工程實務

資訊部

副理

吳榮煌

智慧運輸部

專案工程師

鄭子玔

根據交通部電信總局之統計，至2003年底台灣地區使用GSM（Global System for Mobile Communications）行動電話系統的用戶數為25,090千戶，普及率高達世界第一位，除了個人化之通訊需求外，許多應用行動電話衍生之商業服務亦不斷地推陳出新，其中定位服務更是逐漸受到使用者的重視。鑑於國內行動通訊發展之有利條件，交通部遂於民國九十一年進行「利用行動電話偵測交通資訊之可行性研究」，嘗試藉由對蜂巢式行動通訊系統之研析，以了解利用行動電話系統進行交通資訊監控的現有技術水準，及此項技術應用在交通系統控制與旅行者資訊管理上之潛力與可行性，並於隔年賡續推動「行動電話定位技術應用於ITS資訊平台之開發與實作」之研究計畫（以下簡稱本計畫），期望利用國內既有綿密的行動電話網路蒐集交通相關資訊，其主要著眼點為相對於傳統車輛偵測器等偵測設施，其建置與維護成本相對較低，若能找尋到適當之蒐集方式，其資料經由資訊中心整理後不僅可回饋通訊業者或其他交通資訊提供者作加值服務，同時可補充既有交通偵測設施之不足，進而提供用路人更豐富之行車資訊。本文擬將就此研究相關內容，從技術發展、研究測試及應用服務等各方面提出說明與探討，希能藉此研究之議題延伸後續發展，並引發更具體之業務發展機會。

本計畫之主要目的係擬利用國內既有綿密的行動電話網路與高普及率行動電話用戶，以實測作為，探究行動定位服務(Location Based Serviced；LBS)技術應用於交通資訊收蒐實際狀況。本計畫擬採用本項LBS技術之主要利基點在於國內手機持有率高、技術環境趨於成熟，同時目前亦有業者已逐步利用本項技術推出相關之商業加值服務。故短期內，相較於其他通訊技術，LBS技術應是比較可行有效之工具。就交通監控及資訊管理的角度觀之，利用LBS此一管道所收集的交通資訊，經過適當之加值處理，應可計算出某些路段或特定區段之平均車速；其後，如果再經過進行資料後續處理，應可進一步預測其旅行時間，且可再將此有用資訊再透過資訊可變標誌、手機、網際網路、數位廣播等管道，提供用路人規劃旅程或路線之依據，進而減少用路人之旅行時間。長期而言，更可調整用路人之旅運行為，如經由最適路徑之導引，可間接減少車輛延滯造成之空氣污染，進而提昇能源使用效率。未來，若本項實測計畫實施成效良好，在大規模推動下，將可減輕各政府機關對於收集即時路況所需佈設各式車輛偵測器之施政壓力與財力負擔。故本計畫之重要性，可見一斑。

行動電話持有者之位置通常可以透過幾種不同的定位方法獲得，這些方法包括Cell-ID（微細胞識別碼）、Enhanced Observed Time Difference(E-OTD)、Time of Arrival（TOA）、Wireless Assisted GPS（A-GPS）等，若以技術型態區分一般又歸納為網路端（Network Based）或系統端定位、行動端（Mobile Based）定位與混合式定位三大類，以下將針對這些方法作簡要說明：

Cell-ID之定位技術需要網路端之BTS(Base Transceiver Station) 驗證行動電話正與其處於溝通情況，當手機撥號時網路端將即時更新其所在之細胞(Cell)位置，若手機處於開機但未通話情況時，系統網路僅記錄其最後通話之位置於HLR(Home Location Register) ，故為更新手機之最新位置，網路端將通知手機監視其週圍之BTS信號，如此網路端始能獲得手機端所處之Cell-ID資訊。Cell ID 定位技術之準確率與細胞分佈範圍有關，依典型之GSM細胞分佈可以2公里到20公里，若以更小範圍之微細胞(Pico Cell)而言，則可縮小至150公尺，此外若以Cell-ID搭配TA(Timing Advance)或以Cell-ID搭配信號強度(Signal Strength；RX Measurement/Network Measurement Results) 亦可達到提升準確率之效果。

Cell-ID之技術係在不需增加網路設備或更改手機情況下，在現有GSM蜂巢式通訊網路架構為基礎，在網路上定出手機的位置，惟其準確率不高，若要增加準確率可在網路上增加位置量測設備LMU(Location Measurement Unit)，E-OTD定位技術是在GSM網路之基地台間安裝一部LMU設備，LMU可以安裝在基地台或位置伺服器內，其內含精確之原子鐘作為定位時序校對依據，當定位系統進行定位查詢時，先命令目標手機送出電波訊號，電波訊號經附近基地台接收後轉送至最近之LMU，LMU依照基地台個別收到的時間，計算出目標手機與其附近基地台之距離，然後以多點交插定位原理計算出目標手機正確位置。

相較於E-OTD在GSM網路許多基地台間裝設LMU，定位方法 TOA是在GSM網路上所有的基地台都裝置LMU設備，所有的LMU 都包含精確的原子鐘作為定位的時序校對依據，從目標手機發出的訊號傳送到週遭三個基地台的LMU後，基地台的LMU即能準確的計算出目標手機與基地台間的距離，之後同樣以多點交叉定位的方法，定位出目標手機的正確位置。

A-GPS(Assistant Global Positioning System)定位技術是混合定位技術，即利用行動端定位功能與網路端定位功能的結合。A-GPS之定位方法需要在手機內增加GPS接收模組，並改造手機天線，但手機本身並不對位置訊息進行計算，而是將GPS的位置信號數據傳給後端網路，由網路的定位服務器進行位置計算，同時後端網路依據GPS的參考網路所產生之輔助數據，如差分校正數據、衛星運行狀態等傳遞給手機，並從網路端之手機資料庫查出手機的近似位置傳給手機。由於此時手機可以很快擷取到GPS信號，一般僅需幾秒的時間，不需像GPS的首次擷取時間可能要2～3分鐘左右，而精度也可縮小至10公尺之範圍，高於一般只使用GPS信號之精度。

行動定位服務之發展已經受到世人之囑目，據美國權威機構預測，2004年行動定位服務之產值在美國將達到40億美元，全世界為300億美元；歐洲的研究報告亦指出，2005年行動定位服務市場將為43.8億歐元；按照日本NTT DOCOMO無線加值業務的發展曲線，數據業務的5%將與定位服務相關。

關於國外行動定位服務相關發展案例，本計畫以各洲別、定位技術、通訊系統、精確度以及資訊加值應用進行分類，將先進之定位技術加以分類整理如表2所示。

相較於美國以法令方式（E911）規範其國內行動通訊業者配合定位服務，國內目前尚未有同樣之約束規定，惟經921大地震後有關於緊急情況之通訊服務因救援安全需求而逐漸受重視，現在GSM系統只要透過手機直撥「112」緊急救難專線，即可直接連線到內政部警政署的110報案專線或119急難救助中心尋求救援協助；至於在商用服務上，受限於語音通訊市場漸趨飽和之情況，行動通訊業者無不絞盡腦汁創造其他商業機會，行動定位服務正是其應用的項目之一，其所包涵之內容各具巧思，大體而言為一般生活消費之應用，茲將各家業者推出之商業行動定位服務加值內容整理如表3。

本計畫原擬以四年的時間應用「行動電話定位技術」，進行交通資訊收集與提供即時系統之開發與實作，執行時間自民國九十二年至民國九十五年共計四年期。第一年期建置計畫為應用行動電話通訊技術於國道高速公路，構建即時交通資訊收集與提供機制。第二年期建置計畫為應用行動電話通訊技術於省道與重要聯絡道路、快速道路之即時交通資訊收集與提供。第三年期建置計畫為應用行動電話通訊技術於都會區道路之即時交通資訊收集與提供。第四年期建置計畫則進行路網系統整合、實際測試、績效評估與永續經營模式之建立，本文僅以92年期之規劃內容為例說明如下：

第一年期研究計畫將以北部區域第一及第二高速公路為範圍。在不影響目前系統營運的情形下，與行動電話系統業者合作，應用行動電話定位技術於上述研究路線進行即時交通資訊蒐集與提供之可行性研究，作為未來提供用路人路徑選擇等交通資訊來源參考。

資料蒐集來源管道係利用行動電話網路，偵測行動台所在Cell-ID資訊，並利用基地台於高速公路分佈狀況將Cell-ID資訊轉換為高速公路上位置資訊，以提供交通資訊之蒐集；在資料提供方面，規劃相關資訊加值服務項目，並規劃以無線通訊方式傳送交通資訊給行動中之用路人。

本計畫(92年期)合作廠商和信電訊針對行動定位技術之應用，於2003年採用Nokia的行動定位技術--「mPosition」作為行動定位服務的解決方案。Nokia所推出的「mPosition」行動定位解決方案由Gateway Mobile Location Center(GMLC)、Serving Mobile Location Center(SMLC)、以及其他相關的網路產品等產品組成，其行動定位技術的運作架構，主要是透過核心設備—GMLC來負責系統網路與應用伺服器間的連結，一方面利用Cell-ID的定位技術計算使用者所在位置，同時接收、處理來自使用者要求提供定位服務的訊號；另一方面則透過HTTP/S協定與應用伺服器連結，接收來自於網際網路或內容提供者的應用內容，再將其傳送給使用者。另一項設備—SMLC，則負責將Cell-ID所得之數據轉換為經緯度後，再傳送給GMLC進行定位資訊的處理，如圖一所示。

目前這套行動定位解決方案雖仍採用簡易的Cell-ID定位技術，定位準確度的誤差範圍達500-1000公尺，不過從Nokia的資料來看，「mPosition」已為營運業者保留了系統升級的空間，換句話說，此套方案的下一個版本除了可以納入E-OTD與A-GPS定位技術外，更可適用於2.5G的GPRS網路與3G的WCDMA網路，甚至於是未來的全IP網路。而其定位準確度的誤差範圍更可縮小至50-100公尺。然而，截至2003年中為止，Nokia仍未宣佈將推出內建E-OTD軟體或A-GPS元件的新手機計畫，因此，短期內業者僅能利用Cell-ID技術提供準確度較低的行動定位服務，俟內建定位功能的新手機推出與2.5G以後的新網路佈建完成後，才能提供準確度較高與應用項目較豐富的行動定位服務，參考表4。

CI+TA+Rx(Rx：接收功率) 行動定位方式使用細胞、區方位，基地台中央至手機的距離，及Rx Level來定位手機。此行動定位方式在單一基地台下，所有手機均可定位。在實際GSM網路上，單一數據的因素不能代表行動定位的準確性，亦即行動定位精準度受下列多重因素的影響：

手機擷取定位資訊的前提假設是一般大眾所使用的手機(移動台，mobile sets)，可以經由定位應用系統，透過無線通信業者之系統取得定位資訊，其主要方式可以歸納成三種：一是由手機端(移動台)主動發出訊息，二為基地台系統主動擷取訊息，三為移動台運動路程經過兩個LAC(Location Area Code)時，將自動產生區域更新事件(event)，了解此三種方式是本計畫進行實測前必須準備之前置工作重點，茲個別提出說明如下：

此方式可以產生的主要訊息型式為通話紀錄(CDR)，惟必須由手機端發出通話後，才能產生通話紀錄。無疑的，經由手機端主動發話所產生的CDR為成本最低的方式，無須更動現有的系統設備，因為業者也都仰賴CDR來收取費用，故資訊的儲存與取得顧慮較少，僅須增加一些擷取界面便可對其再作加值應用。但此種方式取得之資料相對較不精確，除了資料量不夠大且必須有通話才能產生紀錄外，CDR內之定位資訊為間接資訊，而非直接之手機位置資訊，即CDR內容係開始通話時接收到的基地台與通話結束時的基地台的識別編號(Cell ID)，而非經緯度的座標，更不是手機的經緯度座標，因此資料必須再進一步處理才能縮小手機的位置範圍。通話紀錄擷取流程如圖二所示。

系統主動擷取定位資訊可以排除CDR的各種缺點，簡言之，無須高速公路參數，無須系統參數，也無須手機主動發話，無線通信系統業者的系統端，只要該手機在開機的狀態中，系統便可以主動的取得手機的位置。然而由於以通信服務為主的無線通信系統業者，定位服務並非其主要業務，故要提供定位服務，尚須擴增或更新系統的設備，因為所有的轉換工作都須由系統來處理，故此一系統主動擷取定位資訊，其成本相對較高。關於擷取界面程序步驟，對於無線通信系統業者的系統而言，擷取定位資訊的應用系統都被稱定位服務的客戶端(LCS， Location Service Client)，無線通信系統提供一套通信協定的應用程式界面(API，Application Program Interface)讓客戶端來連結上該系統以擷取資訊，和信採用Nokia系統， Nokia 提供之應用程式界面(API，Application Program Interface)稱為移動定位協定(MLP，Mobile Location Protocol)。此套移動定位協定(MLP)係遵守http之規定，除了採用http規定之格式外，目前該通信協定之內容並無開放性標準可以遵守，Nokia亦仍處於發展中。

當客戶端(Client)向系統下達通信命令後，系統中之GMLC便透過內部網路及機制向交換機要求找尋移動台之位置，而交換機便透過基地台細胞發出廣播呼叫(Paging)，並以基地台傳回到達時間(Time Advance)及信號強度來計算其在基地台細胞裏的相對位置，之後將所得到的定位資訊回傳給GMLC，再送給客戶端(Client)，此一資訊流程中最主要的步驟便是呼叫(Paging)機制。圖三顯示整個呼叫流程，同時這也表示出此一主動擷取定位資料的方式與電信業者間之系統整合界面，無法利用既有的通信管道，而是要添加系統設備才能完成此一任務。所須添加的設備包括匣道移動定位中心(GMLC)及移動定位服務中心(SMLC)，由GMLC及SMLC向交換機MSC發出MLP命令，而後交換機進行Paging以取的定位資訊。Nokia 的移動定位協定，擁有多種的命令型態，並可依客戶端要求立即傳回單個或多個手機的定位資訊(Standard Location Immediate Services)，也可以由系統端向客戶端主動報告手機定位資訊(Standard Location Reporting Services)，也可以是自動的回報(Triggered Location Reporting Services by event or time)，而該採取何種方式端視定位服務應用系統的性質來決定。

無線交換系統的交換機(MSC)管轄無數個蜂巢細胞基地台，在通話交換的管理上，蜂巢細胞會劃分成群組(Grouping)而成為一區域(LA，Location Area)，每一個交換機轄下的蜂巢細胞基地台便階層劃分成數個區域，而形成MSC-LA-Cell的階層，通常一個交換機控制約3-4個區域。交換機如何掌握移動台的確切移動形蹤? 當然，最終是透過廣播呼叫的機制(Paging)，若有定位精度的要求，就要配合設備定位演算能力的擴增。然而在廣播呼叫之前，每一個交換機在任何時間都會掌握所有管轄下的移動台基本動態狀況(profile)，這是透過HLR(Home Location Register)及VLR(Visited Location Register)的機制而達成。亦即移動台所在的區域位置(LAC)改變時，交換系統會在VLR做更新登錄(Location Updating)，當移動台移動範圍跨越兩個交換機時，便會在HLR上做更新登錄(Location Updating)。故這兩類的位置辨識碼的更新，使得系統中的HLR及VLR隨時保留著轄下的所有移動台號碼的最新現況。

就高速公路上的車量CarT而言，可以區分成三大類：(1)沒有手機及手機沒開機者CarNo，(2)有手機並開機者CarMs，及(3) 開機且通話者CarSp，其中開機且通話者CarSp只是CarMs的一部分，我們可以預知車上手機號碼的數量CarSim也遠小於有手機並開機者CarMs，因此：

故較有代表性的資料，應該來自於CarMs，而非CarSp或CarSim。CarMs，來自於第三種方式，故通過臨接區域所產生的交換區域碼更新記錄值得深入研究。

總結這三種方式，以交換區域碼更新紀錄（即自動產生區域更新事件(event)）最符合本節所述前提假設，只要一般大眾使用手機(移動台)於車上，便可以經由定位應用系統並透過無線通信業者來取得定位資訊，惟此為技術應用之分析，本計畫執行過程仍面臨更新資料非即時、部分資料受通訊網路系統嚴密保護而無法直接取用等實際問題。

本實測之主要目的係依據計畫原始需求，在不影響目前系統營運的情況下，擬進一步了解利用現有行動電話定位技術以收集交通資訊之實際情況及後續擴大應用的可行性。至於整體測試作業，經前述之規劃分析後，擬訂如下工作要點：

1. 於國道高速公路特定區域範圍，進行問題發掘、方法調整、資料分析與範圍控制等實測工作，期能掌握具體工作進度。

3. 配合和信電信系統增添無線定位系統設施之建置時程（民國92年下半年），採兩階段實測進行探討，第一階段利用手動撥打電話以取得和信電訊所提供之Cell-ID資料，並比較分析行動電話之自動定位與手動撥打之實測結果；第二階段利用系統主動擷取和信門號之Cell-ID資料，探討以系統主動擷取定位資訊之實測結果。

4. 測試時段：為避免測試時段過於接近交通尖峰時段，導致影響正常時段之測試，本計畫選取測試日期之下午2～6點為測試時段。

5. 測試路線：以國道一號高速公路段為測試路線，並選取三重到內壢交流道為測試路線範圍，相關測試路線資料參考圖四與表5。

6. 測試設備：車輛端，(1)第一階段實測以國道客運業車輛六輛作為測試車輛，另配備工程模式手機、一般手機、備用電池等。(2)第二階段實測搭配GPS設備作為對照，以裝載GPS車機之小汽車五輛作為測試車輛，並配備GPRS（General Packet Radio Service）手機及備用電池等。

1. 第一階段測試操作步驟如圖五所示，計有兩種方式進行，分別說明如下：

b. 記錄事項(依重要性排序)：里程標示、停等時間、是否為停等點(交流道、收費站)、瞬時速度、時間。

c. 利用工程手機自動取得Cell-ID之訊號強弱數據，再經由人工記錄以獲得高速公路沿線各路段相對應之Cell-ID值，相關資料可整理成高速公路沿線基地台南北向分佈表。

Ø 利用和信電訊所偵測資料，可獲得偵測時間與對應之Cell-ID，再配合觀測之路段距離資料，可整理成高速公路基地台沿線南北向分佈表。

2. 第二階段測試操作步驟如圖六所示，計有兩種方式進行，說明如下：

Ø 主動擷取定位資訊方式之一是以每隔10秒鐘擷取5個指定門號(2、4、6、8、10)，每輪擷取之十個門號分別位於五輛車上，如圖七所示。

Ø GPS為現行許多車隊或移動式偵測器所取得之定位資料，因此第二階段實測每部車輛上備有GPS車機與手機進行測試，以GPS作為真值與主動擷取之定位資訊結果進行比較，如圖八所示。

本計畫的核心標的與最終目標應是由系統自動擷取行動台對應的位置，但受限於現有技術及系統設備功能，本計畫以撥號定位之方式來模擬自動定位效果。實測方面，本計畫運用工程模式手機模擬自動定位及運用一般模式手機實地撥號測試等兩種方式辦理。在執行兩種測試之後，以一公正之方式檢定其兩者定位之無差異，並選擇以T檢定方式檢定兩者之差異，檢定結果如表6所示。

由於目前定位精準度只能取得Cell-ID值之ID資料，因此本計畫利用高速公路基地台分佈表取得各基地台於高速公路上之分佈範圍，並以各基地台分佈範圍之中點值作為各基地台Cell-ID位置之代表值，再以基地台涵蓋範圍中點取代實際地點，然需利用統計方法檢定其兩者定位之差異狀況，仍以T檢定方式檢定兩者之差異，檢定結果如表7所示。

LAC之定位誤差取決於進入LAC時，該Cell-ID之涵蓋範圍與定位誤差，以第一次實測之結果可知定位誤差約為兩百多公尺。根據測試數據可知，假設LAC於此實測之高速公路路段可能涵蓋範圍長度約為10公里，因此若以平均時速60公里計算，約需十分鐘才可得到第二筆定位資訊，此為資訊更新頻率之限制。

綜觀國內外技術文獻與報告，對於技術介紹與產品報導部份相當廣泛深入，但對於設備投資，操作盲點與重要限制等項則甚少探討。本計畫經由對於電信業者進行問卷訪談已深刻了解到，由於目前行動定位之市場需求不甚明顯且設備投資成本過高，因此電信業者對於需投入大量成本以提高系統端定位精確度之建置工作多躊躇不前。雖然目前由系統端進行行動定位的工作遭遇重要困難，但這並不表示未來電信業者不予投資行動定位的相關系統設備，尤其是未來進入3G通訊時代，相信在開拓、挖掘新的行動定位需求方面必能有較大突破，是時必能引發業者投資意願。

由於行動定位系統設備之投資金額相當龐大，本研究團隊成員之一和信電信為配合本計畫，耗資新購入之行動定位系統（MLS）設備為例，其系統最大容量(Max Capability)也僅有：50 TPS（最大處理能力），而合約使用單位(RTU)：限制在2 TPS，因此於未來有大量行動定位需求時，將遭遇系統容量不足之限制，相反的亦只有市場產生大量定位需求，才能驅動市場機制促使業者進行系統容量設備投資，故研究行動定位相關服務項目以發掘與創造市場需求，成為重要課題。

利用行動電話定位技術可提供道路即時交通資訊收集與提供，並可提供相關個人化定位服務，但用戶個人資料於定位過程中將可能傳遞至電信業者及網路接取業者手中，進而涉及隱私權問題。過去隱私權與今日隱私權有相當大之差異，過去個人的相關資訊之收集的過程是繁瑣且複雜的，在今日網路化的社會中許多個人化之資訊隨著電子化、網路化而散佈各地，資訊隱私權的問題逐漸浮現。所謂「資訊隱私權」，有認為係指「非侷限於不讓他人取得我們的個人資訊，而是應該擴張到由我們自己控制個人資訊的使用與流向」，而依據1974年美國隱私法精神，亦有認為其意義在於「在沒有通知當事人並獲得其書面同意之前，資料持有者不可以將當事人為某特定目的所提供的資料用在另一個目的上」。

依國家別、相關法令及其所規範之內容進行分類整理，各國隱私權相關法律規範歸納如表8所示。針對行動定位所產生之隱私權相關課題，透過了解各國立法精神、原則與相關規範內容可知，如在公開或使用其他人知悉用戶之位置資訊前須經其事前同意授權，並保障通信安全及維護使用者權益，政府官員或相關業者不得向他人或其他機關公開個人紀錄等，此舉可作為未來從事行動定位業務時避免侵犯手機用戶位置隱私之參考。

目前國內對於行動定位之法令規範仍無施行細節之相關規定，為求行動定位之長期性發展，使電信業者能更為積極投入行動定位市場，並避免民眾之對隱私權受損產生疑慮，長期而言仍須仰賴完整行動定位相關法律訂定，並配合完善的資料加密機制，以確保行動定位隱私權得到最完善的保障。然短、中期仍可遵循目前法令之相關規範，透過對於使用者事前同意契約之簽訂、業者資料處理與加密機制之建立，以避免相關法律糾紛。

1. 本計畫對於國內外應用行動電話通訊技術發展現況與各種定位行動電話定位技術進行廣泛研究，於技術面上了解各種定位技術內容、應用方式、限制與技術發展趨勢，階段性成果可作為未來進行行動電話定位應用之選擇參考。

2. 透過實地測試與分析，以網路端進行行動定位之精準度仍有改善空間，例如藉由定位位置修正至高速公路之方式，惟其結果仍符合技術上之預期。

3. 由於網路端設備投資不足，系統與傳輸容量有限，因此目前以網路端利用行動定位收集即時交通資訊有即時性之限制，亦即相關資料可推估歷史旅行時間，但尚不足以進行即時動態旅行時間推估。

4. 透過本期研究及與電信業者進行問卷訪談後，初步了解由於市場需求尚不明顯且設備投資成本過高，因此電信業者對於投入大量資金以提高網路端定位精確度的投資作為仍躊躇不前，故目前國內業者對於以網路端進行行動定位之作法不甚熱中；雖然如此，未來電信業者投資於行動定位並非全無可能，因為未來進入3G通訊時代時，倘若能開拓、挖掘出新的行動定位需求，引發業者投資意願，對於實務上進行行動定位預期將能有顯著突破。

(1) 行動電話定位技術應用於ITS資訊平台之開發與實作(一)：應用行動電話通訊技術於國道高速公路

(2) 無線通訊網路概論-GSM，GPRS，3G，WAP，Application,文魁資訊股份有限公司，禹帆編著。

網址：http://www.ctiforum.com/factory/f03_09/sh_hongtu/sh_hongtu03_0901.htm。

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