【Lynn寫點週報】當精準定位成為可能,人們還有隱私嗎? 淺談 5G 通訊如何達到「高精準度定位」

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上篇文章「從基地台到 5G 手機 – 淺談全球 5G 通訊市場發展現況」整理了 5G 目前的市場現況,提到現有的 5G 標準仍然不完整,根據 3GPP 的進度表,業界必須等到 2020 年才會有較為完整的 Release-16 標準釋出。

那 Release-16 這個版本有何突破?不像外界強調的 10 Gps 傳輸速度,這次的標準制定更著重於 5G 通訊對於物聯網 A-IoT 與車聯網的應用規範要求,要求通訊標準的效能與效率都要達到一定的標準,例如傳輸訊號的覆蓋範圍、延遲、能源消耗、訊號干擾、多天線傳輸(MIMO)以及定位效能提升(5G Location and Positioning Enhancements)。

雖然說新版的 5G 通訊標準有眾多的新規格,預計帶來更完整的通訊功能,但「高精度定位」的革新絕對是最引人注目的功能,假設新一代的通訊標準有辦法實現更精準的定位,那麼未來的潛在應用將充滿想像空間。

高精準度的定位與追蹤系統

地圖導航、呼叫計程車、位置共享、物體追蹤等等的常見日常應用都需要開啟智慧型手機的「定位(Location)」功能,但我們也深受其誤差困擾,比如說實際位置與螢幕上的位置常常誤差了數十公尺,導致司機找不到乘客或是無法掌握對方的正確位置,目前 4G 時代的民用定位性能雖然相較過去有了長足的進步,但只能算是堪用的地步。

根據 3GPP 所提出的研究報告,以現有的定位技術來說,單一系統的定位方式不足以提供足夠的精確度,誤差範圍都在 50 公尺之內,必須使用混合的模式增加定位的精確度,目前主流的定位系統包含:3GPP(LTE)、室內定位技術(Terrestrial Beacon System, TBS)、 WiFi 定位、藍芽(Bluetooth)以及全球衛星定位系統(GNSS)── 綜合上述技術,民用精準度可提升到一般戶外 0.3 公尺的正確度,不過要達到這個數值依然高度仰賴現場的環境條件。

智慧型手機同時使用數種方式進行定位,最主要的方式有兩種,分別是 3GPP(LTE) 及全球衛星定位系統(GNSS)。

LTE 是透過基地台發送的相對訊號進行三角定位,電信商可以透過基地台的位置及對應的訊號強弱程度判斷接收者的位置,但這項技術精準度不高,通常會搭配 GNSS 來提高精準度,像是智慧型手機均會搭載 GPS 晶片接收衛星的位置訊息,原理是單向接受數顆衛星的訊號進行定位,常見的衛星系統像是 GLONASS 、北斗、伽利略及最常見的 GPS 系統。

雖然現有的技術可以在戶外提供不錯的效果,但受到建築物群遮蔽及訊號的影響,到了室內精準度卻會大幅下降,但物聯網所規劃的應用場景,卻對室內高精度定位有著嚴苛的要求,比如說需要掌握工廠內的貨物位置、城市內的移動車輛或是醫院內的病患等等移動物件,目前混合式定位技術的精準度仍然過低, 3GPP 寄望接下來 5G 通訊系統能給予更大程度的效能改善,將室內定位精確度從公尺提升到公分的級別。

RADIO_POSITIONING
Sources: Positioning with 5G
mmWave Massive MIMO Systems

如果先前多次提到, 5G 通訊系統相較於 4G 擁有頻率更高的訊號、更大的通訊頻寬、多天線陣列的指向性傳輸以及密集的小型基地台部屬特性,這些都是 5G 通訊系統能夠提升定位精度的關鍵,根據 3GPP 電信組織所制定的 Release-16 標準報告, 3GPP NR 技術設計上針對定位效能做了不少改善。

回歸本質,為何 5G 定位性能相較 4G 可以改善這麼大? 這邊先提醒,這是我讀過多篇 5G 定位論文取其中較易懂的部分所整理而成,為了方便讀者理解的科普文章,省略了許多嚴謹的技術原理,若真的想理解完整技術的讀者,建議可以去詳讀 3GPP 所提供的詳細技術規格及論文導讀。

高頻波的直徑路線特性(High Frequencies)

5G 通訊高頻波的路徑傳輸損失(Path Loss)與穿透損失(Penetration Loss)都較低頻波來得嚴重,路徑傳輸損失的意思是基地台發出訊號後,會經過一段距離才會到接收裝置,中間這段距離會有訊號衰減的問題,而電磁波的頻率越高、波長就越小,越容易被建築物阻擋,導致 5G基地台的訊號覆蓋範圍會比較小,特別是在建築物林立的環境中, 毫米波的覆蓋範圍僅有數百公尺。

行動位置服務(Location Based Service)的原理是透過訊號衰減的強度來判別基地台距離,當手機距離基地台越遠,收到的訊號就越差,當手機搜尋到三個基地台以上的訊號時,大致上就能定位出接收裝置的地址位置。

但實際情況中,定位過程容易被多路徑衰減(Multipath Fading)干擾定位,意思是從不同距離、不同方位的電磁波幾乎同時被裝置接收,但多路徑環境的干擾導致接收的訊號強度接近,無法解析其中延遲差異,所以精確度僅有 50 公尺以上,在郊區甚至可以差到數公里。

但 5G 高頻波具有嚴重的穿透損失性質,只要有大型建築物阻擋訊號,裝置便無法接收,所以不會有多路徑衰減(Multipath Fading)的干擾,反而讓電磁波繞射、散射及反射的干擾問題不大,因為高頻電磁波幾乎只能以直線路徑(Line of Sight, LOS)的方式傳遞,而直線是最容易計算距離的路徑類型。

也就是說,只要裝置收得到訊號,對應的基地台中間大多都不會有大型遮蔽物(有的話訊號就收不到),干擾少的情況下,系統只要計算接收裝置周遭的基地台群便能夠進行精度較高的定位。

更大的可用頻寬(Large Bandwidth)

5G 頻譜的毫米波(mmWave)具有行動通訊中前所未有的大頻寬,因而能提供更小的延遲以及良好的定位功能,當傳輸頻寬越大,訊號的取樣間隔越短,這樣的原理之下,毫米波系統便具備較高的原始解析度(Raw Resolution),這個數值代表可衡量的最小距離差異,就像尺的刻度越小可以測量出物體更精確的長度,當解析度越高,可測量的最小距離越小,代表精確度越高。

根據 3GPP 的論文指出,在使用參考訊號(PRS)的實驗中,最大頻寬 20MHz 的 4G LTE 頻道可以提供 15 公尺的定位精度,但頻寬高達 4GHz 的毫米波系統卻可以準確到 7.5 公分,兩者的準確度差異非常大。

MIMO 多天線陣列(Massive MIMO Antenna Arrays)

手機的地理定位可以透過到達角度(Angle of Arrival, AOA)完成,利用多個基地台群發送訊號,使用者裝置的多個天線接收訊號,產生不同的接收角度差異,最後找出所有訊號的交錯點就是使用者的精準位置,但現實環境有非常多的錯誤干擾,因此裝置通常需要與多個基地台進行溝通,而裝置上的天線也必須自動旋轉以找到訊號最強的方向。

在5G 通訊時代,為了支援多頻寬接收與發送,天線模組必須更為複雜,多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)技術因而受到矚目,原理是在基地台設置大規模的多天線陣列,利用多根發射天線與多根接收天線的組合提升頻譜的效率與公耗,重要的是提供更多的空間自由度(High degree of resolvability of angles)。

簡單說就是多根天線各自接收、發送不同角度的訊號,當空間樣本數的變數增加,更多的訊號角度資訊增加,定位的解析度就能跟著提升,判別更精準的地理位置。

AOA
Sources: Positioning with 5G
mmWave Massive MIMO Systems

高密集基地台(Network Densification)

由於 5G 訊號覆蓋範圍小,而且容易遭到建築物遮蔽,實際的覆蓋範圍只有數百公尺,如果要達到都市內普及,電信商必須大規模部署小型 5G 基地台才有辦法達到,例如日本提出紅綠燈結合基地台、英國研究在人孔蓋步數的可行性,指向 5G 基地台會是蜂巢式的結構,藉此提升區域頻譜與能源的使用效率。

高密度基地台代表有許多可供參考的資料節點,可以提供高密集度的位置資訊達到更精準的定位,而且毫米波大多走直徑路線,不受多路徑干擾,理論上能夠有最好的定位精準度── 高密度基地台、高頻波直徑路線特性、大頻寬的高解析度以及 MIMO 技術提供的多空間自由度,雖然還沒有實際的商用測試數據,但上述的特性確實能提供比 4G 通訊好太多的定位性能。

不可否認地, 5G 定位系統仍然有限制,從上面的條件判斷,即使有精確的定位性能,也受限於覆蓋範圍小、基地台數量必須密集等缺點, 5G 定位系統還是侷限於都市型應用,無法像 4G 提供廣泛的通訊定位服務,到了偏遠地區仍然要倚賴傳統的混和式定位方案。

當精準定位成為可能,人們還有隱私嗎?

Release-16 的通訊標準相較 15 版嚴苛許多,若明年數據機晶片廠商的產品無法符合新的標準,將難以取得訂單,因此全球通訊晶片業者正在不斷改良旗下產品,避免在 5G 世代競爭中遭到淘汰。

新一代的通訊技術帶來更精準的定位技術,各地電信商也積極佈署 5G 小型基地台,透過 NR 技術定位以及追蹤特定的物體,藉此採集更多現實動態資訊,另一方面支援 5G 通訊的智慧型手機也逐漸普及,全球電信商都在測試網路運營,新一代技術的距離似乎離我們越來越近。

未來這項定位技術將可能被用來追蹤人、汽車、腳踏車、貨品之類的都市型物件,精確度更從「公尺」縮短到「公分」,當政府或業者都可以精準定位這些物品時,雖然能實現很多夢想中的科技應用,但科技總是一體兩面,要如何保護使用者的數據隱私將成為新技術所帶來的潛在問題。

例如應用場景中讓使用者維持匿名,或是給與使用者拒絕精準廣告推播的選擇,最重要的是「通知」使用者,取得「同意」之後才能進行精準定位,同時使用者要有隨時取消或是拒絕的權力,否則將產生嚴重的隱私疑慮,當然也有可能被用在侵害人權的用途。

然而科技創新一直人類進步的原動力,抱持疑慮並不能解決問題,該如何規範政府、業者以避免濫用這項科技會是 5G 系統普及後必須審慎考量的另一個議題。

如果還有時間,下一篇文章將探討 5G 定位帶來的潛在應用場景。

核稿編輯:Anny

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