机场航站楼内活动目标定位感知关键技术研究

高小波

（中国民用航空局第二研究所，成都 610041）

进入新世纪以来，中国民航运输业始终保持着高速增长，全国机场货邮吞吐量、旅客吞吐量一直保持两位数的年均增长率。我国民航运输总周转量从1978年的世界排名第38位跃居世界第2位，成为仅次于美国的世界第二民航大国。近年来，尽管我国民航在机场的基础建设、设备更新以及管理方法上进行了卓有成效的改进与提高，但依然不能充分满足行业的高速发展对机场特别是大型机场在安全、效率和服务等方面提出的更高要求。

目前，我国大型枢纽与干线机场的资源相对于不断增长的航班数量与客运量来说是十分紧张的。比如，目前北京首都国际机场航班小时高峰数量已超过100架次，随之带来的就是旅客和行李数量的急剧增长。与此同时，随着国际国内恐怖主义势力的不断抬头，国内外大型机场在安检方法与程序方面都日趋严格，但由于缺乏对旅客和行李高效的智能感知手段，导致难以在运行效率与安全间获得良好的平衡，由此产生的不安全隐患及旅客投诉均日益增加。典型的案例就是2010年1月3日，在美国新泽西纽瓦克机场，因一名可能未经安检的男子从公共区进入隔离区，致使机场关闭6小时，数千乘客不得不重新安检。

为了及时掌握所关心移动目标的状态信息，如何对移动目标进行快速准确且高效地识别、跟踪、定位与监测，一直都是受人瞩目的重要科学和技术问题。无论在人类生产、生活以及军事领域，还是在人类对自然的探索当中，移动目标的实时监测问题一直都是研究的热点。对于机场来说，只有充分全面掌握各类移动目标的信息，特别是各类旅客和行李的实时位置信息，才能真正确保机场运行指挥的安全和高效，才能为旅客提供方便、快捷、准确的动态信息服务。而对机场各类旅客的实时定位跟踪，其主要难点在于机场环境复杂，旅客密度和流动性大，而且实时性要求高。

本文主要是对活动目标定位赶制中具有普遍指导意义且迫切需要解决的关键的科学技术问题，即有源电子标签超低功耗防碰撞技术的升入研究，以更加有效地解决候机楼内高密度大流量人员和行李的定位感知问题，进一步提高其在民航机场感知中的作用和价值，扩大其应用范围。针对航展楼内高密度和流动性强的人员和行李用超低功耗有源电子标签防碰撞技术的研究，无疑对整个物联网底层无线数据采集传输技术的提升，及其在国民经济各行各业尤其是民航中的推广应用具有重大意义。

1 本文解决的关键科学问题

无线传感网就是一种将物的各种信息（包括身份，位置和状态信息等）以低成本，低功耗的无线自动采集的方式接入计算机的传输网络。与此同时，传入计算机的各种物的信息经过处理后，计算机还会产生新的工作指令，通过这个网络返回给相关的“物”。这是“物联网”的核心部分。由于以Zigbee 为代表的现有无线传感网，存在着难以克服的许多先天性缺陷，以及有源电子标签本身所具有的简单，低成本和低功耗（低占空比）等特征，因而工程师们都将有源电子标签作为新一代无线传感网的希望所在。IEEE 有源电子标签国际标准制定工作组在其立项报告中写得非常清楚：理想的有源电子标签系统应为“远距离射频识别和传感器集成应用提供一个低成本，超低功耗，灵活和高度可靠的通信手段和空中接口协议标准”。但遗憾的是“目前还没有一个技术标准能满足这种需求”。

本深入研究睡眠唤醒中“DNA”比对方法、防碰撞处理过程以及环境噪声和系统内部噪声对误码率定位方法中的定位精度的影响，从而完善和提升活动目标定位感知技术，为解决物联网各种底层信息低成本低功耗的无线采集和传输问题提供一条行之有效的途径。

2 技术方案

2.1 睡眠唤醒中“DNA”比对方法

主要研究当采用部分射频特征比对时，频率RSSI 误唤醒增加标签耗电的问题，以及采用全部射频特征比对时，频率+调制+编码唤醒的具体实施方法；另外还将研究使用PN 码与ISO-18000-7等所使用的Manchester 码来唤醒标签的区别（接收灵敏度-距离，实现所需的硬件，难易程度-成本），使用PN 码本身来代替同步头以及确定需要的PN 最小长度；研究不同情况下读

作者简介： 高小波，男，四川成都人，中共党员，硕士，中国民用航空局第二研究所民航成都电子技术有限责任公司产品事业部副总经理，主要航空安全领域的研究。写连续发射唤醒信号包的时间长度，与标签被唤醒几率的关系，标签监听时间长度与标签可靠接收唤醒指令信号的关系，分组唤醒方式以及如何使用现有的无线收发机实现可靠的射频特征信号唤醒或通过重新设计射频收发机芯片来充分发挥DNA 比对法的优越性。

有源电子标签的唤醒方式，包括ISO-18000-7 和我国刚刚公布的有源电子标签国军标标准中，标签在每次睡眠苏醒后监听唤醒信号时，无论有无信号，或有无需要的信号，也不论标签在这有限的固定监听时间内是否接收到正确的信号，都将监听固定的时间，并在固定的监听时间结束后，回到周期性睡眠苏醒后监听信号的状态。这就意味着在绝大多数不需要标签工作，因而不存在任何唤醒信号时，标签照样要浪费大量的能量来进行周期性监听；与此同时，在真正需要标签接收唤醒指令信号时，又因为可能干扰的原因而不能保证接收到正确的指令信号。因而不仅费电而且系统的可靠性也得不到保证。

“DNA”比对法可大大降低了有源电子标签的功耗，基本上解决了“按需工作”（Reader Talks First）系统中有源电子标签的耗电问题或电池寿命问题。按需工作是环境对有源电子标签的基本要求，（特别是民航机场最重要的基本要求之一，即标签只在需要的有限时间和有限的范围内向外发

射射频信号）也是所有新的有源电子标签标准对有源电子标签工作方式的基本要求。而当今一般有源电子标签为了省电的目的，采用的都是周期性单向向外发射ID 信号的非“按需工作的方式”。而新一代有源电子标签是工程师们落实物联网概念的希望所在，而超低功耗是对新一代有源电子标签最重要的要求。因而，“DNA”比对的方式无疑在技术上为物联网概念的真正落实扫除了一个最大的障碍。

本部分的研究内容即是在“DNA”比对唤醒研究的基础上，结合我国民航机场航站楼具体环境，深入研究不同情况下读写连续发射唤醒信号包的时间长度，与标签被唤醒几率的具体关系，标签监听时间长度与标签可靠接收唤醒指令信号的关系，分组唤醒方式误唤醒率以及如何使用现有的无线收发机实现可靠的射频特征信号唤醒或通过重新设计射频收发机芯片来充分发挥DNA比对法的优越性。

2.2 防碰撞处理过程

主要研究纯CSMA 与时隙-CSMA 防碰撞处理方式的差异，主要是对盘点速度和标签平均功耗的影响以及唤醒指令信号包包长，参与唤醒标签的总数量，标签睡眠周期，标签与通信速率，标签监听后随机延时的平均时间长度，方式，与盘点速度以及标签功耗之间的关系的研究。

现有海量标签信号防碰撞的处理技术，基本上是源于无源电子标签的方法，并没有考虑标签在防碰撞处理过程中的耗电问题，其防碰撞方法最常用的就是时隙ALAHO 的方式（参见ISO-18000-7），这种方式如前所述，首先需要一个漫长的时间同步过程，因而无法对系统的工作指令做出快速响应，这种方式还需要合理预估每次ID 采集时实际参与采集的标签数量，以便合理安排总的时隙数目。

标签可以采用在睡眠苏醒后收到指令信号的瞬间，即进入随机监听后发射，或监听后采用短延时后再监听发射的反复过程（CSMA），直到发射成功，标签发射成功后，还需要接收来自阅读器的ACK 回执，收到ACK 后休眠短暂时间后，进入在唤醒频道上监听新的指令信号的低功耗状态。这种做法不仅简单速度快，可以预先减少碰撞的发生，而且还可以有效地利用标签发射信号之间的空隙。特别是对标签数量不是特别多的情况。

本部分的研究内容即是在CSMA 防碰撞研究的基础上，结合我国民航机场航站楼具体环境，深入研究研究纯CSMA 与时隙-CSMA 防碰撞处理方式的差异，主要是对盘点速度和标签平均功耗的影响以及唤醒指令信号包包长，参与唤醒标签的总数量，标签睡眠周期，标签与通信速率，标签监听后随机延时的平均时间长度、方式，与盘点速度以及标签功耗之间的关系，从而为解决航展楼人员和行李高密度和大流量定位感知提供可行的技术方法。

2.3 环境噪声和i-RFID 系统内部噪声对误码率定位方法中的定位精度的影响

主要通过微波暗室研究系统内部各种噪声，包括电路，器件，以及电源产生的噪声规律研究，基于误码率统计方式的定位方法中，系统内部噪声和环境噪声是影响最终定位精度的主要因素，该部分的研究内容主要深入研究系统内部各种噪声，包括电路、器件以及电源产生的噪声规律及对定位带来的可能影响和消除方法等，指导产品的生产，并掌握其对定位带来的可能影响，及消除方法等；同时研究不同噪声源（例如离开定位区域距离远近不同的噪声源，频率相同或不同的噪声源，特别是在ISM 2.4G 公共频段内Wi-Fi，蓝牙等无线系统对定位精度的影响，及相应的消除方法，检验依赖误码率发射功率的定位方法的准确性和实用性及改进方法。

3 机场航站楼模拟测试

针对民航机场中的候机楼内旅客，及工作人员的应用场景，建立现场的真实物理模型：至少在客运候机楼内建立一个至少包括5个读写器和300个移动标签，使用Cell-ID 定位方法（以读写定位器信号覆盖为区域定位范围的定位系统）。每个定位读写器每隔30秒盘点一次。5个读写器采用分时唤醒工作的方法。5个读写器采用有线或无线网络方式与控制计算机相连接。每个读写器平均控制管理100 ～200个移动标签，如图1所示。

在条件许可时，使用24个定位标签来代替这5个读写定位器，以进一步检测使用位置标签定位时，防碰撞模型工作的可靠性，同时检验标签定位方法，进而用于机场围网的监控。如图2所示。

图1 航站楼内使用读写定位器的旅客定位系统楼布置图a

图2 航站楼内使用读写定位器的旅客定位系统楼布置图b

4 结束语

本文通过对活动目标定位感知中具有普遍指导意义且迫切需要解决的关键的科学技术问题，即有源电子标签超低功耗防碰撞技术的升入研究，以更加有效地解决候机楼内高密度大流量人员和行李的定位感知问题，进一步提高其在民航机场感知中的作用和价值，扩大其应用范围。通过“DNA”比对唤醒、基于防碰撞处理过程研究以及噪声影响研究为解决制约传感网络普及应用关键核心问题之一的节点能耗问题提供理论方法和技术方法，实现超低功耗（力争是现有技术的1/1000）的可靠信息传递。

本文通过结合机场航展楼实际生产环境，在现场搭建检测验证系统，检验了可用于民航机场高密度，大流量标签的定位跟踪应用。