一种基于车载以太网传输的TSN网络时钟同步方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及车载通信领域，尤其涉及一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法、系统及设备。

背景技术

随着科学技术的不断进步，汽车朝着智能化、自动化、无人化方面发展，现阶段，智能汽车中ADAS辅助驾驶、主动刹车以及未来无人驾驶汽车的发展对数据传输的实时性和同步性要求非常苛刻，因为数据的传输一旦发生延迟，则可能会导致计算结果的不准确性，导致错误的决策产生，最终汽车会产生错误的操作导致交通事故的发生。但是智能汽车的传感器众多，每个传感器中的时钟硬件或多或少存在差异，因此如何确保众多传感器中的时钟都进行时刻保持同步成为目前车内网络通信首要解决的技术问题。

在目前的时钟同步协议中，其采用IEEE1588时钟同步协议对各节点进行时钟同步，IEEE1588协议使分布式网络内的所有时钟与最精确时钟保持同步。在IEEE 1588协议中，尽管规定了时间同步方法，但是由于时钟硬件原因，实际中时钟信号往往不可能总是那么完美，会出现抖动和偏移问题，因此采用标准的1588时钟协议对处于通信链路中的时间同步出现误差。在对时间时序具有严格传输的场合难以满足要求，特别是光纤车载以太网的TSN网络，光纤车载以太网的TSN网络中能够具备传输大流量数据，众多的信号传输需要保持时间的精确同步，降低误差。显然，IEEE 1588标准时钟协议难以满足要求。现有技术中有针对时间抖动进行补偿，但是其仅是单纯考虑单个周期的补偿，在补偿完成后开始至下一个周期补偿前，其仍然存在较大的误差，而且周期越长，误差越大。

因此，针对目前时间同步仍然存在较多的技术缺陷，需要提供一种完善的技术方案来解决该问题，实现精准的时间同步。

发明内容

基于现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，其特征在于，包括：车载以太网的TSN网络节点中选择其中一个时钟为主时钟，

主时钟与各从时钟通过对应的时钟链路进行报文交互并采集各从时钟服务器提供的时间数据，主时钟根据采集的时间数据计算出各从时钟与主时钟的时间差异并根据时间差异对从时间的时钟进行补偿，时间差异包括链路传输延时、时钟偏移和校正时钟漂移。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，从时钟接收主时钟通过对应的时钟链路发送的同步报文，获取主时钟发送所述同步报文的时间，并记录接收到所述同步报文的时间；从时钟通过对应的时钟链路向主时钟发送延迟请求报文，并记录发送所述延迟请求报文的时间；

从时钟接收主时钟通过对应的时钟链路发送的延迟应答报文，并获取主时钟接收所述延迟请求报文的时间。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，

主时钟根据公式Ti_offset＝(Ti3–Ti4+Ti2–Ti1)/2计算出第i个从时钟与主时钟的时钟偏移；

主时钟根据公式Ti_delay＝(Ti4–Ti3+Ti2–Ti1)/2计算出主时钟与第i个从时钟的链路传输延时；

其中，Ti_offset代表第i个从时钟与主时钟的时钟偏移，Ti4代表主时钟接收到第i个从时钟发送的延迟请求报文的时间，Ti3代表所述第i个从时钟发送延迟请求报文的时间，Ti2代表第i个从时钟接收到所述同步报文的时间，Ti1代表所述主时钟向第i个从时钟发送同步报文的时间。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，不同时钟频率偏差率的获取包括：分别在t1、tn时刻对主时钟和第i个从时钟进行采样，采样值分别记为T1_m_i、Tn_m_i、T1_s_i、Tn_s_i，主时钟进行采样与第i个从时钟的时钟频率偏差率Tri：

Tri＝(Tn_s_i–T1_s_i)/(Tn_m_ir–T1_m_i)；

根据时钟频率偏差率Tri对链路传输延时进行修正。

如果计算从时钟与从时钟之间的时钟频率偏差率，其计算方法较为类似，将其中一个从时钟替换为主时钟即可。

例如：一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，不同从时钟频率偏差率的获取包括：分别在t1、tn时刻对从时钟j和第i个从时钟进行采样，采样值分别记为T1_m_i、Tn_m_i、T1_s_i、Tn_s_i，第j个从时钟进行采样与第i个从时钟的时钟频率偏差率T’ri：

T’ri＝(Tn_s_i–T1_s_i)/(Tn_m_ir–T1_m_i)；

根据时钟频率偏差率T’ri对链路传输延时进行修正。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，主时钟周期性通过报文交互采集从时钟的时间数据计算出从时钟与主时钟的时间差异；

则在第k个周期内，主时钟与第i个从时钟的时钟漂移的计算公式：

其中，

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，在第k个周期内，校正时钟漂移包括第k-1个周期的校正时间漂移乘以权重系数α与第k个周期的时钟漂移乘以权重系数β，其中α+β＝1。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，主时钟与各从时钟的时间信号采集点设置于MAC层；

在发送方，当报文离开MAC层进入PHY层的时候记录当前时刻；在接收方，当报文离开PHY层刚到达MAC层的时候记录当前时刻。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，获取主时钟对与其通信的从时钟经过链路节点数，当节点数大于预设阈值C时，从第C+1个从时钟开始，第j个从时钟的时间同步的参考值以链路节点中前相邻的从时钟为准，其中，j>＝C+1。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，进一步，第j个从时钟的时钟偏移计算方式如下：

上式中，

T

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步系统，包括：域控制器、TSN网关、至少一个与TSN网关相连接支链网络，支链网络设置有多个节点，每个节点配置用于通信的设备，其中，域控制器与TSN网关通过车载以太网总线相连接或光纤车载以太网总线相连接，支链网络的节点设备通过车载以太网总线相连接或光纤车载以太网总线相连接；

时钟同步方法包括如上述任意一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法。

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步装置，应用于主时钟，包括配置模块、采集模块、计算模块和处理模块，其中：

所述配置模块，设置为配置基于至少一个主时钟和从时钟的时钟同步参数，所述时钟同步参数包括至少两条时钟链路；

所述采集模块，设置为主时钟与从时钟通过对应的时钟链路进行报文交互，采集从时钟提供的时间数据；

所述计算模块，设置为根据采集的时间数据计算出从时钟与所述主时钟的时间差异；

所述处理模块，设置为对多个时间差异进行补偿，以使主时钟与从时钟的时钟同步。

有益效果：

1.本发明在时间同步时间的过程中，本发明对传统的时钟漂移进行了改进，校正校正时钟漂移相对标准协议定义的时间漂移，其综合上一周期时间的校正时钟漂移和本周期的时钟漂移，通过设置权重系统，分别调节上一周期时间的校正时钟漂移和本周期的时钟漂移所占的权重从而获得校正时钟漂移，通过校正时钟漂移使对主时钟与从时钟的时间进行高精度同步，在不增加系统负荷、不增加占用带宽的条件下提高了主时钟与从时钟的时间同步精度。

2.本发明在时间同步时间的过程中，时间数据采集点设置为MAC层并且规定的采集时间位置，相对于传统的在应用层采集，能够消除系统调用带来不确定产生的误差

3.本发明在时间同步时间的过程中，对支链网络节点中离主时钟较远的节点，为了消除时间受中间设备当前发送任务、线路占用状态等因素的影响，则会导致主时钟与较远节点的从时钟的时钟偏移和链路传输延时补偿不准确，本实施例对于较远节点的主时钟与从时钟的时间偏差，其计算方法考虑与其相连接的上一个节点的从时钟链路延时和报文在上一个节点的从时钟的驻留时间，主时钟与从时钟的时钟频率偏差计算式也将第一个周期的链路传输延时与第一个周期的链路传输延时的因素考虑进去。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1为本发明一实施例中车载以太网的TSN网络示意图。

图2为本发明一实施例中车载以太网的TSN环状网络示意图。

图3为本发明一实施例中主时钟与从时钟链路传输时间延迟和时钟偏移传输示意图。

图4为本发明一实施例中主时钟与从时钟的时钟频率偏差传输示意图。

图5为本发明一实施例中主时钟与第j+1从时钟的链路传输示意图。

具体实施方式

为了对本文的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。为使图面简洁，各图中的示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

关于控制系统，功能模块、应用程序(APP)本领域技术人员熟知的是，其可以采用任何适当的形式，既可以是硬件也可以是软件，既可以是离散设置的多个功能模块，也可以是集成到一个硬件上的多个功能单元。作为最简单的形式，所述控制系统可以是控制器，例如组合逻辑控制器、微程序控制器等，只要能够实现本申请描述的操作即可。当然，控制系统也可以作为不同的模块集成到一个物理设备上，这些都不偏离本发明的基本原理和保护范围。

本发明中“连接”，即可包括直接连接、也可以包括间接连接、通信连接、电连接，特别说明除外。

本文中所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文中所使用地，单数形式“一个”、“一种”、以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地另作规定。还将理解的是，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”是指存在有所陈述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或组分，但是并不排除存在有或额外增加一个或多个其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组分和/或其组成的群组。作为在本文中所使用的，术语“和/或”包括列举的相关项的一个或多个的任何和全部的组合

应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。

此外，本公开的控制器可被具体化为计算机可读介质上的非瞬态计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器或类似物执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括，但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在通过网络耦合的计算机系统中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)以分布式方式存储和执行。

本实施例提供一种车载以太网的TSN网络，参见图1和图2，在图1中，包括域控制器，域控制器可以看成是高性能的ECU，域控制器硬件支持多虚拟机运行；

车载以太网的TSN网络中，还包括TSN网关、链路传输节点设置有传感器、ECU、交换机，其中，域控制器通过车载以太网总线或光纤车载以太网总线或CAN总线与TSN网关相连接；

链路传输节点，如支路B1节点、B2节点，支路节点S1,S2，S3，……,Si。

节点设置可以为传感器、ECU、交换机、网关、GPS、收音机等设备；

每个节点都设有用于时间同步的时钟；

在各种节点进行时钟同步时，主时钟的选取采用BMC算法确定或者根据网络指定，如本实施例中可以指定TSN网关或域控制器作为主时钟。

图2为本实施例中的另外一种车载以太网的TSN网络，在该网络中，有多个环状支路，在环状支路中，处于链路节点中的从TSN网关出发，依次首尾相连接，多个设备组成环状网络，TSN网关发送数据经过环状网络的设备逐个传播转发汇聚至TSN网关实现数据的输入与输出；环状网络中的当前的设备接收前相邻传设备的传送数据并获取所需数据后，将剩余数据与所需要传输的数据传输给后相邻设备。

需要说明的是，TSN网关是网络数据交换处理的中转站，支路数据汇聚至TSN网关后，经过TSN网关中转至对应的域控制器或对应的ECU进行处理，ECU的位置并不限定，可以是节点中的ECU。

与现有技术不同的是，本发明的支路环状网络数据传输时，TSN网关根据需求，转发发送控制信号和/或视频、音频、图像数据传输给与其相连接的设备，控制信号可以包括1个节点的设备或多个不同节点的设备或所有节点的设备信号，用于对设备进行控制，处于环状链接路节点的设备最终将数据汇聚至TSN网关进行处理，即TSN网关只需进行发送一次和接收一次数据就能够单次完成一个链路的一次数据传输。

在图2中，存在多个环状链路支路，每个支路节点设有同类型的设备，设备包括：传感器、ECU、交换机、网关；

传感器可以包括车载以太网摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等。

域控制器通过车载以太网总线与TSN网关相连接，TSN网关通过车载以太网与环状链接中设备相连接，处于环状链路中设备连接总线为车载以太网总线；

优选的，在大流量数据下，可以采用光纤车载以太网总线替换车载以太网总线进行连接。

本实施例提供一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步方法，具体包括：车载以太网的TSN网络节点中选择其中一个时钟为主时钟，

主时钟与各从时钟通过对应的时钟链路进行报文交互并采集各从时钟服务器提供的时间数据，主时钟根据采集的时间数据计算出各从时钟与主时钟的时间差异并根据时间差异对从时间的时钟进行补偿，时间差异包括链路传输延时、时钟偏移和校正时钟漂移。

现有技术中，是由于外界温度、压力和晶振本身老化等因素的影响,从时钟频率与主时钟频率会产生相对的漂移偏差,该偏差会随着时间的增加不断累积,最终导致从时钟计时远远偏离主时钟的计时。但是在进行时钟漂移补偿时，其采用的每隔一定时间进行采样重新计算，但是由于晶振的本身的问题，会导致时钟漂移发生变化，即使进行了补偿，在本次补偿后至下一周期前，仍然会产生较大的误差。如果提高采样频率，尽管能够有所改善，但是采样频率提高会导致车载网络的负载过重，一方面要占据带宽，另一方面，也占据较多的系统资源，特别在本实施例提供的多种不同的设备大流量传输下，多种不同的设备都有同步需求，占据带宽和系统资源无疑会导致数据的传输质量下降从而不能满足高苛求的实时性，甚至引发丢包。本实施例对传统的时间漂移进行了改进，使其降低误差。

具体地，从时钟接收主时钟通过对应的时钟链路发送的同步报文，获取主时钟发送所述同步报文的时间，并记录接收到所述同步报文的时间；从时钟通过对应的时钟链路向主时钟发送延迟请求报文，并记录发送所述延迟请求报文的时间；

从时钟接收主时钟通过对应的时钟链路发送的延迟应答报文，并获取主时钟接收所述延迟请求报文的时间。

主时钟根据公式Ti_offset＝(Ti3–Ti4+Ti2–Ti1)/2计算出第i个从时钟与主时钟的时钟偏移；

主时钟根据公式Ti_delay＝(Ti4–Ti3+Ti2–Ti1)/2计算出主时钟与第i个从时钟的链路传输延时；

其中，Ti_offset代表第i个从时钟与主时钟的时钟偏移，Ti4代表主时钟接收到第i个从时钟发送的延迟请求报文的时间，Ti3代表所述第i个从时钟发送延迟请求报文的时间，Ti2代表第i个从时钟接收到所述同步报文的时间，Ti1代表所述主时钟向第i个从时钟发送同步报文的时间。

具体地，参见图3，时钟偏移和链路传输延时的计算步骤包括：

步骤S1：主时钟在Ti1时刻发送Sync报文，第i个从时钟在Ti2时刻收到同步指令；

步骤S2：主时钟发送一个Follow_Up报文，该命令中携带Ti1的值。第i个从时钟收到后，对Follow_Up报文进行解析获取Sync报文是在Ti1时刻发出的；

步骤S3：第i个从时钟在Ti3时刻发送一个Delay_Req报文，主时钟在Ti4时刻收到该报文；

步骤S4：主时钟接着发送一个Delay_Resp响应第i个从时钟的Delay_Req，该命令中携带Ti4的值；

步骤S5：假设路径传输延时是对称的，即去程的传输延时和回程的传输延时相等。

建立方程：

Ti2–Ti1＝Ti_delay+Ti_offset

Ti4–Ti3＝Ti_delay-Ti_offset

求解上面两个方程，即可获得Ti-delay，Ti-offset

根据Ti-delay，Ti-offset，则主时钟与第i个从时钟的时钟漂移：

Δt

参见图4，不同时钟频率偏差率的获取包括：分别在t1、tn时刻对主时钟和第i个从时钟进行采样，采样值分别记为T1_m_i、Tn_m_i、T1_s_i、Tn_s_i，主时钟进行采样与第i个从时钟的时钟频率偏差率Tri：

Tri＝(Tn_s_i–T1_s_i)/(Tn_m_ir–T1_m_i)。

Tri如果大于1，则说明从时钟在t1至tn时刻，晶振频率大于主时钟的晶振频率，代表从时钟走快了；反之，Tri<1,则表示从时钟在时刻t1至tn时刻时，晶振频率小于主时钟，说明主时钟走快了。根据时钟频率偏差对主时钟与从时钟的时间差异进行修正，获取更精确的时间同步。

具体地，由于时钟频率偏差在不同的周期内具有不确定性，时钟频率的偏差会导致时钟偏移、链路传输延时发生变化，即使在采用周期内的采样，在周期校正完成后至下一个周期运行校正开始前，其仍然存在较大的误差并且具有不可预测性，为了降低由于时钟频率带来的误差，提供时间同步的精确性和稳定性，本实施提供了对时钟漂移补偿进行了修正。

具体地，主时钟周期性通过报文交互采集从时钟的时间数据计算出从时钟与主时钟的时间差异；

则在第k个周期内，主时钟与第i个从时钟的时钟漂移的计算公式：

其中，

则在第k个周期内，校正时钟漂移包括第k-1个周期的校正时间漂移乘以权重系数α与第k个周期的时钟漂移乘以权重系数β，其中α+β＝1。

0.01<＝α<1

具体地，第K个周期内的校正时间漂移

经过迭代：

上式中，

根据时钟偏移、链路延迟、校正时间漂移，对主时钟与从时钟进行同步，具体地，第i个从时钟在第w个周期开始后在t2时刻接收来自主时钟在t1时刻发送的信息，则此时，相对于主时钟显示，第i个从时钟的同步时间信息Tiw：

为了达到高精度的时间同步，必须消除系统调度带来的不确定因素，本实施例中将时间信号的采集点放在最靠近传输介质的位置；

具体包括：主时钟与各从时钟的时间信号采集点设置于MAC层；在发送方，当报文离开MAC层进入PHY层的时候记录当前时刻；在接收方，当报文离开PHY层刚到达MAC层的时候记录当前时刻。

具体地，在本实施例中，参见图1至图2，由于涉及网络节点较为复杂，有些节点设备设置于主链路上，有些节点设置于支链路上，在支链路上存在多个节点形成的单向传输链路，如环状链路1、环状链路2等，当环状链路中的节点数量较多时，若都同步于主时钟，则离主时钟较远位置的节点由于受到多个传输节点的影响，例如：转发时间可以预估，而等待时间受中间设备当前发送任务、线路占用状态等因素的影响，则会导致主时钟与较远节点的从时钟的时钟偏移和链路传输延时补偿不准确。为了解决这个问题，本实施例在较远位置节点的时间同步具体包括：

获取主时钟对与其通信的从时钟经过链路节点数，当节点数大于预设阈值C时，从第C+1个从时钟开始，第j个从时钟的时间同步的参考值以链路节点中前相邻的从时钟为准，其中，j>＝C+1，例如：C>＝2，当C＝2，即从第3个从时钟开始，具体根据网络的实际情况进行配置：

参见图5，第j个从时钟的时钟偏移计算方式如下：

上式中，

T

当j>＝C+1，对于主时钟与第j从时钟的频率偏差T_rj，在第w个周期内其计算公式为：

式中，w表示同步周期的个数，T

因此，对于第j(j>＝C+1)从时钟分别根据

一种基于车载以太网的TSN网络时钟同步装置，应用于主时钟，包括配置模块、采集模块、计算模块和处理模块，其中：

所述配置模块，设置为配置基于至少一个主时钟和从时钟的时钟同步参数，所述时钟同步参数包括至少两条时钟链路；

所述采集模块，设置为主时钟与从时钟通过对应的时钟链路进行报文交互，采集从时钟提供的时间数据；

所述计算模块，设置为根据采集的时间数据计算出从时钟与所述主时钟的时间差异；

所述处理模块，设置为对多个时间偏差进行补偿，以使主时钟与从时钟的时钟同步。

包括配置模块、采集模块、计算模块和处理模块，其中：

所述配置模块，设置为配置基于至少一个主时钟和从时钟的时钟同步参数，所述时钟同步参数包括至少两条时钟链路；

所述采集模块，设置为主时钟与从时钟通过对应的时钟链路进行报文交互，采集从时钟提供的时间数据；

所述计算模块，设置为根据采集的时间数据计算出从时钟与所述主时钟的时间偏差；

所述处理模块，设置为对多个时间偏差进行补偿，以使主时钟与从时钟的时钟同步。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。本领域的技术人员可以清楚，该实施例中的形式不局限于此，同时可调整方式也不局限于此。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。