手機定位服務是3G系統中一項很重要的特色之一，系統業者可以藉由手機定位的技術提供各種加值服務。傳統的電信業者或是工程師經常會被一些定位相關的專有名詞和技術所困惑，主要是因為過往行動通訊的演進上並未結合定位相關的技術...
手機定位服務是3G系統中一項很重要的特色之一，系統業者可以藉由手機定位的技術提供各種加值服務。傳統的電信業者或是工程師經常會被一些定位相關的專有名詞和技術所困惑，主要是因為過往行動通訊的演進上並未結合定位相關的技術；亦即行動通訊和定位兩個領域的技術在過往是不相干的。在本文中我們將從基本的定位原理開始，循序漸進的為各位讀者介紹各種應用在手機定位服務的技術。
全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)應用於手機起源自E911(Enhanced 911)，美國聯邦通訊委員會(US Federal Communications Commission, FCC)強制規定所有的電信業者皆須具備手機定位功能，當某人按下911緊急求救時，行動電話必須傳送其位置給相關單位以便救援。
手機定位技術包括網路定位和GPS，至目前為止，GPS被公認為最準確。美國各主要電信業者包含Verizon、Nextel、Sprint、Alltel、Qwest、Bell、Southern Linc及Western Wireless等，皆宣布採用GPS作為手機定位。歐洲的E112法規也正在被討論當中，相信不久後也會強制規定歐洲所有手機皆須具備定位功能。當然，利用GPS技術勢必是首選之一。
手機定位技術包括Cell-ID、到達角度(Angle of Arrival, AOA)、增強測量時間差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)、抵達時間差異(Observed Time Difference of Arrival, OTDOA)，及輔助全球衛星定位系統(Assisted GPS, AGPS)等(圖1)。其中，以AGPS最實用，AGPS是一種結合GPS與無線通訊功能的定位技術，在手機啟動衛星定位功能前，會透過電信業者所提供的資訊得知手機位置以及衛星資訊，手機可透過這些資料降低搜尋視窗(Search Window)，以縮短定位時間。
在各種手機定位技術中，Cell-ID的定位誤差最大。利用Cell-ID可以決定手機(User Equipment, UE)在網路中的位置，其位置是利用目前細胞(Serving Node B)所涵蓋的地理區域來粗估(圖2)，手機位置資訊可藉由呼叫、細胞更新、位置更新、UTRA的註冊區域更新(URA Update)等來獲得。Cell-ID是必要的，尤其當其他定位技術皆失效時，只要手機能連上網路就能利用此技術得知手機大略位置。
當接收到核心網路發出的位置服務(Location Service, LCS)請求時，SRNC會先檢查目標手機的狀態。若無法取得手機的Cell-ID，SRNC會呼叫手機，以獲得Cell-ID，反之，若能得到Cell-ID，便利用其作為手機定位的基礎。在軟式交遞(Soft Hand Over, SHO)期間，手機有可能同時和數個基地台建構起無線連結，而回報不同的Cell-ID給網路，且SRNC會結合所有相關的細胞資訊，並判斷出最適當的Cell-ID。
為了改善Cell-ID的定位精確度，SRNC可請求Node B或位置量測單元(Location Measurement Unit, LMU)進行額外量測。對FDD系統來說，訊號來回旅行(Round Trip Time, RTT)的時間可以代表著手機至基地台的距離(r)；以基地台的座標為中心點，r值為半徑作圓，手機就位在此一圓上面。RTT是指介於下傳專用實體頻道(DPCH)的起始訊框，和上傳DPCH的起始訊框的時間差。利用RTT量測(圖3)可以大幅增加手機定位的精準度，RTT量測結果會回報至上層，在上層會利用此資訊計算時間先行值(Timing Advance)，之後再利用訓令(Signaling)方式將此值傳送給手機。
在FDD系統，為了獲取較佳的精準度會利用Type1(必要的)或Type2(選擇的)的Tx-Rx時間差，並結合RTT量測來決定手機至基地台間的距離。其中，手機的Rx-Tx時間差，定義為介於上傳的DPCH訊框的傳輸開始，和所接收到的下傳DPCH起始訊框間的時間差，這裡的下傳路徑是指在時間軸上最先解調的無線路徑。Type1和Type2的差異在於定義量測的解析度和參考的接收路徑，對Type2來說，其解析度優於Type1，在參考路徑方面，Type2採用最先抵達的路徑為參考點，而Type1則採用解調接收機的路徑。
不管手機處於連結或閒置模式，利用Cell-ID便能大致了解其位置。在沒有其他量測的輔助下，利用Cell-ID所獲得的位置資訊之誤差範圍會和細胞的涵蓋區域相當，亦即不夠準確，但其好處在於不需額外硬體的協助。
OTDOA以TDOA為基礎，主要是利用三角定位法(Trilateration)來求出手機位置(圖4)。3GPP共定義兩種不同的OTDOA，即手機輔助的(UE-assisted)OTDOA和手機為主的(UE-based)OTDOA。利用TDOA的定位精準度會和基地台的地理位置及量測方式有關，所有相關基地台的位置須為已知，手機或是網路即利用這些已知座標的基地台來計算手機位置。
不像cdma2000是屬於同步系統，在3GPP內的UTRAN是採用非同步的網路系統；亦即在UTRAN內，所有Node B在時間上不同步(圖5)。為了克服此不同步問題，網路必須提供相對時間差(Relative Time Difference, RTD)給系統訊框數(System Frame Numbers, SFN)，RTD又被稱為SFN-SFN的觀測時間差。利用LMU進行時間量測以找出RTD值後，再將此值傳送給手機或RNC進行位置計算。另外，手機也可藉由量測SFN-SFN時間差獲得相鄰基地台間的時間差，3GPP規格定義兩種不同形式的SFN-SFN量測方式，即Type1和Type2。Type1主要是用來做軟式交遞，Type2則適用於手機位置定位，其主要差異在於Type2適用於連結模式和閒置模式，而Type1只支援在連結模式下的同頻量測(Intra-frequency Measurement)。
OTDOA有其先天上的問題，例如基地台間的不同步(FDD模式)、基地台的地理位置、容量損失和基地台的可聽性(Hearability)。當手機極為靠近目前的基地台時，有可能對其他同頻的相鄰基地台訊號接收造成阻礙，即所謂的可聽性現象。根據三角定位原理，手機須同時接收來自三個基地台的訊號才能計算出手機的位置。因基地台間的不同步會對TDOA量測造成明顯的不確定性，此一不確定性會對手機定位精準度產生嚴重影響。另外，基地台的地理位置也會影響定位精準度，例如在郊區時的高速公路多是屬於長直線型，因此可能會將基地台布建在高速公路附近，而形成直線排列架構，此時若採用OTDOA進行定位便會造成很大的定位誤差。為了改善此現象，須在網路建設的初期就考量到適當的基地台地理位置，但如今，基地台的用地取得極為困難，要選擇一個最適當的布局方式在現實上似乎窒礙難行。在系統容量考量上，進行手機定位運算時經常利用一些訊號或頻道的量測，因此頻繁的定位請求會降低整個系統容量。
傳統的GPS接收機具有三項缺點：從接收機的電源打開，至第一次定位(Initial Position Fix)為止所需的啟動時間較長，主因是接收機必須用較長的時間來搜尋衛星的訊號和取得導航的資訊(Navigation Message)，此段時間短則30秒，最長可以到數分鐘之久；傳統的GPS接收機無法偵測到較弱的衛星訊號，因此通常必須在戶外且遮蔽物較少的地區才能使用；傳統的GPS接收機在每次定位時必須消耗較大的功率，這對手持式產品而言是一大傷害，造成高功率消耗的主因是較長的衛星搜尋時間。
利用AGPS技術可大幅改善上述之缺點，AGPS為建構一個GPS的參考網路，在此網路下的接收機具有非常清楚的天空視界(Sky View)。GPS參考網路可以結合行動通訊系統的網路，即時的監視衛星的星座圖(Constellation)，提供輔助資料給接收機，例如手機(或基地台)的大約位置、衛星的可視性、星曆內容、時鐘修正，甚至都普勒(Doppler)頻率飄移和PN碼的相位移(圖6)。
當手機或是網路發起位置服務請求時，這些輔助資料便會藉由行動通訊網路傳送至手機內的GPS接收機，GPS接收機便可快速獲得衛星訊號，並且增加靈敏度。因都普勒頻率飄移和PN碼相位移的不確定因素大幅降低，比起傳統GPS接收機，衛星訊號的取得時間大幅縮短。利用這些輔助資料可以增加搜尋速度以及降低訊號的搜尋頻寬，較小的搜尋頻寬可以增加靈敏度及降低功率消耗。當GPS接收機獲得足夠的衛星數目時(3-D定位時為4顆)，對虛擬距離(Pseudorange)的量測結果可以傳送至無線網路控制器(Radio Network Controller, RNC)，在此架構下，位置的計算是由網路端執行(MS-assisted)；手機亦可利用本身內建的處理器直接計算出位置(MS-based)。
額外的輔助資料如即時完整性(Real-time Integrity)、DGPS的修正、衛星的星曆(Almanc)、電離層的延遲(Ionosphere Delay)、全球標準時間的位移(UTC Offset)等，也可以藉由行動通訊網路傳送至手機GPS接收機內，利用這些額外的輔助資料來增加定位準確度。
在MS-based AGPS解決方案中，手機只須內建一個GPS天線、射頻部份和數位訊號處理器等。在MS-based法中手機只須負責解出衛星訊號的C/A碼，實際解算出手機位置功能是放置在RNC中。比起傳統GPS接收機而言，MS-based手機只須內建部份的GPS接收機功能，而將其餘的部份配置在RNC中。
在定位服務請求時，行動通訊網路會將輔助資料透過訓令(Signaling)的方式傳送給手機。在這些輔助資料中，都普勒頻率飄移和C/A碼的相位移有效期為數分鐘，星曆內容(Ephemeris)可以持續2～4小時之久。手機會回報網路它計算出來的虛擬距離，在SRNC內的位置伺服器便根據這些資料計算手機位置。為了提高定位準確度，在網路中也可藉由提供差分修正給手機所計算出來的虛擬距離來提高準確度(類似於DGPS)。
MS-based法和傳統GPS接收機的架構相同，唯一差別在於輔助資料的提供。MS-based法除具備所有MS-assisted法功能外，還增加計算衛星和手機位置的演算法(Algorithm)。這些額外演算法會增加手機內部記憶體空間(RAM/ROM)，以及額外的計算能力要求(MIPS)。最終由手機利用內建的演算法計算手機位置，計算出位置資訊後，若有必要，手機會將此資訊回報給網路端。對MS-based架構而言，UTRAN和UE間可透過點對點或是廣播方式傳輸。若採用廣播方式，輔助資訊是被定義在系統資訊區塊(System Information Block, SIB)中的Type15和Type15.2中。
3GPP規格定義一些改善AGPS精準度的方法，在DGPS的修正資訊上定義三對虛擬距離修正(Pseudorange Correction, PSC)和距離變化率修正(Range Rate Correction, RRC)。正確使用此三對資訊可以延長星曆內容和時鐘修正的資訊(IEs)，因此降低傳輸頻寬、手機功率消耗、記憶體和CPU的負擔。一般而言，星曆內容資訊的有效期是2～4小時，利用PRC2/RRC2資訊可以將有效期延長至6小時，若採用PRC3/RRC3則可延長至8小時(表1)。
手機定義三種不同形式的量測，即SFN-SFN Observed Time Difference Type1、SFN-CFN Observed Time Difference和Rx-Tx Timing Difference Type1。SFN-SFN觀測時間差Type1主要是用來區別兩個不同細胞的時間差。SFN-CFN觀測時間差是用來作為交遞時的時間參考，它主要是量測主動細胞和鄰近細胞間的時間差。在無線資源控制(Radio Resource Control, RRC)通訊協定中，SFN-CFN被定義為細胞的同步資訊(Cell Synchronization Information)。SFN-SFN和SFN-CFN皆在交遞時使用，其差別在於SFN-SFN是建立一個新的通話，且此通話會直接進入軟式交遞，而SFN-CFN是在既有通話中增加一個新的無線連結。RT-Tx時間差Type1是用來補償上傳和下傳之間的傳播延遲(表2)。
對UTRAN來說，所有的量測都有選擇性，並且可以用來量測手機位置。UTRAN量測的使用介面包括Uu、Iub、Iur、Iupc等(圖7)。
WCDMA FDD的碼片率(Chip Rate)為3.84Mcps，一個碼片的誤差相對應於78.125公尺的誤差。WCDMA TDD的碼片率為1.28Mcps，一個碼片的誤差相對應於234.375公尺的誤差。
在GSM/EDGE的無線進接網路(GERAN)中也定義三種不同的定位技術，即Cell-ID、E-OTD和AGPS。在TDMA網路內比較適合E-OTD技術，至於在AGPS方面，GERAN和UTRAN所用的技術非常相近，主要差異在於IE的長度和格式。
先進下傳三角定位(Advanced Forward Link Trilateration, AFLT)和AGPS已經被TIA(Telecommunication Industry Association)中的TR-45.5所採納，其相關規格定義在IS-801中。IS-8010-A已被納入3GPP2規範中。不像GSM/WCDMA所採用的非同步架構，在CDMA2000是利用GPS的時間來達到同步系統架構，因此在CDMA2000內不須進行類似GSM/WCDMA的時間差量測。
AFLT的基本精神在於不同的CDMA導引訊號間的時間差(相位延遲)，時間差是指介於目前細胞和鄰近細胞間的導引訊號間的相位延遲。時間差的資訊可以被轉換為距離資訊，利用此資訊可以用基地台為中心畫出一條雙曲線，三條雙曲線的交點便能決定手機的位置。
在AGPS方面，CDMA2000架構和GSM/ UMTS架構非常相似，但是IS-801提供較多的選擇。例如在IS-801中提供兩個不同的IE來告知手機位置，第一種IE是利用球面座標系統，第二種IE則是利用卡氏(Cartesian)座標系統。
手機定位技術基本上可以分為網路和手機為主的定位，傳統上手機的定位可以使用網路定位或是本身內建的GPS接收機來達成，網路法和GPS法基本上是互補的。一般在郊區時，手機較難在同一時間收到三個以上的基地台，但是卻可以很容易地接收到超過四顆以上的衛星訊號，此時便可以利用GPS的方式來得到手機位置。若換到大都會或是室內環境時則相反。
高通(Qualcomm)的gpsOne則是介於這兩種定位方法之間，利用gpsOne的獨特架構可以將GPS的功能整合至CDMA系統，藉由此一高整合的技術可以省略額外的硬體和軟體的費用。
RTD＝2τ
在CDMA系統內，每個基地台下傳導引(Pilot)訊號的時間與GPS時間同步，因為CDMA2000系統屬於同步系統，在每一個基地台，藉由配置一個GPS接收機，使得系統的參考時間是和GPS內的世界標準時間(Universal Time Coordinate, UTC)同步。
手機的參考時間又稱為發生時間，是以多重路徑接收時最早抵達天線連結器無線路徑的時間為基礎，手機利用這個時間參考點來作為上傳頻道的發射時間參考。
手機藉由控制內部的硬體和軟體的時間延遲，使得業務頻道(Traffic Channel)和進接頻道(Access Channel)的傳輸是同步到發生時間。假設訊號從基地台至手機接收機所需的時間為τ，且上傳頻道和下傳頻道的無線路徑是可逆的(此假設在大部分的無線傳輸上是合理的)，則RTD＝2τ(圖8、9)。
導引相位偏移
在CDMA系統，手機會持續搜尋目前細胞和鄰近細胞的導引訊號，作為交遞判斷的依據。手機藉由量測參考導引訊號(最早抵達的導引訊號)和每一個導引訊號間的PRN相位差(延遲)，來自不同基地台間的導引訊號的相位差值會等效於TDOA的值(圖10)。
gpsOne是一種混合的(Hybrid)定位方法，它結合傳統衛星定位技術及行動網路定位技術，以最少的硬體成本獲致最佳的定位精準度。根據gpsOne所定義的操作環境共可區分為下列四種情境模式：
利用3顆衛星做3-D定位
在CDMA系統，因手機是連結至網路所以可以取得系統時間(Tsys)。手機的參考時間是指系統時間再加上訊號從基地台至手機間的傳播延遲(τ)，因此Tref＝Tsys＋τ；τ＝RTD/2。因同步系統的關係，手機的時間是和GPS的時間同步，因此只需要另外三個衛星的資料來求得虛擬距離，即可達到3-D定位(圖11)。因此利用手機的參考時間作為量測GPS的虛擬距離，可以減少一個衛星的需求(從4顆變為3顆)。多重路徑傳輸的問題並不會影響到3-D定位的精準度，這主要是因為手機的參考時間是等於系統時間在位移τ，τ可以是直線傳輸(Line Of Sight, LOS)或是多重路徑中的任一條。
若RTD的量測無法進行時，仍然可以使用手機的導引訊號的發生時間來當做時間基準，來計算衛星的虛擬距離，此時多重路徑的傳輸便會影響到3-D定位的準確度。此技術要求GPS衛星虛擬距離的量測和導引訊號相位移的量測是在一個共同的時間參考上。
利用2顆衛星做3-D定位
RTD法除了可以得到時間的資訊外，還可以用來量測距離，如圖12所示，手機到目前細胞的距離為R3＝cτ，其中c為光速。利用RTD法來做距離的估測會受到多重路徑傳輸的影響，在某些地理環境下有可能得到兩組不同的定位解。為了改善此一多重定位解，可以藉由扇區的資訊(Sector Information)或下傳資訊(例如鄰近細胞導引訊號的PN碼的相位差)。
利用1顆衛星做3-D定位
當只有一顆衛星是可見時(In View)，可以利用對第二個基地台進行RTD量測，或是針對下傳頻道導引訊號的相位移進行量測(圖13)。在此情境下，定位的精準度會受到兩組多重路徑傳輸的影響，而造成較大的量測誤差，為了改善此誤差，手機必須將最早抵達的無線路徑導引訊號相位回報給基地台。
利用網路資訊更新位置
網路本身的資訊也可以用來更新手機位置。在追蹤模式時只需少數GPS量測請求，這種假設很合理，因為大部份的用戶位置變化量不大；因此在此情況下，只須利用網路定位即可，當網路察覺到手機位置變化較大時，切換至GPS頻段進行GPS衛星的量測，以提供較精確位置。利用網路定位法可以讓手機接收機停留在CDMA頻段較長的時間，在閒置模式時可以降低呼叫阻塞率(Paging Lost Probability)，在連結模式時則可以改善語音品質。
gpsOne系統中有三種可能的無線連結，即GPS衛星到手機間的連結、基地台至手機間的連結和手機至基地台間的連結。在沒有引入gpsOne系統前，大多數元件已經存在，例如CDMA2000網路系統、CDMA手機，和GPS衛星及其訊號。
在手機射頻部份，只須修改接收機架構，使其具有接收GPS訊號的能力(1575.42MHz)；在基頻部份則須增加GPS訊號的解調及訊號處理能力。在系統端必須增加位置決定實體(Position Determination Entity, PDE)，一般來說，PDE主要是整合在基地台內；在電信業者的部份，還須配置位置定位應用(Position Location Application, PLA)和緊急服務網路(Emergency Service Network, ESN)功能。無線交換機中心(Mobile Switching Center, MSC)會依定位請求的類別，將訊號來回(Back and Forth)傳輸於跟定位相關的實體上。位置定位的請求可由手機或是PLA/ESN透過PDE發起。底下將個別描述和gpsOne相關的功能實體(圖14)：
手機端
‧GPS接收機：高通大部份晶片組皆提供此功能
‧CDMA頻段(Cellular/PCS Bands)和GSP頻段間的切換：在定位時頻段會切換至GPS頻段，當完成定位時便會切回既有的CDMA頻段。在定位後只須偶爾切換至GPS頻段，進行位置更新以確保定位精準度，因此在大多數的時間中手機皆是處於CDMA頻段中。
‧GPS衛星到手機間虛擬距離的量測
‧GPS導引訊號相位移的量測
‧提供GPS和CDMA的資訊至PDE和基地台
基地台端
‧計算RTD，取得手機至基地台間的虛擬距離
‧提供導引訊號(Pilot Signal)給手機作為相位移的量測和維持時間的同步
‧當PDE的Host
PDE端
‧協助手機進行衛星搜尋，例如提供GPS衛星的星曆(Almanac)、星曆內容(Ephemeris)和搜尋視窗。
‧根據CDMA(RTD or Pilot Phase Offset)和GPS虛擬距離的量測，再加上已知位置的衛星和基地台等參數，計算出手機位置。
‧將手機位置回報給用戶或PLA/ESN。
在gpsOne系統內負責位置計算的是PDE而不是手機，當PDE完成位置計算後，會利用訊息將手機位置提供給手機或PLA/ESN。
比起標準的GPS接收機或網路定位技術而言，AGPS具有較快的定位速度、較便宜的硬體成本，以及較佳的接收涵蓋範圍如室內型GPS。一個標準的AGPS系統的組成元件包括具有部分GPS接收機功能的手機、一個標準的無線網路架構，以及一個AGPS伺服器，此伺服器具有一個作為參考的GPS接收機，並且可以看到和手機相同的衛星(圖15)。