什么是車載以太網？為什么汽車的智能網聯、自動駕駛、無人駕駛、乃至智能座艙等功能的開發都離不開車載以太網？下面，就讓我們對車載以太網進行一個簡要介紹，車載以太網是一種用以太網連接車內電子單元的新型局域網技術，傳輸介質采用單對非屏蔽雙絞線或光纖，傳輸速率100Mbit/s ~10Gbit/s，同時還滿足汽車行業對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及高嚴苛時間同步實時性等方面的要求。國際上，以博通、恩智浦、寶馬等公司為代表進行了車載以太網相關的配套產品開發，目前已經有部分中高端車型采用車載以太網進行通信，如奧迪A8采用車載以太網為骨干網絡的通信架構，大眾ID4采用車載以太網的360全景影像。在國內，以上海赫千電子科技有限公司為代表的企業專注車載以太網的全棧技術研究，赫千科技自成立以來就聚焦于車載以太網的配套產品開發，為汽車智能網聯、ADAS、自動駕駛、無人駕駛等功能開發提供基于車載以太網為骨干網絡的通信大動脈。圖1為一種基于車載以太網為骨干網絡的區域網關架構的示意圖，域控制器(Domain controller)，如自動駕駛域控制器、座艙域控制器等，車身周圍的環境感知傳感器，如:車載以太網攝像頭(Eth Camera)、車載以太網毫米波雷達(Eth mmWave radar)、車載以太網激光雷達(Eth Lidar)等，根據需求，域控制器通過車載以太網總線連接TSN網關與中央計算平臺(Central Computing Platform)或環境感知傳感器交換數據，環境感知傳感器采集環境數據后通過車載以太網總線傳輸至對應的TSN網關進行數據交換，然后相應的TSN網關將對應的數據通過車載以太網總線傳輸至中央計算平臺進行運算處理，或中央計算平臺對數據進行運算處理后通過TSN網關傳輸至域控制器進行決策或車載以太網顯示屏(Eth Screen)進行顯示，同時TSN網關兼容CAN、CAN-FD通信，通過CAN總線、CAN-FD總線與相應CAN ECU進行信息交換。
圖1 基于車載以太網的區域網關架構
試想想，若圖1中的區域網關架構并未采用車載以太網總線進行連接，而是采用傳統的CAN總線、FlexRay或MOST總線進行通信，若該架構被裝配有L4/L5的自動駕駛功能的車輛采用，則可能會出現多個攝像頭、激光雷達之間的時間同步不夠精確而導致圖像數據與點云數據不匹配，座艙域控制器顯示屏的駕駛策略與揚聲器發出的提示聲音可能不同步，或者傳感器采集感知數據傳輸到自動駕駛域控制器的時間延遲達不到要求，那么無疑該L4/L5的自動駕駛功能的車輛僅僅停留在演示的Demo車，無法真正實現L4/L5的自動駕駛功能。因此，車內網絡中各節點精確的時間同步對于實現L4/L5的自動駕駛功能是非常重要的，而基于車載以太網為骨干網絡的通信具備時間同步功能，能夠滿足要求。
現階段基于車載以太網的時間同步功能是基于gPTP協議進行的，但在實際應用中由于異常情況等原因導致時鐘同步信息消失，進而使得時鐘同步中斷，如何在時鐘同步信息丟失后快速進行同步仍然是車載以太網的時間同步功能需要解決的關鍵性問題。為了搞清楚車載以太網的時間同步技術的改進路線，我們在國家的專利數據庫中查詢車載以太網的時間同步技術的相關專利，通過查詢使我們了解到了，在國際上，韓國的現代自動車株式會社申請了較多的車載以太網的時間同步相關的專利。在國內，高校和研究所中，同濟大學申請了車載以太網的時間同步的專利。在企業中，上海赫千電子科技有限公司擁有較多的車載以太網的時間同步的授權專利。比較有意思的是，我們閱讀了上海赫千電子科技有限公司中的時間同步專利的相關專利，恰好發現其中一件專利號為201911214729.8，名稱為一種應用于主時鐘與從時鐘的時間同步修正方法、裝置的專利，該專利針對基于gPTP協議的時鐘同步信息丟失后如何快速進行同步提供一種確實可行的解決方案，具體要點為:
從時鐘接收主時鐘發送的同步時間消息后，計算主時鐘與從時鐘的時鐘偏移量，并通過時鐘偏移量對從時鐘進行時鐘偏移修正但不修正從時鐘的時鐘頻率；當在指定的時刻后，才同步進行時鐘偏移和時鐘頻率偏移修正。
以預設的調頻時間作為起始位置，并在預設的時間段內對主時鐘與從時鐘的時鐘頻率偏移量進行追蹤，對主時鐘與從時鐘之間的時鐘頻率偏移的趨勢進行預估；
例如:根據用戶需要設置測量時長，假設經歷了Ts_2至Ts_k的測試時長，在測試時長對主從時鐘進行修正，具體計算公式如下:
其中，公式中，Offset_i為第i次的時鐘偏移量，其中，i從第2次開始計算；公式(2)中，Offset_total為Ts_2至Ts_k這段預設時長內的所有主從時鐘的時鐘偏移量。
因此，根據公式至公式(4)，計算時鐘頻率的校正結果對從時鐘的時鐘頻率進行校正，從而使得主時鐘與從時鐘保持精準時鐘同步。
根據赫千科技公開專利提供的實測數據，分別采用赫千科技HigPTP的時間同步校正方法與現有技術中的LinuxPTP的時鐘同步校正方法進行對比，如圖2所示，結果顯示采用LinuxPTP方法，經歷10min后，時鐘偏移量從初始的31477ns變為95344ns，相差為95344ns/10min，換算成秒則為99.8nm/s。但是當采用HigPTP的方法，經歷10min后，時鐘偏移量從初始的31044ns變為23243ns，相比于LinuxPTP方法，時間差降低為7801ns/10min，換算成秒則僅為13nm/s，時鐘同步的精度提升約8倍。因此，經過HigPTP時間同步后，主時鐘和從時鐘的時間同步精度相對于現有技術有較大的提升。
圖2采用赫千科技提供的HigPTP方法與現有LinuxPTP方法對主時鐘和從時鐘進行校正的結果對比
根據上述介紹可以知曉，目前國內外較多的機構和企業仍然在專注于車載以太網的精準時間同步技術研究，如圖3展示的集中式的區域網關架構采用車載以太網的時間同步方案，假設為HigPTP方案，可以看出以自動駕駛域控制器作為主時鐘，根據主時鐘，采用HigPTP方案同步車載以太網攝像頭和車載以太網激光雷達的時鐘，同時，同步TSN網關的時鐘。由于TSN網關通過車載以太網總線與不同的域控制器相連接，選擇TSN網關作為主時鐘，通過HigPTP對動力域控制器、底盤域控制器、車身域控制器、座艙域控制器的時鐘進行精準同步。通過HigPTP的時鐘同步方法，能夠完成車載以太網為骨干網絡的各節點的時鐘精準同步。
圖3 基于車載以太網為骨干網絡的精準時鐘同步技術方案
若裝配有L4/L5的自動駕駛車輛采用HigPTP方案，由于具備精確的時間同步功能，則車載以太網激光雷達、車載以太網攝像頭的時鐘能夠精確同步，使得點云數據與圖像數據能夠做到同步采集，精確匹配。傳感器采集的感知數據傳輸到自動駕駛域控制器的延遲能夠可控，座艙控制器播放的提示音能夠與畫面顯示的內容始終保持同步，那么該L4/L5的自動駕駛功能的車輛成為真正意義具備自動駕駛功能的車輛。由此可見，車載以太網對汽車智能網聯、ADAS、智能座艙、自動駕駛等功能至關重要，幸運的是目前國內已經有赫千科技等許多優秀的高科技企業在從事相關方面的研究并量產配套產品，伴隨著汽車的智能化不斷向前推進，相信不久的將來，以車載以太網總線為骨干網絡的配套產品一定會在汽車的智能化浪潮中開枝散葉。
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