機場航站樓內(nèi)活動目標(biāo)定位感知關(guān)鍵技術(shù)研究

高小波

（中國民用航空局第二研究所，成都 610041）

進(jìn)入新世紀(jì)以來，中國民航運輸業(yè)始終保持著高速增長，全國機場貨郵吞吐量、旅客吞吐量一直保持兩位數(shù)的年均增長率。我國民航運輸總周轉(zhuǎn)量從1978年的世界排名第38位躍居世界第2位，成為僅次于美國的世界第二民航大國。近年來，盡管我國民航在機場的基礎(chǔ)建設(shè)、設(shè)備更新以及管理方法上進(jìn)行了卓有成效的改進(jìn)與提高，但依然不能充分滿足行業(yè)的高速發(fā)展對機場特別是大型機場在安全、效率和服務(wù)等方面提出的更高要求。

目前，我國大型樞紐與干線機場的資源相對于不斷增長的航班數(shù)量與客運量來說是十分緊張的。比如，目前北京首都國際機場航班小時高峰數(shù)量已超過100架次，隨之帶來的就是旅客和行李數(shù)量的急劇增長。與此同時，隨著國際國內(nèi)恐怖主義勢力的不斷抬頭，國內(nèi)外大型機場在安檢方法與程序方面都日趨嚴(yán)格，但由于缺乏對旅客和行李高效的智能感知手段，導(dǎo)致難以在運行效率與安全間獲得良好的平衡，由此產(chǎn)生的不安全隱患及旅客投訴均日益增加。典型的案例就是2010年1月3日，在美國新澤西紐瓦克機場，因一名可能未經(jīng)安檢的男子從公共區(qū)進(jìn)入隔離區(qū)，致使機場關(guān)閉6小時，數(shù)千乘客不得不重新安檢。

為了及時掌握所關(guān)心移動目標(biāo)的狀態(tài)信息，如何對移動目標(biāo)進(jìn)行快速準(zhǔn)確且高效地識別、跟蹤、定位與監(jiān)測，一直都是受人矚目的重要科學(xué)和技術(shù)問題。無論在人類生產(chǎn)、生活以及軍事領(lǐng)域，還是在人類對自然的探索當(dāng)中，移動目標(biāo)的實時監(jiān)測問題一直都是研究的熱點。對于機場來說，只有充分全面掌握各類移動目標(biāo)的信息，特別是各類旅客和行李的實時位置信息，才能真正確保機場運行指揮的安全和高效，才能為旅客提供方便、快捷、準(zhǔn)確的動態(tài)信息服務(wù)。而對機場各類旅客的實時定位跟蹤，其主要難點在于機場環(huán)境復(fù)雜，旅客密度和流動性大，而且實時性要求高。

本文主要是對活動目標(biāo)定位趕制中具有普遍指導(dǎo)意義且迫切需要解決的關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題，即有源電子標(biāo)簽超低功耗防碰撞技術(shù)的升入研究，以更加有效地解決候機樓內(nèi)高密度大流量人員和行李的定位感知問題，進(jìn)一步提高其在民航機場感知中的作用和價值，擴大其應(yīng)用范圍。針對航展樓內(nèi)高密度和流動性強的人員和行李用超低功耗有源電子標(biāo)簽防碰撞技術(shù)的研究，無疑對整個物聯(lián)網(wǎng)底層無線數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)的提升，及其在國民經(jīng)濟各行各業(yè)尤其是民航中的推廣應(yīng)用具有重大意義。

1 本文解決的關(guān)鍵科學(xué)問題

無線傳感網(wǎng)就是一種將物的各種信息（包括身份，位置和狀態(tài)信息等）以低成本，低功耗的無線自動采集的方式接入計算機的傳輸網(wǎng)絡(luò)。與此同時，傳入計算機的各種物的信息經(jīng)過處理后，計算機還會產(chǎn)生新的工作指令，通過這個網(wǎng)絡(luò)返回給相關(guān)的“物”。這是“物聯(lián)網(wǎng)”的核心部分。由于以Zigbee 為代表的現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)，存在著難以克服的許多先天性缺陷，以及有源電子標(biāo)簽本身所具有的簡單，低成本和低功耗（低占空比）等特征，因而工程師們都將有源電子標(biāo)簽作為新一代無線傳感網(wǎng)的希望所在。IEEE 有源電子標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作組在其立項報告中寫得非常清楚：理想的有源電子標(biāo)簽系統(tǒng)應(yīng)為“遠(yuǎn)距離射頻識別和傳感器集成應(yīng)用提供一個低成本，超低功耗，靈活和高度可靠的通信手段和空中接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”。但遺憾的是“目前還沒有一個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能滿足這種需求”。

本深入研究睡眠喚醒中“DNA”比對方法、防碰撞處理過程以及環(huán)境噪聲和系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對誤碼率定位方法中的定位精度的影響，從而完善和提升活動目標(biāo)定位感知技術(shù)，為解決物聯(lián)網(wǎng)各種底層信息低成本低功耗的無線采集和傳輸問題提供一條行之有效的途徑。

2 技術(shù)方案

2.1 睡眠喚醒中“DNA”比對方法

主要研究當(dāng)采用部分射頻特征比對時，頻率RSSI 誤喚醒增加標(biāo)簽耗電的問題，以及采用全部射頻特征比對時，頻率+調(diào)制+編碼喚醒的具體實施方法；另外還將研究使用PN 碼與ISO-18000-7等所使用的Manchester 碼來喚醒標(biāo)簽的區(qū)別（接收靈敏度-距離，實現(xiàn)所需的硬件，難易程度-成本），使用PN 碼本身來代替同步頭以及確定需要的PN 最小長度；研究不同情況下讀

作者簡介： 高小波，男，四川成都人，中共黨員，碩士，中國民用航空局第二研究所民航成都電子技術(shù)有限責(zé)任公司產(chǎn)品事業(yè)部副總經(jīng)理，主要航空安全領(lǐng)域的研究。寫連續(xù)發(fā)射喚醒信號包的時間長度，與標(biāo)簽被喚醒幾率的關(guān)系，標(biāo)簽監(jiān)聽時間長度與標(biāo)簽可靠接收喚醒指令信號的關(guān)系，分組喚醒方式以及如何使用現(xiàn)有的無線收發(fā)機實現(xiàn)可靠的射頻特征信號喚醒或通過重新設(shè)計射頻收發(fā)機芯片來充分發(fā)揮DNA 比對法的優(yōu)越性。

有源電子標(biāo)簽的喚醒方式，包括ISO-18000-7 和我國剛剛公布的有源電子標(biāo)簽國軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)簽在每次睡眠蘇醒后監(jiān)聽喚醒信號時，無論有無信號，或有無需要的信號，也不論標(biāo)簽在這有限的固定監(jiān)聽時間內(nèi)是否接收到正確的信號，都將監(jiān)聽固定的時間，并在固定的監(jiān)聽時間結(jié)束后，回到周期性睡眠蘇醒后監(jiān)聽信號的狀態(tài)。這就意味著在絕大多數(shù)不需要標(biāo)簽工作，因而不存在任何喚醒信號時，標(biāo)簽照樣要浪費大量的能量來進(jìn)行周期性監(jiān)聽；與此同時，在真正需要標(biāo)簽接收喚醒指令信號時，又因為可能干擾的原因而不能保證接收到正確的指令信號。因而不僅費電而且系統(tǒng)的可靠性也得不到保證。

“DNA”比對法可大大降低了有源電子標(biāo)簽的功耗，基本上解決了“按需工作”（Reader Talks First）系統(tǒng)中有源電子標(biāo)簽的耗電問題或電池壽命問題。按需工作是環(huán)境對有源電子標(biāo)簽的基本要求，（特別是民航機場最重要的基本要求之一，即標(biāo)簽只在需要的有限時間和有限的范圍內(nèi)向外發(fā)

射射頻信號）也是所有新的有源電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)對有源電子標(biāo)簽工作方式的基本要求。而當(dāng)今一般有源電子標(biāo)簽為了省電的目的，采用的都是周期性單向向外發(fā)射ID 信號的非“按需工作的方式”。而新一代有源電子標(biāo)簽是工程師們落實物聯(lián)網(wǎng)概念的希望所在，而超低功耗是對新一代有源電子標(biāo)簽最重要的要求。因而，“DNA”比對的方式無疑在技術(shù)上為物聯(lián)網(wǎng)概念的真正落實掃除了一個最大的障礙。

本部分的研究內(nèi)容即是在“DNA”比對喚醒研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國民航機場航站樓具體環(huán)境，深入研究不同情況下讀寫連續(xù)發(fā)射喚醒信號包的時間長度，與標(biāo)簽被喚醒幾率的具體關(guān)系，標(biāo)簽監(jiān)聽時間長度與標(biāo)簽可靠接收喚醒指令信號的關(guān)系，分組喚醒方式誤喚醒率以及如何使用現(xiàn)有的無線收發(fā)機實現(xiàn)可靠的射頻特征信號喚醒或通過重新設(shè)計射頻收發(fā)機芯片來充分發(fā)揮DNA比對法的優(yōu)越性。

2.2 防碰撞處理過程

主要研究純CSMA 與時隙-CSMA 防碰撞處理方式的差異，主要是對盤點速度和標(biāo)簽平均功耗的影響以及喚醒指令信號包包長，參與喚醒標(biāo)簽的總數(shù)量，標(biāo)簽睡眠周期，標(biāo)簽與通信速率，標(biāo)簽監(jiān)聽后隨機延時的平均時間長度，方式，與盤點速度以及標(biāo)簽功耗之間的關(guān)系的研究。

現(xiàn)有海量標(biāo)簽信號防碰撞的處理技術(shù)，基本上是源于無源電子標(biāo)簽的方法，并沒有考慮標(biāo)簽在防碰撞處理過程中的耗電問題，其防碰撞方法最常用的就是時隙ALAHO 的方式（參見ISO-18000-7），這種方式如前所述，首先需要一個漫長的時間同步過程，因而無法對系統(tǒng)的工作指令做出快速響應(yīng)，這種方式還需要合理預(yù)估每次ID 采集時實際參與采集的標(biāo)簽數(shù)量，以便合理安排總的時隙數(shù)目。

標(biāo)簽可以采用在睡眠蘇醒后收到指令信號的瞬間，即進(jìn)入隨機監(jiān)聽后發(fā)射，或監(jiān)聽后采用短延時后再監(jiān)聽發(fā)射的反復(fù)過程（CSMA），直到發(fā)射成功，標(biāo)簽發(fā)射成功后，還需要接收來自閱讀器的ACK 回執(zhí)，收到ACK 后休眠短暫時間后，進(jìn)入在喚醒頻道上監(jiān)聽新的指令信號的低功耗狀態(tài)。這種做法不僅簡單速度快，可以預(yù)先減少碰撞的發(fā)生，而且還可以有效地利用標(biāo)簽發(fā)射信號之間的空隙。特別是對標(biāo)簽數(shù)量不是特別多的情況。

本部分的研究內(nèi)容即是在CSMA 防碰撞研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國民航機場航站樓具體環(huán)境，深入研究研究純CSMA 與時隙-CSMA 防碰撞處理方式的差異，主要是對盤點速度和標(biāo)簽平均功耗的影響以及喚醒指令信號包包長，參與喚醒標(biāo)簽的總數(shù)量，標(biāo)簽睡眠周期，標(biāo)簽與通信速率，標(biāo)簽監(jiān)聽后隨機延時的平均時間長度、方式，與盤點速度以及標(biāo)簽功耗之間的關(guān)系，從而為解決航展樓人員和行李高密度和大流量定位感知提供可行的技術(shù)方法。

2.3 環(huán)境噪聲和i-RFID 系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對誤碼率定位方法中的定位精度的影響

主要通過微波暗室研究系統(tǒng)內(nèi)部各種噪聲，包括電路，器件，以及電源產(chǎn)生的噪聲規(guī)律研究，基于誤碼率統(tǒng)計方式的定位方法中，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和環(huán)境噪聲是影響最終定位精度的主要因素，該部分的研究內(nèi)容主要深入研究系統(tǒng)內(nèi)部各種噪聲，包括電路、器件以及電源產(chǎn)生的噪聲規(guī)律及對定位帶來的可能影響和消除方法等，指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)，并掌握其對定位帶來的可能影響，及消除方法等；同時研究不同噪聲源（例如離開定位區(qū)域距離遠(yuǎn)近不同的噪聲源，頻率相同或不同的噪聲源，特別是在ISM 2.4G 公共頻段內(nèi)Wi-Fi，藍(lán)牙等無線系統(tǒng)對定位精度的影響，及相應(yīng)的消除方法，檢驗依賴誤碼率發(fā)射功率的定位方法的準(zhǔn)確性和實用性及改進(jìn)方法。

3 機場航站樓模擬測試

針對民航機場中的候機樓內(nèi)旅客，及工作人員的應(yīng)用場景，建立現(xiàn)場的真實物理模型：至少在客運候機樓內(nèi)建立一個至少包括5個讀寫器和300個移動標(biāo)簽，使用Cell-ID 定位方法（以讀寫定位器信號覆蓋為區(qū)域定位范圍的定位系統(tǒng)）。每個定位讀寫器每隔30秒盤點一次。5個讀寫器采用分時喚醒工作的方法。5個讀寫器采用有線或無線網(wǎng)絡(luò)方式與控制計算機相連接。每個讀寫器平均控制管理100 ～200個移動標(biāo)簽，如圖1所示。

在條件許可時，使用24個定位標(biāo)簽來代替這5個讀寫定位器，以進(jìn)一步檢測使用位置標(biāo)簽定位時，防碰撞模型工作的可靠性，同時檢驗標(biāo)簽定位方法，進(jìn)而用于機場圍網(wǎng)的監(jiān)控。如圖2所示。

圖1 航站樓內(nèi)使用讀寫定位器的旅客定位系統(tǒng)樓布置圖a

圖2 航站樓內(nèi)使用讀寫定位器的旅客定位系統(tǒng)樓布置圖b

4 結(jié)束語

本文通過對活動目標(biāo)定位感知中具有普遍指導(dǎo)意義且迫切需要解決的關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題，即有源電子標(biāo)簽超低功耗防碰撞技術(shù)的升入研究，以更加有效地解決候機樓內(nèi)高密度大流量人員和行李的定位感知問題，進(jìn)一步提高其在民航機場感知中的作用和價值，擴大其應(yīng)用范圍。通過“DNA”比對喚醒、基于防碰撞處理過程研究以及噪聲影響研究為解決制約傳感網(wǎng)絡(luò)普及應(yīng)用關(guān)鍵核心問題之一的節(jié)點能耗問題提供理論方法和技術(shù)方法，實現(xiàn)超低功耗（力爭是現(xiàn)有技術(shù)的1/1000）的可靠信息傳遞。

本文通過結(jié)合機場航展樓實際生產(chǎn)環(huán)境，在現(xiàn)場搭建檢測驗證系統(tǒng)，檢驗了可用于民航機場高密度，大流量標(biāo)簽的定位跟蹤應(yīng)用。