什么是车载以太网？为什么汽车的智能网联、自动驾驶、无人驾驶甚至智能驾驶舱的发展都离不开车载以太网？下面，我们来简单介绍一下车载以太网。汽车以太网是一种新的局域网技术，通过以太网连接汽车中的电子单元。传输介质为单根非屏蔽双绞线或光纤，传输速率为100 Mbit/s ~ 10 Gbit/s，同时也满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟、高严格时间同步实时性的要求。在国际上，如博通、恩智浦、宝马等公司。开发了与车载以太网相关的配套产品。目前部分中高端车型已经采用车载以太网进行通信。比如奥迪A8采用车载以太网作为骨干网络通信架构，大众ID4采用车载以太网360°全景影像。在国内，以上海欣捷科技有限公司为代表的企业专注于车载以太网的全栈技术研究。自成立以来，何谦科技专注于车载以太网配套产品的开发，为汽车智能网联、ADAS、自动驾驶、无人驾驶的发展提供基于车载以太网的通信动脉作为骨干网络。图1是基于车辆以太网作为主干网络的区域网关架构的示意图。域控制器，如自动驾驶域控制器、驾驶舱域控制器等。、车身周围的环境传感器，如Eth摄像头、Eth毫米波雷达、Eth激光雷达等。根据需求，域控制器通过车载以太网总线连接TSN网关，与中央计算平台或环境传感器交换数据。环境传感器采集环境数据，通过车载以太网总线传输到相应的TSN网关进行数据交换，再由相应的TSN网关通过车载以太网总线将相应的数据传输到中央计算平台进行运算处理，或者由中央计算平台通过TSN网关将数据传输到域控制器进行决策或者通过车载以太网屏幕进行显示。同时，TSN网关兼容CAN和CAN-FD通信，通过CAN总线和CAN-FD总线与相应的CAN ECU交换信息。
图1基于车载以太网的区域网关架构
想想看，如果图1中的区域网关架构使用传统的CAN总线、FlexRay或MOST总线而不是车载以太网总线进行连接，如果配备L4/L5自动驾驶功能的车辆采用这种架构，则多个摄像头与激光雷达的时间同步可能不够准确，导致影像数据与点云数据不匹配。驾驶舱域控制器显示屏的驾驶策略可能与扬声器发出的提示音不同步，或者传感器采集和感知数据传输到自动驾驶域控制器的时延达不到要求，所以毫无疑问，具有自动驾驶功能的L4/L5车辆只停留在演示车辆上，L4/L5的自动驾驶功能并不能真正实现。因此，车载网络中各节点的准确时间同步对于实现L4/L5的自动驾驶功能至关重要，基于车载以太网作为骨干网络的通信具有时间同步功能，可以满足要求。
目前，基于车载以太网的时间同步功能是基于gPTP协议的。但在实际应用中，由于异常情况等原因，时钟同步信息消失，进而时钟同步中断。时钟同步信息丢失后如何快速同步仍然是车载以太网时间同步功能要解决的关键问题。为了找出车载以太网时间同步技术的改进路线，我们在国家专利数据库中搜索了车载以太网时间同步技术的相关专利。通过查询，我们了解到，在国际上，韩国现代汽车公司申请了更多与车载以太网时间同步相关的专利。在国内，在高校和科研院所，同济大学申请了车载以太网时间同步专利。在企业中，上海何谦电子科技有限公司(HingeTech)拥有更多车载以太网时间同步授权专利。更有意思的是，我们看了上海何谦电子科技有限公司时间同步专利的相关专利，刚刚发现其中有一项专利号为201911214729.8，是一项应用于主钟和从钟的时间同步校正方法和装置的专利。该专利为基于gPTP协议的时钟同步信息丢失后如何快速同步提供了可行的解决方案。具体要点如下:
从时钟接收到主时钟发送的同步时间报文后，计算主时钟和从时钟之间的时钟偏移，用时钟偏移校正从时钟的时钟偏移，而不校正从时钟的时钟频率；在指定时间之后，时钟偏移和时钟频率偏移被同步校正。
以预设的调频时间为起始位置，跟踪预设时间段内主时钟和从时钟之间的时钟频偏，估计主时钟和从时钟之间的时钟频偏趋势；
比如根据用户需求，设置测量时间，假设从Ts_2到Ts_k的测试时间已经过去，在测试时间内对主、从时钟进行校正。具体计算公式如下:
公式(1)中，Offset_i为第I个时钟偏移，其中I从第二次开始计算；在公式(2)中，Offset_total是从Ts_2到TS _ K的预设时间段内所有主时钟和从时钟的时钟偏移。
因此，根据公式(1)至(4)，通过计算时钟频率的校正结果来校正从时钟的时钟频率，使得主时钟和从时钟保持精确的时钟同步。
根据HingeTech公布的专利提供的测量数据，将何谦理工大学HigPTP的时间同步校正方法与现有技术中LinuxPTP的时钟同步校正方法进行比较，如图2所示，结果显示10分钟后，时钟偏移从最初的31477ns变为95344 ns，相差95344 ns/10min，以秒为单位为99.8nm/s。然而，当采用HigPTP方法时，10分钟后，时钟偏移从初始的31044ns变为23243ns。与LinuxPTP方法相比，时差缩小到7801ns/10min，秒级仅为13nm/s，时钟同步精度提高了8倍左右。因此，HigPTP时间同步后，主时钟和从时钟的时间同步精度相比现有技术有了很大的提高
图2何谦技术提供的HigPTP方法和现有的LinuxPTP方法校正主时钟和从时钟的结果对比。
根据上面的介绍，目前国内外很多机构和企业还在专注于车载以太网精确时间同步技术的研究。图3所示的集中式区域网关架构采用车载以太网的时间同步方案，假设HigPTP方案。可以看出，以自动驾驶域控制器为主时钟，采用HigPTP方案同步车载以太网摄像头和车载以太网激光雷达的时钟，同时同步TSN网关的时钟。由于TSN网关通过车载以太网总线连接不同的域控制器，因此选择TSN网关作为主时钟，通过HigPTP精确同步电源域控制器、底盘域控制器、车身域控制器和驾驶舱域控制器的时钟。通过HigPTP的时钟同步方法，可以完成以车载以太网为骨干网的各个节点的精确时钟同步。
图3基于车载以太网作为骨干网的精确时钟同步技术方案
如果搭载L4/L5的自动驾驶车辆采用HigPTP方案，由于具有精确的时间同步功能，车载以太网激光雷达和车载以太网摄像机的时钟可以精确同步，从而实现点云数据和影像数据的同步采集和精确匹配。可以控制传感器采集的感知数据传输到自动驾驶域控制器的延迟，驾驶舱控制器播放的提示音也能始终与屏幕上显示的内容保持同步，使具有自动驾驶功能的L4/L5车辆成为真正的具有自动驾驶功能的车辆。可以看出，车载以太网对于智能网络连接、ADAS、智能驾驶舱、自动驾驶等功能非常重要。好在目前国内有很多优秀的高科技企业，比如何谦科技，都在从事相关的研究和配套产品的量产。随着汽车智能化的发展，相信在不久的将来，以车载以太网总线为骨干网络的配套产品必将在汽车智能化浪潮中铺开。
