GPS北斗衛星授時服務器助力自動駕駛-安徽京準

GPS北斗衛星授時服務器助力自動駕駛-安徽京準
隨著自動駕駛量產落地的腳步越來越近，人們對四大模塊算法的優化也將逐漸轉移到架構級系統功能的優化，時間同步作為架構級系統功能的靈魂，必將首先得到重視，而隨著TSN產業鏈上下游的成熟，PPS+gPTP的精確時間同步方案，必將在自動駕駛的架構級功能占有一席之地。
下圖列舉了未來潛在的一種時間同步落地架構方案，如下圖。GNSS作為時鐘源，智駕域控制器作為主時鐘，整車域控制器作為橋接設備，其它域控制器作為從時鐘。
具備L4/L5自動駕駛功能的車輛，如果多個激光雷達之間的時間同步不夠精確？如果傳感器感知數據通過以太網傳輸到智駕域控制器的延遲不可控？如果智駕域控制器規劃決策的結果通過以太網傳輸到底盤域控制器的延遲也不可控？如果座艙域內屏幕顯示的變道決策與揚聲器播報的聲音不同步？那將仍然只是一輛適合演示或測試的無情機器，一副沒有“有趣靈魂”的軀體。

自動駕駛功能對數據在傳輸過程的可靠性和實時性要求遠超汽車以往任何功能，而作為域架構/中央計算架構下承載數據傳輸的車載以太網，必須具備類似當前CAN/LIN網絡下數據傳輸的確定性、實時性能力。而TSN作為一種可以基于車載以太網提供確定性和實時性數據傳輸的全新網絡技術，開始進入到自動駕駛產業上下游的視野。
TSN的確定性和實時性優勢是建立在精確的時間同步基礎之上，而TSN中用于實現精確時間同步的協議是IEEE 802.1AS，也就是業界常說的gPTP。在《時間同步，自動駕駛里的花好月圓》這篇文章中，作者介紹了PPS+PTP的全域架構下時間同步系統方案，可以認為是TSN產業尚未成熟背景下的一種最佳選擇。而隨著TSN上下游產業的成熟，以及自動駕駛量產落地的推進，PPS+gPTP必將契合全域架構/中央計算架構下自動駕駛功能的需求。
自動駕駛圈黑話第九期就以gPTP為切入點，介紹TSN下一種更精確的時間同步方法，同時介紹適合自動駕駛量產落地路上一種更優的時間同步架構方案。
TSN的前情回顧
TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感型網絡）技術的前身是AVB（Audio/Video Bridging，音視頻橋接）技術。在以太網音視頻傳輸領域，如果音頻和視頻信息沒有嚴格的時序規則以及不具有可預測的延遲，則會出現聲音和畫面不一致的現象。而高清的音頻和視頻數據傳輸，帶寬需求極大，實時性要求又非常高。如何保證高帶寬下的實時、同步傳輸，成為以太網音視頻傳輸領域的難題。
2006年，IEEE 802.1工作組成立AVB任務組，主攻以上難題。經過幾年攻關后，成功找到了高帶寬音視頻數據在以太網中實時、同步傳輸的方法，并制定了一系列標準。AVB由此開始受到工業、汽車領域產學研人士的關注。
2012年，AVB任務組改名TSN任務組，并在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍。TSN任務組通過制定一系列的傳輸和轉發機制來保證數據在車載以太網傳輸過程中的低延時、低抖動和低丟包率，從而保證數據在高可靠性的前提下進行快速傳輸，為在工業、汽車領域的應用打下理論基礎。
TSN協議棧是一系列IEEE 802.1標準的集合，包括技術類和配置類。技術類也稱為組件，主要由五類組件構成，包括時間同步組件、可靠性組件、延時控制組件、資源管理組件和安全組件。配置類主要分為工業領域、汽車領域和移動領域等。汽車領域主要涉及兩份配置標準IEEE 802.1BA和IEEE P802.1DG，后者將gPTP定義為車載以太網TSN網絡下時間同步的標準。

一、基礎概念
gPTP（generalized Precision Time Protocol，廣義精確時間同步協議），基于PTP（IEEE 1588v2）協議進行了一系列優化，形成了更具有針對性的時間同步機制，可以實現μs級的同步精度。
gPTP定義有兩種設備類型，Time-aware-end Station和Time-aware Bridge。每種設備都具有本地時鐘，本地時鐘都是通過晶振的振蕩周期進行度量的，設備內部硬件計數器負責對振蕩周期進行計數。設備中用來發布時間同步報文的網絡端口稱為主端口，用來接收時間同步報文的端口稱為從端口。
（1）Time-aware-end Station，既可以作為主時鐘，也可以作為從時鐘。
（2）Time-aware Bridge，既可以作為主時鐘，也可以作為橋接設備，類似交換機。橋接類設備在收到gPTP報文后，會請報文搓個澡，然后再送出去。而報文在橋接設備內搓澡消耗的時間，稱為駐留時間。gPTP要求橋接設備必須具有測量駐留時間的能力。
下圖展示了一個簡單的gPTP系統，包含一個時鐘源、1個主時鐘，2個橋接設備，4個從時鐘。主時鐘是系統內的時間基準，一般具有更高精度的本地時鐘，同時需要能夠被高精度準時鐘源（如衛星系統、原子鐘等）授時。主時鐘在系統內可以動態分配，也可以預先分配（對于車載固定拓撲應用場景，多采用預先分配的原則）。

PTP中規定的主時鐘動態分配機制為BMCA(Best Master Clock Algorithm，最佳主時鐘選擇算法)。系統上電喚醒之后，系統所有設備都可以通過發送一條報文來參與主時鐘競選，報文中含有各自設備的時鐘信息。每一個參選設備都會比較自己的時鐘信息和其他設備的時鐘信息，并判斷是否具有優勢，如果不具有，則退出競選，直到綜合能力最強的武林盟主誕生。
二、同步過程
gPTP定義有兩類報文，事件類型報文（包括Sync、Pdelay_Req、Pdelay_Resp三條）和一般類型報文（包括Follow_UP、Pdelay_Resp_Follow_UP二條）。gPTP定義設備工作在網絡七層模型中的第二層數據鏈路層的MAC（Media Acess Control，媒介訪問控制）子層。
當設備MAC層接收或發送事件類型報文時，會觸發對硬件計數器進行采樣，從而獲得時鐘振蕩周期計數值，結合時鐘振蕩頻率及基準時間，可獲得此時的時間戳。而一般類型報文僅用來攜帶信息，不會觸發內部硬件計數器的采樣操作。
（1）時鐘偏差測量
gPTP定義的五條報文中，Sync和Follow_UP為一組報文，周期發送，主要用來測量時鐘偏差。Sync由主端口發送，在報文離開主端口MAC層時，觸發主端口記錄此時的時間戳t1。從端口MAC層收到Sync報文后會記錄此時的時間戳t2。隨后，主端口將t1值附到Follow_UP報文里發送給從端口。
如果沒有網絡傳輸延遲或延遲、可以忽略，則從端口將本地時鐘值加上時鐘偏差（t1-t2的值）就完成時間同步，也就沒有后面的碎碎念了。但是對于μs級時間同步精度的gPTP來說，傳輸延遲顯然無法視若不見。
（2）傳輸延遲測量
gPTP采用P2P（Peer to Peer）的方法來測量傳輸延遲。在P2P方法中，測量的是相鄰設備間的傳輸延遲，報文不允許跨設備傳輸，這也就要求gPTP網絡內的所有設備都需要支持gPTP功能。同時定義一組獨立的報文專門負責傳輸延遲測量，分別為周期發送的Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_UP。
從端口首先發送Pdelay_Req報文，標志傳輸延遲測量的開始，在報文離開從端口MAC層時，觸發從端口記錄此時的時間戳t3。主端口MAC層收到Pdelay_Req報文后會記錄此時的時間戳t4，隨后，主端口通過Pdelay_Resp報文將值t4發送給從端口，同時在Pdelay_Resp報文離開主端口的MAC層時，觸發主端口記錄此時的時間戳t5，從端口MAC層收到Pdelay_Resp報文后記錄此時的時間戳t6。隨后，相同的套路，主端口通過Pdelay_Resp_Follow_Up報文將值t5發送給從端口。至此，一次傳輸延遲測量過程已經結束。在假設路徑傳輸延遲是對稱的前提下，可由如下公式計算相鄰設備間的傳輸延遲。
（3）頻率同步
上文的傳輸延遲測量是基于從端口與主端口的時鐘振蕩頻率一致的前提下得到的。現在我們考慮一下如果主從端口時鐘振蕩頻率不一致的時候，會導致什么靈異事件發生。假設從端口的時鐘振蕩頻率是25MHz,則一個時鐘振蕩周期是40ns。主端口的時鐘振蕩頻率是100MHz，則一個時鐘時鐘振蕩周期是10ns。
假設在一次傳輸延遲測量過程中，從端口在t6和t3時刻記錄的振蕩周期差值若為200個振蕩周期。由于主端口的時鐘頻率是從端口的4倍，因此從端口收到t5和t4時刻的振蕩周期差值大概800個。以從端口的40ns一個時鐘振蕩周期為基準進行計算的話，傳輸延遲則為-24μs（[200x40-800x40]/2）。傳輸不僅沒有延遲，反而提前知道了，從端口大仙無疑了。
除了主從端口時鐘振蕩頻率的先天不一致，溫度、老化等原因也會導致晶振振蕩頻率的不穩定。為了解決頻率不同步的問題，gPTP通過頻率同步來實現從端口對主端口的時鐘振蕩頻率同步。
頻率同步復用傳輸延遲測量過程的Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_UP報文。通過采用兩組答復，最終可以獲得t5,t6,t9,t10的值，由下面公式可得主從端口的頻率比。
主從端口頻率同步的情況下，頻率比等于1。如果大于1，說明主端口走得快，如果小于1，說明主端口走的慢。從端口根據頻率比的值，調整自己的時基，從而獲得正確的時間戳。
三、gPTP與PTP之間的差異
（1）傳輸延時測量方式
gPTP僅支持P2P的傳輸延時測量方式，PTP除了支持上文提到的P2P方法，還支持E2E（End-to-End）方法。在E2E方法中，測量的是網絡中任意兩個支持PTP設備之間的傳輸延遲，而在這兩個設備之間允許存在普通交換機等可以透傳PTP報文的設備。這導致P2P和E2E方式在如下方面存在差異。
（a）測量精度：P2P方法中，報文在橋接設備的駐留時間可以被測量，且會和傳輸延時時間一同發給后面鏈路上的設備，故測量精度可控且足夠高。E2E方法中，報文在普通交換機的駐留時間具有隨機性且不可測量，導致測量精度不可控且波動范圍大。
（b）架構靈活性：P2P方法中，測量報文不跨設備傳輸，主時鐘變化或新增從時鐘，僅對物理上相鄰的設備有影響，有利于網絡拓展；E2E方法中，無論主時鐘變化還是從時鐘變化，都需要重新測量整個網絡的傳輸延遲，且在網絡比較復雜時，網絡開銷會比較大，因此網絡拓展性較差。

（2）時間戳采樣方式gPTP只能工作在MAC子層，PTP除了可以工作在MAC子層，還可以工作在傳輸層。工作在傳輸層時，報文要經歷協議棧緩存、操作系統調度等過程，這兩個過程都會帶來傳輸延時的增加且大小不可控。而工作在MAC子層時，離物理層只有一步之遙，既能減緩協議棧緩存帶來延時的不確定性，又能縮短報文傳輸延時。
工作在MAC子層時，報文要么直接發給物理層要么從物理層收到，因此時間戳可以選擇由物理層硬件打或由軟件打。通過硬件的方式打，可以消除操作系統調度帶來的延時不確定性。PTP工作在MAC子層時，既支持硬件打時間戳，也支持軟件打時間戳。而gPTP從延時可控，延時減少的角度考慮，只允許打硬件時間戳。
（3）時鐘類型
PTP時鐘支持兩種時鐘類型，One-Step Clock和Two-StepClock。在One-Step Clock中，事件報文發送時，同時將本身記錄的時間戳發送給眾端口，如下圖左半部分所示。在Two-Step Clock中，事件報文不攜帶時間戳信息，需要一條專門的一般類型報文來給從端口發送時間戳，如下圖右半部分所示。
One-Step Clock雖然可以比Two-Step Clock節省一條報文，但對硬件要求很高，且硬件成本高，不利于網絡擴展和應用普及。在兩者精度沒有區別的前提下，Two-Step Clock類型顯然是gPTP的更優選擇，這也是gPTP協議里規定的類型。