N.T.開講:網路無所不在化 介紹衛星定位GPS及原子時鐘功能

2005-04-26
所謂無所不在就是在任何時刻、任何地方都可以存取您所要的資訊、接收電子郵遞信件等,更為明確的說法就是網路無所不在化,時間空間資訊在彈指之間處理...
所謂無所不在就是在任何時刻、任何地方都可以存取您所要的資訊、接收電子郵遞信件等,更為明確的說法就是網路無所不在化,時間空間資訊在彈指之間處理。  

因應這個看似遙遠的目標,要去具體化實現的對策之一,就是將衛星定位GPS以及原子時鐘的功能,在虛擬的網路社會變成現實。  

 

且試著來思考如此般的生活情境:  

‧任何時間、任何地點,都可以用手機與人暢談聊天與溝通。  

‧任何時間、任何地點,都可以使用無線標籤,傳送人或物的資訊。  

‧任何時間、任何地點,都可以使用HDD儲存裝置,來錄下您喜好的節目或影片。  

‧任何時間、任何地點,都可以向電子政府申報必須辦理的要件。  

‧任何時間、任何地點,都可以對証券交易商下單買賣上市交易股票或有價証券。  

因應這個看似遙遠的目標,要去具體化實現的對策之一,就是將衛星定位GPS以及原子時鐘的功能在虛擬的網路社會變成現實。就手機電話服務(包含PHS)的使用者數量來說,無論是歐亞美洲各地,早已是現代人生活必備的配備,加上全球ADSL寬頻使用者的加入數目也一直往上攀升,網路的無所不在化,任何時間、地點的通信環境整備,不僅是現在進行式,也是持續的未來進行式。  

準確的時間地點  

能夠告知正確時間的最典型代表裝置,也許就是「電波時鐘」。日本的通信總合研究所就是利用長波來放送日本的標準時間,電波時鐘可以修正時刻表示的誤差值。利用Cs(Cesium)銫元素的原子時鐘,其時間誤差數值大約是十萬年僅有正負一秒之差而已,精確度非常的高,而這種電波時鐘,依據日商Casio公司的說法,其販售數量一直在成長。以款式型號ProTrek PRW-100(圖1)來說,自1999年問世之後,到了2002年的販售數量一口氣躍上80萬台的出貨紀錄。  

至於正確位置的告知裝置,當然是GPS了,具有GPS功能的大哥大手機(圖2),老早就已經見證是可行的方式。具有衛星導航系統的汽車,正逐步進入人們的新生活。  

網路上的時空間資訊  

既然時間與地點的自由程度提高,就會衍生出更便利的嶄新服務形式。換句話說,對現實世界的生活者而言,時間與地點場所的消失感,可能也正逐步在發酵。當數位化發達到某種高成熟程度後,也許在人類心中深處的不安感就會擴展開來。  

網路社會的一大好處是幾乎沒有距離感,一天24小時您可以在世界各處瀏覽網站或電子購物,甚至與他人即時通信。但是,請勿忘了網路是一個虛擬的世界。您在現實世界任何時刻任何地點送出的資訊,的確是可以掌握,但是,從網路送來的任何資訊,甚至含病毒的致命資料,何時何地會丟過來是難以得知的。  

一些社會學者就提出一種觀點,因為網路上時間地點的共同基盤消失,沒有了平衡感,不安感的出現自然是可以預料的未來事件。這裡所說的共同基盤,無仿看作時間與位置的究極ID辨認資訊,有人以「時空間資訊」來稱呼,實在是有道理。而能夠發揮時空間資訊,就是將現實世界日常生活中的人與事在網路上以即時的姿態流通,也可以經過變化再返回現實世界。最近風行起來的RFID無線標籤辨識作為物流管理,以及收集環境資訊的Sensor Network,皆是典型的代表案例。  

就以RFID的物流系統為範例來說吧!若是傳送附著於物品的無線標籤資訊,從生產、流通、販售到回收再利用,一個產品的生命週期(Life Cycle)全程自動管理是可以做到的。因為時空間資訊就肩負這個吃重的任務。哪一個地區販賣店在何時何種物品產生不足的情況,就可以即時得知。這種系統當然需要製造商、物流業、經銷商販售店等持有裝置的各企業攜手合作才做得到。  

證明時空間資訊之技術  

記得20世紀前半,格林威治標準時間登場,世界時間共有的概念成形,帶動腕錶的風行普及,也大大改變了社會型態。如果將這個概念延伸到無所不在的網路上,引起的變革將是難料。  

回到最基本的問題上,究竟這樣子的資訊在現實的社會上是否有這個需求呢?就拿金融業者來說,讓顧客使用網路或電話來作金融交易早就開始。一旦進入高度數位化之際,在何時何處發生就是事件原生性的最佳證明,可以事先避免爾後很多衍生問題或惡搞危機。證券業界當然也需要信用憑證性的時間證明。  

因此,正確的共通時間資訊的確有其需要性。然而,位置資訊有此迫切需要嗎?要探討這個問題,可能要先考量環保意識強烈、執行力夠的文明國家,由於物質文明的過度開發,人類對於物慾貪婪永無止境,先進國家早就意識到這個問題,紛紛提出廢棄物處理法的規定,廢棄物的最終處理會成為一種義務。若是採用GPS來追蹤搬運卡車的路徑做到運行管理的境界,對於地方自治團體,保證一定是一個福音,畢竟,可以掌握不肖業者的惡行證據。  

於是,使用時空間資訊之數位資料的證明技術,就漸漸地出現。為了證明作成數位資料的時刻,能夠處理並提供標準時間的第三業者就可以發行「時間郵戳」(Time Stamp)來作為認證服務。比如說,AMANO提供的e-timing EVIDENCE或是Seiko配信的Cyber Time都是時刻證明服務的實例。如此般的認證服務,可以說是將時空間資訊作為人或物ID資訊的先驅應用。可以證明人們作成的文書或交易紀錄。爾後在網路作交易時,也可以有實際世界拿到收據般的感受。  

將世界標準時間與機器同步化  

既然如此,那麼什麼才算是正確的「何時」呢?所有的電子資訊裝置,都會有一致的正確時刻,以目前的情況來說,絕對不是荒唐無稽之談,若是將世界的標準時間與機器同步化,不就得了嗎?  

法國巴黎的BIPM國際度量衡局就有世界時間的基準,該機關持有20餘國的200台以上的原子時鐘,將其資料透過獨自發展的演算方式所作成。日本決定國家標準時間的機關乃是CRL通信總合研究所,美國則是NIST。各個機關都會持有原子時鐘設備。BIPM就是依據各國原子時鐘的時間,取其平均值而定義出國際原子時刻TAI(Interna-tional Atomic Time)。  

直到最近,由於接收GPS、長波放送的天線以及模組技術一日千里,驚人的速度在進步中。因此,透過汽車導航系統或是擁有CDMA方式的手機或電波時鐘,都可以取得連動的原子時間。  

無線時間配信技術牽引未來  

正如同資料的通信,可以區分成有線與無線的方式,時間的配信技術也是同樣的道理,不過無線的方式將扮演著未來牽引的主要角色。無線的方式可以有長波放送、GPS衛星、短波放送以及FM射頻放送等,有線的方式包含電話線或網際網路等。特別是使用長波放送以及GPS衛星技術的案例,有急速增加的趨勢。長波通信擁有低空傳播,不受電離層影響的傳送特徵。意思是說,傳播經過的途徑比較安定,電波從發送來源到目的端,時間的偏差不容易發生。相較之下,短波通信容易受到電離層的影響而造成信號反射,傳送途徑的安定性比較不足。而FM調頻傳送,距離上不夠遠。GPS則是利用高度約為2萬公里軌道上的GPS衛星,搭載有原子時鐘,端末就可以接收其時間資訊。相對於一般廣播放送衛星所使用的數十GHz頻帶,GPS是用1.57542GHz的L1頻帶將信號送到地表上,不會受到暴風雨惡劣氣候的影響,而且幾乎是世界各地都能接收。  

若是在長波或GPS信號都接收不到的場合,就可能必須仰賴所謂時間伺服器(Time Server)送來的時間資訊,一般是透過NTP(Network Time Protocol)的協定來載送。比如說,精工Seiko在2003年6月就開始販賣TS-2010長波JJY款式的時間伺服器。其中,JJY其實就是通信總合研究所的呼號(Call Sign)。美商Symmetricom公司所販賣的TS2100時間伺服器(圖3),則是採用GPS的時間同步方式。日商Casio在2001年開賣的電波腕錶WVA-300(圖4),隨著元件技術的進步而更加縮小化,到了2003年推出了WVA-400(圖5),其內藏的天線長度已經從22mm縮減到16mm。  

機器間正確時刻的同步能夠將服務應用的品質提昇。比如說,VoIP最被人所詬病的地方就在於IP電話機通話的時候,語音封包從來源端到目的端有遲延現象,發生時差的問題。若是將IP話機、網閘伺服器(Gateway Server)、路由器等相關機器將時間同步化之後,以發出聲音端末的時間為基礎,就可以推算出到達接收端各個途徑的遲延時間,經過比較之後,就可以選擇最佳的傳送途徑,解決惱人的QoS問題。  

對於內容(Content)服務業者來說,內容守住時刻資訊,更是瓶中之寶。對於內容再生的限制就有一個共通的時間封印日期,一旦時限到期,過期的內容就不能夠再生,提升著作權保護的機能。  

其次,回歸到問題的基本面。一秒鐘長度的定義究竟從何處來?在1967年,國際度量衡總會決定了一秒鐘長度的定義:在Cs銫元素基底狀態的兩個超微系準位之間,遷移放射91億9263萬1770週期的繼續時間。Cs原子時鐘當然就是根據此原理與定義的產品。然而,原子時鐘的頻率會隨著一般溫度或地球磁場等週邊環境的影響而產生誤差,為了迴避這種不良的影響,一般都會將擁有的原子時鐘設置在「原器室」裡面,勢必要保持一定的溫度與溼度,做好電磁波的隔離並使用無停電電源裝置。日本的通信總合研究所CRL就是如此來維護日本標準時間JST,為了確保日本標準時間在世界上的正確時刻,CRL還與國際度量衡局(BIPM)以及美國的NIST等標準時間機關相互連動,彼此之間相互合作確保彼此之間原子時鐘的誤差可以獲得控制。  

那麼一般人是否可以購得Cs原子時鐘呢?答案是肯定的,安捷倫科技就有在販售這玩意兒,只是價格昂貴,況且也要勤於校正才行。  

回顧在1967年的時候,英國著名的天文學家Antony Hewish與其助手Jocelyn Bell利用電波望遠鏡發現有極為正確的1.337秒間隔電波到達地球,經過長期持續的觀察終究發現,電波的發信來源竟然是宇宙自轉的天體。1974年,Antony Hewish就獲得諾貝爾物理學表彰。此公將發現的電波天體稱之為Pulsar(Pulsating Radio Source),從此該單字也列入英文辭典當中。  

改善位置測量技術  

以GPS為核心所展開的位置測定網,就是正確位置的探索根本(圖6)。如此的天羅地網也才能克服了高樓大廈的死角,也解決了屋內接收的問題。  

回頭看理工Ricoh在2003年2月所推出的RDC-i700 Model G數位相機(圖7)來說,就具有GPS的機能,該相機允許使用者在按下快門的當時,畫像檔案也會將GPS所取得位置的經緯度一起記錄下來。但問題是拍攝地點多數是在屋內的場合,似乎不太能夠實踐這個願望,也促使該公司不得不更改規格,說明屋外攝影才能順利附加位置資訊。  

近距離通信技術  

目前,位置無所不在測量的技術依然在進步中。發展的方向大致上有三類。第一個方向,就是使用近距離的通信技術來取得局部的位置測定。RFID無線標籤就是案例,極寬頻UWB也是如此。僅靠此技術也只能取得相對位置,然而要取得GPS相關的絕對位置也是有所需求。因此,該種方式必須仰賴完整的測位整體架構構築作業才能夠辦到。新的物流系統,就有公司開始導入如此般的架構。  

既有廣域放送通信架構  

第二個方向就是流用既有的廣域放送通信架構,最為人們所熟知的當然就是電視廣播與無線網路的架構。有一家公司Rosum就是利用數位地上波電視廣播中所內含的畫面同步信號,作為傳送局測定距離的技術。  

GPS接收機及衛星通信系統  

第三個方向就是針對GPS接收機以及衛星通信系統本身的改良,克服過去的困難點。很明顯地,GPS接收機感度的提升是條捷徑,無論是從衛星的結構改善還是接收端性能的提升,都是目前可以見到的手段。歐美日的知名廠商都開始推出最低接收感度低於-150dBm的GPS接收模組,讓搭載GPS功能的手機在屋內也可以辦到,同時,也可以見到歐美日對於GPS測位用結構的整備計畫。  

然而,對於GPS接收機來說,信號接收感度與資料的精確度是難以兩全的。當提升接收感度時,比較容易連反射波也接收進來,誤差就會增加。依據GPS晶片廠商的實驗顯示,當最低接收感度-130dBm的場合,位置測量之誤差約為4米前後,但是,當感度提升到-150dBm的時候,相對位置測量之誤差也擴大到15米左右。兼具魚與熊掌確實是當前廠商要去奮鬥的目標。  

同時,努力的目標不僅於此,對於低價化、低消耗電力與更小型輕薄化,也是因應全民通信時代的要求。由於攜帶式裝置內部處理器的功能越來越強大,基頻處理的工作如果有朝一日被處理器整合,該顆晶片的價值就可以被完全取代掉,只剩下RF射頻部分的元件,終極的「軟體GPS」就可以夢幻成真。而地上測量用觀測點(電子基準點)的範圍逐次擴大,也可以降低測位的誤差。理所當然,世代交替之新型GPS衛星對於測位誤差的改良也是絕對的,不過有些東西比如說準天頂衛星(Quasi-Zenith),就會因國與國之間的政治考量問題使變數增多。  

美國發布E911之後勢  

以上所言就是全方位位置測量技術的支柱。順帶一提,美國有條「E911」法律,是要求話機具有緊急通報的條文。廠商面對這樣子的壓力,會不會加速GPS的採用蔓延性,值得後續觀察。  

千言萬語,還不如用一個邏輯性十足的數學味道方程式來描寫縱橫天下的結界。那就是無所無在方程式:(Ubiquitous)=f(x,y,z,t)。  

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