單芯片A-GPS方案解決手機(jī)導(dǎo)航問題

　　位置服務(wù)的靈感來源于英飛凌和其美國合作伙伴Global Locate共同開發(fā)的名為“A-GPS硬件/軟件系統(tǒng)解決方案">Hammerhead”的PMB2520單芯片輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(A-GPS)解決方案。A-GPS定位指使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并接收來自蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò)的“輔助信息”來進(jìn)行定位。A-GPS可以在不到一秒鐘的時間內(nèi)對用戶進(jìn)行精確定位，其定位精度高達(dá)幾米。其高靈敏度意味著無論是在建筑物內(nèi)還是在很深的郊區(qū)峽谷內(nèi)，它都可以可靠地工作。
　　
　　A-GPS基本原理
　　
　　由于GPS系統(tǒng)的性質(zhì)，對衛(wèi)星信號中的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對是一項(xiàng)既復(fù)雜又耗時的工作，但在自主操作中又是無法避免的。直接從手機(jī)移動網(wǎng)絡(luò)接收輔助定位信息后，由于無須從衛(wèi)星信號中對該數(shù)據(jù)進(jìn)行核對，從而可以大幅減少GPS接收機(jī)的工作量。根據(jù)信號強(qiáng)度，這樣做可以將首次定位時間(TTFF)縮減到幾秒鐘，反過來又可以大幅減少每次定位所需要的可觀的能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)了較長的待機(jī)和通話時間，而這正是移動通信裝置最重要的特性之一。
　　
　　即使A-GPS的信號比一般“開放天空”的GPS信號更弱1,000倍時，它仍然能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的定位，這就意味著A-GPS系統(tǒng)無論是在室內(nèi)、很深的峽谷內(nèi)或是在移動的交通工具上都可以正常工作。甚至在帶有強(qiáng)反射信號的較差接收條件下，復(fù)雜的算法也能夠使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對信號的精確定位(智能化多徑干擾抑制技術(shù))。

　　
　　圖：Hammerhead PMB2520應(yīng)用于普通手機(jī)中的電路框圖。此A-GPS芯片通過串行接口與基帶部分通訊，并使用手機(jī)現(xiàn)有的時鐘時序發(fā)生機(jī)制。
　　
　　該系統(tǒng)在使用輔助信息時基本上有兩種不同的操作模式，即移動裝置主模式和移動裝置輔助模式。在移動裝置主模式下，手機(jī)向網(wǎng)絡(luò)要求輔助信息，并在長達(dá)幾個小時的時間內(nèi)使用該數(shù)據(jù)集，第一次和隨后的定位所需要的計(jì)算均在手機(jī)內(nèi)進(jìn)行。該模式可以實(shí)現(xiàn)最快的定位，但要求移動裝置具有一定的計(jì)算能力。在移動裝置輔助模式下，手機(jī)向網(wǎng)絡(luò)請求用于每次定位的獨(dú)立輔助信息，并將GPS數(shù)據(jù)發(fā)回基站進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在這種模式下，網(wǎng)絡(luò)需要完成的工作量大于在移動裝置主模式下的工作量，因此，每次定位所需要的時間也長一些，但對移動裝置的計(jì)算能力沒有什么要求。
　　
　　在手機(jī)移動網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行所有A-GPS相關(guān)數(shù)據(jù)交換的協(xié)議可以基于一種或兩種不同的概念，即控制面(Control Plane)或用戶面(User Plane)。較早的控制面結(jié)構(gòu)使用無線和核心網(wǎng)的專用信令通路，這種方法需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，這當(dāng)然不利于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者。在用戶面(又叫安全用戶面，SUPL)架構(gòu)中，移動通信設(shè)備與使用IP鏈接的定位服務(wù)器進(jìn)行通信 ，而現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施保持不變。數(shù)據(jù)連接可以通過常規(guī)的GPRS連接，如利用網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的接口和協(xié)議來完成。Hammerhead與這兩種概念完全兼容。
　　
　　但Hammerhead并非總是依賴于單獨(dú)從網(wǎng)絡(luò)接收輔助導(dǎo)航信息。由于采用了高靈敏度的集成式低噪聲放大器(LNA)，該芯片還可以實(shí)現(xiàn)在自主運(yùn)行狀態(tài)下的操作。不過在這種情況下，它需要完全依賴衛(wèi)星信號來進(jìn)行運(yùn)算，定位需要較長的時間，而且室內(nèi)的接收效果會受到限制，這對于一般的GPS設(shè)備來說是很常見的事情。為了彌補(bǔ)這一缺陷，這里采用了一種稱為“增強(qiáng)型自主模式”的特殊功能模式(已成為Global Locate的一項(xiàng)專利)。借助該模式，A-GPS可以利用以前記錄的輔助導(dǎo)航數(shù)據(jù)來進(jìn)行定位計(jì)算，這些數(shù)據(jù)的有效期長達(dá)四天。這種長期軌道(LTO)數(shù)據(jù)可以通過任何接口被傳輸?shù)揭苿友b置上，也就是說，該信息不一定必須來源于手機(jī)移動網(wǎng)絡(luò)，而是可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行下載。該技術(shù)將發(fā)揮重要的作用，直至移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者完成全球A-GPS基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。
　　
　　單芯片整合射頻功能和基帶
　　
　　在PMB2520方案中，高靈敏度的射頻接收器(靈敏度為-160dBm)和數(shù)字基帶被整合在一個0.13um CMOS芯片上。英飛凌的射頻和系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合Global Locate的既有的A-GPS專有技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)Hammerhead芯片的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
　　
　　Hammerhead使用“大規(guī)模并行關(guān)聯(lián)”技術(shù)來接收衛(wèi)星以八個并行信道發(fā)射的信號，并將它們同32,000多個相關(guān)器中的參考碼進(jìn)行比較。與車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中常用的接收器相比，該技術(shù)可以大幅縮短首次定位時間，并可以顯著減少功耗。因此，在冷啟動后以-130dBm的靈敏度進(jìn)行接收的情況下，Hammerhead的首次定位時間僅為一秒鐘左右。該功能主要適用于只需一次定位、無需連續(xù)追蹤的應(yīng)用(如應(yīng)急服務(wù)和尋人)。
　　
　　由于它的大規(guī)模集成度，Hammerhead包括外部元件(SAW濾波器和一些無源器件)占手機(jī)印刷電路板的面積僅為80mm2。目前市場上的GPS芯片大多數(shù)采用雙芯片方案，常常需要300mm2的電路板面積。
　　
　　另一個使成本最優(yōu)化的方面是該芯片經(jīng)過調(diào)整設(shè)計(jì)，可以適用于一般的手機(jī)架構(gòu)。盡管完全不是一種自主運(yùn)行解決方案，Hammerhead還是巧妙地使用了目前手機(jī)設(shè)計(jì)中既有的功能單元，如用于高精度參考時鐘頻率(10-40MHz)和實(shí)時時鐘頻率(32,768kHz)的晶振。
　　
　　實(shí)際位置是通過GPS芯片的相關(guān)器(時間延遲差)的原始數(shù)據(jù)在手機(jī)基帶中進(jìn)行計(jì)算來確定的，這種計(jì)算是采用Global Locate提供的軟件庫。和單純基于DSP的GPS解決方案相比，這種方案所需的計(jì)算能力很低，僅為3MIPS，對目前的基帶不構(gòu)成任何挑戰(zhàn)。這種軟件既無任何實(shí)時要求，也不會干擾目標(biāo)系統(tǒng)的電話呼叫流程。此軟件庫的存儲器需求也不高：不超過50kb的RAM和不超過200kb的ROM。該軟件庫能以二進(jìn)制可執(zhí)行碼的形式提供給目標(biāo)CPU架構(gòu)。
　　
　　總的來說，Hammerhead可以與許多針對2.5G和3G網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)基帶解決方案兼容，和主CPU之間的數(shù)字連接可以通過使用任何一種Hammerhead接口選項(xiàng)來完成，該芯片可以提供標(biāo)準(zhǔn)UART端口、SPI或I2C。用戶可以對任何一種接口進(jìn)行配置以滿足目標(biāo)系統(tǒng)的要求。該芯片對數(shù)字接口數(shù)據(jù)率的要求不超過9,600波特。
　　
　　廣泛的應(yīng)用
　　
　　A-GPS的典型應(yīng)用包括搜索“興趣點(diǎn)(POI)”以及至預(yù)定地點(diǎn)的個人導(dǎo)航。POI是一種提供有關(guān)陌生環(huán)境信息的服務(wù)，可以被用來下載最近加油站、推薦餐廳、旅館等信息。與此直接相關(guān)，導(dǎo)航功能對人們非常有用，就像車載導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，可以告訴用戶如何去想要去的目的地。需要注意的是在這種情況下，步行者需要更加詳細(xì)的地圖信息，雖然這種信息未必需要儲存在手機(jī)內(nèi)，在需要的情況下，它可以作為服務(wù)的一部分由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者發(fā)送至用戶的手機(jī)。
　　
　　人的定位是另一種應(yīng)用，典型的用途包括“查找朋友”和“兒童追蹤”，可以顯示朋友和需要監(jiān)護(hù)的兒童的當(dāng)前位置。出于資料保護(hù)和系統(tǒng)本身性質(zhì)等原因，加入了防止未經(jīng)人們同意而對他們進(jìn)行追蹤的機(jī)制。因此有關(guān)個人位置的信息決不會無條件地被存儲在網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器中。系統(tǒng)只會對來自接收機(jī)、由用戶明確要求啟動的查詢做出響應(yīng)。然而目前在技術(shù)上已經(jīng)可以根據(jù)蜂窩連接情況進(jìn)行未經(jīng)用戶授權(quán)的大致定位，只有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者才能進(jìn)行這種定位。
　　
　　有時這種技術(shù)甚至可以挽救生命。作為增強(qiáng)型緊急呼叫功能的一部分，當(dāng)手機(jī)發(fā)出一個緊急呼叫時時，呼叫者當(dāng)前的位置會自動與呼叫一起被傳送至緊急控制中心。在實(shí)際情況下，呼叫者經(jīng)常很難準(zhǔn)確可靠地報(bào)告其位置。通過A-GPS對呼叫者的位置進(jìn)行精確測定可以使緊急事故處理人員迅速準(zhǔn)確地判斷位置并抵達(dá)現(xiàn)場。美國已頒布法律，從2007年起強(qiáng)制在所有的手機(jī)中推行這種稱為E911(增強(qiáng)型911)的功能，日本也通過了類似的法律。雖然歐洲目前在這方面還未制定強(qiáng)制法規(guī)，但類似的法規(guī)極有可能會出臺。