基于PTP协议的时钟同步技术在车路协同中的应用

随着信息技术、5G、人工智能等先进技术的快速发展，各种科学技术的融合衍生出各种新的应用，更快的传输速度、更高的带宽、更大的计算能力、更准确、更低的时延成为提高现有服务水平的有力手段。

在智能交通领域，由原来的单点信息采集逐渐发展成为区域联网、协同联动、统一指挥的智能城市管理系统。 目前，智能网联汽车与智慧城市协同发展已逐步在全国铺开。 车路协同路侧基础设施建设，不仅可以为智能网联汽车服务，还可以提升城市交通管理水平。

在智能交通的发展过程中，各种新技术随着服务需求的提升不断更新迭代。 传统的智能交通主要以交通流量的采集为基础，服务于城市管理者对交通的管理，通过信息牌、地图、广播等方式为载人汽车服务，对实时性要求不高。 随着智能网联汽车的蓬勃发展，车路协同技术应运而生。 路侧基础环境建设不再仅仅满足于为普通交通参与者服务，更重要的是可以为智能网联汽车提供感知信息服务和驾驶建议。 路侧信息需要为正常行驶的汽车提供服务，避免交通安全事故的发生，对实时性有极高的要求。 时钟同步技术是信息高实时性的基本保证。

各种时钟同步技术的应用及其优缺点

主流计时技术

定时过程是通过通讯方式实现的。 根据电磁波频率和传输方式的不同，主流的授时方式有几种，主要有短波授时、长波授时、低频时间码授时、电话授时、电视授时网络授时、卫星授时等。

网络时间服务是指通过时间服务器提供时间服务。 指定的时间服务器作为网络上的参考时间源，提供时间服务。 局域网内的所有联网设备（包括计算机、服务器、网络设备等）同步，以达到定时的目的。

顾名思义，卫星授时就是通过卫星系统为地面设备提供授时，统称为GNSS（全球导航卫星系统），主要包括GPS系统（美国）、北斗系统（中国）、GLONASS（俄罗斯）和伽利略系统（欧洲）。

每颗卫星都可以通过发射卫星信号向覆盖区域内的设备发送精确的时间。 地面设备通过专有设备接收授时信息，实现与卫星的时间同步，从而达到授时的目的。

每颗卫星都需要配备原子钟，卫星系统需要覆盖全球，才能实现高精度和全覆盖。

与上述各类授时技术相比，GNSS授时精度相对较高。 除了精度，GNSS卫星授时还具有覆盖全球、应用简单等优点。 它是目前世界上使用最广泛和最流行的。

NTP时间同步技术

NTP时间同步技术（Network Time Protocol）在网络上建立指定的时钟源，通过网络为用户提供统一的时间服务。 NTP时间同步的精度一般可以达到几十到几百毫秒。 NTP以客户端和服务器的形式提供服务。 当客户端需要时钟同步时，向服务器发送一个NTP时钟信​​息查询报文。 服务器收到查询包后，查询自己的本地时间，返回NTP信息包。 服务器返回之前的时间。 两个数据包都包含发送时间和接收时间。 通过这4次，可以计算出客户端和服务器之间的时间偏差和网络延迟。

对于一般应用，NTP几十到几百毫秒的计时精度就足够了，但在车路协同中，从路边感知交通参与者信息到发送给智能网联汽车的时延要求一般在200毫秒以内。 只有智能网联汽车接收到的信息才能被汽车决策系统采纳，以确保车辆有足够的时间来应对交通状况。 因此时间同步服务器，对于NTP时钟同步技术，授时精度误差，加上网络延迟和计算系统运行时间，在车路协同应用中整体延迟难以保证。

因此，考虑采用定时精度更高的IEEE 1588同步协议。

PTP技术在车路协同中的应用

PTP技术介绍

PTP 协议由 IEEE 1588 标准定义。 PTP协议的授时精度在测控系统中可以达到微秒级，远高于NTP协议的精度。 除了精度更高，IEEE 1588协议基于以太网和TCP/IP协议，网络协议开销低，占用网络资源和计算资源少，部署成本低。

PTP协议通过主时钟和从时钟之间的时间消息交互计算主时钟和从时钟之间的网络延迟和时钟偏差，通过偏差和延迟的修正达到时钟同步的目的。

NTP是工作在应用层的标准协议。 该协议估计往返消息在网络传输中花费的时间，然后估计从时钟和主时钟之间的时间偏移。 校准本地时间的从时钟。

NTP中的四个时刻的时间戳都在client/server的应用层，记录报文经过应用层的时间。 数据传输延迟包括网络中的数据传输延迟和计算系统对数据的处理延迟。 当传输的数据帧长度相等时，可以认为网络传输延迟相等，但计算系统的处理时间不仅包括数据的处理时间，还有许多方面难以估计的时间，如作为故障修复和程序调用。 在现实中，客户端计算机和服务器计算机的数据处理能力有很大差异，因此对主从时钟消息相等性的估计并不严谨。 因此，NTP会采用多次发送和接收时间戳的方法，并使用统计的方法来减少错误。

PTP协议和NTP协议实现主从时钟同步并不完全相同，具有一定的特殊性：

PTP协议分为“事件消息”和“一般消息”，共5种消息类型，分别是同步消息（Sync）、延迟请求消息（Follow_Up）、跟随消息（Delay_Req）、延迟请求响应消息文本（Delay_Resp ), 管理信息。

PTP协议通过报文传输实现时间同步的过程如下：

1、Sync报文由主时钟发送，主时钟会在应用层预测报文的发送时间。 这个时间是不准确的，准确的时间是在硬件层打上烙印的。 记录准确的发送时间后，发送延时请求报文，其中包含准确的时间T1，并记录时钟发送Sync报文的接收时间T2和发送时间T1。

2、时钟发送如下消息，记录时钟发送时间T3；

3、主时钟发送延时请求响应报文，并记录从时钟收到报文后的接收时间T4。

4、通过记录上述时间，通过一定公式的换算，计算出主从时钟之间的时间偏移量（offset）和网络延时（delay）。 获取到这两个参数后，就可以通过调整参数来达到主从时钟同步的目的。

T1+延迟1+偏移量=T2；

T3-delay2+offset=T4；

假设报文的网络传输存在对称性，即delay1=delay2=delay，则可以计算出网络延迟delay和时间偏移offset时间同步服务器，实现主从设备之间的时间校正。

IEEE 1588高精度同步实现机制

PTP协议在车路协同中的应用

近年来，随着智能网联汽车的发展，单车智能化和车路协同成为智能网联汽车探索发展的两条主线。 通信网络中的每个设备或系统都有自己的时钟。 由于制造工艺、时钟频率差异、环境变化等原因，随着网络的运行，各个设备或系统的时钟值都会发生偏移，导致各个时钟的时钟值不一致。 为保证消息传输的可靠性，车路协同系统中需要高精度、高可靠性的时钟同步机制。

车路协同技术利用激光雷达、毫米波雷达、摄像头等路侧感知设备，通过边缘计算设备实现多传感器数据融合。 同时，在边缘计算设备中配置车路协同场景处理算法和交通管理算法。 路侧智能单元RSU将车路协调信息发送给智能网联汽车OBU，智能网联汽车接收路侧信息并结合车辆自身传感器获取的交通参与者信息进行统一信息处理和判断。 驾驶决策和控制系统做出适当的驾驶行为，避免碰撞和交通事故的发生。

高精度时间同步技术是实现车路协同的关键技术之一。 对于智能网联汽车来说，从感知端多个传感器的同步融合，到车辆的精准定位，再到车与车、车与路、车与万物的互联，都需要时间同步。

智能网联汽车通过自身多传感器与路侧多传感器的数据融合，实现全息感知。 所有的传感器、控制器、执行器等都需要精确同步和协调，这样车辆才能做出合理、正确的决策，避免交通安全事故的发生。 .

在车路协同中，涉及到路边多个传感器的数据融合。 一般传感器的数据频率为10-30Hz，每30-100ms发送一个数据。 各种传感器的频率可能不同，所以在时间上，不同传感器的时间首先对齐，输出的多源目标数据可以在时间上严格对齐，数据融合才有了基础。

在车路协同中，车路通信的时延精度要求极高。 路边发送的数据需要结合智能网联汽车自身的数据综合判断，再做出驾驶决策。 因此，路侧发送数据的时间精度需要与车侧数据时间对齐，才能发挥路侧数据的作用，保障车辆行驶安全。

高精度定位是实现智能驾驶汽车安全稳定的核心技术。 时间同步是定位系统的关键技术。 无论是卫星定位还是地面基站增强定位，定轨定位的基础都是每次观测的时间同步。 如果观测时间有偏差，那么运动距离必然会有偏差，尤其是对于卫星定位来说，一个非常小的时间偏差就会导致一个巨大的空间偏差。

影响PTP授时精度的原因分析

1.网络不对称

PTP协议在工作过程中，数据包在网络中传输，需要进行计算以避免网络延迟的影响。 在计算过程中，认为数据包发送和接收时延相同，但在实际过程中，由于网络干扰，客户端和服务端的数据处理能力不同，数据发送和接收时延很难相同，所以 ，对整体计时精度有一定影响。

2.网络负载

当网络比较拥堵时，校时包前面会有一个大包，影响校时包的传输时间，影响网络时延的计算。

3.时间戳的位置

PTP协议支持应用层时间戳，也支持硬件层时间戳。 应用层加时间戳后，报文经过网络层和MAC层后发送出去。 时间戳时间与实际发送时间之间存在偏差，会影响计时精度。

4、网络中存在不支持PTP协议的网络设备，会影响协议运行效果，降低同步精度。

PTP技术的优缺点

优势：

1、PTP协议所能达到的时间精度高，达到微秒级，远超NTP协议的毫秒级，因此能够满足车路协同数据融合的严苛要求和高精度、低-延迟车路通信。

2、PTP协议对网络的开销小，不影响现网的数据传输。

缺点：

1、要获得理想的精度，需要专业的PTP授时服务器。 同时服务器可以接收卫星信号，会增加使用成本。

2、时钟同步设备在使用过程中，卫星授时信号不稳定。 此时依赖于定时服务器的本地晶振来维持系统时间的稳定。 不同的晶振会影响定时精度。

3、为使PTP协议能够实现高精度时钟同步系统的运行，网络设备和客户端设备都需要支持IEEE1588协议，这可能会增加整个系统的成本。

作者单位：上海点科智能系统有限公司

结尾

2022年第4公里行的主题是“数字赋能智慧出行，打造交通安全新体系”。 万里游集团计划在全国十个城市举办巡展和交流活动。 （8.25）和南昌（8.26）杭州（9.6）成都（10.28）天津（11.1）南京（11.23）成功举办了8场赛事，随后将进入济南和北京。 万里行活动点燃大江南北，旨在为会员企业建立供需对接渠道，提供更多合作机会。 有意者请加微信了解详情：sz17727580282

转载文章请加编辑：yipcheuili

过去的建议：