型，消息内容；
应用响应信息包括响应时间，响应位置，响应类型，响应的消息ID，
获得了以上数据之后，分析得到时间线上HV与RV的相对位置，应用消息被HV接收的时间t1、对应消息内容，响应时间t2；对比HV接收到RV的消息内容以及RV发送的消息内容，判断HV是否未收到/未及时接收到响应的关键数据内容，通过计算t2-t1则可以判断应用计算花费的时间是否过长。
在本发明的一种优选实施方式中，以前撞预警为例，两辆车在一条车道上以某一速度同向行驶，开始时刻车辆保持安全车距。一段时间后前车忽然骤停，当远端车辆(RV)与主车(HV)之间的距离小于安全距离时(实际测试中RV由路侧节点模拟)，HV上搭载的OBU设备应发出变道警告。若在三级警告点之后的临界警告点处还没有发出警告则应用响应失败。(具体三级警告点是指依车辆行驶的路线依次设置的起始警告时间点、实际警告时间点和最迟警告时间点)，若在最迟警告时间点之后的临界警告点处还没有发出警告则应用响应失败。
测试结束后，对收集到的数据进行分析。可以从时间上进行分析，根据测试设计的理论分析，可以获得一个阈值区间，再根据待测设备之间的通信数据中的响应记录，可以获得实际设备响应的时间，若响应时间在阈值区间之内，应用响应成功；响应时间在阈值区间之外或者未响应，应用响应失败。此时，可以再通过待测设备之间的通信数据中的收发包消息记录，判断在此阈值区间内的通信性能状况，是否因为丢包/误包而造成了应用响应的失败，从而诊断出问题的根源，是通信还是应用。
此外，若OBU厂家不提供待测设备之间的通信数据，则人工记录应用响应时间，以上的待测设备数据则以路侧节点监测到的待测设备数据包数据来估算。
本发明还提供了一种V2X通信与应用联合测试系统，其包括通信环境生成器、应用模拟器和被测车辆HV，以及RV和/或分布于道路两侧的多个节点；所述通信环境生成器选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点；所述应用模拟器确定RV数量和位置，根据应用流程生成BSM信息流，获取RV的位置和运动状态信息，将BSM信息动态注入相应节点；HV按照应用流程开始运动及执行消息收发，服务器收集路侧节点、HV节点和RV节点的通信数据信息，进行通信与应用的联合测试分析。本发明在具体联合测试分析时，可以利用上述的联合测试方法，具体技术方案也在本系统的保护范围之内，在此不作赘述。
如图1所示，测试系统主要由路侧环境节点，服务器(包括通信环境生成器和应用模拟器)以及待测设备组成。为了能最真实地产生一个高车辆密度的信道干扰环境，在道路两侧均匀铺设环境节点，以模拟不同规模的车间通信。路侧环境节点通过功率控制以及安装衰减器等手段可以作为测试中的通信节点或者干扰节点工作，影响V2V通信中的竞争或者SNIR的大小。同时路侧环境节点也可以作为RV模拟设备，发送虚拟RV的BSM或其他应用消息。为了实现测试的自动化，所有节点通过有线连接到中央控制服务器，服务器作为整个测试系统的中央设备，实现节点以及任务的状态监测和控制，测试流程的调度和控制，以及数据的存储、收集、分析工作，并提供操作人员GUI操作界面。待测设备是各不同厂家的OBU设备，作为测试对象置于场地，搭载于车辆中，可以在道路上进行静态测试或者动态测试。根据配置，待测设备可作为发送或者接收节点。
本系统平台需要既可以做车辆相关的通信测试(如某个通信环境下待测节点的丢包率，时延)又可以做通信与应用(如前撞预警)的联合测试。通信与应用的联合测试评价的作用有三个：其一，判断应用响应不及时的原因，是因为环境影响还是应用响应的不及时；其二，探测V2X设备对通信环境的敏感度，给出设备应用可正常工作的通信环境阈值，或者作为安全类应用设计的依据；其三，也可用于V2X通信设备间的鲁棒性比较。
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 (10)

1.一种V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点；
确定RV数量，获取RV的位置和运动状态信息，根据应用流程生成BSM信息流，将BSM信息动态注入相应节点；
HV按照应用流程开始运动及执行消息收发，服务器收集路侧节点、HV节点和RV节点的通信数据信息，进行通信与应用的联合测试分析。
2.如权利要求1所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点之前还包括初始化的步骤：
初始化，在测试场地的不同测试路段搭建对应不同测试场景的测试系统，所述测试系统包括路侧节点和服务器，当节点上电后，服务器接收节点的上线请求并将其与所属测试场景绑定。
3.如权利要求1所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点的方法为：
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干扰节点的数目、控制开启干扰节点的信息发射功率和发送速率。
4.如权利要求3所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，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。
5.如权利要求3所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，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
Figure FDA0002541972620000021
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。
6.如权利要求3所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，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：
Figure FDA0002541972620000022
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。
7.如权利要求1所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，在根据应用流程生成BSM信息流获取RV的位置和运动状态信息中，HV与RV之间的模拟通信距离通过控制RV的发送功率来调节，应用响应所依赖的车辆相对位置通过BSM中的车辆位置及加速度信息模拟。
8.如权利要求1所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，数据收集与分析方法为：
系统内环境节点的收发数据包信息由节点实时上传到服务器，数据包具有对应的id和时间戳，服务器获取数据包的平均传包率，网络整体的丢包率，单条数据包的时延，包错误率，信道繁忙度，平均包间间隔这些参数中的至少一者，其中，单个节点的平均传包率的计算方法是：
Figure FDA0002541972620000031
Pi为节点i在测试时间内总共发出的数据包数量；Ri为节点i的周围节点所统计得到的收到的节点i发出的数据包的数量；Dix为节点i在功率x下信息可达节点数量；
网络整体的丢包率，对所有节点的收发包数量求和，其中N为节点总数，
Figure FDA0002541972620000032
单条数据包的时延通过发送时间和接收时间的时间戳差值得出，节点平均时延是一段时间内该节点发出的所有数据包时延的算术平均值。
9.如权利要求1所述的V2X通信与应用联合测试方法，其特征在于，数据收集与分析方法为：
为了得到待测设备的通信数据，待测设备上的待测节点在测试过程中会将收发信息以及响应信息存储为日志，日志中记录的具体内容为：
接收数据包的信息包括包ID，接收时间，接收通道，数据类型，消息内容；
发送数据包的信息包括包ID，发送时间，发送功率，发送信道，消息类型，消息内容；
应用响应信息包括响应时间，响应位置，响应类型，响应的消息ID。
获得了以上数据之后，分析得到时间线上HV与RV的相对位置，应用消息被HV接收的时间t1、对应消息内容，响应时间t2；对比HV接收到RV的消息内容以及RV发送的消息内容，判断HV是否未收到/未及时接收到响应的关键数据内容，通过计算t2-t1则可以判断应用计算花费的时间是否过长。
10.一种V2X通信与应用联合测试系统，其特征在于，包括通信环境生成器、应用模拟器和被测车辆HV，以及RV和/或分布于道路两侧的多个节点；所述通信环境生成器选择通信环境测试场景并将环境配置信息下发到参与的路侧节点；所述应用模拟器确定RV数量和位置，根据应用流程生成BSM信息流，获取RV的位置和运动状态信息，将BSM信息动态注入相应节点；HV按照应用流程开始运动及执行消息收发，服务器收集路侧节点、HV节点和RV节点的通信数据信息，进行通信与应用的联合测试分析。
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GR01 Patent grant
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