赫千科技：加速车载以太网连接的网络通信节点的精准时间同步技术

近年来，随着移动互联网和汽车电子设备的不断快速发展，以智能网联汽车为核心的下一代智能交通系统逐渐深入城市居民生活。在新技术、国家政策等因素的作用下，具备组合驾驶辅助功能汽车渗透率快速提升。伴随着车辆智能化、网联化的推进以及汽车的自动驾驶技术逐渐向前推进，如高级辅助驾驶、自动驾驶、智能座舱、域控制器以及车辆大数据采集等引发了车辆对总线带宽需求的爆发式增长，使得传统车载网络中常用的CAN、LIN、FlexRay以及MOST总线难以满足车辆智能化、网联化的发展需求，而车载以太网技术能够在提供100Mbps~10Gbps宽带性能同时实现单车30%的线束减重、80%通信连接成本降低使其成为车辆智能化、网联化技术发展的必然选择。在高级辅助驾驶、自动驾驶领域的车载网络中需要采集较多的传感器数据进行融合并用于规划决策，如：摄像头、激光雷达、毫米波雷达、GPS等所感知的数据，如何确保这些传感器采集每帧数据所在时间是否处于同一个时刻尤为重要，而保证传感器采集数据时处于同一个时刻关键在于如何快速精确对车载网络中的众多传感器进行时间同步。

为了查询快速精准时间同步的解决方案，通过拟定关键词“汽车以太网或车载以太网、时间同步或时钟同步”在权威的专利数据库中进行检索，检索结果发现申请人为上海赫千电子科技有限公司申请的已授权发明专利，名称为实时时钟RTC（Real Time Clock）同步调整方法及装置，授权公告号为：CN110138489B, 根据其说明书记载，阐述目前时钟同步gPTP标准协议应用到具体平台的时候，gPTP协议并未对RTC同步过程中的状态进行具体定义，因此在时钟调整过程中，往往很难确认当前RTC的同步状态，在同步跟踪上级时钟时，RTC不能快速同步进入锁定，使得RTC时间一直处于调整和同步过程，然而RTC长期间处于未同步状态，进而导致车载网络中的音视频数据在恢复的时候出现较严重的不同步问题，或多个车载以太网摄像头、激光雷达产生的感知数据因时间不同步导致存在差异，使得根据融合后感知信息进行路径规划或执行某些驾驶行为时，可能出现执行策略错误等问题。因此，赫千科技在其专利中提供一种较优的快速时钟同步调整方案以规避通信网络节点时钟不能快速进行同步的技术问题，以下针对车载网络各节点时间同步的技术要点进行简要阐述。

■根据gPTP协议的规范，设计符合RTC实时时钟精准同步的多种交互状态。

(资料图片)

为了快速精准进行车载网络中各节点的RTC时钟同步，根据HingeTech赫千科技在其专利（CN110138489B）中提供的方案，针对gPTP标准协议规范，自定义了RTC时钟运行的状态，具体包括：自由运行、同步、正常工作跟踪、保持对Master端的跟踪锁，如图1所示。其中，自由运行状态是指Slave端未接收到Master端的报文，即Master端报文丢失，Slave端的时钟依据自己的RTC时间运行；同步运行状态是指上电、唤醒或者Master端的报文从丢失到回复，当大的时间偏差出现时，RTC能够快速同步时间相位，达到时间在相位上的同步。正常工作跟踪运行状态是指时钟在进行时间相位和频率的微步调整；保持对Master端的跟踪锁定运行状态是指Slave端与Master端时钟频率进入锁定。为了使自定义的状态之间实现准确快速转化。具体地，定义四种状态之间进行转化的条件，如：当前为自由状态时，在gPTP消息交互成功后，从自由状态进入同步状态；或者当前状态为正常工作跟踪状态，当出现时间不连续时，从正常工作状态转化为同步状态；当主时钟的gPTP报文丢失后，转化为自由运行状态；或当快速相位和频率微调实现后，进入保持对Master端的锁定。

图1自定义的四种RTC时钟状态的交互示意

■根据gPTP协议的规范，计算主时钟与从时钟的时间偏差

系统上电后，RTC时钟默认进入自由运行状态，通过gPTP协议交互，Slave计算线路时延和与Master端的时间偏差，交互过程如图2所示，其实现过程如下：

(1)主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1；从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。(2)主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。 (3)从时钟向主时钟发送Pdelay_Req报文，并记录发送时间t3；主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。(4)主时钟收到Pdelay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Pdelay_Resp报文，并记录发送时间t5；从时钟收到该报文后，记录接收时间t6。(5)主时钟回复Pdelay_Resp报文之后，紧接着发送一个携带有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up报文。

图2Master端与Slave端的报文消息交互

根据上述记载，主时钟和从时钟的时间延迟计算公式：

时间偏差offset计算如下：

■对时间偏差进行滤波处理并获取最终时间偏差

由于时间偏差在主时钟与从时钟的每次交互受制于硬件性能的误差影响，使得每次交互的计算结果略微出现不同。为了解决此技术问题，在技术方案中通过对一段时间内的时间偏差进行计算，对所获得一组时间偏差进行的稳定性处理，获取一个较为可靠的时间偏差。稳定性处理包括：对m个时间偏差处理包括直接计算m个偏差的平均值作为最终的时间偏差offset_filter；或根据m个offset时间偏差值按照数值的大小，从小到大进行排列成一组数据，然后去掉最大值和最小值，则取这组数据中的中值作为最终的时间偏差。

■通过遗传算法和PID控制算法，迅速调节主时钟与从时钟的精准时钟同步。

通过上述步骤获取主时钟与从时钟的时间偏差，对本地RTC时钟相位进行较大调整，使Master端和Slave端在相位上偏差处于μs级；Slave端完成RTC相位较大调整后，RTC状态切换为跟踪状态；Slave端依据闭环控制方法对RTC时钟进行快速相位和频率微调，微调调整方法采用PID闭环控制方法，参见图3。为了使得计算结果更加精确，采用遗传算法加PID控制，通过遗传算法不断推演对PID中的Kp、Ti、Td数值进行控制调整，从而使得Slave端RTC的时钟相位不断的逼近主时钟相位。经过多次闭环控制，Slave端的时钟频率调节完成，达到锁定要求，此时Slave端进入锁定状态。进入锁定状态后，Slave端发送信号给Master端，通知Master端降低Sync报文发送频率。锁定状态下，当Slave端时间相位偏差超过限额时，进行相位微调。通过上述步骤，使得车载网络中各节点的主时钟和从时钟能够快速精确地实现时间同步。

图3 RTC时钟的快速相位与频率微调整的架构示意

现阶段，汽车智能化、网联化仍然在不断向前发展，使得人们不断对在智能化、网联化中汽车涉及关键技术提出严苛的要求，如：自动驾驶、高级ADAS 技术、高品质智能座舱、OTA 远程升级、5G 通讯技术等发展提出更高要求和挑战，而这些关键技术从现阶段的高质量快速发展期逐步过渡到成熟商用，离不开拥有高带宽的车载以太网技术的支持和发展。在此过程中，赫千科技将加大研发力度，不断推进车载以太网技术在智能汽车的运用，攻克车载以太网在智能汽车中的商用障碍，助力汽车的智能化、网联化的成熟发展。

关键词：