CN109286460A - 一种基于无线通信的时间同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信的时间同步方法和系统，其中，该时间同步方法包括：数据汇集设备接收全球定位系统发送的时间同步脉冲信号；数据汇集设备将预备的时间同步信息发送至数据采集设备；数据采集设备监测到时间同步信息的第一个比特时，开始时间同步；数据采集设备接收时间同步信息。本发明能够提高时间同步精度。

Description

一种基于无线通信的时间同步方法和系统

技术领域

本发明属于数据采样技术领域，具体涉及一种基于无线通信的时间同步方法和系统。

背景技术

全球电力骨干网络均是三相交流电力系统，频率为50Hz或60Hz。为了保证电力系统的稳定运行，需要对三相交流电的电压和电流进行准确的测量。目前，主要的测量技术是基于计算机的数字化测量技术，即通过电压和电流传感器(或者互感器)把高电压、大电流的信号(即电力系统一次信号)转换为适合测量的幅值较小的电压或者电流信号(即电力系统二次信号)，然后送入ADC(模数转换器)进行量化变成数字信号，并利用数字信号处理技术对采集到的信号进行相应的变换、计算，从而感知单个电力设备以及局部电网或者全局电网的工作状态，并进一步做故障判断与隔离、稳态与暂态控制、参数估计、故障预测等等应用。

由于电力系统设备本身在物理空间上是分散的，因此对设备的数据采集也是分散进行的，然后通过有线或者无线通信把分散的数据汇集到后台的中心机房，才能够做进一步计算。即智能电网的技术方向是通过布设大量的智能传感器，来感知各种电力设备(如变压器、线路、开关)的数据，并由单个设备的采样数据计算出电网的工作状态。

目前，电力系统存在这样一类应用：需要用多个设备分别采集三相电压三相电流，然后再把采集到的数据通过无线通信的方式汇集到本地的汇集设备中，由汇集设备通过有线或者无线通信上传到电网的后台进行数据处理。配电网故障指示器就是这样的设备。

要保证各相的数据采集严格同步，需要汇集设备为各个采集设备提供统一的时间基准，而汇集设备的时间基准一般来自全球定位系统，如GPS，北斗等。因而就形成了全球定位系统->汇集设备进行定时信息的接收和分发->采集设备接收定时信息，这样的三级时间同步体系。

在对电力系统进行数据采集以及工作状态计算时，由于电力信号在电力设备中的传输速度接近光速，即每秒30万公里，或者说每微秒(us)300米。为了准确感知电力系统的整体状态，必须要获取同一时刻各个电力设备的数据，如果各个设备的采样数据在时间上差异太大，计算出的结果是没有意义的。比如在小电流接地配电网的单相接地故障定位这个应用领域，通过暂态零序电流进行故障定位是公认效果最好的故障定位方法，但是故障定位的前提是零序电流一定要准确，各相电流的采样时间偏差要控制在10us以内。在行波保护和雷电波定位这类应用领域，由于需要用时间差来计算空间距离，因此各个数据采集点的时间偏差要控制在1us以内。而由于电力系统中各个设备在物理空间上是分散的，因此要保证它们的采样时间严格同步，或者说把采样时间的偏差控制在10us以内，甚至1us，这个难度是非常大的。

因此，从定时脉冲信号有效，到采集器的AD采样参数生效，这中间的延迟一般比较大，比如在50us左右。并且延迟不固定，即采用同样的技术原理进行技术实现，有些设备的延迟大，有些设备的延迟小；或者同一个设备，相邻两次时间同步的延迟也不同并且差异比较大。这样就造成了各个设备之间，时间同步的误差很大，导致较大的数据采集和数据合成误差，这些误差在某些应用场景下(如故障定位)会降低数据的可用性，在某些应用场景下(如行波保护、雷电波检测)会导致数据完全失去时间参考性从而造成数据完全不可用。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种能够提高数据同步精度的基于无线通信的时间同步方法和系统。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明实施例的第一方面提供了一种基于无线通信的时间同步方法，包括：数据汇集设备接收全球定位系统发送的时间同步脉冲信号；数据汇集设备将预备的时间同步信息发送至数据采集设备；数据采集设备监测到时间同步信息的第一个比特时，开始时间同步；数据采集设备接收时间同步信息。

进一步地，所述数据汇集设备在收到时间同步脉冲信号以前预先准备所要发送的时间同步信息，并对该时间同步信息进行加密。

进一步地，所述数据汇集设备不发送时间同步信息时，默认发送恒定的无效电平至数据采集设备，该无效电平与时间同步信息的第一个比特的电平相反。

进一步地，所述数据采集设备监测到所述时间同步信息的第一个比特时，记录数据采集设备的当前时间作为本次的本地同步时间。

进一步地，所述时间同步信息包括：前导码、时间同步信息长度、加密标识、当前系统时间和数据校验值。

进一步地，在所述数据采集设备接收所述时间同步信息之后，还包括：所述数据采集设备对接收到的所述时间同步信息进行校验；当时间同步信息校验错误时，忽略本次所接收到的时间同步信息；当时间同步信息校验正确时，基于记录的本地同步时间判断是否需要对数据采集设备的采样参数进行调整。

进一步地，所述数据采集设备对接收到的所述时间同步信息进行校验的步骤包括：对时间同步信息的下述内容进行校验，当下述内容的全部校验正确时，判断为时间同步信息正确，当下述内容中的至少之一校验错误时，判断为时间同步信息错误：校验前导码的长度和内容是否相符；校验时间同步信息的长度是否相符；校验加密标识是否相符，且在所述加密标识相符时，对所述时间同步信息进行解密；校验系统时间是否相符；校验附加数据的长度是否相符；和校验数据校验值是否相符。

进一步地，对该时间同步信息进行加密的步骤包括：对所述时间同步信息中除了所述前导码和所述加密标识以外的内容进行加密。

进一步地，加密所使用的秘钥包括固定秘钥和动态秘钥；所述动态秘钥采用预设的变化规则形成。

进一步地，加密所输入的内容为固定内容或者按照约定的方式变化的内容。

进一步地，对所述时间同步信息进行解密的步骤包括：基于预设的变化规则，获取所述动态秘钥；基于所述固定秘钥和所述动态秘钥组成所述秘钥；获取加密所输入的内容；基于所述秘钥和所述加密所输入的内容，对所述时间同步信息进行解密。

进一步地，当所述时间同步信息校验正确时，还包括：将相邻两次记录的本地同步时间的时间间隔，作为本地时间间隔；将本地时间间隔减去设定的标准时间间隔，得到时间偏差；判断所述时间偏差是否大于阈值；若是，则对数据采集设备的采样参数进行调整。根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种基于无线通信的时间同步系统，包括数据汇集设备和数据采集设备，数据汇集设备包括汇集设备端时间同步模块，用于接收全球定位系统发送的时间同步脉冲信号；汇集设备端无线通信模块，用于将预备的时间同步信息发送至数据采集设备；数据采集设备包括：采集设备端无线通信模块，用于在监测到时间同步信息的第一个比特时，向采集设备端时间同步模块发送时间同步请求；采集设备端时间同步模块，用于在接收到时间同步请求时，记录数据采集设备的当前时间作为本次同步时间。

进一步地，所述汇集设备端时间同步模块包括：加密单元，用于在收到时间同步脉冲信号以前预先准备所要发送的时间同步信息，并对该时间同步信息进行加密。

进一步地，所述汇集设备端时间同步模块在不发送时间同步信息时，默认发送恒定的无效电平，该无效电平与时间同步信息的第一个比特的电平相反。

进一步地，所述采集设备端时间同步模块包括时间记录单元，用于在监测到所述时间同步信息的第一个比特时，记录数据采集设备的当前时间作为本次的本地同步时间。

进一步地，所述时间同步信息包括：前导码、时间同步信息长度、加密标识、当前系统时间和数据校验值。

进一步地，所述采集设备端无线通信模块包括：校验单元，还用于对接收到的所述时间同步信息进行校验，当时间同步信息校验错误时，忽略本次所接收到的时间同步信息，当时间同步信息校验正确时，基于记录的本地同步时间判断是否需要对数据采集设备的采样参数进行调整。

进一步地，所述采集设备端无线通信模块还包括解密单元；所述校验单元还用于对时间同步信息的下述内容进行校验，当下述内容的全部校验正确时，判断为时间同步信息正确，当下述内容中的至少之一校验错误时，判断为时间同步信息错误：校验前导码的长度和内容是否相符；校验时间同步信息的长度是否相符；校验加密标识是否相符，且在所述加密标识相符时，由解密单元对所述时间同步信息进行解密；校验系统时间是否相符；校验附加数据的长度是否相符；和校验数据校验值是否相符。

进一步地，加密单元包括加密子单元，用于对所述时间同步信息中除了所述前导码和所述加密标识以外的内容进行加密。

进一步地，汇集设备端时间同步模块在加密时所使用的秘钥包括固定秘钥和动态秘钥；所述动态秘钥采用预设的变化规则形成。

进一步地，汇集设备端时间同步模块在加密时输入的内容为固定内容或者按照约定的方式变化的内容。

进一步地，解密单元包括秘钥获取子单元，加密输入获取子单元和解密子单元；在接收到时间同步信息时，按照以下方式对所述时间同步信息进行解密；秘钥获取子单元，用于基于预设的变化规则，获取所述动态秘钥，以及基于所述固定秘钥和所述动态秘钥组成所述秘钥；加密输入获取子单元，用于获取加密所输入的内容；解密子单元，用于基于所述秘钥和所述加密所输入的内容，对所述时间同步信息进行解密。

进一步地，采集设备端时间同步模块包括:本地时间间隔获取单元，还用于将相邻两次记录的本地同步时间的时间间隔，作为本地时间间隔；时间偏差计算单元，用于将本地时间间隔减去设定的标准时间间隔，得到时间偏差；判断单元，用于判断所述时间偏差是否大于阈值，以及当所述时间偏差大于阈值时，调整数据采集设备的采样参数。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：通过预先准备好每次需要发送的时间同步信息，进而在时间同步脉冲信号到来时，就开始发送时

LKF170122间同步信息，减小了一部分时间延时；另外，本发明通过将汇集设备端无线通信模块设置为对时间同步信息优先级最高，使得在监测到时间同步信息的第一个比特时，就开始接收预先准备的时间同步信息，从而实现将汇集设备端时间同步模块和汇集设备端无线通信模块之间的时间延迟从较大随机时间延迟变为较小固定时间延迟，减小了汇集设备端到采集设备端的时间延时，并且把延时固定到一个非常小的范围，各个采样设备可以达到更高的时间同步精度，时间同步精度比现有技术提高了50～100倍，能够实现1us以内的时间同步精度。

附图说明

图1是现有技术中通过无线通信进行数据同步的系统的原理图；

图2是本发明第一实施例的一种基于无线通信的时间同步方法的流程图；

图3是本发明第三实施例的一种基于无线通信的时间同步方法的流程图；

图4是本发明第四实施例的一种基于无线通信的时间同步方法的流程图；

图5是本发明第五实施例的一种基于无线通信的时间同步方法的流程图；

图6是本发明第六实施例的一种基于无线通信的时间同步方法的流程图；

图7是本发明第七实施例的一种基于无线通信的时间同步方法的流程示意图；

图8是本发明第八实施例的一种基于无线通信的时间同步方法的流程图；

图9是本发明第九实施例的一种基于无线通信的时间同步系统的结构示意图；

图10是本发明第十实施例的一种基于无线通信的时间同步系统的结构示意图；

图11是本发明第十实施例的一种基于无线通信的时间同步系统的结构示意图；

图12是本发明第十一实施例的一种基于无线通信的时间同步系统的结构示意图；

图13是本发明第十二实施例的一种基于无线通信的时间同步系统的结构示意图；

图14是本发明前述实施例中关于加密单元的结构示意图；

图15是本发明前述实施例中关于解密单元的结构示意图；

图16是本发明前述实施例中关于采集设备端时间同步模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

现有技术中通过无线通信技术进行时间同步的技术方案如图1所示。方案中采用通用的无线通信技术，用同一个无线通信信道，用时分复用的方式传输数据和时间同步信息。但该技术方案不能保证多个数据采集设备之间的时间同步精度(即同步误差过大)，主要原因在于：

1、从GPS/北斗接收模块发出的定时脉冲信号(如秒脉冲信号，PPS，Pulse PerSecond)一般是通过外部或者内部中断的方式送给CPU进行处理的，当定时脉冲信号有效时，CPU可能在处理更高优先级的任务而不能及时处理定时脉冲的中断请求。CPU开始处理定时脉冲中断的时候，为了保证无线通信的正确性，首先要读取相关寄存器的状态，如果无线通信模块允许发送时间同步信息，才能够把时间同步信息写入无线通信模块中，无线通信模块接收到完整的以后才会启动无线发送。从定时脉冲有效，到无线通信模块开始发送无线信号，这之间的延时比较大，并且不固定。

2、由于同一个无线通信信道要以时分复用的方式分别传送数据和时间同步信息，当接收到全球定位模块发过来的定时脉冲信号时，无线通信模块有可能正好在进行其它数据包的传输，这样需要等当前时间同步信息传输结束以后才能够传输时间同步信息，因而时间同步信息的分发就引入了额外的不确定的延时。

3、在数据采集设备中，首先通过无线通信接收模块接收到无线数据包，然后给CPU发送中断申请，由CPU读取并分析数据包的内容，才能够判断本次无线通信的数据包是时间同步信息，或者是其它的数据。如果是时间同步信息，CPU才去读取数据包携带的时间信息，并调整AD采集的参数。由于采用CPU来进行时间同步，造成在数据采集设备中，从开始接收到无线通信信号，到真正调整AD采集的参数，中间的延时比较长，并且不固定。

本发明主要是解决后两级之间通过无线通信技术进行时间同步的问题。

图2显示了本发明第一实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图2，一种基于无线通信的时间同步方法，包括：

S1，数据汇集设备接收全球定位系统发送的时间同步脉冲信号；

其中，全球定位系统具体是以固定的时间间隔(例如1秒)输出时间同步脉冲信号给数据汇集设备。

S2，数据汇集设备将预备的时间同步信息发送至数据采集设备；

预备的时间同步信息为数据汇集设备在每次接收到时间同步脉冲信号之前，预先准备好的要发送的时间同步信息，只要数据汇集设备接收到时间同步脉冲信号，就立即将准备好的时间同步信息发送出去，从而避免了在接收到时间同步脉冲信号时才将时间同步信息打包，造成延时的问题。优选地，预先准备的时间同步信息可以是在每一次发送完时间同步信息之后，就开始准备下一次需要发送的时间同步信息，也可以是基于设定的时间间隔进行准备，即在每次接收到时间同步脉冲信号之后的预设间隔时间到达时，开始准备下一次需要发送的时间同步信息。预先准备的时间同步信息是按照比特顺序依次转换为高电平或者低电平，然后在接收到时间同步脉冲信号时，依次发送高电平或者低电平，每个比特持续的高或者低电平的时间是相同的。

预备的时间同步信息是按照数据汇集设备和数据采集设备约定的比特持续时间，依次发送时间同步信息的各个比特。

S3，数据采集设备监测到时间同步信息的第一个比特时，开始时间同步；

数据采集设备是通过下述方式监测时间同步信息的第一个比特，具体为：数据汇集设备不发送时间同步信息时，默认发送恒定的无效电平至数据采集设备，该无效电平与时间同步信息的第一个比特的电平相反，当时间同步信息在汇集设备上发送时，第一个有效的电平状态与默认的无效电平状态正好相反。例如：假设数据汇集设备默认输出的无效电平为高电平，则时间同步信息的第一个有效的电平为低电平；反之，假设数据汇集设备默认输出的无效电平为低电平，则时间同步信息的第一个有效的电平状态为高电平。

在基于上述电平状态的设置的基础上，数据采集设备一旦监测到接收到的电平状态由无效电平变成了有效电平，就进入数据接收状态，按照约定的比特持续时间，依次接收各个比特，组成时间同步信息，开始进行时间同步。

S4，数据采集设备接收时间同步信息。

本发明实施例通过预先准备好每次需要发送的时间同步信息，进而在时间同步脉冲信号到来时，就开始发送时间同步信息，减小了一部分时间延时；另外，本发明通过在监测到时间同步信息的第一个比特时，就开始接收预先准备的时间同步信息，且通过设置一专用来传输时间同步信息的无线通信信道，仅传输时间同步信息，避免了现有技术中如若CPU正在处理其他类型数据包，而此时时间同步信息到来时无法立即处理，只能等待造成不固定延时的问题，从而实现将汇集设备端时间同步模块和汇集设备端无线通信模块之间的时间延迟从随机时间延迟变为固定时间延迟，通过以上两种方式，进而提高时间同步精度。

图3显示了本发明第二实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图3，本发明第二实施例包括第一实施例的所有步骤，还包括如下步骤S20：

S20，数据汇集设备在收到时间同步脉冲信号以前预先准备所要发送的时间同步信息，并对该时间同步信息进行加密。

数据汇集设备在收到时间同步脉冲信号以前，需要准备好时间同步信息，并且对时间同步信息进行加密。数据汇集设备一旦接收到了时间同步脉冲信号，就会将加密后的时间同步信息发送给数据采集设备。

本实施例中的加密过程是为了增强无线通信的抗干扰能力，避免未经认证的数据汇集设备发送错误的时间同步信息，以及避免未经认证的数据汇集设备通过时间同步信息对数据采集设备进行攻击。

具体地，加密是对时间同步信息中除了前导码和加密标识以外的内容进行加密。

具体地，加密所使用的秘钥包括固定秘钥和动态秘钥，动态秘钥采用预设的变化规则形成。加密所输入的内容为固定内容或者按照约定的方式变化的内容。由于秘钥分为两部分，一部分为固定不变的固定秘钥，另一部分为动态变化的动态秘钥，因此能够增加加密的安全性，使得加密后的时间同步信息无法被轻易攻击。

具体地，加密算法是采用对称分组加密算法，例如SM4、AES等分组加密算法。对称加密算法的分组长度(一般为128比特)，远大于时间同步信息的长度(一般为32～64比特)，加密算法的分组长度设置为128比特，是为了提高安全性，而时间同步信息的长度设置为32-64比特是为了在保证功能的基础上尽量减少功耗，否则，时间同步信息的长度越长，功耗会越大。为了方便解密，采用加密算法中的COUNTER模式对时间同步信息进行加密。加密的秘钥包括两部分，即固定秘钥和动态秘钥，固定秘钥是数据汇集设备和数据采集设备事先约定好的，并且每次进行时间同步时该部分秘钥保持不变。另一部分的动态秘钥是按照一定的规则变化，变化的规则是汇集设备和采集设备事先约定好的，例如：直接采用系统时间，或者采用系统时间的某种数学变换结果作为动态秘钥。另外，加密算法的输入内容(即明文)也是由数据汇集设备和数据采集设备事先约定好的，每次进行时间同步时该部分可以保持不变，或者以事先约定好的方式进行变化。

下面通过以SM4算法为例介绍加密方法，加密过程包括：

基于输入内容(明文)和加密所使用秘钥计算密文，即SM4_ENCRYPT(INPUT，KEY)，得到128比特长的SM4_OUTPUT[127:0]；

对密文中除了前导码和加密标识的其他信息与包括前导码和加密标识的内容进行异或运算，得到加密的时间同步信息。

例如：假设时间同步信息TIME_INFO的总长度为32比特，前导码和加密标志共5个比特，则该5个比特不需要加密，其余27个比特需要进行加密，因此利用时间同步信息的5-31个比特和明文中的27个比特进行异或运算,得到加密的时间同步信息。上述运算过程可以用下面的计算公式来描述：TIME_INFO_SM4＝TIME_INFO^SM4_ENCRYPT(INPUT，KEY)。INPUT为输入内容，即明文，KEY为秘钥，TIME_INFO为时间同步信息的5-31个比特，SM4_ENCRYPT为计算得到的密文，TIME_INFO_SM4为加密的时间同步信息。

图4显示了本发明第三实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图4，本发明第三实施例包括第一或第二实施例的所有步骤，还包括：

S40，数据采集设备监测到时间同步信息的第一个比特时，记录数据采集设备的当前时间作为本次的本地同步时间。

当数据采集设备监测到接收到的电平状态由无效电平变成了有效电平之时，会记录数据采集设备当前的时间作为本次同步时间，数据采集设备当前的时间可以是数据采集设备内部时钟计数器的计数值，还可以是数据采集设备内部采样的采样个数，或者其它计时模块的计时结果等，凡是能够代表采集设备当前的时间，都可以记录下来作为本次的本地同步时间。

具体地，时间同步信息包括：前导码、时间同步信息长度、加密标识、当前系统时间和数据校验值。可选地，还可以包括附加数据。

时间同步信息具体由如下数据域组成：1)长度至少为4个比特的前导码，前导码是固定的比特序列，序列当中含有多个1和多个0，但是要避免连续多个1或者连续多个0。典型的前导码是“1010”这样的比特序列；2)完整的时间同步信息的长度。该长度也可以是隐含的长度，事先由发送和接收时间同步信息的设备双方约定好。3)长度至少为1个比特的加密标志，包括是否加密，加密算法等。加密算法也可以事先由发送和接收时间同步信息的设备双方约定好。4)长度至少为8个比特的当前系统时间，单位是秒。该系统时间可以是世界协调时，或者包含时区信息的本地时间。系统时间本身的长度至少为32比特，为了减小每次时间同步信息的总长度，从而减小时间同步的功耗，每次进行时间同步时，只需要发送系统时间的低比特即可，系统时间的高比特可以由数据采集设备计算出来。5)附加数据，包括但不限于：全球定位系统中对于数据采集设备的当前位置，数据汇集设备或者其它数据采集设备的状态，局部或者整体电力系统的工作状况(比如是否处于故障状态)，以及发送给数据采集设备的控制命令等等。附加数据的长度和含义事先由数据汇集设备和数据采集设备双方约定好。如果不需要附加数据，则可以设置附加数据长度为0。6)长度至少为8个比特的数据校验值。该校验值是前述前导码、时间同步信息长度、加密标识、当前系统时间和附加数据的校验值。在初始化阶段，数据汇集设备和数据采集设备双方约定具体的时间同步信息，包括每个数据域的长度，含义，相关的算法选择，以及其它相关参数，例如加解密的秘钥。

图5显示了本发明第四实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图5，本发明第四实施例包括第三实施例的所有步骤，是在数据采集设备接收时间同步信息之后，还包括：

S50，数据采集设备对接收到的时间同步信息进行校验；

S51，当时间同步信息校验错误时，忽略本次所接收到的时间同步信息；

S52，当时间同步信息校验正确时，基于记录的本地同步时间判断是否需要对数据采集设备的采样参数进行调整。

当数据采集设备接收到完整的时间同步信息之后，会校验时间同步信息的正确性。校验所使用的校验算法事先由数据汇集设备和数据采集设备双方约定好，有效的校验算法包括校验和，奇偶校验，CRC校验。

图6显示了本发明第五实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图6，数据采集设备对接收到的时间同步信息进行校验的步骤包括：

S61，对时间同步信息的下述内容进行校验，当下述内容的全部校验正确时，判断为时间同步信息正确，当下述内容中的至少之一校验错误时，判断为时间同步信息错误；

具体地，如果数据采集设备在校验接收到的时间同步信息时，发现任何一项校验错误，则向CPU发送中断请求，由CPU程序进行错误处理,CPU可以是向数据汇集设备报告错误，并请求重新协商相关参数。而对于本次接收到的时间同步信息则选择忽略，不作进一步操作。

S62，校验前导码的长度和内容是否相符；

S63，校验时间同步信息的长度是否相符；

S64，校验加密标识是否相符，且在加密标识相符时，对时间同步信息进行解密；

S65，校验系统时间是否相符；

S66，校验附加数据的长度是否相符；和

S67，校验数据校验值是否相符。

上述校验的内容可以不必按照步骤顺序执行，上述步骤之间没有先后执行顺序。

具体地校验过程包括：1)前导码的长度和内容是否相符；2)时间同步信息的长度是否相符；3)加密标志是否相符，并且对接收到时间同步信息进行解密。4)系统时间是否相符，由于汇集设备发送的时间同步信息仅包含了系统时间的低位，所以采集设备需要根据相邻两次时间同步的时间间隔来计算预期的系统时间，并将预期的系统时间的低位与接收到的时间同步信息中的系统时间进行对比，一致则认为正确。5)附加数据的长度是否相符；6)数据校验值是否相符。

图7显示了本发明第六实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图7，其中，对时间同步信息进行解密的步骤包括：

S70，基于预设的变化规则，获取动态秘钥；

S71，基于固定秘钥和动态秘钥组成秘钥；

S72，获取加密所输入的内容；

S73，基于秘钥和加密所输入的内容，对时间同步信息进行解密。

具体地，解密时是根据约定好的规则获取有效的输入内容INPUT和秘钥KEY，然后计算SM4_ENCRYPT(INPUT，KEY)，得到128比特长的密文SM4_OUTPUT[127:0]。然后把计算得到的密文SM4_OUTPUT与接收到的时间同步信息进行异或(前导码和加密标志这些比特不做异或计算)，即还原得到原始的时间同步信息。计算公式如下：TIME_INFO_SM4^SM4_ENCRYPT(INPUT，KEY)＝TIME_INFO^SM4_ENCRYPT(INPUT，KEY)^SM4_ENCRYPT(INPUT，KEY)＝TIME_INFO^0＝TIME_INFO；

图8显示了本发明第七实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图8，当时间同步信息校验正确时，还包括：

S80，将相邻两次记录的本次同步时间的时间间隔，作为本地时间间隔；

根据步骤S40中记录的本地同步时间，计算当前接收到的时间同步信息时记录的本地同步时间和前一次接收到的时间同步信息记录的本地同步时间的时间差，计算得到本地时间间隔。

S81，将本地时间间隔减去设定的标准时间间隔，得到时间偏差；

S82，判断时间偏差是否大于阈值；

该阈值的设定是以用户所能接受的时间偏差来设定，例如可以是1us。

S83，若是，则调整数据采集设备的采样参数。

如果时间偏差大于一定的阈值，代表本地时间偏离得太多，需要重新调整采样参数。如果时间偏差在阈值范围之内，则本次时间同步可以不调整采样参数。

在调整的过程中，数据采集设备需要记录本次时间同步的相关信息，包括来自GPS/北斗的时间值，代表采集设备本地时间的时间值。当采集设备接收到下一个时间同步信息时，利用两次时间同步之间的时间差，来调整下一次的采集的数据中各个采样点的采样值。

每次调整数据采样的参数，都需要记录具体的采样参数，如本地时钟速度，采样间隔，起始采样时刻等等，利用这些参数，事后可以对各个采样点的采样值进行进一步的校准。

图9显示了本发明第八实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图9，一种基于无线通信的时间同步系统，包括数据汇集设备1和数据采集设备2：

数据汇集设备1包括汇集设备端时间同步模块11和汇集设备端无线通信模块12：

汇集设备端时间同步模块11，用于接收全球定位系统发送的时间同步脉冲信号，以及在接收到时间同步脉冲信号时，将预备的时间同步信息发送至汇集设备端无线通信模块12；

汇集设备端无线通信模块12，用于将接收到的预备的时间同步信息发送至数据采集设备2；

数据采集设备2包括采集设备端无线通信模块21和采集设备端时间同步模块22：

采集设备端无线通信模块21，用于在监测到时间同步信息的第一个比特时，向采集设备端时间同步模块22发送时间同步请求；

采集设备端时间同步模块22，用于在接收到时间同步请求时，开始时间同步。

图10显示了本发明第九实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图10，汇集设备端时间同步模块11包括加密单元111，用于在收到时间同步脉冲信号以前预先准备所要发送的时间同步信息，并对该时间同步信息进行加密。

其中，汇集设备端时间同步模块11在不发送时间同步信息时，默认发送恒定的无效电平，该无效电平与时间同步信息的第一个比特的电平相反。

图11显示了本发明第十实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图11，一种基于无线通信的时间同步系统，采集设备端时间同步模块22包括时间记录单元221，用于在监测到时间同步信息的第一个比特时，记录数据采集设备的当前时间作为本次的本地同步时间。

其中，时间同步信息包括：前导码、时间同步信息长度、加密标识、当前系统时间和数据校验值。

图12显示了本发明第十一实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图12，一种基于无线通信的时间同步系统，采集设备端无线通信模块21包括校验单元211，用于对接收到的时间同步信息进行校验，当时间同步信息校验错误时，忽略本次所接收到的时间同步信息，当时间同步信息校验正确时，基于记录的本地同步时间判断是否需要对数据采集设备的采样参数进行调整。

图13显示了本发明第十二实施例一种基于无线通信的时间同步方法的流程图。

请参照图13，一种基于无线通信的时间同步系统，采集设备端无线通信模块21还包括和解密单元212，对时间同步信息的下述内容进行校验，当下述内容的全部校验正确时，判断为时间同步信息正确，当下述内容中的至少之一校验错误时，判断为时间同步信息错误；校验前导码的长度和内容是否相符；校验时间同步信息的长度是否相符；校验加密标识是否相符，且在加密标识相符时，由解密单元212对时间同步信息进行解密；校验系统时间是否相符；校验附加数据的长度是否相符；和校验数据校验值是否相符。

图14是本发明前述实施例中关于加密单元的结构示意图。

请参照图14，加密单元111包括加密子单元1110，用于对时间同步信息中除了前导码和加密标识以外的内容进行加密。

其中，加密时所使用的秘钥包括固定秘钥和动态秘钥；动态秘钥采用预设的变化规则形成。

其中，加密单元111在加密时输入的内容为固定内容或者按照约定的方式变化的内容。

图15是本发明前述实施例中关于解密单元的结构示意图。

请参照图15，解密单元212包括秘钥获取子单元2120，加密输入获取子单元2121和解密子单元2122；

在接收到时间同步信息时，按照以下方式对时间同步信息进行解密；

秘钥获取子单元2120，用于基于预设的变化规则，获取动态秘钥，以及基于固定秘钥和动态秘钥组成秘钥；

加密输入获取子单元2121，用于获取加密所输入的内容；

解密子单元2122，用于基于秘钥和加密所输入的内容，对时间同步信息进行解密。

图16是本发明前述实施例中关于采集设备端时间同步模块的结构示意图。

请参照图16，采集设备端时间同步模块22包括:

本地时间间隔获取单元222，还用于将相邻两次记录的本次同步时间的时间间隔，作为本地时间间隔；

时间偏差计算单元223，用于将本地时间间隔减去设定的标准时间间隔，得到时间偏差；

判断单元224，用于判断时间偏差是否大于阈值，以及当时间偏差大于阈值时，调整数据采集设备的采样参数。

需要说明的是，本发明的一种基于无线通信的时间同步系统是与涉及计算机程序流程的一种基于无线通信的时间同步方法一一对应的系统，由于在前已经对一种基于无线通信的时间同步方法的步骤流程进行了详细描述，在此不再对一种基于无线通信的时间同步系统的实施过程进行赘述。

本发明是在数据汇集设备和数据采集设备当中，用专用的硬件的时间同步模块(包括汇集设备端时间同步模块和采集设备端时间同步模块)代替通用CPU进行时间同步，专用的硬件的时间同步模块专门用于发送和接收时间同步信息；通过在时间同步信息当中添加附加数据等其他数据，使得在发送时间同步信息时，可以同时发送其它状态与控制信息，从而构成了一个定时发送特定信息的专用无线通信通道，数据汇集设备和数据采集设备采用专用于传输时间同步信息不传输其他类型数据的无线通信信道来传输时间同步信息，其传输方式是单向广播，即一个数据汇集设备发送时间同步信息至多个数据采集设备。另外，为了减小功耗，还可以为设定一时间段专门用于传输时间同步信息。

本发明减小了数据汇集设备端到数据采集设备端传输时间同步信息的时间延时，并且把延时固定到一个非常小的范围，各个数据采样设备可以达到更高的时间同步精度，时间同步精度比现有技术提高了50～100倍，能够实现1us以内的时间同步精度。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (16)

1.一种基于无线通信的时间同步方法，其特征在于，包括：

数据汇集设备接收全球定位系统发送的时间同步脉冲信号；

数据汇集设备将预备的时间同步信息发送至数据采集设备；

数据采集设备监测到所述时间同步信息的第一个比特时，开始时间同步；

数据采集设备接收所述时间同步信息。

2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，还包括：

所述数据汇集设备在收到时间同步脉冲信号以前预先准备所要发送的时间同步信息，并对该时间同步信息进行加密；

优选地，对该时间同步信息进行加密的步骤包括：

对所述时间同步信息中除了所述前导码和所述加密标识以外的内容进行加密；

优选地，加密所使用的秘钥包括固定秘钥和动态秘钥；

所述动态秘钥采用预设的变化规则形成；

优选地，加密所输入的内容为固定内容或者按照约定的方式变化的内容。

3.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，

所述数据汇集设备不发送时间同步信息时，默认发送恒定的无效电平至数据采集设备，该无效电平与时间同步信息的第一个比特的电平相反；

优选地，所述数据采集设备监测到所述时间同步信息的第一个比特时，记录数据采集设备的当前时间作为本次的本地同步时间。

4.根据权利要求3所述的时间同步方法，其特征在于，所述时间同步信息包括：前导码、时间同步信息长度、加密标识、当前系统时间和数据校验值。

5.根据权利要求1或4所述的时间同步方法，其特征在于，在所述数据采集设备接收所述时间同步信息之后，还包括：

所述数据采集设备对接收到的所述时间同步信息进行校验；

当时间同步信息校验错误时，忽略本次所接收到的时间同步信息；

当时间同步信息校验正确时，基于记录的本地同步时间判断是否需要对数据采集设备的采样参数进行调整。

6.根据权利要求5所述的时间同步方法，其特征在于，所述数据采集设备对接收到的所述时间同步信息进行校验的步骤包括：

对时间同步信息的下述内容进行校验，当下述内容的全部校验正确时，判断为时间同步信息正确，当下述内容中的至少之一校验错误时，判断为时间同步信息错误：

校验前导码的长度和内容是否相符；

校验时间同步信息的长度是否相符；

校验加密标识是否相符，且在所述加密标识相符时，对所述时间同步信息进行解密；

校验系统时间是否相符；

校验附加数据的长度是否相符；和

校验数据校验值是否相符。

7.根据权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，对所述时间同步信息进行解密的步骤包括：

基于预设的变化规则，获取所述动态秘钥；

基于所述固定秘钥和所述动态秘钥组成所述秘钥；

获取加密所输入的内容；

基于所述秘钥和所述加密所输入的内容，对所述时间同步信息进行解密。

8.根据权利要求5所述的时间同步方法，其特征在于，当所述时间同步信息校验正确时，还包括：

将相邻两次记录的本地同步时间的时间间隔，作为本地时间间隔；

将所述本地时间间隔减去设定的标准时间间隔，得到时间偏差；

判断所述时间偏差是否大于阈值；

若是，则调整数据采集设备的采样参数。

9.一种基于无线通信的时间同步系统，其特征在于，包括数据汇集设备(1)和数据采集设备(2)；

所述数据汇集设备(1)包括汇集设备端时间同步模块(11)和汇集设备端无线通信模块(12)；

所述汇集设备端时间同步模块(11)，用于接收全球定位系统发送的时间同步脉冲信号，以及在接收到所述时间同步脉冲信号时，将预备的时间同步信息发送至所述汇集设备端无线通信模块(12)；

所述汇集设备端无线通信模块(12)，用于将接收到的预备的时间同步信息发送至所述数据采集设备(2)；

所述数据采集设备(2)包括采集设备端无线通信模块(21)和采集设备端时间同步模块(22)；

所述采集设备端无线通信模块(21)，用于在监测到所述时间同步信息的第一个比特时，向采集设备端时间同步模块(22)发送时间同步请求；

采集设备端时间同步模块(22)，用于在接收到所述时间同步请求时，开始时间同步。

10.根据权利要求9所述的时间同步系统，其特征在于，所述汇集设备端时间同步模块(11)包括：

加密单元(111)，用于在收到时间同步脉冲信号以前预先准备所要发送的时间同步信息，并对该时间同步信息进行加密；

优选地，所述加密单元(111)包括加密子单元(1110)，用于对所述时间同步信息中除了所述前导码和所述加密标识以外的内容进行加密；

优选地，所述汇集设备端时间同步模块(11)在加密时所使用的秘钥包括固定秘钥和动态秘钥；

所述动态秘钥采用预设的变化规则形成；

优选地，所述汇集设备端时间同步模块(11)在加密时输入的内容为固定内容或者按照约定的方式变化的内容。

11.根据权利要求9所述的时间同步系统，其特征在于，所述汇集设备端时间同步模块(11)在不发送时间同步信息时，默认发送恒定的无效电平，该无效电平与时间同步信息的第一个比特的电平相反；

优选地，所述采集设备端时间同步模块(22)包括时间记录单元(221)，用于在监测到所述时间同步信息的第一个比特时，记录数据采集设备的当前时间作为本次同步时间。

12.根据权利要求11所述的时间同步系统，其特征在于，所述时间同步信息包括：前导码、时间同步信息长度、加密标识、当前系统时间和数据校验值。

13.根据权利要求9或12所述的时间同步系统，其特征在于，所述采集设备端无线通信模块(21)包括：

校验单元(211)，还用于对接收到的所述时间同步信息进行校验，当时间同步信息校验错误时，忽略本次所接收到的时间同步信息，当时间同步信息校验正确时，基于记录的本地同步时间判断是否需要对数据采集设备的采样参数进行调整。

14.根据权利要求13所述的时间同步系统，其特征在于，所述采集设备端无线通信模块(21)还包括解密单元(212)；

所述校验单元(211)还用于对时间同步信息的下述内容进行校验，当下述内容的全部校验正确时，判断为时间同步信息正确，当下述内容中的至少之一校验错误时，判断为时间同步信息错误：

校验前导码的长度和内容是否相符；

校验时间同步信息的长度是否相符；

校验加密标识是否相符，且在所述加密标识相符时，由解密单元(212)对所述时间同步信息进行解密；

校验系统时间是否相符；

校验附加数据的长度是否相符；和

校验数据校验值是否相符。

15.根据权利要求14所述的时间同步系统，其特征在于，所述解密单元(212)包括秘钥获取子单元(2120)，加密输入获取子单元(2121)和解密子单元(2122)；

在接收到时间同步信息时，按照以下方式对所述时间同步信息进行解密；

秘钥获取子单元(2120)，用于基于预设的变化规则，获取所述动态秘钥，以及基于所述固定秘钥和所述动态秘钥组成所述秘钥；

加密输入获取子单元(2121)，用于获取加密所输入的内容；

解密子单元(2122)，用于基于所述秘钥和所述加密所输入的内容，对所述时间同步信息进行解密。

16.根据权利要求12所述的时间同步系统，其特征在于，所述采集设备端时间同步模块(22)包括:

本地时间间隔获取单元(222)，还用于将相邻两次记录的本地同步时间的时间间隔，作为本地时间间隔；

时间偏差计算单元(223)，用于将所述本地时间间隔减去设定的标准时间间隔，得到时间偏差；

判断单元(224)，用于判断所述时间偏差是否大于阈值，以及当所述时间偏差大于阈值时，调整数据采集设备的采样参数。