자율주행차 라이더는 어떻게 GPS 시간과 동기화될 수 있나요?

gPTP에서 정의한 5가지 메시지 중 Sync와 Follow_UP은 주기적으로 전송되는 메시지 그룹으로 주로 클럭 편차를 측정하는 데 사용됩니다.

01 동기화 방식

레이저 레이더와 GPS 시간 동기화에는 세 가지 주요 방식, 즉 PPS+GPRMC, PTP, gPTP가 있습니다.

PPS+GPRMC

GNSS는 두 가지 정보를 출력하며, 하나는 동기화 펄스 신호 PPS입니다. 1초의 시간, 펄스 폭 5ms~100ms; 하나는 표준 직렬 포트를 통해 GPRMC 표준 시간 동기화 메시지를 출력하는 것입니다.

동기화 펄스 리딩 에지 ​​순간은 GPRMC 메시지가 전송되는 순간이며 오류는 ns 레벨이므로 무시할 수 있습니다. GPRMC는 UTC 시간(초 단위까지 정확함), 경도 및 위도 위치 데이터를 포함하는 표준 형식 메시지입니다.

PPS 두 번째 펄스는 물리적 레벨 출력입니다. PPS 신호를 수신하고 처리하는 시간은 ns 레벨이며 여전히 무시할 수 있습니다. 그러나 GPRMC 데이터는 일반적으로 전송 속도 9600의 직렬 포트를 통해 전송됩니다. 전송, 수신 및 처리 시간 tx는 ms 수준이며 이것이 시간 동기화의 핵심입니다.

다음은 시간 동기화를 위해 PPS+GPRMC를 사용하는 원리입니다.

(1) 장치는 PPS 두 번째 펄스 신호를 수신한 후 수정 발진기를 클록 소스로 사용하여 내부 시스템 시간에서 밀리초 이하를 지우고 거기에서 밀리초 시간 계산을 시작합니다.

(2) GPRMC 데이터를 수신한 후 메시지에서 시, 분, 초, 연, 월, 일 UTC 시간을 추출합니다.

(3) 두 번째 펄스를 수신하여 GPRMC에서 UTC 시간을 구문 분석하는 시간 tx를 UTC 전체 두 번째 시간에 추가하고 현재까지 시간 동기화가 완료되었습니다. 다음 1초 동안 동일한 프로세스를 반복하여 정확히 매초마다 한 번씩 보정합니다.

똑똑한 사람들은 LiDAR가 시간 동기화가 필요하다는 것을 갑자기 깨달았을 것입니다. 두 개의 전선을 만들어 이 두 개의 물리적 인터페이스에 연결하기만 하면 됩니다. 이 방법도 가능하고 많은 제조업체에서 사용하는 솔루션이지만 PPS+ GPRMC에는 다음과 같은 문제가 있습니다. .

(1) PPS는 구동 전류가 적게는 0.5mA, 많게는 20mA인 저전력 펄스 레벨 신호로, 여러 개의 동기화 노드(시간 동기화가 필요한 라이더 및 기타 노드)가 있습니다. 매우 어렵습니다.

(2) PPS는 차폐되지 않은 단일 라인 펄스 신호입니다. 12개 이상의 PPS 라인이 차량 내를 왕복하며 차량 내 가혹한 전자기 환경의 간섭에 매우 취약합니다. 간섭 펄스 또는 동기화 펄스.

(3) GPRMC는 RS232 직렬 포트를 통해 동기화 메시지를 보냅니다. RS232는 1대1 전이중 통신 형식이며 마스터-슬레이브 형식으로도 1대다 데이터 전송이 가능합니다. 하지만 10명 이상이면 정말 드물고, 그것이 가능한지 여부는 실험을 통해서만 확인할 수 있습니다. 그러나 적어도 와이어링 하네스 엔지니어는 동의할 의사가 없었습니다.

(4) 시계 소스가 손실되면 시간 동기화가 필요한 모든 장비가 갑자기 백본을 잃습니다. 각 후배는 스스로 설 수 있으며 시간에 맞춰 일어나 전체 상황을 담당할 두 번째 보스가 없습니다. . 이는 기능적 안전 요구 사항이 매우 높은 자율 주행 시스템에는 용납될 수 없습니다.

PTP

따라서 단순한 PPS와 GPRMC를 기반으로 전체 자율주행 시스템의 시간 동기화를 달성하는 것은 이론적으로는 가능하지만 현실적이지 않습니다.

네트워크 기반 고정밀 시간 동기화 프로토콜 PTP(Precision Time Protocol, 1588 V2)는 마이크로초 미만의 동기화 정확도를 달성할 수 있습니다. 백본 네트워크가 이더넷인 글로벌 아키텍처의 경우 모든 것이 준비되어 있으며 각 도메인 컨트롤러의 하드웨어 PHY 칩만 지원하면 됩니다.

PTP는 하드웨어 타임스탬프를 사용하는 마스터-슬레이브 시간 동기화 시스템이므로 소프트웨어 처리 시간을 크게 줄일 수 있습니다. 동시에 PTP는 L2 계층(MAC 계층)과 L4 계층(UDP 계층)에서 실행될 수 있으며, L2 계층 네트워크에서 실행될 때 4계층 UDP 프로토콜을 거치지 않고 MAC 계층에서 직접 패킷 구문 분석이 수행됩니다. 따라서 프로토콜 스택 상주 시간이 크게 줄어들고 시간 동기화 정확도가 더욱 향상되어 자율 주행 시스템에 매우 적합합니다.

글로벌 아키텍처 하의 아키텍처 솔루션은 아래와 같습니다.

기기에서 PTP 프로토콜을 실행하는 네트워크 포트를 PTP 포트라고 합니다. PTP 마스터 포트는 시간을 게시하는 데 사용되고, PTP 슬레이브 포트는 시간을 수신하는 데 사용됩니다. 경계 클록 노드(BC, Boundary Clock), 일반 클록 노드(OC, Ordinary Clock), 투명 클록 노드(TC, Transparent clock)의 세 가지 유형의 클록 노드가 동시에 정의됩니다.

(1) 경계 클록 노드에는 여러 개의 PTP 포트가 있으며, 그 중 하나는 업스트림 장치의 시간을 동기화하는 데 사용되고 나머지 포트는 다운스트림 장치에 시간을 보내는 데 사용됩니다. 경계 클록 노드의 업스트림 시간 동기화 장치가 GNSS 수신기인 경우, 이때의 경계 클록 노드는 마스터 클록 노드(최적 클록)이다.

(2) 일반 클럭 노드에는 업스트림 클럭 노드의 시간을 동기화하는 데 사용되는 PTP 포트가 하나만 있습니다.

(3) 투명 시계는 이름에서 알 수 있듯이 여러 개의 PTP 포트를 갖고 있으며, 수신한 시간과 전달한 시간을 가지며, 프로토콜 분석을 수행하지 않으며 내부적으로 시간 동기화에 참여하지 않습니다. PTP는 마스터와 슬레이브 장치 간에 동기화 메시지를 교환하고 메시지 전송 시간을 기록하여 마스터와 슬레이브 장치 간의 네트워크 전송 지연 및 클럭 편차를 계산합니다.

PTP는 Sync, Follow_Up, Delay_Req 및 Delay_Resp의 네 가지 동기화 메시지를 정의합니다.

(1) PTP 마스터 포트는 슬레이브 포트로 Sync 메시지를 전송하고 동시에 Sync 전송 시간 t1이 기록됩니다. 포트로부터 Sync 메시지를 수신한 후 수신 시간 t2가 기록됩니다.

(2) 그런 다음 마스터 포트는 Follow_Up 메시지에 t1 시간을 넣고 이를 슬레이브 포트로 보냅니다. 이 메시지를 받은 후 슬레이브 포트는 t1을 구문 분석하여 첫 번째 방정식을 얻습니다. t1+네트워크 지연+ 시계 편차 = t2.

(3) 슬레이브 포트는 마스터 포트로 Delay_Req 메시지를 전송하고, 동시에 Delay_Req가 전송되는 시간 t3을 기록합니다. 기본 포트는 메시지를 수신한 후 수신된 시간 t4를 기록합니다.

(4) 그런 다음 마스터 포트는 Delay_Resp 메시지에 t4 시간을 넣고 이를 슬레이브 포트로 보냅니다. 이 메시지를 받은 후 슬레이브 포트는 t4를 구문 분석하고 첫 번째 방정식인 t3+네트워크 지연 - 클럭 편차를 얻을 수 있습니다. =t4. 두 가지 미지수와 두 가지 방정식 시스템은 중학교 수학 지식을 적용하여 풀 수 있습니다. 네트워크 지연 = [(t2-t1)+(t4-t1)]/2, 클럭 편차 = [(t2-t1)-(t4- t3)]/2.

gPTP

gPTP(일반화된 정밀 시간 프로토콜)는 PTP(IEEE 1588v2) 프로토콜을 기반으로 한 일련의 최적화로 보다 목표화된 시간 동기화 메커니즘을 형성하여 μs 수준의 동기화 정확도를 달성할 수 있습니다.

gPTP는 시간 인식 엔드 스테이션과 시간 인식 브리지라는 두 가지 장치 유형을 정의합니다. 각 장치에는 로컬 시계가 있습니다. 로컬 시계는 수정 발진기의 발진 주기로 측정됩니다. 장치의 내부 하드웨어 카운터는 발진 주기를 계산합니다. 시간 동기화 메시지를 게시하는 데 사용되는 장치의 네트워크 포트를 마스터 포트라고 하며, 시간 동기화 메시지를 수신하는 데 사용되는 포트를 슬레이브 포트라고 합니다.

(1) 마스터 시계 또는 슬레이브 시계로 사용할 수 있는 시간 인식 엔드 스테이션.

(2) 스위치와 유사하게 마스터 시계 또는 브리지 장치로 사용할 수 있는 시간 인식 브리지. gPTP 메시지를 받은 후 브리지 장치는 메시지를 보내기 전에 메시지를 목욕시킵니다. 브리지 장치에서 메시지가 소비되는 시간을 체류 시간이라고 합니다. gPTP를 사용하려면 브리지 장치에 체류 시간을 측정하는 기능이 있어야 합니다.

아래 그림은 클럭 소스, 마스터 클럭 1개, 브리지 장치 2개, 슬레이브 클럭 4개를 포함하는 간단한 gPTP 시스템을 보여줍니다. 마스터 클럭은 시스템 내의 시간 기반이며 일반적으로 고정밀 로컬 클럭을 가지며 고정밀 준 클럭 소스로 시간을 측정해야 합니다. 마스터 클록은 시스템 내에서 동적으로 할당되거나 사전 할당될 수 있습니다(차량 탑재 고정 토폴로지 애플리케이션 시나리오의 경우 사전 할당 원칙이 자주 사용됨).

gPTP에 지정된 마스터 클럭 동적 할당 메커니즘은 BMCA(Best Master Clock Algorithm, 최고의 마스터 클럭 선택 알고리즘)입니다. 시스템 전원이 켜지고 깨어난 후 시스템의 모든 장치는 해당 장치의 시계 정보가 포함된 메시지를 전송하여 마스터 시계 선택에 참여할 수 있습니다. 참여하는 각 기기는 자신의 시계 정보를 다른 기기의 시계 정보와 비교하여 유리한지 여부를 판단하게 되며, 그렇지 않은 경우 가장 강력한 종합 능력을 갖춘 무술 지도자가 탄생할 때까지 선거에서 탈퇴하게 됩니다.

02 동기화 프로세스

gPTP는 이벤트 유형 메시지(Sync, Pdelay_Req 및 Pdelay_Resp 포함)와 일반 유형 메시지(Follow_UP 및 Pdelay_Resp_Follow_UP 포함)의 두 가지 유형의 메시지를 정의합니다. gPTP는 장치가 7계층 네트워크 모델에서 두 번째 데이터 링크 계층의 MAC(Media Acess Control) 하위 계층에서 작동한다고 정의합니다.

장치 MAC 계층이 이벤트 유형 메시지를 수신하거나 전송하면 하드웨어 카운터의 샘플링을 트리거하여 클록 발진 주파수 및 기준 시간과 결합된 타임스탬프를 얻을 수 있습니다. 얻을 수 있습니다. 일반 유형 메시지는 정보를 전달하는 데만 사용되며 내부 하드웨어 카운터의 샘플링 작업을 트리거하지 않습니다.

시계 편차 측정

gPTP에서 정의한 5가지 메시지 중 Sync와 Follow_UP은 주기적으로 전송되는 메시지 그룹으로 주로 시계 편차를 측정하는 데 사용됩니다. 동기화는 메인 포트에서 전송됩니다. 메시지가 메인 포트의 MAC 계층을 떠나면 이때 메인 포트가 트리거되어 타임스탬프 t1을 기록합니다. 포트 MAC 계층으로부터 Sync 메시지를 수신한 후, 이때의 타임스탬프 t2가 기록됩니다. 이후 마스터 포트는 Follow_UP 메시지에 t1 값을 첨부하여 슬레이브 포트로 보낸다.

네트워크 전송 지연이나 지연이 없고 무시할 수 있는 경우 슬레이브 포트는 로컬 클럭 값을 클럭 오프셋(t1-t2 값)에 추가하여 시간 동기화를 완료합니다. 더 이상 걱정하지 마십시오. 그러나 μs 수준의 시간 동기화 정확도를 갖는 gPTP의 경우 전송 지연은 분명히 무시할 수 없습니다.

전송 지연 측정

gPTP는 P2P(Peer to Peer) 방식을 사용하여 전송 지연을 측정합니다. P2P 방식에서는 인접한 장치 간의 전송 지연을 측정하고, 메시지가 장치 간 전송을 허용하지 않습니다. 이를 위해서는 gPTP 네트워크의 모든 장치가 gPTP 기능을 지원해야 합니다. 동시에 전송 지연 측정을 위해 특별히 정의된 독립적인 메시지 그룹인 Pdelay_Req, Pdelay_Resp 및 Pdelay_Resp_Follow_UP은 주기적으로 전송됩니다.

슬레이브 포트는 먼저 전송 지연 측정의 시작을 표시하는 Pdelay_Req 메시지를 보냅니다. 메시지가 슬레이브 포트의 MAC 계층을 떠나면 슬레이브 포트가 트리거되어 이때 타임스탬프 t3를 기록합니다. Pdelay_Req 메시지를 수신한 마스터 포트의 MAC 계층은 이때의 타임스탬프 t4를 기록하고, 동시에 Pdelay_Resp 메시지를 통해 슬레이브 포트에 t4 값을 보냅니다. 마스터 포트의 MAC 계층, 마스터 포트 트리거 포트는 이때의 타임스탬프 t5를 기록하고, 포트 MAC 계층으로부터 Pdelay_Resp 메시지를 수신한 후 이때의 타임스탬프 t6을 기록합니다. 이후 동일한 루틴에서 마스터 포트는 Pdelay_Resp_Follow_Up 메시지를 통해 슬레이브 포트에 t5 값을 전송한다. 이 시점에서 전송 지연 측정 프로세스가 종료됩니다. 경로 전송 지연이 대칭이라고 가정하면, 인접 장치 간의 전송 지연은 다음 공식에 따라 계산될 수 있습니다.

주파수 동기화

위의 전송 지연 측정은 슬레이브 포트와 마스터 포트의 클럭 발진 주파수가 일정하다는 전제를 기반으로 합니다. 이제 마스터와 슬레이브 포트 클럭의 발진 주파수가 일치하지 않으면 어떤 초자연적인 현상이 발생할지 생각해 보겠습니다. 슬레이브 포트의 클럭 발진 주파수를 25MHz라고 가정하면, 1클럭 발진 주기는 40ns이다. 마스터 포트의 클럭 발진 주파수는 100MHz이고, 한 클럭의 클럭 발진 주기는 10ns입니다.

전송 지연 측정 과정에서 t6과 t3에서 슬레이브 포트에 의해 기록된 발진 주기의 차이가 200 발진 주기라고 가정합니다. 마스터 포트의 클럭 주파수는 슬레이브 포트의 클럭 주파수의 4배이므로 슬레이브 포트는 t5와 t4 사이에서 약 800개의 발진 주기 차이를 받습니다. 슬레이브 포트의 클럭 발진 주기 40ns를 기준으로 계산하면 전송 지연은 -24μs([200x40-800x40]/2)입니다. 전송 지연이 없을 뿐만 아니라, 미리 알려져 있어 포트에서 의심의 여지가 없습니다.

마스터 및 슬레이브 포트의 클럭 발진 주파수에 내재된 불일치 외에도 온도, 노후화 및 기타 이유로 인해 수정 발진기 주파수가 불안정해질 수도 있습니다. 주파수 동기화 문제를 해결하기 위해 gPTP는 주파수 동기화를 사용하여 슬레이브 포트의 클록 발진 주파수를 마스터 포트에 동기화합니다.

주파수 동기 다중화 전송 지연 측정 프로세스의 Pdelay_Resp 및 Pdelay_Resp_Follow_UP 메시지. 두 세트의 응답을 사용하면 최종적으로 t5, t6, t9, t10의 값을 얻을 수 있으며, 마스터-슬레이브 포트의 주파수 비율은 다음 공식으로 얻을 수 있습니다.

마스터와 슬레이브 포트 주파수가 동기화되면 주파수 비율은 1이 됩니다. 1보다 크면 기본 포트가 빠르게 실행되고 있음을 의미하고, 1보다 작으면 기본 포트가 느리게 실행되고 있음을 의미합니다. 슬레이브 포트는 주파수 비율 값에 따라 타임베이스를 조정하여 올바른 타임스탬프를 얻습니다.

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