[分享]使用於W-CDMA定位服務介紹

使用於W-CDMA定位服務介紹
隨著美國E911的法案及第三代行動通訊的到來，定位服務已成為在行動通訊系統中必然的應用，有一些營運商已經開始針對行動位置資訊提供商業性的服務或正在評估不同的定位技術，例如保全設施或汽車防盜等應用，已經有相關的產品在市面上。而定位服務還可提供廣泛的應用，例如休閒娛樂、區域性的廣告服務、導航、資產管理與地理資訊的取用等。
加值的定位服務應用
除上述功能外，任何時間或地點我們都能使用行動台來得到位置的訊息，例如在開車時，可利用位置資訊提供另一個選擇行徑的路線，或用來避免交通事故、塞車或惡劣天氣造成的路況影響。從地理資訊取得到當地的資源訊息包括瓦斯、超級市場、飯店與計程車等。而定位服務亦提供極大的商機給有興趣於廣告業的廠商。而以下是列舉一些定位服務可提供的應用：
‧ 導航：當使用者在開車或行走時，給予方位資訊
‧ 區域性的計費：經由手機提供的位置資訊，可作為當撥話者在家或在辦公室時，給予不同的計費方式
‧ 區域性的資訊服務：這包括開車的方位與所在區域的資訊，如當地氣象、交通、飯店旅館百貨公司與加油站等
‧ 緊急情況的回應：當有緊急情況的要求(例如撥打911)，將精準且即時地將位置資訊自動地傳送至適當的公眾安全回應點(Public Safety Answering Point, PSAP)，因此縮短人們獲得緊急情況幫助的時間，這在汽車道路救援中亦非常有用
‧ 網路的規劃與管理：無線網路營運的統計資料可使用於網路擴建規劃、調整與部署或動態的調整網路參數
‧ 詐騙處理：位置訊息可使用作為避免一些詐騙事件發生的依據
‧ 車隊與資源管理：資源追蹤可優化資源的分配，降低處理的時間
‧ 個人位置的服務：使用位置服務知道彼此間所在的位置
‧ 休閒娛樂：廣域性的遊戲與聯誼活動亦能使用位置資訊，例如包括區域性的聊天室、電子佈告欄、捉弄人的遊戲、尋寶遊戲、算命甚至是確定電影院剩餘的座位
事實上，有關定位服務的應用例子，可以說是非常非常地多，而不同的應用其定位精準度的要求也不同，但大多應用要求的精準度大約在10米至100米間的範圍，且必須支援高移動性的用戶，也就是當行動台漫遊穿過廣大區域進入不同的網路中時，也能提供定位服務。而高精準度的定位服務與其衍生的應用，亦可讓系統營運商提供更多的服務並再增加更多的電話用戶。
美國聯邦電信委員會(FCC)的強制要求(E911)
在1996年6月，美國聯邦電信委員會(FCC)正式通過一個報告書並要求擴大在無線911的服務(E911)。這個法規要求美國本土內的細胞式行動通訊系統(包括GSM,IS-95,cdma2000,...)、寬頻的個人通訊服務系統(PCS)等，要能傳遞撥話者的電話號碼至公眾安全回應點(PSAP)，並當有緊急電話(911)撥出能自動地轉給適當的PSAP，且即時地提供撥話者(發話手機)的所在位置。
無線的E911方案分成兩個階段，Phase I與Phase II。第一階段從2001年10月1日開始，其要求無線載波回報使用手機撥打911緊急電話的撥話者其電話號碼與撥話時的位置。第二階段要求無線載波提供更精準的位置資訊，一般為10米至100米。FCC針對第二階段制定一個4年的時程表，從2001年10月1日至2005年12月31日止。FCC針對E911緊急情況服務命令的性能要求亦公佈一個適當的標準，依據使用定位技術的類別，針對性能上的要求亦有所不同。一般來說，滿足無線定位技術可被分成2類，不是使用手機為主就是使用網路端為主的方法。以下是這2種技術的介紹。
以手機為主要提供定位資訊的技術
以手機為主要的方法主要是利用全球定位系統(GPS)提供的位置資訊，GPS的方案乃是利用24顆GPS衛星圖1，其分布在地球衛星軌道上，並以每天繞行地球兩週的速度運行。可預期地是，僅有GPS的方案當衛星訊號被遮蔽時，例如室內、地下道或高樓林立的都會區，其性能與可用性便降低。且單只有GPS方案在計算位置資訊的時間亦相對地慢且價格昂貴。雖然最近幾年GPS在技術上有一些改進，但GPS方案的花費、可用性與性能仍是關鍵的角色。FCC對於此種技術要求為：
‧在67％的撥話中，其定位精準度在50米以內
‧在95％的撥話中，其定位精準度在150米以內
儘管在大多數的時間它必然滿足以上的要求(精準度在50米至150米內)，但定位結果的一致性規格並未詳細指明，而此獲得位置資訊所需的時間(Time to First Fix, TTFF)大約是30秒鐘。
以網路端為主要提供定位的技術
網路端為主的定位技術的方案依賴來自行動台傳送的一個訊號，這個訊號將會傳送至多個基地台。藉由已知的基地台位置來計算出行動台的位置資訊。網路端為主的定位技術亦會受到訊號多路徑、衍射、訊號衰減與細胞基站位置分布為較差的幾何位置，收到基地台數目的多寡，造成精準度與可用性降低，特別是在郊區與高障礙物的環境。FCC對於此種技術要求為：
‧ 在67％的撥話中，其定位精準度在100米以內
‧ 在95％的撥話中，其定位精準度在300米以內
如同手機定位技術，儘管在大多數的時間它必然滿足FCC的要求(精準度在100米至300米內)，但定位結果的一致性規格並未詳細指明，而此種定位技術所需時間約小於30秒鐘。
W-CDMA的定位技術
定位服務(表1)與應用被認定是在W-CDMA系統中的一個新的特點之一，這個服務亦可提供或Pull(也就是局部的緊急電話)，或其他可能的以位置資訊相關的服務，例如在特定的區域的折扣電話，在特定幾個基地站的廣播服務，取得並顯示所在位置資訊，如加油站、旅館或餐廳等資訊。WJ612為在W-CDMA網路基本的定位系統元件。
不同的服務可提供資料可能，例如在旅行至一個未知的城市前，可將有關這個程式相關資料藉由夜晚在背景下載。而下載的資料通常含有地圖與其他相關顯示在地圖上的資料，利用點選地圖上其中一點，即可得知該點相關的資料，而相關資料可依據個人喜好或條件篩選的方式，將其利用背景或對話方式下載。位置資訊可被使用者輸入或是利用網路端或是行動台端來偵測，在3GPP Release-99的版本中詳細指明以下的定位方法來提供位置服務：
‧ 以細胞涵蓋為基礎的定位方法
‧ 利用OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)的技術
‧ 以網路協助的GPS(Assisted-GPS)方式來作為定位的方法
以上這些技術，有些屬於網路定位的技術，有些屬於行動台定位的技術，原則上並非對立而是有互補性，並適用於不同的用途，以下是有關這些定位技術的介紹。
以細胞涵蓋(Cell-ID)作為定位估算的方式
以細胞涵蓋的定位方式是以網路端或是網路架構為主的定位方法圖3，也就是它不需要任何新的功能加裝在行動台端就可提供的定位技術。它可應用於GSM、GPRS與W-CDMA網路，這是描述手機一般位置的最簡單的方式。它是利用網路端偵測手機當時所通話的基地站，來做為判定其位置的方式，假若網路端知道手機所在的基地台，負責定位服務的設備即可使用這個資訊，藉由傳送這個資訊做為定位服務的應用。更進一步，利用指定的扇形細胞(Sector)來降低其區域大小是典型改善精準度的方法。若行動台在閒置狀態，射頻網路可利用強制要求行動台進入位置更新的Cell_FACH狀態而得知其位置。
因為手機或UE可能在細胞中的任一位置，因此這種方式的定位精準度便取決於細胞的大小。通常在高人口密度的都會區由於細胞大小較小，其定位精度約在1公里內，因此定位精準度會較鄉村地區為高。假若使用微細胞，則細胞大小可以降低非常多，大約是在數百公尺內。最後，不同的細胞大小或基地台密度，甚至是細胞規劃的方式，都會讓精準度有不一樣的結果。因此，改善精確度的方式可使用細胞涵蓋結合訊號來回時間(Round trip time, RTT)的量測，利用在W-CDMA網路中加入RTT的量測，這個資訊會在Cell_DCH的狀態，讓其精準度能更進一步加強。RTT為利用基地台或Node B所送出的時間偏移資訊，這個參數能被使用在計算MS/UE與基地台/Node B間的距離，更進一步可以輔助細胞涵蓋的定位技術，降低定位的誤差。然而即使有了這個輔助，其定位精準度仍是本文提到所有定位技術中最差的一個，這是一個提供非常粗略的定位但價格極低廉的方案。一般來說，它的精準度在鄉村地區會特別差，原因是細胞間的距離非常長。就實際面而論，它提供漫遊到其他網路而不需做大幅度修改且維護容易等優點，重要的是它讓系統營運商不需投資太大的成本在現有的設備上。儘管有這麼多優點，但基本的精準度性能只能提供少樣的服務。
OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)的技術
OTDOA的定位技術是基於行動台量測不同基地台其導引訊號相對的到達時間圖4，因此此種方式最少需要3個以上的基地台，行動台才能將位置的資訊計算出來。從圖中可知，2基地台間的量測結果形成一雙曲線，如圖5所示，經由2組量測資訊，也就是3個基地台，則位置即被計算出來。
網路端需要知道導引訊號與不同基地台的相對傳輸時間以計算行動台的位置，而相對的時間資訊可由以下資訊得知：
‧ 利用網路端的位置量測單元來量測OTDOA，基地台量測與鄰近細胞相對的時間。這個量測與行動台端的OTDOA量測十分相似
‧ 基地台的GPS接收機
一般來說，當數個基地台的直視(line-of-sight)訊號能被行動台接收時，OTDOA定位的精準度能在幾十米的範圍。實際上，這種理想的量測情況在實際網路並不常見，尤其在都會區，行動台通常是收到來自基地台反射或衍射的訊號，因此所計算的位置精準度便降低。而OTDOA的圖6定位精準度取決以下幾個因素：
‧ 手機接收的基地台數目：最低要求是3個基地台。若行動台能接收較多的基地台訊號，則精準度亦可提高
‧ 基地台的相對位置關係：假若基地台相對於定位行動台的方位都不同，則精準度亦可提高
‧ 直視訊號：假若定位行動台可接收基地台直視的訊號，則精準度亦可提升
在OTDOA的技術中，針對要接收3個以上基地台訊號的要求，在細胞式的網路可說是個挑戰，更何況是要求要接收直視的訊號。因為通常網路規劃的目標是建立清楚與完整的細胞涵蓋區域與降低不必要的細胞重疊區域，藉由這種方法增大細胞容量。
但也是由於這種方法，使得行動台很難接收到超過3個以上基地台的導引信號，因此降低OTDOA精準量測的機率。而結合Cell-ID與OTDOA的定位技術也是另一種實際提昇定位精準度的方式之一。
協助式GPS的定位技術
多數的位置資訊量測可利用整合行動台的GPS接收機而得知，而網路亦可提供額外的協助資訊，例如可視的GPS衛星，參考時間與都卜勒等資訊。當行動台在所觀測的GPS衛星數目不足時，利用這些協助資訊，提供其作為預估衛星資訊的依據，來完成定位，或提供GPS接收機改善在室內接收的靈敏度(一般可提昇約25dB的感度)，或讓接收機擷取(Acquisition)衛星的時間增快，以降低GPS產品功率的消耗。協助式GPS的理論架構如圖7所示。
一個參考的GPS接收器置於每一個基地台以提供較精準的協助資訊給行動台以得到較精準的行動台GPS量測。而這種協助式的GPS量測可達到在室外約十米，室內約數十米的精準度。這樣的精準度亦滿足美國FCC的要求。
如果無較嚴謹的量測機率與精準度要求，參考的GPS接收器並不一定需要裝在每一個基地台，但還是需要少量的GPS接收器在射頻網路端。而即使無額外的協助資訊，行動台GPS還是可以量測位置資訊。
定位方法列入系統營運商重點考量
隨著E911第二階段最後期限時間的到來，美國本土的系統營運商也陸續完成定位系統的規劃。像在台灣未來將有GSM/GPRS/W-CDMA三模的網路，系統營運商在選擇所用的定位技術，除要考慮需要的應用服務、定位設備所需的投資成本、所提供的定位精準度等因素外，還須顧及其定位的方法可否都適用於這3種系統上，本文提到的定位技術為針對W-CDMA網路，不見得都可適用於GSM/GPRS網路。系統營運商在初期可以選擇Cell-ID的技術作為最開始的定位技術，套用現有的GSMGPRS網路，未來有W-CDMA網路時，亦可適用相同方法升級，或可選擇升級至較精準的定位技術。