基于NTP协议的车联网高精度时间同步系统解决方案探索

卫 杨，张 辉，徐 红

（车百智能网联研究院（武汉）有限公司，湖北 武汉 430000）

1 背景及意义

时间同步是指以中心控制系统的标准时钟作为基准使各分布系统和终端设备的时钟与中心控制系统时钟进行同步的过程。时间是网络业务的正常交互的基础，一个完整的业务都有严格的时间逻辑，不能发生时间错乱和偏差，否则将带来严重的后果[1]。在车联网领域，路侧、车端、云端时刻进行着信息交换、融合，这些数据的交互需要保持相同的时间、频率基准，高精度的同步时间是整个系统业务正常运转的基础。

目前，车联网作为近年兴起热门领域，全国众多城市在建设基于车联网技术的智能网联汽车测试示范区，但如何在车联网系统中构建高精度的时间同步子系统尚处于探索阶段。国家智能网联汽车（武汉）测试示范区（简称武汉示范区）二期项目在设计阶段充分认识到时间同步的重要性，构建了基于GNSS和NTP授时的时间同步子系统，并在行业内首次对路侧通信单元（RSU）、路侧感知单元、车载通信单元（OBU）、云控平台等的时间同步精度进行了准确测量，并基于测量结果修订了时间同步系统方案，同时总结了时间同步系统实践中经验教训，提出了一套可提供更高同步精度、更低成本、更易实践应用的时间同步系统方案。

2 示范区当前时间同步系统方案

2.1 授时方式

GNSS授时和NTP授时是最常见的两种授时方式，广泛应用于不同系统中。GNSS授时是卫星导航系统三大基本服务之一，具有受众广、精度高、长期稳定等特点，是最主要的授时方法和最重要的时钟源。NTP授时是一种专门用来对网络系统做时间同步的协议，将网络系统中各个设备的时间与世界标准时间（UTC）所同步，为各系统终端设备提供精确、可靠的时间信息，具有时间精度高、网络安全强、资源开销少、应用较广泛、成本低等特点。

2.2 时间同步源

无论是GNSS授时还是NTP授时，都需要有时间同步源。GNSS同步源具有最高同步级别，时间同步系统中时间来源最终均指向GNSS。基于GNSS同步源的优先级一般定义如表1所示。

表1 基于GNSS的时间同步源优先级定义

目前，武汉示范区二期项目中有3种时间同步源：GNSS、集成有GNSS的车联网终端设备和数据中心NTP授时服务器。项目中雷视一体机、RSU、OBU等车联网终端集成有GNSS模块，直接以GNSS作为同步源。

2.3 系统授时方案

基于时间同步源优先级原则，武汉示范区二期项目构建了基于GNSS和NTP授时的时间同步子系统。由于路侧所有杆件均采用5G空口回传方式，围绕布设设备的杆件，确定以下授时原则：

集成有GNSS模块的设备，采取GNSS授时；未集成GNSS模块的设备，采用NTP授时；杆件上布设有雷视一体机、RSU，以雷视一体机或RSU作为时间同步源，将其配置为边缘NTP授时服务器向同杆件上智能设备授时；杆件上没有雷视一体机、RSU，采用数据中心NTP授时服务器向该杆件上设备授时。

图1 示范区当前时间同步系统架构图

2.4 时间同步精度验证

2.4.1 测量仪器

仪表品牌及型号：夏光SyncEdge-C10。功能特点：内置精密授时型GPS/BDS接收器，以及高品质驯服型铷原子钟，可以复现高精度UTC时间及产生高精度的时钟，作为测试基准；内置铷原子钟精度≤3×10-12s，时间测量精度＜50 ns。

图2 时间精度测量仪表

2.4.2 测量方案设计

（1）对以第一优先级同步源获取时间同步的测试。雷视一体机、RSU、OBU等路侧智能设备、数据中心NTP授时服务器均是直接将GNSS作为时间同步源的终端，可作为第二优先级或第三优先级的时间同步源对外授时，首先对它们自身通过GNSS授时获取的时间同步精度进行测量。

（2）对以第二优先级同步源获取时间同步的测试。以RSU作为第二优先级时间同步源，配置为边缘NTP授时服务器，同杆件上雷视一体机作为客户端，对其接收RSU授时的时间同步精度进行测量。

（3）对以第三优先级同步源获取时间同步的测试。云平台服务器和雷视一体机可通过NTP服务器进行授时且具备被测能力，以数据中心NTP授时服务器作为第三优先级时间同步源的对云平台服务器和雷视一体机授时的同步精度进行测量。

（4）光纤有线传输与5G空口传输对比测试。以雷视一体机作为被测设备，以数据中心NTP授时服务器作为时间同步源，采用光纤有线传输与5G空口传输两种传输方式，进行对比测试。

2.4.3 时间同步精度结果

2.4.3.1 以第一优先级时间同步源作为时间参考源的测量结果

通过表2测量数据分析可知，数据中心NTP授时服务器、OBU、RSU通过GNSS授时，时间同步精度均可达亚微秒级，具有较高的时间同步精度；路侧OBU和RSU的时间同步精度与数据中心NTP授时服务器相当，可作为边缘NTP授时服务器与数据中心NTP授时服务器组合应用；雷视一体机虽然自带GNSS模块，但其仅通过串行数据流获取GNSS模块时钟信息的方式，时间同步精度远不能满足车联网系统应用要求。

表2 以GNSS为时间同步源的测量结果

2.4.3.2 以第二优先级时间同步源作为时间参考源的测量结果

通过以上测量数据分析可知，雷视一体机通过接收RSU授时，可大幅提高自身时间同步精度，并且同步精度远高于通过自身GNSS模块授时。

2.4.3.3 以第三优先级时间同步源作为时间参考源的测量结果通过表4测量数据分析可知，雷视一体机和云平台服务器接收数据中心NTP授时服务器授时，时间同步精度均较高。云平台服务器的时间同步精度高于雷视一体机，通过RSU授时的雷视一体机同步精度稍优于通过数据中心NTP授时服务器，这说明雷视一体机通过5G网络接收数据中心NTP授时服务器授时与通过网线连接接收邻近RSU授时相比，较长的网络传输链路对授时精度产生了影响；此外，云平台服务器通过光纤有线网络连接接收数据中心NTP授时服务器授时，与雷视一体机通过5G网络接收同一数据中心NTP授时服务器授时相比，采用有线光纤数据传输方式授时优于5G。

2.4.3.4 光纤有线传输与5G空口传输对比测量结果

通过表5测量数据分析可知，雷视一体机通过有线光纤网络连接同步源，获取时间同步精度优于通过5G空口网络方式的时间同步精度。

表5 光纤有线传输与5G空口传输对比测量结果

2.5 当前时间同步系统方案调整

基于以上测试结果分析得知，雷视一体机通过GNSS授时精度较差，且不可作为第二优先级时间同步源，故对武汉示范区二期项目系统授时架构做了如下调整：RSU和OBU通过GNSS授时，RSU同杆件上设备，通过RSU作为二级时间同步源授时，未布设RSU的杆件上的设备，通过数据中心NTP授时服务器授时。调整后的授时方案系统架构图如图3所示。

图3 示范区当前时间同步系统优化架构图

3 下一代车联网时间同步系统方案探索

3.1 下一代车联网系统方案

随着国内车联网示范区建设逐渐深入，一是在交通路口及重要路段布置路侧智能设备已成为主流，且以路口和一定区域内的感知数据融合应用越发频繁，对时间同步精度要求越来越高；二是车联网系统建设将越发关注成本，充分利旧现有基础设施已成为车联网发展的必然趋势。结合武汉示范区两期车联网系统建设经验，以及时间同步系统测量验证结果总结基础上，探索设计了一套全新的适用于下一代车联网时间同步子系统解决方案。

基于数据中心NTP授时服务器、RSU和OBU都可通过GNSS获取高精度的时间同步，且均可作为时间同步源；光纤网络比5G空口网络传输在时间同步传输上更有优势；RSU自身配置有GNSS模块，通过GNSS可获取亚微秒级精度的同步时间，且在现阶段车联网系统中，RSU是广泛应用且必不可少的路侧基础设施。下一代时间同步系统方案分三类：一是数据中心云平台服务器围绕数据中心NTP授时服务器为时间同步源建立时间同步系统；二是以路口为区域，利旧路口已有的光纤网络，围绕路侧通信设备（RSU）为时间同步源建立时间同步路侧系统；三是以车端OBU以自身高精度GNSS模块进行时间同步。如图4所示。

图4 下一代车联网时间同步系统架构图

3.2 方案优势

本方案以工程可行性角度，在满足高精度时间同步的要求基础上，充分利用现有交通基础设施，充分利用各级时间同步源优势，将数据中心NTP授时服务和边缘NTP授时服务结合应用，只需要求数据中心NTP授时服务器、RSU和OBU等配置GNSS模块，重点控制它们的时间同步精度，合理使用光纤及5G空口通信网络，设计了车联网系统高精度时间同子系统，并具备时间同步高精准度、低成本和易应用性的优势。

（1）高精准度：数据中心NTP授时服务器与RSU组成的边缘授时服务器可有效提高系统时间同步精度，解决了单靠中心NTP授时服务器授时精度不足的问题。

（2）低成本：对车联网系统架构来讲，无须单独增加授时设备，无须要求所有设备配置GNSS模块，充分利旧设备及道路管网设施。

（3）易应用：仅管控数据中心NTP授时服务器、RSU、OBU等设备自身通过GNSS获取的时间同步精度。

4 结束语

随着智能网联汽车技术进一步发展，国家推动“智能网联汽车与智慧城市协同发展”的“双智”试点，车联网业务场景应用将越来越广泛，并且将与智慧城市场景相结合，车联网与车城网将紧密连接。无论是车联网还是车城网，对系统时间同步的要求必然是越来越高，高精准度、低成本、易应用的时间同步系统方案，将会是各方的迫切需求。本文提出的下一代车联网时间同步系统方案可为国内示范区车联网乃至车城网设计建设提供参考。■