什么是車載以太網(wǎng)？為什么汽車的智能網(wǎng)聯(lián)、自動(dòng)駕駛、無人駕駛、乃至智能座艙等功能的開發(fā)都離不開車載以太網(wǎng)？下面，就讓我們對(duì)車載以太網(wǎng)進(jìn)行一個(gè)簡要介紹，車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，傳輸介質(zhì)采用單對(duì)非屏蔽雙絞線或光纖，傳輸速率100Mbit/s ~10Gbit/s，同時(shí)還滿足汽車行業(yè)對(duì)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及高嚴(yán)苛?xí)r間同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。國際上，以博通、恩智浦、寶馬等公司為代表進(jìn)行了車載以太網(wǎng)相關(guān)的配套產(chǎn)品開發(fā)，目前已經(jīng)有部分中高端車型采用車載以太網(wǎng)進(jìn)行通信，如奧迪A8采用車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)的通信架構(gòu)，大眾ID4采用車載以太網(wǎng)的360全景影像。在國內(nèi)，以上海赫千電子科技有限公司（HingeTech）為代表的企業(yè)專注車載以太網(wǎng)的全棧技術(shù)研究，赫千科技自成立以來就聚焦于車載以太網(wǎng)的配套產(chǎn)品開發(fā)，為汽車智能網(wǎng)聯(lián)、ADAS、自動(dòng)駕駛、無人駕駛等功能開發(fā)提供基于車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)的通信大動(dòng)脈。圖1為一種基于車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的示意圖，域控制器（Domain controller），如自動(dòng)駕駛域控制器、座艙域控制器等，車身周圍的環(huán)境感知傳感器，如：車載以太網(wǎng)攝像頭（Eth Camera）、車載以太網(wǎng)毫米波雷達(dá)（Eth mmWave radar）、車載以太網(wǎng)激光雷達(dá)（Eth Lidar）等，根據(jù)需求，域控制器通過車載以太網(wǎng)總線連接TSN網(wǎng)關(guān)與中央計(jì)算平臺(tái)（Central Computing Platform）或環(huán)境感知傳感器交換數(shù)據(jù)，環(huán)境感知傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)后通過車載以太網(wǎng)總線傳輸至對(duì)應(yīng)的TSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后相應(yīng)的TSN網(wǎng)關(guān)將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通過車載以太網(wǎng)總線傳輸至中央計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)算處理，或中央計(jì)算平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后通過TSN網(wǎng)關(guān)傳輸至域控制器進(jìn)行決策或車載以太網(wǎng)顯示屏（Eth Screen）進(jìn)行顯示，同時(shí)TSN網(wǎng)關(guān)兼容CAN、CAN-FD通信，通過CAN總線、CAN-FD總線與相應(yīng)CAN ECU進(jìn)行信息交換。                                   

圖1 基于車載以太網(wǎng)的區(qū)域網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

試想想，若圖1中的區(qū)域網(wǎng)關(guān)架構(gòu)并未采用車載以太網(wǎng)總線進(jìn)行連接，而是采用傳統(tǒng)的CAN總線、FlexRay或MOST總線進(jìn)行通信，若該架構(gòu)被裝配有L4/L5的自動(dòng)駕駛功能的車輛采用，則可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)攝像頭、激光雷達(dá)之間的時(shí)間同步不夠精確而導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)不匹配，座艙域控制器顯示屏的駕駛策略與揚(yáng)聲器發(fā)出的提示聲音可能不同步，或者傳感器采集感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶詣?dòng)駕駛域控制器的時(shí)間延遲達(dá)不到要求，那么無疑該L4/L5的自動(dòng)駕駛功能的車輛僅僅停留在演示的Demo車，無法真正實(shí)現(xiàn)L4/L5的自動(dòng)駕駛功能。因此，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)精確的時(shí)間同步對(duì)于實(shí)現(xiàn)L4/L5的自動(dòng)駕駛功能是非常重要的，而基于車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)的通信具備時(shí)間同步功能，能夠滿足要求。

現(xiàn)階段基于車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步功能是基于gPTP協(xié)議進(jìn)行的，但在實(shí)際應(yīng)用中由于異常情況等原因?qū)е聲r(shí)鐘同步信息消失，進(jìn)而使得時(shí)鐘同步中斷，如何在時(shí)鐘同步信息丟失后快速進(jìn)行同步仍然是車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步功能需要解決的關(guān)鍵性問題。為了搞清楚車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步技術(shù)的改進(jìn)路線，我們?cè)趪业膶＠麛?shù)據(jù)庫中查詢車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步技術(shù)的相關(guān)專利，通過查詢使我們了解到了，在國際上，韓國的現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社申請(qǐng)了較多的車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步相關(guān)的專利。在國內(nèi)，高校和研究所中，同濟(jì)大學(xué)申請(qǐng)了車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步的專利。在企業(yè)中，上海赫千電子科技有限公司（HingeTech）擁有較多的車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步的授權(quán)專利。比較有意思的是，我們閱讀了上海赫千電子科技有限公司中的時(shí)間同步專利的相關(guān)專利，恰好發(fā)現(xiàn)其中一件專利號(hào)為201911214729.8，名稱為一種應(yīng)用于主時(shí)鐘與從時(shí)鐘的時(shí)間同步修正方法、裝置的專利，該專利針對(duì)基于gPTP協(xié)議的時(shí)鐘同步信息丟失后如何快速進(jìn)行同步提供一種確實(shí)可行的解決方案，具體要點(diǎn)為：

從時(shí)鐘接收主時(shí)鐘發(fā)送的同步時(shí)間消息后，計(jì)算主時(shí)鐘與從時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移量，并通過時(shí)鐘偏移量對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘偏移修正但不修正從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率；當(dāng)在指定的時(shí)刻后，才同步進(jìn)行時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘頻率偏移修正。

以預(yù)設(shè)的調(diào)頻時(shí)間作為起始位置，并在預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)對(duì)主時(shí)鐘與從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率偏移量進(jìn)行追蹤，對(duì)主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的時(shí)鐘頻率偏移的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估；

例如：根據(jù)用戶需要設(shè)置測量時(shí)長，假設(shè)經(jīng)歷了Ts_2至Ts_k的測試時(shí)長，在測試時(shí)長對(duì)主從時(shí)鐘進(jìn)行修正，具體計(jì)算公式如下：

其中，公式（1）中，Offset_i為第i次的時(shí)鐘偏移量，其中，i從第2次開始計(jì)算；公式（2）中，Offset_total為Ts_2至Ts_k這段預(yù)設(shè)時(shí)長內(nèi)的所有主從時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移量。  

因此，根據(jù)公式（1）至公式（4），計(jì)算時(shí)鐘頻率的校正結(jié)果對(duì)從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率進(jìn)行校正，從而使得主時(shí)鐘與從時(shí)鐘保持精準(zhǔn)時(shí)鐘同步。

根據(jù)赫千科技（HingeTech）公開專利提供的實(shí)測數(shù)據(jù)，分別采用赫千科技HigPTP的時(shí)間同步校正方法與現(xiàn)有技術(shù)中的LinuxPTP的時(shí)鐘同步校正方法進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，結(jié)果顯示采用LinuxPTP方法，經(jīng)歷10min后，時(shí)鐘偏移量從初始的31477ns變?yōu)?5344ns，相差為95344ns/10min，換算成秒則為99.8nm/s。但是當(dāng)采用HigPTP的方法，經(jīng)歷10min后，時(shí)鐘偏移量從初始的31044ns變?yōu)?3243ns，相比于LinuxPTP方法，時(shí)間差降低為7801ns/10min，換算成秒則僅為13nm/s，時(shí)鐘同步的精度提升約8倍。因此，經(jīng)過HigPTP時(shí)間同步后，主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的時(shí)間同步精度相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)有較大的提升。

圖2采用赫千科技提供的HigPTP方法與現(xiàn)有LinuxPTP方法對(duì)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘進(jìn)行校正的結(jié)果對(duì)比

根據(jù)上述介紹可以知曉，目前國內(nèi)外較多的機(jī)構(gòu)和企業(yè)仍然在專注于車載以太網(wǎng)的精準(zhǔn)時(shí)間同步技術(shù)研究，如圖3展示的集中式的區(qū)域網(wǎng)關(guān)架構(gòu)采用車載以太網(wǎng)的時(shí)間同步方案，假設(shè)為HigPTP方案，可以看出以自動(dòng)駕駛域控制器作為主時(shí)鐘，根據(jù)主時(shí)鐘，采用HigPTP方案同步車載以太網(wǎng)攝像頭和車載以太網(wǎng)激光雷達(dá)的時(shí)鐘，同時(shí)，同步TSN網(wǎng)關(guān)的時(shí)鐘。由于TSN網(wǎng)關(guān)通過車載以太網(wǎng)總線與不同的域控制器相連接，選擇TSN網(wǎng)關(guān)作為主時(shí)鐘，通過HigPTP對(duì)動(dòng)力域控制器、底盤域控制器、車身域控制器、座艙域控制器的時(shí)鐘進(jìn)行精準(zhǔn)同步。通過HigPTP的時(shí)鐘同步方法，能夠完成車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘精準(zhǔn)同步。

圖3 基于車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)時(shí)鐘同步技術(shù)方案

若裝配有L4/L5的自動(dòng)駕駛車輛采用HigPTP方案，由于具備精確的時(shí)間同步功能，則車載以太網(wǎng)激光雷達(dá)、車載以太網(wǎng)攝像頭的時(shí)鐘能夠精確同步，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)能夠做到同步采集，精確匹配。傳感器采集的感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶詣?dòng)駕駛域控制器的延遲能夠可控，座艙控制器播放的提示音能夠與畫面顯示的內(nèi)容始終保持同步，那么該L4/L5的自動(dòng)駕駛功能的車輛成為真正意義具備自動(dòng)駕駛功能的車輛。由此可見，車載以太網(wǎng)對(duì)汽車智能網(wǎng)聯(lián)、ADAS、智能座艙、自動(dòng)駕駛等功能至關(guān)重要，幸運(yùn)的是目前國內(nèi)已經(jīng)有赫千科技等許多優(yōu)秀的高科技企業(yè)在從事相關(guān)方面的研究并量產(chǎn)配套產(chǎn)品，伴隨著汽車的智能化不斷向前推進(jìn)，相信不久的將來，以車載以太網(wǎng)總線為骨干網(wǎng)絡(luò)的配套產(chǎn)品一定會(huì)在汽車的智能化浪潮中開枝散葉。

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