本發(fā)明涉及一種用于網(wǎng)絡(luò)（具體地基于以太網(wǎng)的車輛中時間和安全關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)）中的時鐘同步的方法。

背景技術(shù)：

設(shè)計時間敏感的系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)是建立共同的時基。原因在于網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備具有不同的當(dāng)前時間視圖，因為它們通常具有不同的時鐘特性，比如頻率漂移、粒度等，并且它們通常具有不同的初始時間。這種情形導(dǎo)致一些汽車時間和安全關(guān)鍵應(yīng)用中的不可容忍的時鐘偏差，因為這些應(yīng)用具有旨在確保安全的汽車駕駛（特別是關(guān)于整個交通）的強烈要求。因此，需要對車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格的時間處理。這對于汽車內(nèi)的若干設(shè)備和/或多個設(shè)備的交互尤其重要，因為其全部均必須依賴于相同時間。因此，穿過整個網(wǎng)絡(luò)使用時間同步機制。

ieee802.1as時間同步協(xié)議已被指定為用于在基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中建立公共時基。它基本上通過經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)將其正時信息分布于其它設(shè)備來作用在用作時間基準(zhǔn)的主時鐘上，使得所述其它設(shè)備能夠校正并且因此使其內(nèi)部時鐘同步以便與主時鐘一致。

在關(guān)鍵的汽車應(yīng)用中，處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)包或消息的設(shè)備必須具有公共的時間感，以避免任何抖動、意外延遲和對實際情況的錯誤解釋，否則這能夠在車輛行為方面引起嚴(yán)重后果。因此，必須在啟動時以及在運行時間期間在車載時間和安全關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)中建立公共時基。

然而，網(wǎng)絡(luò)不受保護以免受能夠不利地影響時鐘同步的所有種類的錯誤的影響。對于一些安全關(guān)鍵應(yīng)用，比如專用于自主或半自動駕駛的應(yīng)用，必須檢測這種錯誤以防止車輛遭受任何危險行為。因此，基于以太網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)中的增強時鐘同步機制是有價值的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種網(wǎng)絡(luò)中增強的容錯時鐘同步機制。這允許對能夠不利地影響系統(tǒng)的故障的增強的容忍度。此外，進(jìn)一步減少了故障恢復(fù)時間。

本發(fā)明由獨立權(quán)利要求的特征限定。增強的容錯時鐘同步機制使用第一主時鐘和第二主時鐘同時工作。特殊性在于，在該配置中使用不是從設(shè)備的第二主時鐘，并且不關(guān)心并且不通知第一主時鐘的任何故障。

優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中限定。

附圖說明

借由參考附圖的示例說明本發(fā)明的實施例，其中同樣的附圖標(biāo)記指示相似的元件，并且附圖中：

圖1示出車載網(wǎng)絡(luò)的一部分的示例；

圖2示意性地示出用于時間同步的兩個祖時鐘（grandmaster）之間的消息傳輸；

圖3示意性地示出用于車載網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的消息傳播；

圖4示出在運行時間同步消息輸送的第一示例；

圖5示出在運行時間同步消息輸送的第二示例；

圖6示出用所提出的容錯時鐘同步機制實現(xiàn)的減少的恢復(fù)時間；和

圖7是時間同步方法的流程圖。

具體實施方式

在以下描述中，引入了多個具體細(xì)節(jié)以提供對于所建議的同步狀態(tài)監(jiān)測機制的實施例的透徹理解，并且使得能夠描述這些實施例。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，能夠在沒有該具體細(xì)節(jié)中的一個或多個的情況下實踐這些實施例，或者與其它部件、系統(tǒng)等一起實踐這些實施例。在其它情況下，未示出或未詳細(xì)描述眾所周知的結(jié)構(gòu)或操作，以避免使所公開的實施例的方面模糊。

圖1示出車載網(wǎng)絡(luò)100的示例。車載網(wǎng)絡(luò)例如基于樹形拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)100包括以下被稱為第一祖時鐘（grandmaster）的第一主時鐘101。網(wǎng)絡(luò)100包括以下被稱為第二祖時鐘的第二主時鐘102。網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第一數(shù)據(jù)鏈路121連接到第一祖時鐘101的第一網(wǎng)橋111。網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第二數(shù)據(jù)鏈路122連接到第二祖時鐘102的第二網(wǎng)橋112。第三數(shù)據(jù)鏈路123連接第一網(wǎng)橋111和第二網(wǎng)橋112。

網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第四數(shù)據(jù)鏈路124連接到第一網(wǎng)橋111的第三網(wǎng)橋113。網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第五數(shù)據(jù)鏈路125連接到第二網(wǎng)橋112的第四網(wǎng)橋114。

網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第六數(shù)據(jù)鏈路126連接到第一網(wǎng)橋111和/或交換節(jié)點3、4、5的第一設(shè)備141，主時鐘6和設(shè)備7、8、9。網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第七數(shù)據(jù)鏈路127連接到第二網(wǎng)橋112的第二設(shè)備142。網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第八數(shù)據(jù)鏈路128連接到第三網(wǎng)橋113的第三設(shè)備143。網(wǎng)絡(luò)100包括經(jīng)由第九數(shù)據(jù)鏈路129連接到第三網(wǎng)橋113的第四設(shè)備144。第十?dāng)?shù)據(jù)鏈路130連接第四設(shè)備144和第四網(wǎng)橋114。

設(shè)備141、142、143、144中的任何一個均被假定為關(guān)鍵數(shù)據(jù)的發(fā)送器。在一些實施例中，第一祖時鐘101或第二祖時鐘102被認(rèn)為也是關(guān)鍵數(shù)據(jù)的接收器

設(shè)備141、142、143、144例如根據(jù)ieee802.1as時間同步協(xié)議操作為從設(shè)備。設(shè)備141、142、143、144例如對應(yīng)于協(xié)作以實現(xiàn)復(fù)雜的安全關(guān)鍵車輛功能的電子控制單元，或者對應(yīng)于協(xié)作以發(fā)送安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳感器設(shè)備。

下文參考圖2至圖7解釋使用第一祖時鐘101和第二祖時鐘102的容錯時鐘同步。

第一祖時鐘101和第二祖時鐘102實施例如ieee802.1as時間同步協(xié)議。根據(jù)示例，它們同時工作。特殊性在于，在該配置中，第二祖時鐘102不是從設(shè)備。第二祖時鐘102獨立于第一祖時鐘101的任何故障而工作，并且優(yōu)選地不接收關(guān)于第一祖時鐘101的任何故障的信息。由此，實施操作模式以減少網(wǎng)絡(luò)的啟動時或發(fā)生故障之后時鐘同步的恢復(fù)時間。

參考圖2，解釋了用于在第一祖時鐘101和第二祖時鐘102之間建立公共時基的方法。該方法例如在網(wǎng)絡(luò)100啟動時開始。

圖2描繪了圖1的網(wǎng)絡(luò)100的一部分，其包括第一祖時鐘101、第二祖時鐘102、第一網(wǎng)橋111、第二網(wǎng)橋112以及如針對圖1所描述的連接它們的數(shù)據(jù)鏈路121、122、123。

時間同步過程用指定消息操作。為了實現(xiàn)時間同步，下文描述祖時鐘到祖時鐘校正。

第一祖時鐘101發(fā)送第一消息201“sync1”。第一網(wǎng)橋111和第二網(wǎng)橋112將該第一消息201轉(zhuǎn)發(fā)至第二祖時鐘102。

第二祖時鐘102發(fā)送第二消息202“sync2”。第二網(wǎng)橋112和第一網(wǎng)橋111將該第二消息202轉(zhuǎn)發(fā)至第一祖時鐘101。

一旦實現(xiàn)了第一祖時鐘101和第二祖時鐘102之間的同步，同步時間信息就可用于使時鐘從節(jié)點的時鐘同步。然后，第一祖時鐘101發(fā)送第三消息203“sync1”。一旦實現(xiàn)了第一祖時鐘101和第二祖時鐘102之間的同步，第二祖時鐘102就發(fā)送第四消息204“sync2”。第三消息203和第四消息204是獨立地向網(wǎng)絡(luò)100發(fā)送的。重復(fù)地，優(yōu)選地循環(huán)地發(fā)送第三消息203“sync1”和第四消息204“sync2”。優(yōu)選地，第一消息201“sync1”和第二消息202“sync2”僅被發(fā)送一次?？梢灾貜?fù)地，優(yōu)選地循環(huán)地發(fā)送上述消息預(yù)定時間。這提供容錯。

圖3中示意性地描繪網(wǎng)絡(luò)100中的消息的傳播，其中對于相同的元件使用與圖1和圖2中所使用的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記。

在時間同步之后，第二祖時鐘102使用第三消息203“sync1”來依照參考時間校正其時鐘。

在時間同步之后，第一祖時鐘101使用第四消息204“sync2”來依照參考時間校正其時鐘。

在沒有任何時鐘校正機制的網(wǎng)絡(luò)啟動下，c8m1（t）和c8m2（t）分別是在相同時間點t分別由第一祖時鐘101和第二祖時鐘102指示的時鐘正時值。

在沒有時間同步的情況下，時鐘正時值c8m1（t）和c8m2（t）是不同的。

時間同步，即第一消息201“sync1”和第二消息202“sync2”分別被用于發(fā)送同步時鐘正時值c8m1（t）和c8m2（t）。使用接收到的同步時鐘正時值c8m1（t）和c8m2（t），第一祖時鐘101和第二祖時鐘102的內(nèi)部時鐘被修改以指示相同的時間值。優(yōu)選地，在任何給定的時間點t，使用時鐘正時值c8m1（t）和c8m2（t）的平均值cmiddle（t）。替代性地，可以使用同步時鐘正時值c8m1（t）和c8m2（t）中的任一者。

如上文所描述的，在執(zhí)行祖時鐘校正之后，將第三消息“sync1”和第四消息“sync2”發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)100內(nèi)。

如圖3中所圖示的，每個從節(jié)點，即每個設(shè)備141、142、143、144均接收兩個不同的“sync”消息。優(yōu)選地，其僅使用兩個消息中的一個來校正其時鐘。

如圖4中所描繪的那樣并且根據(jù)圖7的流程圖，在第一步驟701中，交換第一消息201“sync1”和第二消息202“sync2”。優(yōu)選地，僅在第一祖時鐘101和第二祖時鐘102之間交換上述消息。優(yōu)選地在網(wǎng)絡(luò)100啟動時交換這些消息。

之后，在步驟702中，發(fā)送第三消息203“sync1”和第四消息204“sync2”。

之后，在步驟703中，用所接收的第三消息203“sync1”或所接收的第四消息204“sync2”的時間同步信息執(zhí)行時鐘校正c。

優(yōu)選地，重復(fù)地，優(yōu)選地循環(huán)地執(zhí)行步驟702和703。

這意味著在循環(huán)i中，第三消息203“sync1i”和第四消息204“sync2i”周期性地由網(wǎng)絡(luò)100中的所有時間敏感設(shè)備傳輸并且能夠由所述設(shè)備通達(dá)。

在圖4中，分別針對第一祖時鐘101和第二祖時鐘102描繪了在時間t內(nèi)用于發(fā)送標(biāo)記為tx的消息和接收標(biāo)記為rx的消息的消息序列。相應(yīng)的第三消息203“sync1i”和第四消息204“sync2i”的重復(fù)發(fā)送之間的時間段tp指示“sync”區(qū)間（interval）。在圖4中，描繪了四個第一消息201“sync1i”和四個第二消息202“sync2i”的序列。

也重復(fù)地執(zhí)行時鐘校正c。優(yōu)選地，在“sync”區(qū)間內(nèi)執(zhí)行時鐘校正c。時鐘校正c例如在接收到“sync”消息時或在“sync”消息被發(fā)送之后被觸發(fā)，并且在接收或發(fā)送下一個“sync”消息之前完成。

應(yīng)當(dāng)注意的是，更高的時間同步頻率導(dǎo)致更準(zhǔn)確的時間同步。

圖5描繪用于同步的消息傳輸?shù)牧硪皇纠?。在圖5中針對等同的元件使用與圖4中所使用的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記。

優(yōu)選地，向網(wǎng)絡(luò)100中的所有時間感知設(shè)備輸送第三消息203“sync1”和第四消息204“sync2”。

優(yōu)選地，第一消息201“sync1”或第二消息202“sync2”僅在連接其的數(shù)據(jù)鏈路121、122和123上輸送。

在圖5的示例中，重復(fù)第一消息201“sync1”和第二消息202“sync2”。這意味著在周期j中重復(fù)第一消息201“sync1j”和第二消息202“sync2j”。優(yōu)選地，周期性地傳輸它們。

因此，重復(fù)第一祖時鐘101和第二祖時鐘102之間的時間同步消息，例如，比其它時間感知設(shè)備的時間同步頻繁兩倍。

系統(tǒng)設(shè)計者還有可能更頻繁地同步第一祖時鐘101和第二祖時鐘102。

位于連接第一祖時鐘101和第二祖時鐘102的路徑上的第一網(wǎng)橋111或第二網(wǎng)橋112也可以具有與這些祖時鐘相同的同步頻率。這意味著，包括第一祖時鐘101和第二祖時鐘102以及位于它們之間的網(wǎng)橋111、112的子網(wǎng)絡(luò)能夠被表示為高度同步的子網(wǎng)絡(luò)。

這樣，改進(jìn)了容錯時鐘同步機制的恢復(fù)時間。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選地是基于以太網(wǎng)的車載時間和安全關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)。下文參考圖6和圖3中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠枋鲈鰪姷臅r間同步的優(yōu)點。對于圖6中的同樣的元件，使用與之前的圖中所使用的相同的附圖標(biāo)記。在下文中，第三消息203或第四消息204也被稱為“sync”幀?！皊ync”幀例如是對應(yīng)的以太網(wǎng)幀。

圖6描述了在時間t內(nèi)分別從第一祖時鐘101或第二祖時鐘102向第一網(wǎng)橋111、第二網(wǎng)橋112和第三網(wǎng)橋113發(fā)送消息。

如圖6中所描繪的，第一網(wǎng)橋111、第二網(wǎng)橋112和第三網(wǎng)橋113（下文被稱為節(jié)點）中的任一個均能夠因為第一祖時鐘101從網(wǎng)絡(luò)100斷開、不正確地工作或者因為丟失或損壞同步消息而遭受參考時間不可用性。

圖6描繪了兩個“sync”區(qū)間tp1和tp2。優(yōu)選地tp1=tp2。

在沒有故障的情況下，假設(shè)循環(huán)傳輸，則對于不同的“sync”區(qū)間tp傳輸時間是相同的。

在第一示例中，在第一事件601中，同步消息，例如“sync”幀在第一網(wǎng)橋111和第三網(wǎng)橋113之間丟失。在第二示例中，在第二事件602中，第一祖時鐘101例如暫時地失效。

為了說明對于第一示例和第二示例不同時鐘同步方法的反應(yīng)性，將第三網(wǎng)橋113作為目標(biāo)設(shè)備，即關(guān)于時鐘同步的從節(jié)點。

為了允許在從節(jié)點處的時鐘同步，源自第二祖時鐘102的另一“sync”幀被傳輸?shù)皆搹墓?jié)點，即在示例中的第三網(wǎng)橋113。

該另一個“sync”幀越快地到達(dá)第二網(wǎng)橋112，并因此到達(dá)目標(biāo)設(shè)備（例如第三網(wǎng)橋113），就能夠越快速地執(zhí)行時鐘同步，或者時間同步誤差增加將越慢。

根據(jù)第一示例和第二示例，第二祖時鐘102適于在相同的“sync”區(qū)間中在接收到對應(yīng)的幀610之后傳輸幀620。

在沒有失效的情況下，包含第三消息203“sync1i”的幀610在t=t1時由第一祖時鐘101傳輸?shù)降谝痪W(wǎng)橋111。然后在t=t2時將幀610從第一網(wǎng)橋111傳輸?shù)降诙W(wǎng)橋112和第三網(wǎng)橋113。然后在t=t3時將幀610從第二網(wǎng)橋112傳輸?shù)降诙鏁r鐘102。對應(yīng)的傳輸在圖6中描繪。

在沒有失效的情況下，包含第四消息204“sync2i”的幀620在t=t4時由第二祖時鐘102傳輸?shù)降诙W(wǎng)橋112。在t=t5時，幀620由第二網(wǎng)橋112傳輸?shù)降谝痪W(wǎng)橋111。在t=t6時，幀620由第一網(wǎng)橋111傳輸?shù)降谌W(wǎng)橋113和第一祖時鐘101。對應(yīng)的傳輸在圖6中示出。

幀610和幀620到第三網(wǎng)橋113的傳輸之間的差異為dt1=t6-t2。

在圖6中描繪的第一示例中，在事件601中，在第一網(wǎng)橋111與第三網(wǎng)橋113之間轉(zhuǎn)發(fā)期間，源自第一祖時鐘101的“sync”幀被丟失或損壞。因此，第三網(wǎng)橋113不具有機會來用該“sync”幀校正其本地時鐘。

在第一示例中，在t=t3時在第二祖時鐘102上接收到來自第一祖時鐘101的第一幀610。然后，在t=t7時由第二祖時鐘102將對應(yīng)的第二幀620傳輸?shù)降诙W(wǎng)橋112。然后，在t=t8時由第二網(wǎng)橋112將第二幀620傳輸?shù)降谝痪W(wǎng)橋111。然后，在t=t9時由第一網(wǎng)橋111將第二幀620傳輸?shù)降谌W(wǎng)橋113。對應(yīng)的傳輸在圖6中描繪。

同樣地，可以在t=t8時由第二網(wǎng)橋112將第二幀620傳輸?shù)降谒木W(wǎng)橋114。然后，在t=t9時由第四網(wǎng)橋114將第二幀620傳輸?shù)降谌W(wǎng)橋113。這未在圖6中描繪。

在任何情況下，t=t9均是第一幀610的下一個規(guī)則傳輸預(yù)期在下一個“sync”區(qū)間中到達(dá)之前的時間。因此，時間同步在來自第二祖時鐘102的更新的時間同步信息下更快地恢復(fù)。

在第二示例中，如圖6中所描繪的那樣，在第一“sync”區(qū)間tp1中，在第一祖時鐘101中發(fā)生超時事件602。由此，在第二“sync”區(qū)間tp2中，發(fā)生超時dt2。超時是在第二“sync”區(qū)間tp2中在t=t1時傳輸幀610的時間與在稍后的時間t=t1'時實際發(fā)送幀610'之間的延遲。在t=t1時，幀610'由第一祖時鐘101傳輸?shù)降谝痪W(wǎng)橋111。然后，在t=t2'時將幀610'從第一網(wǎng)橋111傳輸?shù)降诙W(wǎng)橋112和第三網(wǎng)橋113。然后，在t=t3'時將幀610'從第二網(wǎng)橋112傳輸?shù)降诙鏁r鐘102。對應(yīng)的傳輸在圖6中描繪。

這導(dǎo)致在第一“sync”區(qū)間tp1和第二“sync”區(qū)間tp2中來自第二祖時鐘102的幀620的傳輸之間的延遲dt3。延遲dt3大于“sync”區(qū)間tp1。因此，在第二“sync”區(qū)間tp2中，時間t3'是比預(yù)期下一幀610的時間t3更晚的時間。

然而，第二祖時鐘102適于在第一“sync”區(qū)間tp1中在t=t4時將第二幀620傳輸?shù)降诙W(wǎng)橋102。然后，在t=t5時由第二網(wǎng)絡(luò)112將第二幀620傳輸?shù)降谝痪W(wǎng)橋111。然后，在t=t6時由第一網(wǎng)橋111將第二幀620傳輸?shù)降谌W(wǎng)橋113。對應(yīng)的傳輸在圖6中描繪。

在這種情況下，t=t6是在第二“sync”區(qū)間tp2中延遲幀610'被傳輸?shù)降谌W(wǎng)橋113之前的第二“sync”區(qū)間tp2中的時間。因此，時間同步在來自第二祖時鐘102的更新的時間同步信息下更快地恢復(fù)。

在進(jìn)一步增強時間同步的第三示例中，第二祖時鐘102在傳輸?shù)诙?20之前不等待來自第一祖時鐘101的任何“sync”消息。該第三示例能夠被應(yīng)用于修改第一示例和第二示例的第二祖時鐘102。

根據(jù)第三示例，第二祖時鐘102更早地發(fā)送第二幀620，例如在由第一祖時鐘101發(fā)送第一幀610的同時。然后，第二網(wǎng)橋112針對第一示例或第二示例所描述的那樣更早地接收來自第二祖時鐘102的第二幀620。

優(yōu)選地，由第二祖時鐘102發(fā)送第二幀620的時間被配置為由第一祖時鐘101發(fā)送第一幀610的時間與第一幀610到達(dá)目標(biāo)節(jié)點（例如，也是第三網(wǎng)橋113）處的預(yù)期時間之間的任何不同的時間。