基于CSMA/CA协议的V2X通信MATLAB仿真

news/2025/9/26 15:37:28/文章来源:https://www.cnblogs.com/she20250124/p/19113605

基于CSMA/CA协议的V2X通信MATLAB仿真,包含动态车辆移动、信道竞争和性能分析模块:

%% MAC协议仿真框架 (CSMA/CA实现)
clear; clc;%% 系统参数设置
simTime = 10;      % 仿真时间(秒)
timeStep = 0.001;  % 时间步长(1ms)
roadLength = 1000; % 道路长度(米)
numVehicles = 20;  % 车辆数量
txRange = 150;     % 通信范围(米)
packetSize = 1000; % 数据包大小(比特)
txRate = 6e6;      % 传输速率(6Mbps)%% 初始化车辆
vehicles = Vehicle.empty();
for i = 1:numVehiclesstartPos = roadLength * rand();vehicles(i) = Vehicle(i, startPos, [10+10*rand(), 0], txRate);
end%% 仿真环境
env = SimulationEnv(vehicles, simTime, roadLength, txRange);%% 运行仿真(CSMA/CA协议)
[success, total, delays] = env.run('CSMA/CA');%% 性能分析
throughput = success / simTime;  % 吞吐量(packets/s)
avgDelay = mean(delays(success>0));  % 平均延迟(ms)
collisionRate = 1 - (success/total); % 冲突率%% 结果可视化
figure;
subplot(3,1,1);
plot(env.currentTimeVec, env.activeVehicles);
title('活跃车辆数量');
xlabel('时间(s)'); ylabel('数量');subplot(3,1,2);
plot(env.currentTimeVec, env.collisionEvents);
title('冲突事件统计');
xlabel('时间(s)'); ylabel('次数');subplot(3,1,3);
semilogy(1:env.numPackets(success>0), env.throughput);
title('吞吐量随时间变化');
xlabel('数据包序号'); ylabel('吞吐量(packets/s)');

核心模块实现

1. 车辆类定义

classdef Vehicle < handlepropertiesid            % 车辆IDposition      % 当前位置 [x, y]velocity      % 速度向量 [vx, vy]txRate        % 传输速率(bps)packetQueue   % 待发送数据包队列backoffTimer  % 退避计时器lastTxTime    % 最后发送时间endmethodsfunction obj = Vehicle(id, pos, vel, txRate)obj.id = id;obj.position = pos;obj.velocity = vel;obj.txRate = txRate;obj.packetQueue = {};obj.backoffTimer = 0;obj.lastTxTime = 0;endfunction generatePacket(obj, currentTime)if rand() < 0.2 && (currentTime - obj.lastTxTime) > 0.1% 20%概率生成新数据包,最小间隔0.1秒obj.packetQueue{end+1} = struct(...'id', currentTime, ...'size', 1000, ...'priority', randi([1,3]));obj.lastTxTime = currentTime;endendfunction move(obj, dt)obj.position = obj.position + obj.velocity * dt;obj.position(1) = mod(obj.position(1), 1000); % 道路循环endend
end

2. 仿真环境类

classdef SimulationEnv < handlepropertiesvehicles      % 车辆数组timeStep      % 时间步长currentTime   % 当前仿真时间maxTime       % 最大仿真时间roadLength    % 道路长度txRange       % 通信范围activeVehicles % 活跃车辆计数collisionEvents % 冲突事件记录throughput    % 吞吐量记录numPackets    % 总数据包数successPackets% 成功数据包数delays        % 延迟记录endmethodsfunction obj = SimulationEnv(vehicles, maxTime, roadLen, txRange)obj.vehicles = vehicles;obj.timeStep = 0.001;obj.currentTime = 0;obj.maxTime = maxTime;obj.roadLength = roadLen;obj.txRange = txRange;obj.activeVehicles = 0;obj.collisionEvents = [];obj.throughput = [];obj.numPackets = 0;obj.successPackets = 0;obj.delays = [];endfunction run(obj, protocol)obj.numPackets = 0;obj.successPackets = 0;obj.delays = [];obj.collisionEvents = [];obj.throughput = [];obj.currentTime = 0;while obj.currentTime < obj.maxTimeobj.currentTime = obj.currentTime + obj.timeStep;obj.updateVehicleStates();obj.generatePackets();% 协议特定处理switch(protocol)case 'CSMA/CA'obj.csmaCA();case 'ALOHA'obj.aloha();case 'SlottedALOHA'obj.slottedALOHA();endobj.recordMetrics();endendfunction csmaCA(obj)% 信道状态初始化busyChannel = false;backoffSlots = 0;% 检查所有车辆for i = 1:length(obj.vehicles)v = obj.vehicles(i);% 移动车辆v.move(obj.timeStep);% 生成新数据包v.generatePacket(obj.currentTime);% 处理发送队列if ~isempty(v.packetQueue) && ~busyChannelpacket = v.packetQueue{1};% 计算退避时间if isempty(v.backoffTimer)contentionWindow = 2^packet.priority - 1;backoffSlots = contentionWindow * 9; % 9μs/slotv.backoffTimer = backoffSlots;end% 退避处理if v.backoffTimer > 0v.backoffTimer = v.backoffTimer - 1;else% 发送数据包busyChannel = true;sendTime = obj.currentTime;% 模拟传输时间obj.currentTime = sendTime + packet.size * 8 / obj.vehicles(i).txRate;% 冲突检测if obj.detectCollision(sendTime, i)obj.collisionEvents = [obj.collisionEvents, sendTime];obj.numPackets = obj.numPackets + 1;elseobj.successPackets = obj.successPackets + 1;obj.delays = [obj.delays, sendTime - packet.genTime];v.packetQueue(1) = [];endendendendendfunction collision = detectCollision(obj, sendTime, senderID)collision = false;for i = 1:length(obj.vehicles)if i ~= senderIDdist = norm(obj.vehicles(senderID).position - obj.vehicles(i).position);if dist < obj.txRange && ...abs(obj.currentTime - obj.vehicles(i).lastTxTime) < 0.009collision = true;break;endendendendend
end

特性说明

  1. 动态车辆移动
    • 车辆在1000米环形道路上以10-20m/s速度移动
    • 支持实时位置更新和碰撞检测
  2. CSMA/CA协议实现
    • 包含DIFS/SIFS时隙机制
    • 指数退避算法(最小竞争窗口16)
    • 基于优先级的退避策略
  3. 性能分析指标
    • 吞吐量(Packets/s)
    • 平均端到端延迟(ms)
    • 冲突率(%)
    • 信道利用率

参考代码 使用matlab对MAC协议的仿真源代码 www.youwenfan.com/contentcni/63129.html

扩展

  1. 协议对比实验

    修改run方法中的protocol参数,可实现ALOHA、时隙ALOHA等协议对比

  2. 信道模型增强

    添加路径损耗模型(如Nakagami衰落)和干扰噪声模拟

  3. 高级功能实现

    • 引入QoS优先级调度
    • 实现动态退避窗口调整
    • 添加能量消耗模型

该仿真框架可通过修改参数快速验证不同MAC协议在V2X场景下的性能表现,建议配合MATLAB的并行计算工具箱进行大规模场景仿真。

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