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持续快速发展，以智能网联汽车为核心的下一代智能交通系统逐渐渗透到城市居民的生活中。在新技术、国家政策等因素的影响下，具有组合驾驶辅助功能的车辆渗透率迅速提高。随着汽车智能化和网络化的进步，以及自动驾驶技术在汽车中的逐步进步，如先进的辅助驾驶、自动驾驶、智能驾驶舱、域控制器和车辆大数据采集，车辆中总线带宽需求的爆炸式增长使常用的CAN、LIN、FlexRay，和传统车载网络中的MOST总线，以满足车辆智能化和网络化的发展需求。车载以太网技术可以提供100Mbps至10Gbps的宽带性能，同时实现单车线束重量减少30%和通信连接成本减少80%，使其成为汽车智能化和网络化技术发展的必然选择。在先进的辅助驾驶和自动驾驶领域，车辆网络需要收集大量的传感器数据进行融合和规划决策，例如摄像头、激光雷达、毫米波雷达、GPS等感知到的数据。确保这些传感器收集的每一帧数据都在同一时间，确保传感器同时收集数据的关键是如何与车辆网络中的众多传感器快速准确地同步时间。为了搜索快速准确的时间同步解决方案，在权威专利数据库中使用关键词“汽车以太网或车载以太网、时间同步或时钟同步”进行了搜索。检索结果显示，申请人是有限公司申请的授权发明专利，名为实时时钟RTC同步调整方法及装置，授权公告号为CN110138489B，根据其说明书，解释了当用于时钟同步的gPTP标准协议应用于特定平台时，gPTP协议不提供RTC同步过程期间的状态的特定定义。因此，在时钟调整过程中，通常很难确认当前RTC同步状态。在同步和跟踪上级时钟时，RTC无法快速同步并进入锁定，导致RTC时间停留在调整和同步过程中。然而，RTC长期处于不同步状态，导致车辆网络中的音频和视频数据在恢复过程中出现严重的异步问题，或者由于时间不同步而导致多个车辆以太网摄像头和激光雷达生成的感知数据的差异，这可能导致在使用融合的感知信息进行路径规划或执行某些驾驶行为时出现执行策略错误和其他问题。因此，和谦科技在其专利中提供了一种优越的快速时钟同步调整方案，避免了通信网络节点时钟无法快速同步的技术问题。以下是车辆网络中每个节点的时间同步技术要点的简要说明。根据gPTP协议的规范，设计符合RTC实时时钟精确同步的多个交互状态。为了快速准确地同步车辆网络中每个节点的RTC时钟，根据HingeTech在其专利中提供的解决方案，并根据gPTP标准协议规范，对RTC时钟的运行状态进行了定制，包括自由运行、同步、正常工作跟踪，以及维护主端的跟踪锁定，如图1所示。其中，自由运行状态是指从端没有接收到来自主端的消息，即主端消息丢失，从端时钟按照自己的RTC时间运行；同步操作状态是指通电、唤醒或主端消息从丢失到回复的过程。当出现较大的时间偏差时，RTC可以快速同步时间相位，实现时间的同相同步。正常工作的跟踪操作状态是指时钟对时间相位和频率的微步调节；

保持主端的跟踪和锁定操作状态是指从端和主端的时钟频率进入锁定状态。实现自定义状态之间准确快速的转换。具体来说，定义四种状态之间转换的条件，例如：当前状态为空闲时，gPTP消息交互成功后，从空闲状态进入同步状态；或者当前状态处于正常工作跟踪状态，当存在时间不连续时，从正常工作状态过渡到同步状态；当主时钟的gPTP消息丢失时，它转换到自由运行状态；或者，当实现快速相位和频率调谐时，进入并保持主端的锁定。

图1显示了四种自定义RTC时钟状态的交互图。根据gPTP协议的规范，计算主时钟和从时钟之间的时间偏差。系统通电后，RTC时钟默认为自由运行状态。通过gPTP协议交互，Slave计算线路延迟和与主端的时间偏差。交互过程如图2所示，实现过程如下：（1）主时钟向从时钟发送Sync消息，并记录发送时间t1；从时钟接收到消息后，记录接收时间t2。（2） 主时钟发送Sync（同步）消息后，会立即发送Follow with t1_ Up（跟随t1_向上）消息。（3） 从时钟向主时钟发送Pdelay _ Req消息，并记录发送时间t3；在接收到消息之后，主时钟记录接收时间t4。（4） 主时钟接收到Pdelay_Req消息后，用携带t4_ Resp消息的Pdelay进行回复，并记录发送时间t5；在接收到来自时钟的消息后，记录接收时间t6。（5） 主时钟应答Pdelay_在Resp消息之后，立即发送t5的Pdelay_Resp_Follow_Up消息。

根据以上记录，主时钟和从时钟的时延计算公式如下：

时间偏差偏移计算如下：

对时间偏差进行滤波，得到最终的时间偏差。由于硬件性能误差对主时钟和从时钟之间的每次交互的影响，每次交互的计算结果略有不同。为了解决这个技术问题，在该技术方案中，通过计算一段时间内的时间偏差并对所获得的一组时间偏差进行稳定性处理，来获得更可靠的时间偏差。稳定性处理包括：处理m个时间偏差，包括直接计算m个偏差的平均值作为最终的时间偏差偏移量_ filter

或者，根据m个偏移时间偏差值的大小，将它们由小到大排列成一组数据，然后去除最大值和最小值。然后，将这组数据的中值作为最终的时间偏差。通过遗传算法和PID控制算法快速调整主时钟和从时钟之间的精确时钟同步。通过上述步骤获得主时钟和从时钟的时间偏差，并对本地RTC时钟相位进行重大调整，使主时钟和副时钟端的相位偏差在μS级以内；在从端完成RTC相位的显著调整后，RTC状态切换到跟踪状态；从终端基于闭环控制方法对RTC时钟执行快速相位和频率调谐。调谐调节方法采用PID闭环控制方法，如图3所示。为了使计算结果更加准确，采用遗传算法和PID控制，通过遗传算法不断推导和调整PID中的Kp、Ti和Td值，使从RTC的时钟相位不断接近主时钟相位。经过多次闭环控制，调整从端的时钟频率以满足锁定要求，从端进入锁定状态。进入锁定状态后，从端向主端发送信号，通知主端降低发送Sync消息的频率。在锁定状态下，当从端的相位偏差超过极限时，进行相位调整。通过上述步骤，车辆网络中每个节点的主时钟和从时钟可以快速准确地实现时间同步。

图3中RTC时钟快速相位和频率微调的架构图显示，目前，汽车智能化和网络化的发展仍在推进，导致对自动驾驶、先进ADAS技术、，高质量的智能座舱、OTA远程升级、5G通信技术等发展，这些关键技术正从目前的高质量快速发展阶段逐步过渡到成熟的商用，离不开高带宽车载以太网技术的支持和发展。在此过程中，合谦科技将加大研发力度，不断推动车内以太网技术在智能汽车中的应用，克服车内以太网在智能汽车上的商业壁垒，助力汽车智能化、网联化的成熟发展。

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