【Lynn写点週报】当精準定位成为可能,人们还有隐私吗?浅谈

上篇文章「从基地台到 5G 手机 – 浅谈全球 5G 通讯市场发展现况」整理了 5G 目前的市场现况,提到现有的 5G 标準仍然不完整,根据 3GPP 的进度表,业界必须等到 2020 年才会有较为完整的 Release-16 标準释出。

那 Release-16 这个版本有何突破?不像外界强调的 10 Gps 传输速度,这次的标準制定更着重于 5G 通讯对于物联网 A-IoT 与车联网的应用规範要求,要求通讯标準的效能与效率都要达到一定的标準,例如传输讯号的覆盖範围、延迟、能源消耗、讯号干扰、多天线传输以及定位效能提升。

虽然说新版的 5G 通讯标準有众多的新规格,预计带来更完整的通讯功能,但「高精度定位」的革新绝对是最引人注目的功能,假设新一代的通讯标準有办法实现更精準的定位,那幺未来的潜在应用将充满想像空间。

高精準度的定位与追蹤系统

地图导航、呼叫计程车、位置共享、物体追蹤等等的常见日常应用都需要开启智慧型手机的「定位」功能,但我们也深受其误差困扰,比如说实际位置与萤幕上的位置常常误差了数十公尺,导致司机找不到乘客或是无法掌握对方的正确位置,目前 4G 时代的民用定位性能虽然相较过去有了长足的进步,但只能算是堪用的地步。

根据 3GPP 所提出的研究报告,以现有的定位技术来说,单一系统的定位方式不足以提供足够的精确度,误差範围都在 50 公尺之内,必须使用混合的模式增加定位的精确度,目前主流的定位系统包含:3GPP、室内定位技术、 WiFi 定位、蓝芽以及全球卫星定位系统── 综合上述技术,民用精準度可提升到一般户外 0.3 公尺的正确度,不过要达到这个数值依然高度仰赖现场的环境条件。

智慧型手机同时使用数种方式进行定位,最主要的方式有两种,分别是 3GPP 及全球卫星定位系统。

LTE 是透过基地台发送的相对讯号进行三角定位,电信商可以透过基地台的位置及对应的讯号强弱程度判断接收者的位置,但这项技术精準度不高,通常会搭配 GNSS 来提高精準度,像是智慧型手机均会搭载 GPS 晶片接收卫星的位置讯息,原理是单向接受数颗卫星的讯号进行定位,常见的卫星系统像是 GLONASS 、北斗、伽利略及最常见的 GPS 系统。

虽然现有的技术可以在户外提供不错的效果,但受到建筑物群遮蔽及讯号的影响,到了室内精準度却会大幅下降,但物联网所规划的应用场景,却对室内高精度定位有着严苛的要求,比如说需要掌握工厂内的货物位置、城市内的移动车辆或是医院内的病患等等移动物件,目前混合式定位技术的精準度仍然过低, 3GPP 寄望接下来 5G 通讯系统能给予更大程度的效能改善,将室内定位精确度从公尺提升到公分的级别。

【Lynn写点週报】当精準定位成为可能,人们还有隐私吗?浅谈
Sources: Positioning with 5G
mmWave Massive MIMO Systems

如果先前多次提到, 5G 通讯系统相较于 4G 拥有频率更高的讯号、更大的通讯频宽、多天线阵列的指向性传输以及密集的小型基地台部属特性,这些都是 5G 通讯系统能够提升定位精度的关键,根据 3GPP 电信组织所制定的 Release-16 标準报告, 3GPP NR 技术设计上针对定位效能做了不少改善。

回归本质,为何 5G 定位性能相较 4G 可以改善这幺大? 这边先提醒,这是我读过多篇 5G 定位论文取其中较易懂的部分所整理而成,为了方便读者理解的科普文章,省略了许多严谨的技术原理,若真的想理解完整技术的读者,建议可以去详读 3GPP 所提供的详细技术规格及论文导读。

高频波的直径路线特性

5G 通讯高频波的路径传输损失与穿透损失都较低频波来得严重,路径传输损失的意思是基地台发出讯号后,会经过一段距离才会到接收装置,中间这段距离会有讯号衰减的问题,而电磁波的频率越高、波长就越小,越容易被建筑物阻挡,导致 5G基地台的讯号覆盖範围会比较小,特别是在建筑物林立的环境中, 毫米波的覆盖範围仅有数百公尺。

行动位置服务的原理是透过讯号衰减的强度来判别基地台距离,当手机距离基地台越远,收到的讯号就越差,当手机搜寻到三个基地台以上的讯号时,大致上就能定位出接收装置的地址位置。

但实际情况中,定位过程容易被多路径衰减干扰定位,意思是从不同距离、不同方位的电磁波几乎同时被装置接收,但多路径环境的干扰导致接收的讯号强度接近,无法解析其中延迟差异,所以精确度仅有 50 公尺以上,在郊区甚至可以差到数公里。

但 5G 高频波具有严重的穿透损失性质,只要有大型建筑物阻挡讯号,装置便无法接收,所以不会有多路径衰减的干扰,反而让电磁波绕射、散射及反射的干扰问题不大,因为高频电磁波几乎只能以直线路径的方式传递,而直线是最容易计算距离的路径类型。

也就是说,只要装置收得到讯号,对应的基地台中间大多都不会有大型遮蔽物,干扰少的情况下,系统只要计算接收装置周遭的基地台群便能够进行精度较高的定位。

更大的可用频宽

5G 频谱的毫米波具有行动通讯中前所未有的大频宽,因而能提供更小的延迟以及良好的定位功能,当传输频宽越大,讯号的取样间隔越短,这样的原理之下,毫米波系统便具备较高的原始解析度,这个数值代表可衡量的最小距离差异,就像尺的刻度越小可以测量出物体更精确的长度,当解析度越高,可测量的最小距离越小,代表精确度越高。

根据 3GPP 的论文指出,在使用参考讯号的实验中,最大频宽 20MHz 的 4G LTE 频道可以提供 15 公尺的定位精度,但频宽高达 4GHz 的毫米波系统却可以準确到 7.5 公分,两者的準确度差异非常大。

MIMO 多天线阵列

手机的地理定位可以透过到达角度完成,利用多个基地台群发送讯号,使用者装置的多个天线接收讯号,产生不同的接收角度差异,最后找出所有讯号的交错点就是使用者的精準位置,但现实环境有非常多的错误干扰,因此装置通常需要与多个基地台进行沟通,而装置上的天线也必须自动旋转以找到讯号最强的方向。

在5G 通讯时代,为了支援多频宽接收与发送,天线模组必须更为複杂,多输入多输出技术因而受到瞩目,原理是在基地台设置大规模的多天线阵列,利用多根发射天线与多根接收天线的组合提升频谱的效率与公耗,重要的是提供更多的空间自由度。

简单说就是多根天线各自接收、发送不同角度的讯号,当空间样本数的变数增加,更多的讯号角度资讯增加,定位的解析度就能跟着提升,判别更精準的地理位置。

【Lynn写点週报】当精準定位成为可能,人们还有隐私吗?浅谈
Sources: Positioning with 5G
mmWave Massive MIMO Systems
高密集基地台

由于 5G 讯号覆盖範围小,而且容易遭到建筑物遮蔽,实际的覆盖範围只有数百公尺,如果要达到都市内普及,电信商必须大规模部署小型 5G 基地台才有办法达到,例如日本提出红绿灯结合基地台、英国研究在人孔盖步数的可行性,指向 5G 基地台会是蜂巢式的结构,藉此提升区域频谱与能源的使用效率。

高密度基地台代表有许多可供参考的资料节点,可以提供高密集度的位置资讯达到更精準的定位,而且毫米波大多走直径路线,不受多路径干扰,理论上能够有最好的定位精準度── 高密度基地台、高频波直径路线特性、大频宽的高解析度以及 MIMO 技术提供的多空间自由度,虽然还没有实际的商用测试数据,但上述的特性确实能提供比 4G 通讯好太多的定位性能。

不可否认地, 5G 定位系统仍然有限制,从上面的条件判断,即使有精确的定位性能,也受限于覆盖範围小、基地台数量必须密集等缺点, 5G 定位系统还是侷限于都市型应用,无法像 4G 提供广泛的通讯定位服务,到了偏远地区仍然要倚赖传统的混和式定位方案。

当精準定位成为可能,人们还有隐私吗?

Release-16 的通讯标準相较 15 版严苛许多,若明年数据机晶片厂商的产品无法符合新的标準,将难以取得订单,因此全球通讯晶片业者正在不断改良旗下产品,避免在 5G 世代竞争中遭到淘汰。

新一代的通讯技术带来更精準的定位技术,各地电信商也积极布署 5G 小型基地台,透过 NR 技术定位以及追蹤特定的物体,藉此採集更多现实动态资讯,另一方面支援 5G 通讯的智慧型手机也逐渐普及,全球电信商都在测试网路运营,新一代技术的距离似乎离我们越来越近。

未来这项定位技术将可能被用来追蹤人、汽车、脚踏车、货品之类的都市型物件,精确度更从「公尺」缩短到「公分」,当政府或业者都可以精準定位这些物品时,虽然能实现很多梦想中的科技应用,但科技总是一体两面,要如何保护使用者的数据隐私将成为新技术所带来的潜在问题。

例如应用场景中让使用者维持匿名,或是给与使用者拒绝精準广告推播的选择,最重要的是「通知」使用者,取得「同意」之后才能进行精準定位,同时使用者要有随时取消或是拒绝的权力,否则将产生严重的隐私疑虑,当然也有可能被用在侵害人权的用途。

然而科技创新一直人类进步的原动力,抱持疑虑并不能解决问题,该如何规範政府、业者以避免滥用这项科技会是 5G 系统普及后必须审慎考量的另一个议题。

如果还有时间,下一篇文章将探讨 5G 定位带来的潜在应用场景。

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