CN112165369B - 时间敏感网络冗余时钟同步方法及其同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间敏感网络冗余时钟同步方法，包括：设置n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；每个节点包含n个本地时钟管理模块，每个本地时钟管理模块分别根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准；每个节点中设计一个多时钟域时钟同步管理模块，用于周期性调取多个本地时间域的时间基准，通过融合算法将融合后的时间基准作为本节点的全局时间。本发明还公开了一种时间敏感网络冗余时钟同步系统。本发明能提高整个时间敏感网络的时钟同步的同步精度、冗余性、可靠性和适用性。

Description

时间敏感网络冗余时钟同步方法及其同步系统

技术领域

本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种用于汽车智能驾驶中的车载时间敏感网络冗余时钟同步方法。本发明还涉及一种用于汽车智能驾驶中的车载时间敏感网络冗余时钟同步系统。

背景技术

时间敏感网络(TSN：Time Sensitive Networking)指的是IEEE802.1工作组中的TSN任务组正在开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。

时间敏感网络(TSN)是以以太网为基础的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。TSN其实指的是在IEEE802.1标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。既然是隶属于IEEE802.1下的协议标准，TSN就仅仅是关于以太网通讯协议模型中的第二层，也就是数据链路层(更确切的说是MAC层)的协议标准。是一套协议标准而不是一种协议，就是说TSN将会为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制，在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时，为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。

现有时间敏感网络可通过一个主时钟在单个时钟域中提供时钟同步信号，其他节点通过单向链路维护一个本地时间基准。现有技术存在以下缺点：

1、链路中只存在单个主时钟，当该主时钟发生故障时，整个链路的时钟同步将受到影响。

2、链路中所有节点都通过单向链路获取时钟同步信号，当链路中某个节点发生故障时，下游节点的时钟同步将受到影响。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明要解决的技术问题是提供一种能精确完成时钟同步，并能精确获得节点全局时间和时间敏感网络全局时间的时间敏感网络冗余时钟同步方法。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种能精确完成时钟同步，并能精确获得节点全局时间和时间敏感网络全局时间的时间敏感网络冗余时钟同步系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的时间敏感网络冗余时钟同步方法，包括以下步骤：

S1，设置n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；

S2，每个节点根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准；

S3，周期性调取所有主时钟对应的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间。

可选择的，进一步改进所述的时间敏感网络冗余时钟同步方法，还包括：

当某个主时钟发生故障时，选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

可选择的，进一步改进所述的时间敏感网络冗余时钟同步方法，实施步骤S3时，对周期性调取的本节点所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准通过计算算数平均数获得本节点的全局时间；

或，实施步骤S3时，根据各主时钟的本地时钟域时间基准的不同精度指定融合权重，根据融合权重计算获得本节点的全局时间。

本发明提供一种时间敏感网络冗余时钟同步系统，包括：

n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络(TSN)提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；

m个多时钟域时钟同步管理模块(Multi-Domain Synchronization Management,MDSM)，每个节点设置一个多时钟域时钟同步管理模块，其自该节点的各时钟同步本地时钟管理模块周期性调取所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间，m≥2；

x个时钟同步本地时钟管理模块(StbM)，每个节点具有n个时钟同步本地时钟管理模块,每个本地时钟管理模块对应一个主时钟，每个本地时钟管理模块根据其对应的主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准，x＝m*n。

可选择的，进一步改进所述的时间敏感网络冗余时钟同步系统；

当某个主时钟发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

可选择的，进一步改进所述的时间敏感网络冗余时钟同步系统；

多时钟域时钟同步管理模块对周期性调取的本节点所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准通过计算算数平均数获得本节点的全局时间；

或，多时钟域时钟同步管理模块根据各主时钟的本地时钟域时间基准的不同精度指定融合权重，根据融合权重计算获得本节点的全局时间。

本发明提供了一种可适用于汽车智能驾驶领域中的车载时间敏感网络时钟同步冗余方案，在时间敏感网络中通过多时钟域时钟同步管理模块对多个本地时钟同步模块进行协调管理；多时钟域时钟同步管理模块能够周期性调取本节点各本地时钟域的时间基准，并根据各本地时钟域的时间基准的不同精度分配融合权重/计算算数平均数的方式计算出高精度的节点全局时间，本发明至少能实现以下技术效果：

1、通过对各节点的多个本地时钟域时间基准进行融合计算获取本节点的全局时间，能提高整个时间敏感网络的时钟同步的同步精度。

2、通过各节点的多个本地时间域时间基准，并剔除故障时钟/非正常节点，能提高整个时间敏感网络的冗余性、可靠性。

3、根据时间基准的精度来指定融合权重能优化精度，并且能选择性的定制形成不同的融合策略，提高系统的适用性。

附图说明

本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明提供时间敏感网络的扑结构示意图。

图2是本发明提供时间敏感网络的单个节点的时钟同步管理模块示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。

第一实施例，本发明提供一种时间敏感网络冗余时钟同步方法，包括以下步骤：

S1，设置n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2

S2，每个节点根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准；

S3，周期性调取所有主时钟对应的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间。

本发明第一实施例，通过计算各时钟本节点本地时钟域时间基准，能提高整个时间敏感网络的时钟同步的同步精度、冗余性和可靠性。

第二实施例，本发明提供一种时间敏感网络冗余时钟同步方法，包括以下步骤：

S1，设置n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2

S2，每个节点根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准；

S3，周期性调取所有主时钟对应的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间；

其中，当某个主时钟发生故障时，选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

本发明第二实施例，通过计算各时钟本节点本地时钟域时间基准，剔除故障时钟/非正常节点，能提高整个时间敏感网络的时钟同步的的同步精度、冗余性和可靠性。

第三实施例，本发明提供一种时间敏感网络冗余时钟同步方法，包括以下步骤：

S1，设置n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2

S2，每个节点根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准；计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准采用以下方式；

S3，周期性调取所有主时钟对应的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间；计算获得本节点的全局时间采用以下方式；

对周期性调取的本节点所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准通过计算算数平均数获得本节点的全局时间；

或，根据各主时钟的本地时钟域时间基准的不同精度指定融合权重，根据融合权重计算获得本节点的全局时间；

其中，当某个主时钟发生故障时，选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

本发明第三实施例，通过计算各时钟本节点本地时钟域时间基准，剔除故障时钟/非正常节点，能提高整个时间敏感网络的时钟同步精度，能提高整个时间敏感网络的时钟同步的冗余性、可靠性。根据时间基准的精度来指定融合权重能优化精度，并且能选择性的定制形成不同的融合策略，提高系统的适用性。

第四实施例，本发明提供一种时间敏感网络冗余时钟同步系统，包括：

n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络(TSN)提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；

m个多时钟域时钟同步管理模块(Multi-Domain Synchronization Management,MDSM)，每个节点设置一个多时钟域时钟同步管理模块，其自该节点的各时钟同步本地时钟管理模块周期性调取所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间，m≥2；

x个时钟同步本地时钟管理模块(StbM)，每个节点具有n个时钟同步本地时钟管理模块,每个本地时钟管理模块对应一个主时钟，每个本地时钟管理模块根据其对应的主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准，x＝m*n。

第五实施例，本发明提供一种时间敏感网络冗余时钟同步系统，包括：

n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络(TSN)提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；

m个多时钟域时钟同步管理模块(Multi-Domain Synchronization Management,MDSM)，每个节点设置一个多时钟域时钟同步管理模块，其自该节点的各时钟同步本地时钟管理模块周期性调取所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间，m≥2；

x个时钟同步本地时钟管理模块(StbM)，每个节点具有n个时钟同步本地时钟管理模块,每个本地时钟管理模块对应一个主时钟，每个本地时钟管理模块根据其对应的主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准，x＝m*n；

其中，当某个主时钟发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

第六实施例，本发明提供一种时间敏感网络冗余时钟同步系统，包括：

n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络(TSN)提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；

m个多时钟域时钟同步管理模块(Multi-Domain Synchronization Management,MDSM)，每个节点设置一个多时钟域时钟同步管理模块，其自该节点的各时钟同步本地时钟管理模块周期性调取所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间，m≥2；

x个时钟同步本地时钟管理模块(StbM)，每个节点具有n个时钟同步本地时钟管理模块,每个本地时钟管理模块对应一个主时钟，每个本地时钟管理模块根据其对应的主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准，x＝m*n；

时钟同步本地时钟管理模块根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，通过计算算数平均数获得各主时钟的本地时钟域时间基准；

或，时钟同步本地时钟管理模块根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，通过不同精度指定融合权重，根据融合权重计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准；

其中，当某个主时钟发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

参考图1所示，将上述第六实施例应用于某时间敏感网络。示例性的，该时间敏感网络具有两个主时钟源：主时钟1其为时钟域1，主时钟2其为时钟域2；TSN桥1至TSN桥4为包含TSN交换机的中继节点，可以转发同步信号；节点1至节点3为网络中的端节点，接收并使用时钟同步信号，线路1为第1个时钟域的时间同步信号传递关系，线路2为第2个时钟域的时间同步信号传递关系；StbM 1为时钟域1的本地时钟同步管理模块，StbM 2为时钟域2的本地时钟同步管理模块，MDSM为多时钟域时钟同步管理模块；链路延时信号1包含时钟域1的链路延时计算报文，时钟同步信号1包含时钟域1的时钟同步信号报文，链路延时信号2包含时钟域2的链路延时计算报文，时钟同步信号2包含时钟域2的时钟同步信号报文。

主时钟1为TSN网络提供时钟域1的时间同步信号，通过TSN桥1传递到主时钟2和TSN桥2。TSN桥2将时钟域1的时钟同步信号传递至节点1和TSN桥3。TSN桥3将时钟域1的时钟同步信号传递至节点2和TSN桥4。TSN桥4将时钟域1的时钟同步信号传递至节点3。

主时钟2为TSN网络提供时钟域2的时间同步信号，通过TSN桥1传递到主时钟1和TSN桥4。TSN桥4将时钟域2的时钟同步信号传递至节点4和TSN桥3。TSN桥3将时钟域2的时钟同步信号传递至节点2和TSN桥2。TSN桥2将时钟域2的时钟同步信号传递至节点1。

参考图2所示，时钟域1的时钟同步信号传递至本地时钟同步管理模块1(StbM 1),时钟域1的时钟本地时钟将由StbM 1模块维护。

时钟域2的时钟同步信号传递至本地时钟同步管理模块2(StbM 2),时钟域2的时钟本地时钟将由StbM 2模块维护。

多时钟域时钟同步管理模块(MDSM)从StbM 1和StbM 2周期性获取本地时间基准，并根据各个时间基准的精度分配融合权重，将融合后的时间基准作为本节点的全局时间。比如每10毫秒通过StbM模块的软件接口获取每个本地时钟域的时间基准，高精度的时间基准分配较高的融合权重。

当主时钟1发生故障时，MDSM模块选取正常工作的StbM 2的时间基准并提供该节点的全局时间。

当主时钟2发生故障时，MDSM模块选取正常工作的StbM 1的时间基准并提供该节点的全局时间。

当某个时钟同步链路节点发生故障时，例如当时钟域1的本地时钟同步管理模块StbM 1发生故障时发生故障时，MDSM模块选取正常工作的StbM 2的时间基准并提供节点的全局时间。

当某个时钟同步链路节点发生故障时，例如当时钟域2的本地时钟同步管理模块StbM 2发生故障时发生故障时，MDSM模块选取正常工作的StbM 1的时间基准并提供节点的全局时间。

除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种时间敏感网络冗余时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，设置n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；

S2，每个节点根据各主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准；

S3，每个节点通过一个多时钟域时钟同步管理模块周期性调取所有主时钟对应的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间。

2.如权利要求1所述的时间敏感网络冗余时钟同步方法，其特征在于，还包括：

当某个主时钟发生故障时，选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

3.如权利要求1所述的时间敏感网络冗余时钟同步方法，其特征在于：

实施步骤S3时，对周期性调取的本节点所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准通过计算算数平均数获得本节点的全局时间；

或，实施步骤S3时，根据各主时钟的本地时钟域时间基准的不同精度指定融合权重，根据融合权重计算获得本节点的全局时间。

4.一种时间敏感网络冗余时钟同步系统，其特征在于，包括：

n个主时钟，每个主时钟为时间敏感网络提供一个时钟域的时间同步信号，n≥2；

m个多时钟域时钟同步管理模块，每个节点设置一个多时钟域时钟同步管理模块，该模块周期性调取所有主时钟对应的本节点本地时钟域时间基准，计算获得本节点的全局时间，m≥2；

x个时钟同步本地时钟管理模块，每个节点具有n个时钟同步本地时钟管理模块,每个本地时钟管理模块对应一个主时钟，每个本地时钟管理模块根据其对应的主时钟的链路延时计算报文和时钟同步信号报文，计算获得各主时钟的本地时钟域时间基准，x＝m*n。

5.如权利要求4所述的时间敏感网络冗余时钟同步系统，其特征在于：

当某个主时钟发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他未故障主时钟本节点本地时钟域时间基准，计算获得节点的全局时间；

当某个时钟同步链路节点发生故障时，多时钟域时钟同步管理模块选取其他处于正常状态时钟同步链路节点的主时钟本地时钟域时间基准计算获得节点的全局时间。

6.如权利要求4所述的时间敏感网络冗余时钟同步系统，其特征在于：

多时钟域时钟同步管理模块对周期性调取的本节点所有主时钟的本节点本地时钟域时间基准通过计算算数平均数获得本节点的全局时间；

或，多时钟域时钟同步管理模块根据各主时钟的本地时钟域时间基准的不同精度指定融合权重，根据融合权重计算获得本节点的全局时间。

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