赫千科技：加速車載以太網連接的網絡通信節點的精準時間同步技術

近年來，隨著移動互聯網和汽車電子設備的持續快速發展，以智能網聯汽車為核心的下一代智能交通系統逐漸滲透到城市居民的生活中。在新技術、國家政策等因素的影響下，具有組合駕駛輔助功能的車輛滲透率迅速提高。隨著汽車智能化和網絡化的進步，以及自動駕駛技術在汽車中的逐步進步，如先進的輔助駕駛、自動駕駛、智能駕駛艙、域控制器和車輛大數據采集，車輛中總線帶寬需求的爆炸式增長使常用的CAN、LIN、FlexRay，和傳統車載網絡中的MOST總線，以滿足車輛智能化和網絡化的發展需求。車載以太網技術可以提供100Mbps至10Gbps的寬帶性能，同時實現單車線束重量減少30%和通信連接成本減少80%，使其成為汽車智能化和網絡化技術發展的必然選擇。在先進的輔助駕駛和自動駕駛領域，車輛網絡需要收集大量的傳感器數據進行融合和規劃決策，例如攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、GPS等感知到的數據。確保這些傳感器收集的每一幀數據都在同一時間，確保傳感器同時收集數據的關鍵是如何與車輛網絡中的眾多傳感器快速準確地同步時間。為了搜索快速準確的時間同步解決方案，在權威專利數據庫中使用關鍵詞“汽車以太網或車載以太網、時間同步或時鐘同步”進行了搜索。檢索結果顯示，申請人是有限公司申請的授權發明專利，名為實時時鐘RTC同步調整方法及裝置，授權公告號為CN110138489B，根據其說明書，解釋了當用于時鐘同步的gPTP標準協議應用于特定平臺時，gPTP協議不提供RTC同步過程期間的狀態的特定定義。因此，在時鐘調整過程中，通常很難確認當前RTC同步狀態。在同步和跟蹤上級時鐘時，RTC無法快速同步并進入鎖定，導致RTC時間停留在調整和同步過程中。然而，RTC長期處于不同步狀態，導致車輛網絡中的音頻和視頻數據在恢復過程中出現嚴重的異步問題，或者由于時間不同步而導致多個車輛以太網攝像頭和激光雷達生成的感知數據的差異，這可能導致在使用融合的感知信息進行路徑規劃或執行某些駕駛行為時出現執行策略錯誤和其他問題。因此，和謙科技在其專利中提供了一種優越的快速時鐘同步調整方案，避免了通信網絡節點時鐘無法快速同步的技術問題。以下是車輛網絡中每個節點的時間同步技術要點的簡要說明。根據gPTP協議的規范，設計符合RTC實時時鐘精確同步的多個交互狀態。為了快速準確地同步車輛網絡中每個節點的RTC時鐘，根據HingeTech在其專利中提供的解決方案，并根據gPTP標準協議規范，對RTC時鐘的運行狀態進行了定制，包括自由運行、同步、正常工作跟蹤，以及維護主端的跟蹤鎖定，如圖1所示。其中，自由運行狀態是指從端沒有接收到來自主端的消息，即主端消息丟失，從端時鐘按照自己的RTC時間運行；同步操作狀態是指通電、喚醒或主端消息從丟失到回復的過程。當出現較大的時間偏差時，RTC可以快速同步時間相位，實現時間的同相同步。正常工作的跟蹤操作狀態是指時鐘對時間相位和頻率的微步調節；

保持主端的跟蹤和鎖定操作狀態是指從端和主端的時鐘頻率進入鎖定狀態。實現自定義狀態之間準確快速的轉換。具體來說，定義四種狀態之間轉換的條件，例如：當前狀態為空閑時，gPTP消息交互成功后，從空閑狀態進入同步狀態；或者當前狀態處于正常工作跟蹤狀態，當存在時間不連續時，從正常工作狀態過渡到同步狀態；當主時鐘的gPTP消息丟失時，它轉換到自由運行狀態；或者，當實現快速相位和頻率調諧時，進入并保持主端的鎖定。

圖1顯示了四種自定義RTC時鐘狀態的交互圖。根據gPTP協議的規范，計算主時鐘和從時鐘之間的時間偏差。系統通電后，RTC時鐘默認為自由運行狀態。通過gPTP協議交互，Slave計算線路延遲和與主端的時間偏差。交互過程如圖2所示，實現過程如下：（1）主時鐘向從時鐘發送Sync消息，并記錄發送時間t1；從時鐘接收到消息后，記錄接收時間t2。（2） 主時鐘發送Sync（同步）消息后，會立即發送Follow with t1_ Up（跟隨t1_向上）消息。（3） 從時鐘向主時鐘發送Pdelay _ Req消息，并記錄發送時間t3；在接收到消息之后，主時鐘記錄接收時間t4。（4） 主時鐘接收到Pdelay_Req消息后，用攜帶t4_ Resp消息的Pdelay進行回復，并記錄發送時間t5；在接收到來自時鐘的消息后，記錄接收時間t6。（5） 主時鐘應答Pdelay_在Resp消息之后，立即發送t5的Pdelay_Resp_Follow_Up消息。

根據以上記錄，主時鐘和從時鐘的時延計算公式如下：

時間偏差偏移計算如下：

對時間偏差進行濾波，得到最終的時間偏差。由于硬件性能誤差對主時鐘和從時鐘之間的每次交互的影響，每次交互的計算結果略有不同。為了解決這個技術問題，在該技術方案中，通過計算一段時間內的時間偏差并對所獲得的一組時間偏差進行穩定性處理，來獲得更可靠的時間偏差。穩定性處理包括：處理m個時間偏差，包括直接計算m個偏差的平均值作為最終的時間偏差偏移量_ filter

或者，根據m個偏移時間偏差值的大小，將它們由小到大排列成一組數據，然后去除最大值和最小值。然后，將這組數據的中值作為最終的時間偏差。通過遺傳算法和PID控制算法快速調整主時鐘和從時鐘之間的精確時鐘同步。通過上述步驟獲得主時鐘和從時鐘的時間偏差，并對本地RTC時鐘相位進行重大調整，使主時鐘和副時鐘端的相位偏差在μS級以內；在從端完成RTC相位的顯著調整后，RTC狀態切換到跟蹤狀態；從終端基于閉環控制方法對RTC時鐘執行快速相位和頻率調諧。調諧調節方法采用PID閉環控制方法，如圖3所示。為了使計算結果更加準確，采用遺傳算法和PID控制，通過遺傳算法不斷推導和調整PID中的Kp、Ti和Td值，使從RTC的時鐘相位不斷接近主時鐘相位。經過多次閉環控制，調整從端的時鐘頻率以滿足鎖定要求，從端進入鎖定狀態。進入鎖定狀態后，從端向主端發送信號，通知主端降低發送Sync消息的頻率。在鎖定狀態下，當從端的相位偏差超過極限時，進行相位調整。通過上述步驟，車輛網絡中每個節點的主時鐘和從時鐘可以快速準確地實現時間同步。

圖3中RTC時鐘快速相位和頻率微調的架構圖顯示，目前，汽車智能化和網絡化的發展仍在推進，導致對自動駕駛、先進ADAS技術、，高質量的智能座艙、OTA遠程升級、5G通信技術等發展，這些關鍵技術正從目前的高質量快速發展階段逐步過渡到成熟的商用，離不開高帶寬車載以太網技術的支持和發展。在此過程中，合謙科技將加大研發力度，不斷推動車內以太網技術在智能汽車中的應用，克服車內以太網在智能汽車上的商業壁壘，助力汽車智能化、網聯化的成熟發展。

標簽：發現遠程

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