基于NTP協議的車聯網高精度時間同步系統解決方案探索

衛 楊，張 輝，徐 紅

（車百智能網聯研究院（武漢）有限公司，湖北 武漢 430000）

1 背景及意義

時間同步是指以中心控制系統的標準時鐘作為基準使各分布系統和終端設備的時鐘與中心控制系統時鐘進行同步的過程。時間是網絡業務的正常交互的基礎，一個完整的業務都有嚴格的時間邏輯，不能發生時間錯亂和偏差，否則將帶來嚴重的后果[1]。在車聯網領域，路側、車端、云端時刻進行著信息交換、融合，這些數據的交互需要保持相同的時間、頻率基準，高精度的同步時間是整個系統業務正常運轉的基礎。

目前，車聯網作為近年興起熱門領域，全國眾多城市在建設基于車聯網技術的智能網聯汽車測試示范區，但如何在車聯網系統中構建高精度的時間同步子系統尚處于探索階段。國家智能網聯汽車（武漢）測試示范區（簡稱武漢示范區）二期項目在設計階段充分認識到時間同步的重要性，構建了基于GNSS和NTP授時的時間同步子系統，并在行業內首次對路側通信單元（RSU）、路側感知單元、車載通信單元（OBU）、云控平臺等的時間同步精度進行了準確測量，并基于測量結果修訂了時間同步系統方案，同時總結了時間同步系統實踐中經驗教訓，提出了一套可提供更高同步精度、更低成本、更易實踐應用的時間同步系統方案。

2 示范區當前時間同步系統方案

2.1 授時方式

GNSS授時和NTP授時是最常見的兩種授時方式，廣泛應用于不同系統中。GNSS授時是衛星導航系統三大基本服務之一，具有受眾廣、精度高、長期穩定等特點，是最主要的授時方法和最重要的時鐘源。NTP授時是一種專門用來對網絡系統做時間同步的協議，將網絡系統中各個設備的時間與世界標準時間（UTC）所同步，為各系統終端設備提供精確、可靠的時間信息，具有時間精度高、網絡安全強、資源開銷少、應用較廣泛、成本低等特點。

2.2 時間同步源

無論是GNSS授時還是NTP授時，都需要有時間同步源。GNSS同步源具有最高同步級別，時間同步系統中時間來源最終均指向GNSS。基于GNSS同步源的優先級一般定義如表1所示。

表1 基于GNSS的時間同步源優先級定義

目前，武漢示范區二期項目中有3種時間同步源：GNSS、集成有GNSS的車聯網終端設備和數據中心NTP授時服務器。項目中雷視一體機、RSU、OBU等車聯網終端集成有GNSS模塊，直接以GNSS作為同步源。

2.3 系統授時方案

基于時間同步源優先級原則，武漢示范區二期項目構建了基于GNSS和NTP授時的時間同步子系統。由于路側所有桿件均采用5G空口回傳方式，圍繞布設設備的桿件，確定以下授時原則：

集成有GNSS模塊的設備，采取GNSS授時；未集成GNSS模塊的設備，采用NTP授時；桿件上布設有雷視一體機、RSU，以雷視一體機或RSU作為時間同步源，將其配置為邊緣NTP授時服務器向同桿件上智能設備授時；桿件上沒有雷視一體機、RSU，采用數據中心NTP授時服務器向該桿件上設備授時。

圖1 示范區當前時間同步系統架構圖

2.4 時間同步精度驗證

2.4.1 測量儀器

儀表品牌及型號：夏光SyncEdge-C10。功能特點：內置精密授時型GPS/BDS接收器，以及高品質馴服型銣原子鐘，可以復現高精度UTC時間及產生高精度的時鐘，作為測試基準；內置銣原子鐘精度≤3×10-12s，時間測量精度＜50 ns。

圖2 時間精度測量儀表

2.4.2 測量方案設計

（1）對以第一優先級同步源獲取時間同步的測試。雷視一體機、RSU、OBU等路側智能設備、數據中心NTP授時服務器均是直接將GNSS作為時間同步源的終端，可作為第二優先級或第三優先級的時間同步源對外授時，首先對它們自身通過GNSS授時獲取的時間同步精度進行測量。

（2）對以第二優先級同步源獲取時間同步的測試。以RSU作為第二優先級時間同步源，配置為邊緣NTP授時服務器，同桿件上雷視一體機作為客戶端，對其接收RSU授時的時間同步精度進行測量。

（3）對以第三優先級同步源獲取時間同步的測試。云平臺服務器和雷視一體機可通過NTP服務器進行授時且具備被測能力，以數據中心NTP授時服務器作為第三優先級時間同步源的對云平臺服務器和雷視一體機授時的同步精度進行測量。

（4）光纖有線傳輸與5G空口傳輸對比測試。以雷視一體機作為被測設備，以數據中心NTP授時服務器作為時間同步源，采用光纖有線傳輸與5G空口傳輸兩種傳輸方式，進行對比測試。

2.4.3 時間同步精度結果

2.4.3.1 以第一優先級時間同步源作為時間參考源的測量結果

通過表2測量數據分析可知，數據中心NTP授時服務器、OBU、RSU通過GNSS授時，時間同步精度均可達亞微秒級，具有較高的時間同步精度；路側OBU和RSU的時間同步精度與數據中心NTP授時服務器相當，可作為邊緣NTP授時服務器與數據中心NTP授時服務器組合應用；雷視一體機雖然自帶GNSS模塊，但其僅通過串行數據流獲取GNSS模塊時鐘信息的方式，時間同步精度遠不能滿足車聯網系統應用要求。

表2 以GNSS為時間同步源的測量結果

2.4.3.2 以第二優先級時間同步源作為時間參考源的測量結果

通過以上測量數據分析可知，雷視一體機通過接收RSU授時，可大幅提高自身時間同步精度，并且同步精度遠高于通過自身GNSS模塊授時。

2.4.3.3 以第三優先級時間同步源作為時間參考源的測量結果通過表4測量數據分析可知，雷視一體機和云平臺服務器接收數據中心NTP授時服務器授時，時間同步精度均較高。云平臺服務器的時間同步精度高于雷視一體機，通過RSU授時的雷視一體機同步精度稍優于通過數據中心NTP授時服務器，這說明雷視一體機通過5G網絡接收數據中心NTP授時服務器授時與通過網線連接接收鄰近RSU授時相比，較長的網絡傳輸鏈路對授時精度產生了影響；此外，云平臺服務器通過光纖有線網絡連接接收數據中心NTP授時服務器授時，與雷視一體機通過5G網絡接收同一數據中心NTP授時服務器授時相比，采用有線光纖數據傳輸方式授時優于5G。

2.4.3.4 光纖有線傳輸與5G空口傳輸對比測量結果

通過表5測量數據分析可知，雷視一體機通過有線光纖網絡連接同步源，獲取時間同步精度優于通過5G空口網絡方式的時間同步精度。

表5 光纖有線傳輸與5G空口傳輸對比測量結果

2.5 當前時間同步系統方案調整

基于以上測試結果分析得知，雷視一體機通過GNSS授時精度較差，且不可作為第二優先級時間同步源，故對武漢示范區二期項目系統授時架構做了如下調整：RSU和OBU通過GNSS授時，RSU同桿件上設備，通過RSU作為二級時間同步源授時，未布設RSU的桿件上的設備，通過數據中心NTP授時服務器授時。調整后的授時方案系統架構圖如圖3所示。

圖3 示范區當前時間同步系統優化架構圖

3 下一代車聯網時間同步系統方案探索

3.1 下一代車聯網系統方案

隨著國內車聯網示范區建設逐漸深入，一是在交通路口及重要路段布置路側智能設備已成為主流，且以路口和一定區域內的感知數據融合應用越發頻繁，對時間同步精度要求越來越高；二是車聯網系統建設將越發關注成本，充分利舊現有基礎設施已成為車聯網發展的必然趨勢。結合武漢示范區兩期車聯網系統建設經驗，以及時間同步系統測量驗證結果總結基礎上，探索設計了一套全新的適用于下一代車聯網時間同步子系統解決方案。

基于數據中心NTP授時服務器、RSU和OBU都可通過GNSS獲取高精度的時間同步，且均可作為時間同步源；光纖網絡比5G空口網絡傳輸在時間同步傳輸上更有優勢；RSU自身配置有GNSS模塊，通過GNSS可獲取亞微秒級精度的同步時間，且在現階段車聯網系統中，RSU是廣泛應用且必不可少的路側基礎設施。下一代時間同步系統方案分三類：一是數據中心云平臺服務器圍繞數據中心NTP授時服務器為時間同步源建立時間同步系統；二是以路口為區域，利舊路口已有的光纖網絡，圍繞路側通信設備（RSU）為時間同步源建立時間同步路側系統；三是以車端OBU以自身高精度GNSS模塊進行時間同步。如圖4所示。

圖4 下一代車聯網時間同步系統架構圖

3.2 方案優勢

本方案以工程可行性角度，在滿足高精度時間同步的要求基礎上，充分利用現有交通基礎設施，充分利用各級時間同步源優勢，將數據中心NTP授時服務和邊緣NTP授時服務結合應用，只需要求數據中心NTP授時服務器、RSU和OBU等配置GNSS模塊，重點控制它們的時間同步精度，合理使用光纖及5G空口通信網絡，設計了車聯網系統高精度時間同子系統，并具備時間同步高精準度、低成本和易應用性的優勢。

（1）高精準度：數據中心NTP授時服務器與RSU組成的邊緣授時服務器可有效提高系統時間同步精度，解決了單靠中心NTP授時服務器授時精度不足的問題。

（2）低成本：對車聯網系統架構來講，無須單獨增加授時設備，無須要求所有設備配置GNSS模塊，充分利舊設備及道路管網設施。

（3）易應用：僅管控數據中心NTP授時服務器、RSU、OBU等設備自身通過GNSS獲取的時間同步精度。

4 結束語

隨著智能網聯汽車技術進一步發展，國家推動“智能網聯汽車與智慧城市協同發展”的“雙智”試點，車聯網業務場景應用將越來越廣泛，并且將與智慧城市場景相結合，車聯網與車城網將緊密連接。無論是車聯網還是車城網，對系統時間同步的要求必然是越來越高，高精準度、低成本、易應用的時間同步系統方案，將會是各方的迫切需求。本文提出的下一代車聯網時間同步系統方案可為國內示范區車聯網乃至車城網設計建設提供參考。■