由於手機及GPS是無線通訊領域近年來成長最為迅速的兩大領域，而兩相結合的便是A-GPS定位技術。為什麼說在行動手持裝置上需求A-GPS技術呢？主要的關鍵是A-GPS技術的定位原理係利用行動通訊技術與手持裝置GPS的搭配，可以改進傳統GPS(conventional GPS)的定位反應時間、靈敏度、精準度，以及耗電能。進一步來說，未來在手持裝置的市場裡，唯有A-GPS技術才能達到符合FCC E911 Mandate的定位反應時間及精準度需求。
但是欲利用手機的訊號鏈路來傳輸GPS定位時所需的輔助計算資料(aiding data)的通訊協定，以3GPP所規範的方式是以control plane型式，以broadcasting方式傳送輔助計算資料，不僅在手機實作上較複雜，電信網路端要配合的改變及設備投資也較多，因此近來有許多電信業者如Vodafone及China Mobile等希求以IP-based的user plane方式傳送輔助計算資料，受到許多電信業者的廣泛支持。2005年7月OMA組織更通過了OMA SUPL的規範，並且3GPP Release 6亦針對A-GPS手機訂定Minimum Performance Standard認證規範，GCF亦將相關測試規範納入自2006年第三季起必須遵從的WI-015的範疇。
以下，茲針對定位技術的發展、A-GPS定位原理、定位服務架構及通訊協定、OMA SUPL通訊協定、定位模式與運作流程、A-GPS應用範疇及未來發展等分述如下：
定位技術的發展
行動通訊網路本身就存有手機使用者的位置資訊，作為建立通話的路由資訊，以GSM網路為例這些資訊就存在VLR/HLR之中。但是，這些資訊並不足以提供精確的定位服務。當美國聯邦通訊委員會（Federal Communications Commission，FCC）規範E911法規（如表2-1）之後，要求行動電話業者建構一套行動通訊系統的技術，讓手機使用者撥出緊急電話911（相當於台灣119）時，緊急救援中心能及時獲知使用者的位置。為了達成這個目標，許多的行動定位技術被相繼提出。
(表一) 美國聯邦通訊委員會訂立之E911定位需求
定位基礎 |
定位回應時間 |
67%準確度 |
95%準確度 |
Network-based |
<30s |
<100m |
<300m |
Handset-based |
<30s |
<50m |
<150m |
行動定位技術大致分成兩類︰網路式定位技術與終端式定位技術。網路式定位為利用行動網路設備進行手機定位的技術，終端式則是利用具有定位功能的終端設備進行自我定位。
定位技術發展初期以網路式定位為主，目前台灣所有的電信廠商都是採用網路式定位技術，全球大部分經營定位服務的電信廠商也是如此。網路定位資源由電信業者所投資營運與控制，定位精確度較差，以市區來說約200-500m精度，郊區大約為1000m左右。
為了解決定位精準度的問題，於是開始導入GPS定位技術。這種高精確度的定位技術，原僅供作軍事用途，現在則廣泛利用在許多領域，如：行動中的車船能確切的透過GPS而定出目的地到達時間及路徑；救護車更能緊急有效執行救護任務；汽車駕駛者能透過電子地圖而知道目前所在位置及該往何處之目的地。然而GPS應用在行動定位中仍面臨到兩項重大難題。GPS手機在第一次定位時必須要花費約40-60秒的時間；第二，GPS必須在見天（open sky）的情形下才能接收到衛星訊號，一旦進入室內或在高樓林立的都會區中，將會嚴重干擾GPS的準確度，甚至收不到定位訊號。如表2所示。
(表二) GPS與A-GPS定位技術比較
使用環境 |
郊區戶外 |
車內 |
市區戶外 |
室內 |
靈敏度（dbm） |
-130 |
-135 |
-140~-145 |
-145~-155 |
|
GPS |
A-GPS |
GPS |
A-GPS |
GPS |
A-GPS |
GPS |
A-GPS |
FFTT（sec） |
45 |
4 |
45 |
5 |
X |
10 |
X |
20 |
誤差值（m） |
<10 |
<10 |
<20 |
<15 |
X |
<25 |
X |
<30 |
為了克服GPS定位技術的限制，A-GPS定位技術架構開始被提出來，也成為目前唯一通過美國E911規格的定位技術。A-GPS定位技術之手持式裝置關鍵在於A-GPS定位技術與行動通訊技術的掌握。終端裝置產品多由電信公司或服務廠商與手機廠商搭配，由網路營運者開立規格委託手機廠商配合開發相關的定位終端裝置。
GPS晶片之供應廠商國內外均有，包括SiRF、Global Locate、Qualcomm、RFMD、Philips、Rockwell、嘉矽、長茂、亞全等等。然而A-GPS技術搭配之定位晶片並非一般之GPS晶片，此類晶片的特點在於可以在定位過程中，可以傳如輔助定位資料進入晶片中，以提高定位精確度並縮短初使定位時間，提供A-GPS定位功能晶片的廠商有SiRF、Global Locate、TI、Atmel、Qualcomm等等廠商。本公司的產品目前主要採用SiRF及Global Locate等的晶片組及A-GPS韌體及相關技術，最主要的原因是因為這兩家廠商都同時有網路端的aiding server，並且都是OMA SUPL的活耀成員，尤其對於本公司產品標準化有許多助益。目前台灣本地並無廠商提供A-GPS的晶片，期待藉由本產品與未來更多的A-GPS相關產品問世之後，同時帶動台灣A-GPS晶片設計與開發。
A-GPS原理與架構
當GPS接收器不知道本身的大略位置時，無法估算衛星的位置，必須要重新對接收到的衛星訊號載波進行解相位與頻率以得知其距離，判斷當時天上可用之GPS衛星，此過程稱為GPS冷開機（Cold Start），往往耗時長，需要至少40秒以上時間。A-GPS定位系統是一種結合全球衛星定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）功能與通訊功能的定位系統，定位裝置本身具有完整的GPS定位功能，並能另外藉由通訊功能使用網路傳輸將輔助定位資訊送入定位晶片中，可以(1)縮短定位時間，(2)增加定位靈敏度，(3)節省定位運作的電源消耗，以及(4)增加定位精確度。A-GPS系統架構如圖一所示，整個系統包含三個部分：
| 《圖一 A-GPS架構圖》 - BigPic:789x481 |
|
- ●具通訊功能的GPS接收器：必須具有通訊能力，可以藉由無線介面傳輸輔助定位資訊，傳入晶片後進行坐標解算。
- ●網路系統端的地面GPS接收系統：A-GPS必須建立一個GPS參考網路（或者一個廣域差分GPS網路），它的接收機視野完全見天而且連續運行。這個參考網路同時連著通訊網路，如GSM/GPRS。用以產生輔助定位資訊。
- ●具有定位服務通訊功能的網路：通訊網路必須能夠提供定位服務的資源，如定位通訊協定的傳輸、坐標資訊運算、定位請求的發動等等。
此架構提供A-GPS定位系統透過行動通訊網路端輔助定位資訊的傳送，來降低初始定位時間，並解決GPS在室內或都會區內收不到定位訊號的問題，使GPS定位準確度在室內與室外皆可達5-15公尺。這些資料如下《表三 A-GPS輔助定位資料列表》所示。
(表三) A-GPS輔助定位資料列表
資料種類 |
說明 |
Time Aiding |
Method for improving PRN data demodulation |
Clock Correction |
Methods for improving accuracy of GPS TCXO |
Ephemeris Aiding |
Passing of current ephemeris across the network |
Almanac Aiding |
Passing of current almanac across the network |
Location Aiding |
Passing of approximate location across the network |
Doppler and Phase Aiding |
Used in conjunction with Network Centric mode to allow for calculation of PseudoRange data |
輔助定位資料與初始定位時間、衛星訊號品質關係如下《圖二 輔助定位資料與初始定位時間、衛星訊號品質關係圖》所示。在有輔助資料的情況下，可以有效將TTFF(time to first fixed)降低，並且在衛星訊號較弱的狀況下仍舊可以進行定位。
| 《圖二 輔助定位資料與初始定位時間、衛星訊號品質關係圖》 |
|
而因為A-GPS定位時間均極短，僅需1至數秒之間，因此平時GPS之射頻(RF)及基頻(Baseband)除了定位請求及運算的數秒時間以外，均是在全部關閉的狀態，不需要如傳統GPS般為讓下次定位更為迅速，隨時保持在熱開機的狀態，而耗損許多電源。尤其是在行動裝置上(主要電力為電池)，如此電力規劃不恰當，也不實用。因此，相對於傳統GPS，A-GPS所耗電力以一般使用者的使用行為及情境來說電力消耗約只有二十分之ㄧ，某些狀況下更省電。
並且，operator透過網路端定位技術如Cell-ID或是E-OTD的混合定位方式(Hybrid)，提供使用者如下圖般無縫隙的定位結果。
| 《圖三 A-GPS及& Cell-ID的混成定位技術提供較佳的定位結果》 |
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定位服務架構及通訊協定
GSM/GPRS/UMTS網路的LCS標準是由ETSI/3GPP所制定，主要工作成員為3GPP之TSG SA小組，訂立的標準包括LCS stage 1、LCS stage 2和LCS stage 3。定位服務運作步驟從定位開始到定位結束，基本上可以分為三個階段，如下《表四 定位服務運作步驟》所示。
(表四) A-GPS輔助定位資料列表定位服務運作步驟
項次 |
項目 |
說明 |
1 |
Location preparation |
此階段包含幾項步驟：查核MS使用者的隱私權設定，保留個別定位程式所需網路資源，找出被追蹤MS並建立訊息溝通管道，依照定位QoS與現行網路資源決定定位方法。 |
2 |
Positioning measurement establishment procedure |
此階段即為定位的核心流程，與LCS定位服務網路或是MS所提供的定位資源極為相關，不同的定位方法會採用不同的位置量測流程與步驟。 |
3 |
Location calculation and release procedure |
此為定位核心流程之後的階段，在將量測結果進行運算取得坐標，並釋放所有曾經佔用到的網路資源。 |
在3GPP所提出Release 4之後較新的LCS網路架構中，考慮到使用GPRS的網路設備，讓GPRS中的SGSN加入LCS服務運作的流程中。當使用者在封包交換（Packet switching，PS）網路傳輸同時，則藉SGSN與BSS系統的連接，建立MS與SMLC之間的連線，在2.5G網路中提供另一條傳輸LCS訊息的通道。另外，此規格中同時設計3G網路的LCS架構，與2G/2.5G網路共同構成完整的LCS網路，如下圖四：
| 《圖四 UMTS GERAN網路LCS架構圖（3GPP Release4）》 - BigPic:565x318 |
|
而GSM LCS完整架構中的各局端設備間均有特定的通訊協定以提供定位功能的運作，依照網路傳輸方式的差異建構出不同的通訊協定堆疊。在此我們針對與行動通訊台相關的通訊協定進行說明，其他LCS相關設備的通訊協定則省略不討論。在迴路交換（Circuit switch，CS）的GSM網路中，SMLC與MS以BSC進行溝通，通訊協定堆疊，如圖五、圖六所示。在封包交換的GPRS網路中，SMLC與MS之間以SGSN建立溝通管道進行溝通，通訊協定堆疊如《圖七 SMLC與MS之間PS狀況下的通訊協定》、《圖八 SMLC與MS PS通訊模式》所示，兩者因網路的種類不同，在Layer 3以下有不同的通訊協定。
| 《圖七 SMLC與MS之間PS狀況下的通訊協定》 - BigPic:555x205 |
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我們針對Layer 3 以上MS與SMLC之間提供LCS服務的RRLP（Radio Resource Location Protocol）通訊協定進行說明。RRLP通訊協定為專門提供LCS功能之協定，其規範的訊息種類包含五種，如《表五 RRLP通訊協定種類表》所示。
(表五) RRLP通訊協定種類表
項次 |
訊息種類 |
說明 |
1 |
位置定位請求 Measure Position Request
|
為SMLC向MS所發出之定位請求。訊息包括定位指令、定位方法的指定、定位服務QoS指標等等。另外定位請求訊息可同時包含輔助定位資料（Assistance Data）。 |
2 |
位置定位結果 Measure Position Response
|
為MS回應SMLC定位請求之定位結果。訊息包括位置測量值、坐標估計值與誤差量等。 |
3 |
輔助定位資料Assistant Data |
為SMLC傳輸定位相關輔助資料給MS的訊息。依照不同的定位方法需求，決定不同輔助定位資料的種類。 |
4 |
輔助定位資料確認Assistant Data Acknowledgement |
為當MS收到輔助資料時回覆給SMLC的確認訊息。 |
5 |
通訊協定錯誤訊息Protocol Error |
當SMLC或MS任何一方在定位過程中，發生任何運作錯誤時傳輸給對方的錯誤訊息，提供定位功能故障處理的依據。 |
若依照位置資訊請求（Location Request，LR）發出單元的不同，將定位的情境分成兩類：「位置定位請求」(MT-LR, Mobile Terminated Location Request)與「位置定位結果」(MO-LR, Mobile Originated Location Request)，分別如下圖所示。
| 《圖九 位置定位請求(Mobile Terminated Location Request)運作模式示意圖》 - BigPic:837x519 |
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| 《圖十 位置定位結果(Mobile Originated Location Request)運作模式示意圖》 - BigPic:843x530 |
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OMA SUPL通訊協定
GSM RRLP（相對於WCDMA為RRC protocol；CDMA網路為IS-801 protocol）原本係以Control Plane型式架構在RR層之上的傳輸方式，為MS與SMLC之間提供LCS服務。其架構如下圖-11及圖-12所示。
| 《圖十一 Control Plane Signaling架構示意圖》 - BigPic:789x306 |
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| 《圖十二 3GPP LCS Standard之網路輔助流程(Control Plane Signaling)》 - BigPic:846x482 |
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如圖-12所示，這麼一來電信業者operator為了提供A-GPS服務必須在原有的GSM網路系統架構(圖-5)或GPRS網路系統架構(圖-7)作為數不少的整合及可觀的電信設備投資。因此，A-GPS技術架構提出初期，許多電信業者，尤其是2G/2.5G的業者及手機製造商而言，對於架構在RR層的implement方式望之卻步。及至2003年底初，許多電信業者及GPS晶片商，如Vodafone、AT&T、China Mobile、Global Locate等共同提出以IP網路為基礎架構User Plane方式，並提交此架構至OMA組織，希望變成標準之一。OMA組織之LOC工作小組成立目的係為促進Mobile Location Protocol、Roaming Location Protocol、Privacy Checking Protocol、SUPL (Secure User Plane Location)等標準化而努力。經過多次討論，終於於2005年年中左右定案，OMA SUPL 1.0於焉誕生，其架構示意圖如下圖-13及圖-14所示。
| 《圖十三 User Plane Signaling架構示意圖》 - BigPic:790x328 |
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| 《圖十四 IP-based之OMA SUPL的網路輔助流程(User Plane Signaling)》 - BigPic:849x507 |
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從此A-GPS技術進入嶄新的紀元，電信業者可以以IP網路為基礎，並且直接架構在TCP層之上，以更容易部署的方式以標準的通訊協定方式傳輸定位輔助資料，如下圖-15所示。並且相關的測試規範如3GPP Release 6 MPS認證規範，以及GCF WI-015相關測試規範陸續建立。
| 《圖十五 GSM/GPRS LCS與IP-based的OMA SUPL服務架構比較示意圖》 |
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但是以IP-based為網路架構提供位置定位結果(MO-LR)的運作模式固然沒有問題，如圖-16所示，那是因為MS端主動連線GPRS網路時都會賦予一個浮動的IP位置。但是如果是來自網路端的位置定位請求(MT-LR)，則因為MS端並不會有固定的IP，並且即使有固定的IP，為了結電，MS端也不會一直掛在GPRS網路端，因此如何由網路端連線被定位端MS變成為主要的問題，如圖-17所示。實作上以WAP PUSH或SMS驅動連線。
| 《圖十六 User Plane之位置定位結果(MO-LR)運作流程示意圖》 - BigPic:793x297 |
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| 《圖十七 User Plane之位置定位請求(MT-LR)運作流程示意圖》 - BigPic:793x378 |
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定位模式與運作流程
當行動網路與GPS定位晶片到位之後，就需要結合行動通信網路傳送GPS輔助參考訊號，提供GPS定位晶片所需的定位資訊進行定位機制的運作。
從定位終端裝置到網路系統端的功能比重不同，可以組合出四種不同型式混合的定位模式。與傳統GPS相較，不僅精確度及靈敏度提高，更彌補在訊號較差如室內或是擁擠市區的收訊。定位模式如下《表六 A-GPS定位模式列表》。
(表六) A-GPS定位模式列表
A-GPS定位模式 |
說明 |
輔助資料種類 |
MS-based（即Network-assisted） |
利用無線通信網路傳送輔助衛星資訊到手機，由手機計算位置資訊，經由行動通信網路回傳位置資訊至網路伺服器。此模式可大幅度改善傳統衛星定位系統的使用範圍與第一次定位時間 |
Network+MS aiding：
GPS navigation data |
MS-assisted（即Network-based） |
手機傳送衛星量測資訊至網路伺服器，網路伺服器結合手機量測資訊與衛星輔助資訊計算出手機位置資訊。此模式可大幅度改善傳統衛星定位系統的使用範圍，但佔用較多的行動通信網路資源，適用於緊急救援服務（例如E-911） |
Network+MS aiding：
GPS acquisition data |
Autonomous |
由手機端直接接收衛星資訊運算並顯示位址資訊，此模式不須使用無線通訊網路傳送輔助衛星資訊，但使用無線通訊網路回傳位址資訊，至網路伺服器端.此模式手機端可連續回傳位址資訊與衛星量測資料（最小時間間隔為1秒）至網路伺服器端 |
MS aiding：
Time，
clock correction，
approximate position |
Standalone |
由手機端直接接收衛星資訊運算並顯示位址資訊，運作方式與傳統GPS相同。此種定位方式不須連接無線通訊網路，手機是唯一的位址資訊擁有者，隱私權保護最佳。不須網路通訊來回較適用於定位要求頻繁的各種定位應用服務，但因無網路傳送輔助衛星資訊將造成其使用範圍較小與第一次定位時間較長 |
無 |
結語
自OMA SUPL Standard確立後，A-GPS發展進入新的紀元，相信的不久將來，以標準的通訊協定方式傳輸定位輔助資料，並通過許多測試規範的的相關手機、設備及應用服務將會如雨後春筍般蓬勃發展，也如許多研究報告所示的，以A-GPS技術所導引並衍生的Location-based Services將成為下一波3G網路的殺手級應用。
作者為華寶通訊新技術開發部副總
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