政策法令推波助瀾定位技術

定位技術的發展已經有相當悠久的歷史。最早的定位系統NavStar在1986年誕生，但是真正將定位系統資訊開放給大眾使用則是在1990年。經過10餘多年來的發展，單單地圖導引這樣簡單的應用，就已創造相當可觀的商機。而行動電話的普及，使得手機定位成為定位服務市場的生力軍，美國聯邦通訊委員會（FCC）於1996年制訂的E911（Enhanced 911）法令，更規定行動通訊業者必須能在手機使用者撥出911時提供正確的位置資訊。

因此在準確度的要求方面，若業者採用handset-based定位技術作為解決方案，要有67％的求救電話能定位在50公尺以內，95％的電話定位在150公尺以內。若業者採用network-based定位技術的解決方案，則要有67％的求救電話能定位在100公尺以內，95％的電話定位在300公尺以內。此外，歐盟也提出類似於E911的法令E112。

LBS服務發揮舞台空間大

透過政策性法令促使一個高普及率之行動定位環境已經形成，各式各樣的Location Based Service（LBS）便有了相當可發揮的舞台。

一般而言，LBS服務大致可以分為兩大類，一是不具有無線資料傳輸能力的封閉系統，以GPS專用系統為代表；而另一類則是以GSM、3G或WiFi為資料、語音甚至多媒體的通訊管道、並同時具有定位功能的系統，此又可稱為行動位置服務（Mobile Location Based Service；MLBS）系統。前者已行之有年，運作方式為將位置相關資料或軟體系統載於定位裝置上，使用時完全由裝置單獨運作。相對地，後者因具備通訊能力，行動位置資訊可動態地由後端以無線通訊的方式傳輸至使用者端；使用者也可以在請求服務時附帶其位置資訊，使服務更有效率或更為精緻。

舉例來看，傳統的GPS系統可提供車輛導航服務，但是如果有臨時的道路封閉或臨時的車禍路況，就無法即時反映在系統上。MLBS便可透過資料傳輸管道來解決此類問題。另外，手機的緊急求救若可同時回傳位置資訊，可爭取救援時效，這類服務就無法存在於沒有通訊功能的系統中。但是，這並不意味著MLBS不能把位置資訊或軟體事先載於定位手持裝置上。傳統LBS系統若附加通訊功能，以通訊取得動態資訊，也就成為MLBS，例如某些GPS車載機可透過GSM通訊與後端連線者，又像是A-GPS手機其實都可以列入MLBS的範疇。

室內外定位技術比較

現今行動定位技術可區分為以衛星及網路為基礎兩種，以衛星定位其成本較高，且使用者裝置需要有額外機制支援；網路定位則需要許多的基地台來提供穩定的訊號品質。行動定位技術又可分網路端、用戶端及混合型定位三種。

網路端、用戶端和混合定位

簡單來說，以網路端定位需計算3個以上基地台與手機之間訊號的傳輸資料，其利用行動終端發出之信號，在基地台或網路系統端推算行動終端位置，屬於遠端定位系統，以Cell-ID及TOA/TDOA為較常見之定位技術。

用戶端定位則利用3個以上的衛星訊號為參考資料，行動終端利用衛星發出的信號，在行動終端上計算自己位置，屬於終端定位系統，目前以GPS為主要代表。混合型定位則是近年來較常被提到之技術，其架構是將計算位置所需之資料置於網路系統端，計算過程由行動終端及網路系統端共同完成，以A-GPS為較常見之定位技術，而目前亦有利用接收端訊號強度（RSS）或搭配TDOA技術來計算行動終端位置，亦是混合型定位應用。

Wi-Fi定位覆蓋率高

大致來說，除了A-GPS外，定位的準確度與網路基地台建置的密度有關。單一行動電話基地台的涵蓋範圍遠大於Wi-Fi接取點，因此先天上透過Wi-Fi的位置計算，便具有較為準確的優勢。不過行動電話的整體覆蓋率與用戶數量，卻是目前Wi-Fi網路環境所難以企及。然而若以都會區用戶為主要使用對象，根據Intel Research的調查，在尚沒有無線網路城市建置計畫的西雅圖，以日常生活的活動時間來計算，Wi-Fi網路的可利用時間，僅以94.5％些微落後於GSM的99.6％，更不用說有無線網路城市建置計畫的台北或費城等城市。經過實際的廣泛量測發現，台北市有超過40000個以上的WiFi接取點訊號，包含WiFly、HiNet與一般公司行號與私人住家。

定位技術基本原理

Cell-Identification定位

Cell-Identification簡稱Cell-ID，是最基本的行動定位技術，此技術是利用行動終端連線時所處之基地台位置來確認用戶端位置，定位準確度取決於基地台涵蓋面積及密度而定。在鄉村地區，基地台稀少覆蓋範圍大，所以定位準確度很差；而在都市地區，基地台覆蓋範圍較小，且密度較高，定位準確度相對提高許多，平均大約為200公尺至2公里。

不過Cell-ID定位精確度是目前所有技術中最低，較常應用於大範圍定位及準確度要求低之應用，尚無法滿足日益複雜的行動定位服務需求。由於此定位技術有受限於準確度之限制，因此Cell-ID多扮演輔助定位之角色，提供參考資料於其他更精確的行動定位技術。

Triangulation定位

三角定位（Triangulation）是利用訊號蜂巢交叉點的定位技術，當行動終端收到基地台訊號，利用其強度搭配傳播模型或其它方式，計算行動終端與基地台距離，並以此距離為半徑畫出一個覆蓋圓弧並累推畫出3個覆蓋圓弧，最後在其交接點處即為行動終端位置，如圖一所示。

此項定位技術其原理非常簡單，但其伴隨著許多不可預知的特性，因為其是利用訊號強度來推算距離，所以在多重路徑、天候、遮避物等，皆會對信號強度造成很大影響，間接影響距離計算，定位準確度必有所降低，因此常應用於較大範圍定位、甚至是一個提供輔助定位的技術。

《圖一　Triangulation定位示意圖》

TOA（Time of Arrival）定位

TOA是基於訊號傳輸時間的定位技術，需調整基地台設置，讓其時間可以同步，使相鄰基地台能夠同時監控同一行動終端的信號，隨著基地台個數增加其準確度也會提升。TOA基於測量信號從行動終端發送出去並到達訊號測量基地台（3個或更多基地台）的時間，並將此時間轉換成距離，畫出各基地台的覆蓋圓弧，取其焦點即為行動終端位置。為了使時間誤差不會對定位效果造成影響，基地台之間的訊號傳輸同步顯得相對重要，即使是1微秒的時間誤差，也會導致計算之結果與行動終端實際位置之間的誤差，造成兩三百公尺的距離。

TDOA（Time Difference of Arrival）定位

同樣地，TDOA也是基於訊號傳輸時間的定位技術，其利用雙曲線的特性，即雙曲線上的點到兩焦點距離之差為定值，首先求得參考基地台與輔助基地台收到訊號到達的時間差，再將之轉換成距離，並帶入雙曲線的方程式中，再從參考基地台與另一輔助基地台求得另一組雙曲線方程式，聯立並從中求解，即得到行動終端位置。

取得TDOA系統時間差有兩種方式，一是直接利用兩個讀取器的TOA相減取得；二則是利用兩讀取器接收訊號相關性的方式取得。TDOA定位精度較高，容易實現，且行動終端與基地台間無需保持精確同步。但為了保證定時精度，需要進一步改造基地台設備。圖二為TDOA定位示意圖。

《圖二　TDOA定位示意圖》

A-GPS

A-GPS（Assisted-Global Positioning System）定位是以GPS為主的一種定位技術，主要是解決GPS在室內、大樓林立街道或封閉空間無法取得衛星訊號導致定位效果有限的問題。其技術關鍵是利用行動通訊技術與手持裝置GPS的搭配，改進傳統GPS的定位反應時間、靈敏度、精準度以及耗電能。

A-GPS定位原理是網路端伺服器根據行動終端位置，先行傳遞GPS方位角等輔助資訊給行動終端，而行動終端根據此資訊來接收衛星訊號，並計算彼此距離回傳給網路端伺服器計算位置，最後網路端伺服器在回傳計算結果給行動終端，達到定位效果，定位精準度平均達到5～50公尺。

A-GPS結合全球衛星定位系統，並接收來自峰巢式行動電話網路的輔助資訊來進行定位，可以在非常短的時間計算行動終端位置。而A-GPS定位技術的缺點是手機軟硬體介面都需支援A-GPS功能。

《圖三　傳統GPS與A-GPS比較表》

RSS定位

RSS（Received Signal Strength）定位原理是行動終端利用無線網路來收集無線信號，並藉由電播傳播模型或內外差法，得到其它收集訊號的區域，再以一個模擬無線電波圖為基礎，依行動終端目前得到的訊號與模擬電波圖比較，計算訊號與模擬電波圖上相似機率，以機率最高處為行動終端位置。

此項定位技術是目前最為廣泛使用的室內定位技術，具有非常高的準確度，RSS缺點是定位效果取決於環境複雜度、網路狀況以及接取點個數等因素決定；此外RSS定位技術必須事先訓練收集取樣點訊號強度，以此來推估整個環境空間的訊號分佈狀況，因此在人力成本上將會有額外支出。

Wi-Fi定位技術國外市場現況

Wi-Fi定位技術的商業發展大約始於2002年，到2004開始有為數眾多且較具規模的公司投入，包括Intel、Hitachi、Cisco等，不過比較值得說明的是早期投入的三家公司。

Skyhook

美國公司Skyhook主要目標為在都會區利用Wi-Fi訊號來提供定位服務，產品設定為GPS的替代技術，需要在搭配有其用戶端軟體之專用的手持裝置方可使用，可透過handset-based或network-based模式來進行定位。

該公司目前已在全美超過100個以上城市的主要地區都有提供定位服務，並且擴展到歐亞地區。目前對外提供的服務有個人安全服務、行車導航服務以及地區資訊服務…等。此外為因應E-911法令，Skyhook更有Skype的plug-in可供VoIP的緊急救援服務。

AeroScout

AeroScout的前身為BlueSoft，是一家採用TDOA定位技術方式的無線網路設備商，提供Wi-Fi定位服務完整解決方案，需要使用其專用的接取點及Tracked Device。若效果不佳，尚有加強的設備Exciter，佈建成本較高。應用在丹麥的Lego樂園提供消費者找尋兒童的服務，另外用在港口的貨物管理、場地管理及礦場的人員安全管理等應用。

Ekahau

芬蘭公司Ekahau為軟體RSS定位技術的先驅，主要市場應用目標為在室內定位服務，在室內定位可達平均2公尺以內的準確度，在戶外部份並無特別強調其可應用的情況。Ekahau的產品廣為研究機構進行先進智慧空間研究所採用，在應用上有芬蘭Oulu大學的圖書館導覽系統。

Wi-Fi定位技術原理與系統架構

在Wi-Fi定位系統中，為了估計行動終端裝置的位置，在定位系統中需要測量無線基地台所發射的訊號強度，此訊號強度為距離的函數，在開放的空間中此訊號強度會隨距離以log函數式衰減。

Wi-Fi定位技術是以收到之無線訊號在此行動終端上的觀察值為基礎。通常，在空間中某一位置的觀察值形成一種機率模型（probabilistic model），此機率模型描述了收到無線訊號的分佈情形。

為了提供Wi-Fi定位服務，需建立空間之無線訊號分佈模型，首先將空間劃分成一個個的取樣點，在每一取樣點（Sample Point）之觀察訊號的分佈，基本上是趨近於其鄰近的無線訊號。為了建立每一取樣點這樣的機率模型，是需要從每一取樣點去收集無線訊號強度資料。

然而，在多數的環境裡，取樣點的總數目很大，因此從每一取樣點都去收集無線訊號強度資料，就會變得不容易執行。所以，一般會僅選取一些取樣點去執行實際量測，然後再由模擬或學理計算來得到其它取樣點的訊號強度推估。例如，以那些實際的量測值為基礎，然後再來作內插（interpolation）或外插（extrapolation）來得到其它取樣點的訊號強度推估。因此，所產生的訊號強度推估資料會與無線資料被收集的多寡和地點有關。

Wi-Fi定位系統通常以兩階段來處理，一為訓練階段，另一為追蹤定位階段。訓練階段是一離線階段，系統在此階段會擷取無線基地台在各所屬區域裡某些點的無線訊號強度，去收集與分析訊號的資料，以少量的取樣點來推估整個空間的對應圖，亦即radio map。

在追蹤定位階段，行動終端裝置利用所收到無線基地台之訊號強度，與此radio map相較，然後找出最佳匹配，做為行動終端裝置的估計位置。整體系統運作方式流程如圖四所示。

就實測結果而言，在室內一般穩定的環境下，其定位準確度平均可達2公尺以內，而在室外環境，以台北市為實測環境，其定位準確度可達10～20公尺以內。

《圖四　Wi-Fi定位系統運作方式流程圖》

Wi-Fi定位技術建置要領

在實際建置的情況下，有兩種建置型態，一為無線網路已佈建完成之環境，另一種則是無線網路隨同定位系統一起佈建之環境。在第一種情況中，由於一開始規劃無線網路並非以定位需求為出發點，因此在導入定位系統前，應先測試並做相當程度的調校，才能達到預期效果。而在第二種情況下，由於無線網路尚未建置，且室內外空間的環境對定位系統的佈建具挑戰性，因此需事先作好完善的環境測試，以利無線網路佈建的規劃，使得定位系統能夠根據個別環境的差異予以最佳化，發揮更好的定位效果。因此，不同的環境與應用下，需採用不同策略彈性調整定位系統的佈建。

在Wi-Fi定位系統中，由於其訊號強度易受不同環境之影響，其中包含溫濕度、地形、無線網路佈建方式、室內外等因子，而造成訊號品質不穩定，進而降低定位準確度。例如濕度較高的雨天環境中，由於空氣所含之水份較多，造成訊號衰減情況較為嚴重，因此產生定位結果飄移之狀況，降低定位效能。而在人群聚集的環境中，由於人體內所含水份的影響，加上人群的移動，也都會影響訊號分佈的穩定性。此外，室內外環境變動也會發生訊號差異，室內變動性較小，而室外的影響因素較多，包含：車輛的移動、雨天晴天、地形等，皆影響著無線訊號的分佈。由於不同的應用情境對於定位效能有不同的需求，因此除了無線網路的佈建規劃外，定位效能的調效亦顯得格外重要。以下針對可能影響整體定位系統效能優劣的因素作一探討。

接取點（Access point）之影響

就Wi-Fi定位技術原理來說，每個地點可以收到越多的訊號源，對於定位運算會更有幫助，當然定位結果也會更準確，一般而言，若能收到3～5個以上的訊號源，就可達到不錯的定位效果。然而，並非在所有環境下越多的訊號源，一定會有越佳的定位準確度，此點可以由所推估的Radio Map中看出，訊號會因空間的影響而有不同的衰減程度。在定位運算中，每一個接取點在同一空間中訊號分佈的亂度愈高，該空間每個位置的鑑別度就愈高，進而提升定位的準確度。例如在開闊平坦大廳中，由於阻隔物少，訊號的衰減程度小，而造成每個位置的相似性提高，將會影響定位的準確度。

取樣點密度與分佈

取樣點之多寡與分佈在建置定位系統時，需要事先規劃與考量。一般來說取樣點愈多，分佈愈密愈廣，其定位準確度愈高，但所需花費的時間與成本也相對提升。因此應先考量應用情境是否要求高準確度的定位結果，並調查使用環境的地形與接取點分佈之狀況，如此方能有效規劃取樣點分佈與密度。一般來說，取樣點之密度以2～3公尺一點較佳。

空間複雜度

無線訊號衰減之狀況主要是看空間的複雜度而定。在開闊空間中，相鄰兩點之訊號差異較小，如中庭、大廳等。反之，在一個較封閉或是隔間較為複雜的環境中，訊號差異變化較大，會有利於定位核心的運算，但不一定會得到比較準確的結果。考量的重點在於如何創造出訊號的差異性，可透過無線網路基地台位置的調整以及訊號發射方向的改變，增加訊號特徵分佈的鑑別度，以有效提升定位準確度。

其它因素

在Wi-Fi定位系統建置上，其它考量的因素包含了行動終端的移動速度、無線訊號掃描的頻率、不同無線網卡與設備的訊號差異等因素，皆會對定位結果有所影響，因此針對特定的應用情境，需考量這些因素的存在而加以控制。

結語

總而言之，多元化環境為Wi-Fi定位系統佈建之一大挑戰，在建置無線網路之前，工程師應了解到無線定位技術之特性與限制，並針對應用環境作完整的調查與嚴謹的測試規劃，找出定位結果較差的弱點區域，透過輔助訊號源與調整訊號發射方向等方式，達到較佳的定位結果。另外，如何規劃取樣點也是關鍵之一，取樣點數量的多寡應視環境而定，也應平均分佈於空間之中，以得到良好的定位結果。不同的應用領域對於定位準確度有不同的需求，定位準確度較差的環境不見得不能應用Wi-Fi定位系統，端視如何將定位系統調校到符合應用服務情境的需求，並配合使用情境的操作設計，讓定位系統可對該應用服務發揮其功效。畢竟，定位系統的目的不在於追求其高準確度，而是要能滿足使用者服務之所需。

（作者為工研院資通所網際網路軟體技術組工程副組長）