前言
由於無線通訊科技迅速發展，iPhone/Android等智慧型手機普及帶動下，使用網路服務的人口正在急速増加。因智慧型手機同時配備定位感測器及用以呈現地圖的大螢幕，獲取地理位置資訊的基本條件已趨完備，使得地理定位資訊服務 (Geo-Location-Based Service, LBS) 益形重要，其運用於商業、社交與公眾安全等議題上的應用日益蓬勃。如矽谷的創投公司Skyhook和網路服務巨頭Google，就因為地理定位資訊取得技術而進行訴訟，該技術乃為結合WLAN、GPS並搭配行動電話基地台的訊號，供行動電話持有人定位目前所在位置的技術，並被美國Apple公司iPhone等產品所採用。運用地理定位資訊的設備市場正大幅擴大，價格低廉卻精確度高之地理定位世界已然到來。
最近大量社交技術的應用軟體 (APP) 所提供的地理定位資訊服務大多建立在鄰近服務 (proximity-based service) 的基礎上。這些應用服務的主要功能是探索 (discovery) 鄰近運作相同應用服務的裝置，並能進一步進行資料交換。此波浪潮驅使在APP發展上慢一步的電信產業，也在此次智慧型手機普及的契機下積極發展嶄新的地理定位資訊服務。藉由提升現有的3GPP標準技術，使其有機會提升其應用服務，同時可用於公共安全 (public safety) 的領域。由於現有3GPP標準技術要求所有的網路資料與控制訊號皆須透過核心網路傳遞，故其無法完全支援包括直接探索與通訊的鄰近服務。因此3GPP SA1工作小組成立鄰近服務工作項目 (Proximity-based Services working item, ProSe WID) 研究鄰近服務之使用情境與需求規格，正式邁向次世代地理定位資訊服務。
現有的地理定位資訊技術
如圖1所示目前定位技術相當的多樣化，至今的定位技術是基於GPS所開發，因為GPS有直線傳輸(Line of Sight)的特性，在室內以及地下捷運就無法發揮GPS功用。為解決都市建築物密集區域及室內的定位技術，利用訊號強度 (RSSI) 擁有非直線傳輸 (Non-line of Sight) 的特性，可以解決室內定位的問題。無線網路定位為高效能定位技術之基礎，目前主要的技術包含紅外線、超音波、無線區域網路、RFID與藍芽等。為解決都市建築物密集區域及室內的定位技術，藉由事先建立無線區域網路IEEE 802.11訊號特徵資料庫，以樣式比對法對無線網路訊號特徵資料庫進行定位運算，此為位置感知 (Location-awareness) 的定位做法。
圖1:無線網路通訊定位技術種類 (資料來源：IEEE 802.16)
無線網路定位技術研究中，定位會容易受到環境因素的影響，為解決精準定位問題，需要考慮到障礙物、溫度、壓力、濕度等影響。一般定位技術中要找出使用者位置，其定位模型可分類如下。訊號角度到達 (Angle of Arrival, AOA) 定位法是利用擁有方向性的天線去量測的訊號相關資訊，量測得出兩條天線所發出訊號的來源方向，可在平面圖上決定出以天線為出發點的發射線，如以兩條天線以上的發射線會決定出一交點，而該交點即為使用者的位置。AOA定位的優點在於不需要每一天線都做時間同步。但AOA的誤差來源在於角度解析度，以及傳送當中障礙物所形成的多路徑效應。
訊號到達時間 (Time of Arrival , TOA) 定位法需要利用已知的三條天線的位置，當三條天線發出訊號抵達接收端天線的時間會將其轉換成距離。當三位置及三距離已確定則可以得知使用者的位置。TOA定位法需要發射端天線與接受端天線做精確的時間同步，才能得出近乎實際的估計距離大小。TOA定位法中對於時間敏感度非常高，即使是誤差微秒之內都容易造成誤差到幾百公尺。到達時間差 (Time Difference of Arrival, TDOA) 定位法主要是利用雙曲線的特性，其特性為雙曲線上任何一點到兩焦點的距離差為一定值。利用雙曲線各可得出一聯立方程式，解聯立之後會得出取其交點，即為接收端位置。
接收訊號強度 (Received Signal Strength , RSS) 定位法主要原理是利用發射端發出的訊號強度，經過路徑消耗訊號強度對於路徑的情況，接收端收到訊號強度所轉換成距離。需要先利用建購該環境的訊號強度分佈模型，才得以藉由訊號強度的衰減來決定接收端的與發射端的距離，該距離為接收端位置對應以發射端為圓心所發出的半徑，所以至少必須有三個基地台才能進行定位。由於無線電在室內傳播呈現多重路徑干擾衰弱與遮蔽效應，會造成傳播結果有很大的誤差，不過接收端位置不會如前交於一點。RSS較適合室內環境，且其對於使用者位置的移動是比較可以預期的。
日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA)開發一種稱為IMES的室內定位技術，該技術使用簡易型GPS訊號發送器，發送經緯度和高度資料。使用各種技術進行室內定位的實驗也正活絡。共同的課題是地理定位資訊系統之運用，由誰設置發送器、如何確保地理定位資訊之正確性，以及商業模式的驗證皆不可或缺。航位推算 (Dead Reckoning, DR) 技術已經成為汽車導航的一般功能，被用在無法使用衛星定位的隧道和地下道的叉路等地，以掌握汽車位置。行人的行動相對較為複雜，定位演算處理的難度很高。室內定位以個人方位推估法技術 (Pedestrian Dead Reckoning, PDR) 技術掌握行人用的軌跡，使用加速度感測器和角速度感測器計算自出發地點的相對位置，以掌握人員移動速度、方向和距離。現今PDR使用的感測器等硬體已成為行動裝置的標準配備，藉由軟體設計結合GPS、PDR的複合型定位技術已實現，如Casio Computer公司推出配備PDR定位的EX-H20G數位相機。
現有的地理定位資訊服務與技術
Foursquare Labs公司的「foursquare、社群網站Facebook公司的Facebook Places、Google公司的Google Latitude等利用地理定位資訊打卡(Check in)的網路服務風行全球。該網路服務提供使用者抵達商店後，行動裝置由所在地附近的商店清單中選出該位置，以便將位資訊分享給朋友。同時商店端也可以對於打卡次數提供折扣服務。此外運用地理定位資訊的遊戲服務益趨多樣化，如玩具公司Happinet的「Keidradar」。該遊戲服務乃利用玩扮警察與小偷的遊戲設計，讓小孩子能到外面精力充沛地遊玩。其配備WLAN晶片，並根據其電波強度計算出敵方距離，為第一個運用WLAN晶片在玩具領域的廠商。投入WLAN定位服務的Koozyt公司董事長末吉隆彥表示，運用地理定位資訊的最佳空間設計，納入建設階段考量的機制也變得有其必要。
圖2: Koozyt技術概念圖
除了使用者的位置之外各種活動狀態也可以掌握，如Livedoor的網路服務「Loctouch 」可登錄和誰見面的功能。此外，搭配非接觸式IC卡、電子錢包，在掌握使用者定點位置的同時，也可以知道購物內容。在智慧型遊戲機方面，如 Sony推出攜帶型遊戲機PlayStation® Vita，其核心功能之一就是定位技術。目標在將日常生活中的使用者行動，納入以地理定位資訊為核心的資料中，供遊戲軟體和網路服務應用。Vita具有定位運用技術以及開發地理定位資訊的軟體工具，可透過外部開發人員擴大應用領域，定位技術將成為所有行動裝置必備功能。此外，彙集多人地理定位資訊的服務以掌握團體的行動，即可運用在展店計畫和街道建設、防災等計畫之擬定上，如NTT DoCoMo已在評估運用行動電話基地台的數據，達成依據時間在地圖上呈現人員分布之行動空間人口統計。
無縫與高精確度地理定位技術
民生設備領域對高精確度的需求，將使地理定位資訊運用收益提升，加速商業化腳步。假設有企業發送將促銷資訊給用戶，當某用戶實際到達商店時，由商店支付介紹費給企業，其中作為抵達商店證據的地理位置精確度將極為重要。KDDI的研究員小林亞令表示，目前消費性設備用的定位技術有10公尺程度的誤差，只要有這點誤差存在，即無法判斷如何走到該商店，是故高精確度的地理定位技術不可或缺。地理定位資訊應用的擴展驅動著定位技術的進展，如使用WLAN電波定位結合多個感測器掌握人體移動距離與方向的技術。定位技術將朝向多重定位的方向發展，演變成所有行動裝置的必備功能，目標是建立室內和室外能無縫掌握正確位置的環境。
不論是戶外或室內的定位技術，其最大爭議便是定位的精確度，目前已經有許多文獻報告提供可利用或已應用之定位演算法。隨著無線區域網路 (Wireless LAN) 快速的發展，現今已有相當多的標準共存，加上內建無線區域網路行動終端功能以及基地台日益普及，已廣泛的應用在商務區、學校、機場及其它公共區域，所以在行動通訊標準的基地台佈建下，結合行動網路、無線區域網路定位技術與GPS的整合將是未來的趨勢。然而此類系統整合仍會受限於衛星或基地台之訊號微弱或因地形地物的遮蔽造成電磁波訊號的多重反射與折射現象而無法精確地定位。
為提供相關之定位與追蹤應用服務，必須設計適當且有效的演算法精確預估行動端的位置。Google公司開發的目標是「縮短使用者取得想要資訊的距離」。該公司的使命是要實現需讓使用者很容易就可以找到期望資訊，地理定位資訊即為不可或缺。該公司自獲使用者授權的Android終端來收集WLAN訊號，涵蓋範圍越廣，越有助於定位精確度的提高。實現這種修正發送資料之方法有多種技術，如結合WLAN主動式無線標籤之定位技術，其中CSR公司開發之GPS接收晶片配備WLAN功能，以用於個人方位推估技術之定位修正。
3GPP鄰近服務
3GPP於2011年九月成立Proximity-based Service (ProSe) 工作項目，研究鄰近服務的使用情境與基本需求，目前ProSe 工作小組的主席由Qualcomm 的George Tsirtsis擔任。ProSe工作項目的研發目標為訂定使用情境 (use case) 與基本需求 (requirement)，以允許網路營運商能夠透過3GPP網路提供使用者裝置間的探索與通訊，其訂定之目標包括： (1) 整合現有之基本服務、(2) 確保用戶體驗 (user experience) 的一致性、(3) 商用與社交用途、(4) 網路分流 (offload) 用途、(5) 公共安全用途。相對於傳統UE 需經過eNB 通信的架構、ProSe工作小組新增了“direct mode” 傳輸模式架構 (如圖3) 以及“locally routed” 傳輸模式架構 (如圖4)，其中direct mode的UE1、UE2可運行在同一個eNB或不同的eNB下。
圖3:ProSe之 “direct mode”傳輸模式架構
(資料來源：3GPP TR22.803)
圖43 :ProSe之“locally routed”傳輸模式架構
近二年智慧型手機不斷的提供追蹤與定位服務，成為智慧型手機爆炸性成長的重要推手。然而現今APP仍未能完全支援車輛高速移動應用的需求，其原因之一便是現行的追蹤與定位服務主要是採用伺服器方案，位置資訊需由後端伺服器提供，在高速移動的環境下無法於極短的時間內發現 (timely discover) 鄰近裝置並交換必要資訊。因此ProSe提供了伺服器方案之外的另一種定位服務，填補了即時應用的缺口。此外ProSe亦可強化現有車載由Telematics製造商把持之封閉App市場的應用需求。以下我們將探討幾種ProSe相關的應用服務。
取代喇叭的Android終端
由於都會重新開發，高層公寓大樓增加及小型商店在消失，都會出現新形態的購物民眾。月島倉庫針對該購物民眾開發行動銷售輔助系統「Navi de Ku～lu」。行動銷售員以手持Android終端取代喇叭，於抵達銷售區域後，在Android終端上操作向伺服器送出訊息，伺服器根據該訊息向登錄區域的鄰近用戶發出電子郵件通知的機制。搭配鄰近服務(ProSe)的應用，銷售員甚至是一台行動的廣告車，可以輕易地發送販售商品清單給附近的居民，也可降低宣傳車喇叭的噪音。
互動式數位看板
數位看板(如LCD、LED、電漿顯示器，或投影系統)主要用於如零售商店、飯店、餐廳與企業大樓等商業服務場合，但有時候也用於公共服務場合。數位看板可透過觸碰面板、移動偵測器及攝影裝置等與使用者進行互動。數位看板廣告為一種非家庭式的廣告，其影片內容、廣告與訊息適時適地以數位方式呈現，為了支援互動式廣告 (interactive advertisements) 之商業模型，數位看板需要能探索靠近看板的使用者 (可不揭露其身份)，並得知其欲搜尋並觀看的訊息或廣告議題。數位看板進一步依據被探索到之使用者的喜好顯示相關之文字、圖片或影片。具備ProSe 探索功能之數位看板利用電信營運商極小之網路資源便能達成廣告之功能。
電子收費系統
電子收費系統主要應用於高速公路匝道或停車場入出口處，匝道或收費處配備著具有ProSe功能的偵測裝置，當配備著ProSe功能的使用者裝置通過匝道或收費處時，藉由ProSe的探索功能偵測到使用者裝置通過，並結合網路營運商的身份認證系統，成功達到扣款的機制，其中使用者裝置亦可以是配備於車輛上具有ProSe功能的MTC (Machine Type Communication)裝置，由於車輛的移動速度快，在極短的時間內完成ProSe的探索與資訊交換成為ProSe的基本需求。
使用區域無線網路實現鄰近服務
依據3GPP ProSe工作項目之目標，該工作項目允許終端用戶能夠探索鄰近的終端用戶，並允許終端用戶間進行點對點直接通訊 (direct mode communication)。該工作項目僅要求終端用戶需要持續於3GPP網路覆蓋下接受其控制，並未規範資料交換的無限存取技術。換言之，ProSe服務本身可以透過整合WLAN 、3GPP 系統來實現，並透過3GPP系統來控制WLAN間的資料交換。依據3GPP ProS的需求規格書 (TR 22.803)，ProSe點對點直接通訊的資料通道 (data path) 可移到WLAN通訊裝置上執行 (如Bluetooth或WiFi)，但仍需透過E-UTRA建立控制通道 (control path)。其概念乃利用額外的MAC/PHY當作資料通道 (data path)，已被廣泛應用於現有的無線標準，且可延伸營運商可用之傳輸頻寬，如Bluetooth v3.0 + HS。
目前大多數的智慧型手機都配備了IEEE 802.11、IEEE 802.15.1或NFC (near field communication) 等通訊裝置。這些通訊裝置皆具備點對點直接通訊的能力，允許3GPP 營運商針對3GPP 無線擷取網路進行卸載，並且進一步減低3GPP LTE無線存取的干擾，故透過WLAN進行直接探索與通訊特別適合於商用、社交與網路卸載 (network offloading) 之使用情境。但因為美國FCC 已經聲明公共安全 (Public Safety) 的使用情境必須使用純粹的LTE技術，故WLAN並不適用於公共安全之應用。
鄰近服務引發之合法監聽議題
依據 3GPP的三份文件TS 33.106、TS 33.107、TS 33.108，合法監聽為3GPP 網路的基本需求。電信營運商在法院授權批准後，須依法協助官方人員監聽目標的通訊內容。其基本要求如下：過去，當SA1、SA2 工作小組之標準文件訂定後，合法監聽的問題一般是在SA3 WG討論。現存的合法監聽架構 (lawful interception architecture) 是直接依附在通訊網路架構下。然而，依據3GPP ProSe 標準文件 (TR22.803)，兩個鄰近的裝置可以進行點對點直接通訊，故無法被現有的合法監聽架構截聽。因故，兩個鄰近的裝置需要內置合法監聽功能。所以，當執行合法監聽時，需停止ProSe的點對點直接通訊功能：亦或，將合法監聽功能訂定為做ProSe直接通訊的基本要求，在官方司法單位(law enforcement agency, LEA) 授權後，在不被使用知道的情況下截聽一個或多個ProSe裝置間的點對點直接通訊。如果減低服務品質 (Quality of Service)、造成服務時間延遲 (latency of service)以及增加裝置功率可能會讓被截聽者得知，故在合法監聽時不可以影響使用者的通訊。
鄰近服務於公共安全之應用
隨著防災意識高漲需求擴大，公共安全 (Public Safety) 相關的議題亦受到重視。以2011年3月11日襲擊日本東北的地震為例。因地震導致地盤變動與地震中面臨的2次災害如大海嘯，使位於受災地區附近的網路設備陷入無法使用的狀況。是故，如何將鄰近服務應用於公共安全(Public Safety) 的議題極為重要。3GPP之公共安全之議題乃是依據美國聯邦通訊委會 (Federal Communications Commission, FCC) 於2011年1月25日之公告，將LTE標準作為國家級的緊急救難 (First responders) 的寬頻通訊標準。聯邦通訊委會 (FCC) 之公告為『所有使用700 MHz之公共安全寬頻網路將使用 (LTE) 作為共同平台，以達成網路漫遊與通訊設備之互通性』。
依據上訴之描述訂定公共安全的ProSe基本規範如下，公共安全裝置應該需要能夠同時運行在公共安全與商用網路之頻譜，然而公共安全之頻譜僅限於公共安全使用。公共安全之終端裝置即使在不同的網路營運商下仍然可以使用ProSe 通訊。公共安全之終端裝置可以在無網路覆蓋的情況下自動使用ProSe直接通訊模式，而且在有網路覆蓋的情況下可由人工切換至ProSe直接通訊模式。公共安全使用ProSe有下列兩項先決條件：(1) 所有公共安全皆使用具ProSe功能(ProSe-enabled)之終端裝置、(2) ProSe 同時支援裝置探索 (device discovery) 通訊 (communication)。並考量其他區域之公共安全法規規範。
總結
相較於傳統地理定位資訊服務所提供之絕對位址，鄰近服務提供了一種新型態的定位資訊，其提供之相對位址可應用於更即時、更快速、更貼近生活的服務。試想當你發現巷口的麵包店正在特價時，你最想傳達的人是誰？應該不會是遠在隔壁縣市的親朋好友吧。另一種狀況是當你需要呼救支援時，你該向誰討救兵？所謂「遠水救不了近火」，鄰近的人將是你最佳的選擇。上述的情境正足以說明鄰近服務的趨勢，人們對於附近人、事、物的興趣將遠高於距離較遠的對象。ProSe直接探索的功能將帶給人們更快速的服務，ProSe直接傳輸的服務能降低網路營運商每一傳輸位元的成本，新型態的鄰近服務將提升營運商的用戶平均收入 (Average Revenue Per User, ARPU)。因此除了3GPP國際標準組織之外，IEEE亦成立了新的工作小組，包含IEEE 802.11 ISD、IEEE 802.15.8，探討鄰近服務相關的無線技術。隨著地理定位資訊服務的廣泛應用，能提供鄰近服務之無線通訊技術將成為下世代定位資訊服務的重要技術。
