基于CSMA/CA协议的V2X通信MATLAB仿真
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:numVehicles
startPos = 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 < handle
properties
id % 车辆ID
position % 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
end
methods
function 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;
end
function 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;
end
end
function move(obj, dt)
obj.position = obj.position + obj.velocity * dt;
obj.position(1) = mod(obj.position(1), 1000); % 道路循环
end
end
end
2. 仿真环境类
classdef SimulationEnv < handle
properties
vehicles % 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
end
methods
function 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 = [];
end
function run(obj, protocol)
obj.numPackets = 0;
obj.successPackets = 0;
obj.delays = [];
obj.collisionEvents = [];
obj.throughput = [];
obj.currentTime = 0;
while obj.currentTime < obj.maxTime
obj.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();
end
obj.recordMetrics();
end
end
function 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) && ~busyChannel
packet = v.packetQueue{1};
% 计算退避时间
if isempty(v.backoffTimer)
contentionWindow = 2^packet.priority - 1;
backoffSlots = contentionWindow * 9; % 9μs/slot
v.backoffTimer = backoffSlots;
end
% 退避处理
if v.backoffTimer > 0
v.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;
else
obj.successPackets = obj.successPackets + 1;
obj.delays = [obj.delays, sendTime - packet.genTime];
v.packetQueue(1) = [];
end
end
end
end
end
function collision = detectCollision(obj, sendTime, senderID)
collision = false;
for i = 1:length(obj.vehicles)
if i ~= senderID
dist = norm(obj.vehicles(senderID).position - obj.vehicles(i).position);
if dist < obj.txRange && ...
abs(obj.currentTime - obj.vehicles(i).lastTxTime) < 0.009
collision = true;
break;
end
end
end
end
end
end
特性说明
- 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
- 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
- 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
-
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 -
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
-
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。
浙公网安备 33010602011771号