智能駕駛數據網絡時間同步（PTP時鍾服務器）分析
隨着汽車電子的日益復雜化以及汽車電子電氣架構(EEA)的升級，人們對於聯網智能汽車的需求也在逐步上升，大量先進技術往汽車上應用，如高級駕駛輔助系統(ADAS)、自動駕駛等，這些新技術也對車載網絡的帶寬有了更高的要求。從而使用以太網技術及中央域控制（Domain）和區域控制（Zonal）架構是下一代車載網絡的發展方向。
然而對於自動駕駛技術的實現，涉及到感知、規划、執行三個層面。由於車輛行駛在未知動態環境中，需要事先構建出環境地圖並在地圖中進行自我定位，這其中涉及到各傳感器數據的精確時間同步。然后根據傳感器捕獲的原始數據和已有環境場景，規划車輛從一個位置到另一個位置的路徑。最后控制系統發出信號控制車上的電機或者液壓執行器執行相應的動作。
一、傳感器數據同步原理
通過設置唯一的時鍾主機給各類傳感器提供相同的基准時間。但是由於各傳感器設備時鍾晶振及數據傳輸路徑不同，需要根據提供的基准時間校准各自的時鍾時間，實現時間同步。最后根據校准后的時間為采集數據加上時間戳信息，這樣就可以保證同一時刻采集相同的環境信息。
圖1：傳感器時鍾同步原理
那么，怎么解決各傳感器設備由於時鍾晶振及數據傳輸路徑等不同，怎么根據基准時間校准自己的時間？可以使用PTP/gPTP協議解決各傳感器設備時間同步的問題！
二、PTP/gPTP時鍾同步協議介紹
PTP/gPTP時鍾同步協議是基於數據包的時間同步協議。數據傳輸和時間同步使用同一網絡，它描述了如何在基於數據包網絡(比如以太網)上分配同步時間(相位、頻率和絕對時間)的機制。時鍾精度達到亞微秒級。
三、相關名詞及概念
▼時鍾節點
構成時間域的各節點稱為時鍾節點。比如自動駕駛數采套件上的各類傳感器。協議定義以下三類:
表1：時鍾節點類型
圖2：邊界時鍾與透明時鍾區別
▼時鍾節點端口
表2：端口狀態
▼報文類型
表3：報文類型
▼傳輸延遲機制
協議中定義了兩種機制用來測量時間節點端口之間的傳輸延遲。
表4：傳輸延遲機制
P2P機制優化了E2E在實際情況存在網絡不對稱造成的誤差。那是不是我們就盡量P2P機制呢？顯然不是！P2P機制要求交換節點都能支持TC或BC模式，否則無法識別和響應Pdelay報文，系統內存在大量普通交換機，采用E2E是更好的選擇。
四、時鍾同步原理及傳輸延遲機制區
▼時鍾同步原理
協議的正常執行分為兩個步驟：
- 建立主從層次；
所有普通時鍾端口通過Announce報文和最佳主時鍾(BMCA)算法來建立主從同步層次，處於從狀態與處於主狀態的端口進行同步。在域中，每個端口檢查該端口上接收的所有“Announce”消息的內容,與普通時鍾或邊界時鍾相關端口數據集的內容相比較，以確定時鍾的每個端口的狀態。 - 同步時鍾。
時差修正，延遲補償。需同步設備時間(T2) = 基准時間(T1)+鏈路延遲(Delay)+時鍾偏差(Offset）。
圖3：延遲請求響應機制
延遲請求響應機制步驟：
- 主節點向從節點發送Sync消息，並記錄發送時間t1；
- 從節點收到該報文后，記錄接收時間t2；
- 主節點通過以下方式將時間戳t1傳遞給從節點；
▶ One-step方式:時間戳t1嵌入到Sync消息中，對硬件處理能力要求較高，快速往Sync報文嵌入時間標簽，以實現高准確性和精度。
▶ Two-step方式:將時間戳t1嵌入到Follow_Up中。 - 從節點向主節點發送Delay_Req報文，用於發起反向傳輸延時的計算，並記錄發送時間t3；
- 主節點收到Delay_Req報文之后，記錄接收時間t4；
- 主節點將t4嵌入到Delay_Resp消息中，從而傳遞給從節點。
- 此時，從節點便擁有了t1～t4這四個時間戳，假設網絡對稱，由此可計算出從節點相對於主節點的時鍾延遲：Delay=（t4-t3+t2-t1）/2，時鍾偏差：Offset=（t2-t4+t3-t1）/2。
圖4：對等延遲機制
對等延遲機制步驟：
- 鏈路延遲測量從端口A開始，發出Pdelay_Req消息並為Pdelay_Req消息生成時間戳t1;
- 端口B接收Pdelay_Req消息，並為該消息生成時間戳t2;
- 端口B返回一個Pdelay_Resp消息，並為該消息生成一個時間戳t3;
- 為了最小化兩個端口之間的頻率偏移所造成的錯誤，端口B在收到Pdelay_Req消息后盡快返回Pdelay_Resp消息；
▶ One-step方式：Pdelay_Resp嵌入的t2和t3時間戳之間的差值；
▶ Two-step方式：Pdelay_Resp嵌入的t2時間標簽，dealy_Resp_Follow_Up嵌入t3時間標簽。 - 端口A生成接收Pdelay_Resp消息的時間戳t4。端口A然后使用這四個時間戳來計算平均鏈接延遲。Delay = [(t2–t1)+(t4–t3)]/2，時鍾偏差：Offset=（t2-t4+t3-t1）/2。
▼E2E與P2P區別
E2E機制只能從節點往主節點這個方向計算延遲，而P2P機制可以主從節點兩端計算延遲。如圖5所示。
圖5：E2E和P2P在邊界時鍾區別
E2E機制報文能全部被TC轉發，而P2P機制獨有的報文不能被轉發。P2P機制下TC能把停留時間和沿路徑的鏈路延遲之和將報告給從站。E2E機制下TC能把沿路徑的停留時間總和將報告給從站。如圖6所示。
圖6：E2E和P2P在透明時鍾區別
五、應用案例—ADAS數據采集解決方案
東信在構建精確時間同步系統方面具有豐富的經驗，能夠根據高清攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等各類傳感器的特性，構建多種類型數據的處理分析系統，並實現數據的精確時間同步。
圖7：系統示例
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