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行動定位服務 Location-Based Services

行動定位服務 Location-Based Services. 授課老師：陳偉業 學生：碩專一甲 n9590007 曹文雄. 參考資料. Jochen Schiller and Agnès Voisard,” Location-Based Services” Johan Hjelm,”Creating Location Services for the Wireless Web” 葉振男 ," 淺談行動定位技術的發展 ", 拓墣產業研究所焦點報告 ,no18 崔文、殷志揚、陳昭男 ,” 行動網路定位技術概觀 ”, 電腦與通訊 , 第 115 期 ,PP54-60

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行動定位服務 Location-Based Services

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  1. 行動定位服務Location-Based Services 授課老師：陳偉業 學生：碩專一甲 n9590007 曹文雄

  2. 參考資料 • Jochen SchillerandAgnès Voisard,” Location-Based Services” • Johan Hjelm,”Creating LocationServices for theWireless Web” • 葉振男,"淺談行動定位技術的發展",拓墣產業研究所焦點報告,no18 • 崔文、殷志揚、陳昭男,”行動網路定位技術概觀”, 電腦與通訊,第115期,PP54-60 • 林暉景,”IEEE 802.15 技術研究－ 各種測距演算法之介紹 “,工研院電通所技術專欄

  3. 大綱

  4. LBS(Location Based Service) • 行動網路定位技術(Mobile Location Technology) • 定位服務(Location Based Service；LBS) • 以專用裝置為基礎，不具備行動資料傳輸的能力，所搭載的內容也是固定的，無法即時更新 • 行動定位服務(Mobile Location Based Service；MLBS) • 即是加上了行動通訊並用於行動裝置之上。 • 一般仍以LBS通稱，其定義為： • 為了提供使用者加值服務， • 整合一個可以定位的移動裝置， • 然後以位置資訊提供相關的服務。

  5. LBS的特性 • 三個重要的特性： • Location 定位化 • Personal 個人化 • Time 即時性 • 三個維度，可構成加值服務的三度空間 • 以公車時刻表的服務為例： • 如果我們在網路上可以取得一份各個班次的時刻表，那並沒有價值。 • 但是如果可以取得經過目前我所在地點以及到達地點的公車路線時刻，那就增加了個人化的價值。 • 若是可以取得下一班經過我附近的最短路線時刻，那就滿足了三個維度的加值服務。

  6. LBS的演進 • 在Gravitate Inc.的白皮書中，將LBS的演進分為三個階段。 • 第一個階段使用者必須自己輸入位置資訊以取得相關地理位置服務。 • 第二個階段就像現在利用基地台時間差定位的技術一樣，即使是利用Cell-ID定位，也只有100～200公尺的準確度，較難符合複雜應用的需求。 • 而第三階段的LBS，除了準確度的提升，系統也必須能夠自動針對使用者目前位置提供資訊或者發出警告。

  7. LBS 通訊模型(General LBS communication model) • 包括 • 定位層 • 中介軟體層 • 應用層

  8. 定位層(Positioning Layer) • 定位層負責計算設備或使用者，目前所在位置。 • 定位裝置 (PDE:Position Determination Equipment ) • 由PDE算出位置，然後將經緯度座標，在網路中傳輸到： • 應用程式 • 中介軟體

  9. 應用層(Application Layer) • 依據用戶端的定位資料，提供必要的服務，例如： • 車隊管理 • 導航 • 緊急援救 • …

  10. 應用和準確度(Overview of LBS applications and level of accuracy required)

  11. 應用種類及範例(Categories and examples of LBS applications.)

  12. 中介層(Middleware Layer) • 定位層取得座標後，開始傳輸資訊給應用程式，由於定位層(P)的技術與應用層(A)的技術，其組合的可能性為A*P個。 • 有了中介層之後，可以將複雜度降低，並且適時的進行整合，其組合的可能性變成A+P個。 • 所以中介軟體，在處理定位資料時，可以在各種網路環境中，有很高的互通性，同時開發AP也比較容易。

  13. 中介層(Middleware Layer) 應用程式有或沒有中介軟體 Postpaid-月結 SMS-簡訊 WAP-Wireless Application Protocol Alarm-警報 Prepaid-預付 Proxy-代理 MLC:MultiLevel Cell

  14. 形成LBS的產業鏈(industry chain)

  15. 市場與分佈(Location markets and segments)

  16. LBS 標準(LBS STANDARDS) • 提供LBS 標準的主要標準組織是 • Open Mobile Alliance (OMA)(http://www.openmobilealliance.org) • OMA在傳輸層的標準較為集中 • Open GIS Consortium, Inc. (OGC)(http://www.opengis.org). • OGC 在應用層的標準較為集中 • 但是一些其他的標準組織也提供LBS 標準環境的重要元件。

  17. LBS 標準架構(The LBS Standards Framework.) Java實作於次世代通訊服務 定義通信協定 定義Third-party應用程式間的介接，及次世代通信服務 Internet協定和服務 行動服務 Web協定和服務 無線網路應用程式協定 定義OpenLS平台的介面及內容模型 導航和定位資訊遞送服務 定義地理空間網路服務服務 (Diagram courtesy of OGC.) UMTS(Universal Mobile Telecommunications System) GPRS(General Packet Radio Service) 3GPP(Third Generation Partnership Project) 3GPP2(Third Generation Partnership Project 2) TIA(Telecommunication Industry Association) ETSI(European Telecommunications Standards Institute) WIFI(Wireless Fidelity) Bluetooth(藍芽) Parlay-X(Parlay X架構，User 自訂OSA API) OSA(Open Service Access) OMA(Open Mobile Alliance) LIF(Location Interoperability Forum) JAIN(Java APIs for Integrated Networks) IETF(Internet Engineering Task Force) W3C(The World Wide Web Consortium) WAP(Wireless Application Protocol )

  18. 移動定位協定(MLP:Mobile Location Protocol ) • 一個應用程式級的協定。 • 視為以下兩者間的介面。 • 定位伺服器 • 以提供定位的應用程式 (Diagram courtesy of OMA.)

  19. 移動定位協定(MLP:Mobile Location Protocol ) 服務層 元件層 傳輸層 (Diagram courtesy of OGC.)

  20. 典型的範例(Typical service/request response via the GeoMobility Server. ) 終端裝置 入口及服務平台 1.訂戶連接到Portal，請求服務。 地理行動伺服器 2. Portal向OpenLS 應用程式請求服務。 5.OpenLS回應。 6. Portal回覆回應及支援交握， 在終端裝置行動地理伺服器之間。 3. OpenLs應用程式或核心服務 請求由GMLC的終端設備位置。 Gateway Mobile Location Center /Mobile Positioning Center 4. GMLC/MPC回覆MLP回應 經過OpenLS閘道服務 THIRD-PARTY內容 (Diagram courtesy of OGC.)

  21. OpenLS架構(OpenLS Architecture Detail.) 入口 THIRD-PARTY內容 Gateway Mobile Location Center /Mobile Positioning Center (Diagram courtesy of OGC.)

  22. 應用程式的資料流(The data flow of a typical position-dependent application.) Web server or SMSC-Web伺服器或是簡訊服務中心(Short Message Service Center) Application gateway-應用伺服器 XSLT transformation engine-Extensible Stylesheet Language Transformation 引擎 Information gateway-資訊閘道 mapping gateway-繪圖閘道 Location gateway-位置閘道 MPC-行動定位處理中心(Mobile Positioning Center) billing gateway-計費閘道 Management gateway-管理閘道

  23. 基本定位技術(Basic Location Techniques) • 決定行動使用者的位置，可分為二種系統: • 追蹤 • 使用者必須有一個特定的信標(Tag/Badge)，在Sensor Network 追蹤使用者位置。 • 首先在Sensor Network取得位置資訊。如果行動使用者需要他(或她)的位置資料，Sensor Network必須傳遞這資訊給無線通信的使用者。 • 定位 • 由行動系統決定自己的位置，就叫做定位。 • 發送或導引系統，送出給無線電、紅外光或超聲波訊號，行動裝置直接依照所收到的訊號，換算出位置資訊。 • 除此之外，其他人並沒辦法取定位置資訊，所以不用考慮隱私的議題。

  24. 定位的基本方法(Triangulation, Trilateration, and Traversing.) 三角法 (Triangulation)： 於三角形各頂點測定各邊之角度 三邊法 (Trilateration)： 於三角形各頂點測定各邊之邊長 導線法(Traversing)：使用極座標(角度+距離)，較不適用於行動定位

  25. IEEE 802.15.4 • IEEE 802.15.4 即是針對低 速運用(Low Rate WPAN)方面，提出新的實體層(PHY)的選擇同時也制定、強化既有的媒體存取控制層(MAC) 。 • 包括五種不同測距演算法： • 抵達時間(Time-of-Arrival: TOA) • 抵達時間差(Time-Difference-of-Arrival: TDOA) • 訊號強度測距(Signal Strength Ranging: SSR) • 近場區電磁測距(Near-Field EM Ranging: NFER) • 抵達角度(Angle-of-Arrival: AOA)

  26. 抵達時間(Time-of-Arrival: TOA) • Two Way Ranging(TWR) • 在兩個端點間封包(Packet)的交換是使用半雙工(Half-duplex)的時間多工(Time-multiplexed)方式。這樣的程序主要是倚賴典型融合定位和通訊的機制來執行，通常是由要求端(Requestor)傳送含有時間標記資訊(Timing information)的封包給回 應端(Responder)，等回應端和此時間標記資訊做好同步後，便會回送一個訊號給要求 端，以表示同步完成，要求端藉由收到這樣的訊號來決定其間的飛行時間。

  27. 抵達時間(Time-of-Arrival: TOA) • One Way Ranging(OWR) • 若是端點間(Terminals)已 被同步至一個共同的時脈(Common clock)，可以直接估測其飛行時間的資訊，則可採用本技術來完成測距。 即時

  28. 抵達時間差(Time-Difference-of-Arrival: TDOA) • TDOA主要是利用TOA技術去計算各個錨端點(Anchor terminals)之間的時間差異，利用此時間差異來估測距離。 • 傳統上TDOA是採用TOA中的OWR技術，錨端點必需藉由外部的一個時脈執行再同步(Re-synchro nized)，或是藉由信標訊號(Beacon signal)以廣播的方式週期性地傳送封包至各個端點執行再同步。 這個信標訊號可以從相關器(coordinator)或是一個已知的端點發出，並且各個錨端點亦知道自己和此 coordinator(或一已知端點)間的距離。 來源裝置 目的裝置 測距指令 確認接收訊號 同步錨點(標準範圍外) 傳送測距封包(measure RSSI)

  29. 抵達時間差(Time-Difference-of-Arrival: TDOA) • 對於 TDOA 的 OWR 其實施方式又可分為兩種： • 主動式(Active)，即 TDOA-A：由來源裝置(Source device) 發送訊標(Token) • 被動式(Passive)，即 TDOA-P： 由終點裝置(Destination device)發送訊標，也就是來 源裝置是負責接受訊標。 被動位置

  30. 訊號強度測距(Signal Strength Ranging: SSR) • 在自由空間傳播模型(Free space propagation model)中，接收到的功率如下： • 在大尺度 (large-scale)的情形下，其接收到的功率衰減會遵循平方成反比的定律(Inverse square law)，因此：

  31. 訊號強度測距(Signal Strength Ranging: SSR) • 而對於平均大尺度的路徑衰減(Mean large-scale path loss)其接收到的平均功率則會隨著 距離的增加而成指數衰減： • n 表示路徑損耗的指數(exponent)，此值會因環境的不同而有所改變。 來源裝置 目的裝置 測距指令 確認接收訊號 傳送測距封包(measure RSSI)

  32. 近場區電磁測距(Near-Field EM Ranging: NFER) • 射頻訊號(RF signal)是以電磁波的方式傳送，而電磁波是結合了電場(E-field)和磁場(H-field)兩部分。 • 距離接近傳送天線時，其電場與磁場的相差(Phasedifference)近乎是 90 度; 當距離為傳送天線波長的一半時(0.5λ)，其電場與磁場幾乎無相差。利用這樣的特性即可用於測距技術。 測距技術的距離範圍只能落在 0.05λ 至 0.5λ之間， 且最好的測距範圍落在0.08λ至0.3λ之間。

  33. 近場區電磁測距(Near-Field EM Ranging: NFER) • 對於NFER測距技術所能適用的範圍，取決於所操作頻率的高低(愈低的頻率可適用的距離範圍愈大) 。 • 低頻的電磁波也因為有較好的穿透能力，因此會受到建築物結構及其內部管線部局引起之相位偏移(phaseoffset)的影響，所幸此相位偏移變化並不劇烈，可經由校正來補償此相位偏移所造成的誤差。 來源裝置 目的裝置 測距指令 確認接收訊號 傳送測距封包(measure NFER angle)

  34. 抵達角度(Angle-of-Arrival: AOA) • AOA的技術原是用於定位，但因其不像TOA和TDOA需要精確的同步，AOA是由天線陣列所量測到訊息來得知訊號源的方向。其中，平面波前的模型模擬了遠場區(far field)入射波的入射情況，藉由不同的陣列元件所量測到波前的相位(時間)差來取得 AOA 的資訊。 • 當訊號源與天線是位在同一個平面上時(圖 10 中ψ=π/2)，即可用較簡單的二維模型來替代三維模型。

  35. 抵達角度(Angle-of-Arrival: AOA) • 陣列天線收而訊號後，在不同的陣列元件上對收到的訊號做一個預設的相位偏移，並將這些經過相位偏移後的訊號加總起來以期在入射訊號場的方向得到最大的天線場圖(Antenna pattern)。 來源裝置 目的裝置 測距指令 確認接收訊號 傳送測距封包(measure AOA)

  36. 測距演算法技術比較

  37. 行動定位技術(以傳統觀點來區分) • 以衛星為基礎(Satellite based)的方式 • 成本較高，且通訊機具須有額外功能 • 例如：全球定位系統(GPS) • 以網路為基礎(Network based)的方式 • 必須依賴眾多通訊基地台的合作

  38. 行動定位技術(依定位的地方來區分) • 網路端定位(network-based positioning) • 透過兩各以上基地台來量測收到收機訊號時間。 • 通常定位系統須計算至少3個基地台與手機之間訊號的傳輸時間資料 • 以接收間隔(TDOA)及加強型接收間隔(E-OTD)等兩項技術為代表 • 用戶端定位(terminal-based positioning) • 可以透過3顆以上的衛星來定位 • 以GPS及輔助性GPS(A-GPS)為代表 • 混合型的定位

  39. 常見的行動定位技術 • 全球定位系統(GPS) • 輔助式的GPS (A-GPS, assisted GPS) • 發源區(COO, Cell of Origin) • 接收角(AOA, Angle of Arrival) • 接收間隔(TDOA, Time Difference of Arrival) • 加強型接收間隔(E-OTD, Enhanced Observed Time Difference) • 上傳抵達時間差(UL-TOA, uplink time of arrival) • 細胞全域辨識(CGI, cell global identity)位置模式比對(Location Pattern Matching) • 位址模式比對(Location Pattern Matching) • 加強式的前向連結三角定位法 (E-FLT, enhanced forward link triangulation)

  40. GPS原理 理論上3個衛星可以定出使用者的位置。 3個衛星其實有2個交點，但一個在太空，一個在大氣層內。

  41. GPS定位 由於是運用時間訊號來定位，若錯誤1µs，則會誤差300公尺(光速為每秒30萬公里)，所以衛星都有一個原子鐘，使時間正確。但高精度的原子鐘很貴，還不如增加衛星數量來校準來得簡單，所以一般衛星定位由4顆以上衛星負責。故GPS由24顆衛星組成(分成6個面，每個面4顆)，再加數顆備用。 3顆衛星就可以定位 第4顆衛星可以提高精度

  42. 關於GPS精度 現有與未來的數個GPS波段為： L1波段－1575.42MHz(民)、 L2波段－1227.60MHz(軍→民)、 L3波段－1381.05MHz(軍)、 L4波段－1841.40MHz(新波段)(軍)、 L5波段－1176.45MHz(新波段)(民)。 • 衛星用20瓦功率送出連續的訊號，區分為2個頻段： • L1(1575.42 MHz) ：PPS和SPS • L2(1227.6 MHz) ：僅PPS • 精確定位服務(Precise Positioning Service (PPS)) • P Code • 水平精度22 m，垂直精度27.7 m • 專供美軍與北約使用

  43. 關於GPS精度 • 標準定位服務 (Standard Positioning Service (SPS)) • 使用C/A-Code(Coarse/Acquisition Code)，並用選擇式供應 (SA: Selective Availability )干擾精度 • 水平精度100 m，垂直精度156 m • 一般平民使用 • 2000年5月後，因SA取消、歐洲伽利略計畫的競爭以及商業考量，放寬精度到達水平精度25m，垂直精度43 m。

  44. 關於GPS精度 • GPS的發展 • 目前： • IIA/IIR衛星(L1/L2) • 改良： • IIR/M(L1+軍用 L2+軍用民用) • IIF(L5) • D-GPS將提供30到50公分的定位精密度。 • 未來 • GPS III • 2012發射第一顆衛星 • 2025民用

  45. DGPS (Differential GPS) • 差分定位法，2000年5月L2解凍之前，D-GPS是實現10公尺以下定位解析度的唯一商業方法。。 • GPS的誤差，可藉由地面站發送校正資料，以提高精度。 • 地面站的位置己知(X1,Y1)。 • 地面站收到有誤差的衛星定位為(X2,Y2)。 • 所以兩者的位置差((X1-X2),(Y1-Y2))。 • USER接到有誤差的衛星定位為(X3,Y3)。 • USER接到地面站的位置差。 • USER用位置差((X1-X2),(Y1-Y2))的資訊校準衛星定位(X3,Y3)。 • 由於地面站和USER收到的衛星不一定相同，為確保誤差不會因此擴大，必須符合標準的RTCM編碼。

  46. DGPS 原理圖 Adapted from Mobile Computing by Jörg Roth, dpunkt-Verlag (2002).

  47. WAAS(Wide Area Augmentation System ) • 基本原理與DGPS相同。 • 差別在於： • 各地面站收到衛星訊號後，傳給主控站。主控站再將校正資料傳給一個同步衛星Inmarsat-3，再由Inmarsat-3負責廣播給USER。 • 只能在北美使用。 • 可用於海面。 Adapted from Mobile Computing by Jörg Roth, dpunkt-Verlag (2002).

  48. WAAS原理圖 Adapted from Mobile Computing by Jörg Roth, dpunkt-Verlag (2002).

  49. 其他的衛星系統 • 俄國GLONASS(Globalnaya Navigationnaya Sputnikovaya Sistema) • 歐洲 • GPS+WAAS = EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) • GALILEO • 中國北斗一號衛星定位系統

  50. 手機內建GPS架構 • 大致有下列三種： • 1. GPS獨立晶片組 • 獨立晶片組上完成射頻訊號接收、取樣、基頻運算、處理等。 • 無法縮小尺寸、和其他功能整合困難、成本不易下降。 • 2.GPS部分晶片功能整合至手機 • 將GPS運算，由數位訊號處理器(DSP)或CPU完成。 • 利用共用的處理器來處理訊號以便於訊號的整合。 • 整合難度較高的晶片仍然保持獨立，例如射頻晶片、濾波器、專屬記憶體、被動元件等。 • 3.以SoC方式內建於手機 • 將GPS系統晶片組整合內建至手機晶片上，將負責不同功能的個別IC在單一晶片上加以整合，例如一個SoC晶片可能同時包含了GPS與通訊基頻處理器、記憶體、I/O介面模組等。

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