[發(fā)明專利]一種車載以太網(wǎng)的時間同步和調(diào)度方法

有效

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• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108173614B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發(fā)明（設計）人: 羅峰;徐金鵬;錢時菲;王博文;溫泉;傅卓
• 申請（專利權）人: 同濟大學;泛亞汽車技術中心有限公司
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06;H04L12/841;H04L12/851;H04L12/863
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

本發(fā)明涉及一種車載以太網(wǎng)的時間同步和調(diào)度方法，包括以下步驟：S1：時間同步啟動優(yōu)化：調(diào)用本地保存的鏈路延遲進行本地時鐘偏差校正，同時縮短節(jié)點同步報文周期，加速同步過程；S2：靜態(tài)主時鐘選取：將所有節(jié)點同步消息，確定最高優(yōu)先級時鐘作為主時鐘；S3：同步冗余路徑選擇：采用同步消息中的時鐘修正消息段進行冗余路徑選擇，并對延遲時間進行過濾；S4：雙窗口實時調(diào)度：將發(fā)送節(jié)點發(fā)送的報文分配為三種優(yōu)先級隊列，并將時間窗分為兩個周期，使所有發(fā)送節(jié)點的報文同步發(fā)出。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有提高實踐同步穩(wěn)定性、保障實時調(diào)度等優(yōu)點。

技術領域

本發(fā)明涉及通信網(wǎng)絡技術領域，尤其是涉及一種車載以太網(wǎng)的時間同步和調(diào)度方法。

背景技術

隨著汽車的智能化快速發(fā)展，車載以太網(wǎng)正在快速發(fā)展，其網(wǎng)絡協(xié)議為時間敏感網(wǎng)絡TSN(Time-Sensitive Networking)協(xié)議，它要求網(wǎng)絡進行分時調(diào)度，并可應用于車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡，具有較好的實時性，適用于對實時性要求高的系統(tǒng)；TSN協(xié)議不依賴上層協(xié)議，對應用層透明。作為實時調(diào)度的時基，TSN協(xié)議在時間同步中發(fā)揮著重要的作用。其中使用最為廣泛的協(xié)議為IEEE 802.1as，即精準時間同步協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)和更新的草稿版。該協(xié)議的優(yōu)勢在于支持多種域、不對稱延遲測量和路徑冗余。然而這份協(xié)議并非針對車用環(huán)境，因此需要進一步更改和優(yōu)化，使其可以在車載網(wǎng)絡中進行時間同步和分時調(diào)度通信。

時間同步的首要步驟即為時鐘初始化，時鐘初始化必須在車輛功能啟動前完成，而IEEE 802.1as不能保證快速同步啟動，其中一個原因是對等鏈路延遲測量。如圖1所示，節(jié)點必須通過計算對等鏈路延遲才可完成快速同步啟動。圖1中，t1、t2分別為發(fā)送報文時，時針硬件對同一個報文位置，即以太網(wǎng)報文數(shù)據(jù)幀開始標志直接借宿后第一個位數(shù)據(jù)處而產(chǎn)生的高精度時間戳；假設鏈路延遲為d，理論上d＝t2-t1；由于兩個節(jié)點本地時鐘存在時鐘偏差e，則d＝t2-t1-e。為了消除未知的時鐘偏差e，采用反向發(fā)送報文的形式得到發(fā)送方本地時間戳t3和接收方本地時間戳t4，則有d＝t4-t3+e，進而可得到鏈路延遲的計算公式為：d＝((t2-t1-e)+(t4-t3+e))/2＝((t2-t1)+(t4-t3))/2，該公式中不存在不確定的時鐘偏差e，因此可以用于計算鏈路延遲。

在進行實際本地時鐘矯正時，如圖2所示，此時需要計算時鐘誤差e。圖中，t_s，i-1、t_s，i分別為發(fā)送方打的時間戳和接收方打的時間戳(s表示Sync同步報文，i與同步報文通過的交換機數(shù)量有關，每通過一級交換機其值加1，i的取值范圍為1，2，3，…)，二者與t1、t2打時間戳的方式相對應，因此可知e＝t_s，i-t_s，i-1-d。其中，d已經(jīng)通過復用測量值的辦法獲取，因此e也可獲取并用于修正本地時鐘。

對于實際車載網(wǎng)絡，在實際應用程序運行之前網(wǎng)絡必須做好通信準備，這包括鏈路啟動和協(xié)議啟動等步驟。所有啟動步驟必須在可預測的時間內(nèi)盡快完成以便于車輛狀態(tài)的快速啟動。然而同步協(xié)議需要節(jié)點之間相互測量延遲后才能開始同步過程，其標準的1秒周期會導致整網(wǎng)同步時間超過實際需求，因此必須對其進行啟動優(yōu)化以保證整車響應速度。

除了啟動時間外，同步網(wǎng)絡至少需要一個主時鐘。傳統(tǒng)網(wǎng)絡采用主時鐘通過廣播時鐘精度信息仲裁的方法進行選取，該方法較為繁瑣，進一步導致同步啟動或者恢復時間增加。同時，在環(huán)型冗余拓撲下，時間同步變得比之前更復雜，如圖3所示，同樣的同步消息在從節(jié)點的兩個方向被接收，這個問題總是出現(xiàn)在冗余網(wǎng)絡中。常規(guī)來說，隨著時鐘源和目標之間的交換機數(shù)量增加同步精度降低。時鐘節(jié)點可以通過報文經(jīng)過的交換機數(shù)量決定最優(yōu)主時鐘。然而實際同步報文中沒有鏈路上交換機數(shù)量的信息。因此無法進行更優(yōu)鏈路判斷，導致同步精度下降。

對于時間窗口規(guī)劃，802.1Qbv只是給出了原理性質(zhì)的方法，對實際規(guī)劃方案并沒有太大約束。然而網(wǎng)絡運行過程中鏈路延遲，交換機轉發(fā)延遲，時鐘抖動等均可能導致調(diào)度出現(xiàn)偏差甚至失敗，導致調(diào)度通信的方法性能下降，無法滿足設計要求。