[发明专利]一种车载以太网的时间同步和调度方法

说明书

本发明涉及一种车载以太网的时间同步和调度方法，包括以下步骤：S1：时间同步启动优化：调用本地保存的链路延迟进行本地时钟偏差校正，同时缩短节点同步报文周期，加速同步过程；S2：静态主时钟选取：将所有节点同步消息，确定最高优先级时钟作为主时钟；S3：同步冗余路径选择：采用同步消息中的时钟修正消息段进行冗余路径选择，并对延迟时间进行过滤；S4：双窗口实时调度：将发送节点发送的报文分配为三种优先级队列，并将时间窗分为两个周期，使所有发送节点的报文同步发出。与现有技术相比，本发明具有提高实践同步稳定性、保障实时调度等优点。

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，尤其是涉及一种车载以太网的时间同步和调度方法。

背景技术

随着汽车的智能化快速发展，车载以太网正在快速发展，其网络协议为时间敏感网络TSN(Time-Sensitive Networking)协议，它要求网络进行分时调度，并可应用于车载以太网网络，具有较好的实时性，适用于对实时性要求高的系统；TSN协议不依赖上层协议，对应用层透明。作为实时调度的时基，TSN协议在时间同步中发挥着重要的作用。其中使用最为广泛的协议为IEEE 802.1as，即精准时间同步协议(Precision Time Protocol，PTP)和更新的草稿版。该协议的优势在于支持多种域、不对称延迟测量和路径冗余。然而这份协议并非针对车用环境，因此需要进一步更改和优化，使其可以在车载网络中进行时间同步和分时调度通信。

时间同步的首要步骤即为时钟初始化，时钟初始化必须在车辆功能启动前完成，而IEEE 802.1as不能保证快速同步启动，其中一个原因是对等链路延迟测量。如图1所示，节点必须通过计算对等链路延迟才可完成快速同步启动。图1中，t1、t2分别为发送报文时，时针硬件对同一个报文位置，即以太网报文数据帧开始标志直接借宿后第一个位数据处而产生的高精度时间戳；假设链路延迟为d，理论上d＝t2-t1；由于两个节点本地时钟存在时钟偏差e，则d＝t2-t1-e。为了消除未知的时钟偏差e，采用反向发送报文的形式得到发送方本地时间戳t3和接收方本地时间戳t4，则有d＝t4-t3+e，进而可得到链路延迟的计算公式为：d＝((t2-t1-e)+(t4-t3+e))/2＝((t2-t1)+(t4-t3))/2，该公式中不存在不确定的时钟偏差e，因此可以用于计算链路延迟。

在进行实际本地时钟矫正时，如图2所示，此时需要计算时钟误差e。图中，t_s，i-1、t_s，i分别为发送方打的时间戳和接收方打的时间戳(s表示Sync同步报文，i与同步报文通过的交换机数量有关，每通过一级交换机其值加1，i的取值范围为1，2，3，…)，二者与t1、t2打时间戳的方式相对应，因此可知e＝t_s，i-t_s，i-1-d。其中，d已经通过复用测量值的办法获取，因此e也可获取并用于修正本地时钟。

对于实际车载网络，在实际应用程序运行之前网络必须做好通信准备，这包括链路启动和协议启动等步骤。所有启动步骤必须在可预测的时间内尽快完成以便于车辆状态的快速启动。然而同步协议需要节点之间相互测量延迟后才能开始同步过程，其标准的1秒周期会导致整网同步时间超过实际需求，因此必须对其进行启动优化以保证整车响应速度。

除了启动时间外，同步网络至少需要一个主时钟。传统网络采用主时钟通过广播时钟精度信息仲裁的方法进行选取，该方法较为繁琐，进一步导致同步启动或者恢复时间增加。同时，在环型冗余拓扑下，时间同步变得比之前更复杂，如图3所示，同样的同步消息在从节点的两个方向被接收，这个问题总是出现在冗余网络中。常规来说，随着时钟源和目标之间的交换机数量增加同步精度降低。时钟节点可以通过报文经过的交换机数量决定最优主时钟。然而实际同步报文中没有链路上交换机数量的信息。因此无法进行更优链路判断，导致同步精度下降。

对于时间窗口规划，802.1Qbv只是给出了原理性质的方法，对实际规划方案并没有太大约束。然而网络运行过程中链路延迟，交换机转发延迟，时钟抖动等均可能导致调度出现偏差甚至失败，导致调度通信的方法性能下降，无法满足设计要求。