單芯片A-GPS方案解決手機導航問題

　　位置服務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)絡的“輔助信息”來進行定位。A-GPS可以在不到一秒鐘的時間內對用戶進行精確定位，其定位精度高達幾米。其高靈敏度意味著無論是在建筑物內還是在很深的郊區(qū)峽谷內，它都可以可靠地工作。
　　
　　A-GPS基本原理
　　
　　由于GPS系統(tǒng)的性質，對衛(wèi)星信號中的數(shù)據(jù)進行核對是一項既復雜又耗時的工作，但在自主操作中又是無法避免的。直接從手機移動網(wǎng)絡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)進行核對，從而可以大幅減少GPS接收機的工作量。根據(jù)信號強度，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，從而實現(xiàn)了較長的待機和通話時間，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，它仍然能夠實現(xiàn)可靠的定位，這就意味著A-GPS系統(tǒng)無論是在室內、很深的峽谷內或是在移動的交通工具上都可以正常工作。甚至在帶有強反射信號的較差接收條件下，復雜的算法也能夠使該系統(tǒng)實現(xiàn)對信號的精確定位(智能化多徑干擾抑制技術)。

　　
　　圖：Hammerhead PMB2520應用于普通手機中的電路框圖。此A-GPS芯片通過串行接口與基帶部分通訊，并使用手機現(xiàn)有的時鐘時序發(fā)生機制。
　　
　　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，手機向網(wǎng)絡要求輔助信息，并在長達幾個小時的時間內使用該數(shù)據(jù)集，第一次和隨后的定位所需要的計算均在手機內進行。該模式可以實現(xiàn)最快的定位，但要求移動裝置具有一定的計算能力。在移動裝置輔助模式下，手機向網(wǎng)絡請求用于每次定位的獨立輔助信息，并將GPS數(shù)據(jù)發(fā)回基站進行進一步的處理。在這種模式下，網(wǎng)絡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，但對移動裝置的計算能力沒有什么要求。
　　
　　在手機移動網(wǎng)絡上進行所有A-GPS相關數(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)。較早的控制面結構使用無線和核心網(wǎng)的專用信令通路，這種方法需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施進行改進，這當然不利于網(wǎng)絡運營者。在用戶面(又叫安全用戶面，SUPL)架構中，移動通信設備與使用IP鏈接的定位服務器進行通信 ，而現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡基礎設施保持不變。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從網(wǎng)絡接收輔助導航信息。由于采用了高靈敏度的集成式低噪聲放大器(LNA)，該芯片還可以實現(xiàn)在自主運行狀態(tài)下的操作。不過在這種情況下，它需要完全依賴衛(wèi)星信號來進行運算，定位需要較長的時間，而且室內的接收效果會受到限制，這對于一般的GPS設備來說是很常見的事情。為了彌補這一缺陷，這里采用了一種稱為“增強型自主模式”的特殊功能模式(已成為Global Locate的一項專利)。借助該模式，A-GPS可以利用以前記錄的輔助導航數(shù)據(jù)來進行定位計算，這些數(shù)據(jù)的有效期長達四天。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移動網(wǎng)絡，而是可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行下載。該技術將發(fā)揮重要的作用，直至移動網(wǎng)絡運營者完成全球A-GPS基礎設施的建設。
　　
　　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)經驗結合Global Locate的既有的A-GPS專有技術，為實現(xiàn)Hammerhead芯片的設計提供了基礎。
　　
　　Hammerhead使用“大規(guī)模并行關聯(lián)”技術來接收衛(wèi)星以八個并行信道發(fā)射的信號，并將它們同32,000多個相關器中的參考碼進行比較。與車輛導航系統(tǒng)中常用的接收器相比，該技術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)追蹤的應用(如應急服務和尋人)。
　　
　　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過調整設計，可以適用于一般的手機架構。盡管完全不是一種自主運行解決方案，Hammerhead還是巧妙地使用了目前手機設計中既有的功能單元，如用于高精度參考時鐘頻率(10-40MHz)和實時時鐘頻率(32,768kHz)的晶振。
　　
　　實際位置是通過GPS芯片的相關器(時間延遲差)的原始數(shù)據(jù)在手機基帶中進行計算來確定的，這種計算是采用Global Locate提供的軟件庫。和單純基于DSP的GPS解決方案相比，這種方案所需的計算能力很低，僅為3MIPS，對目前的基帶不構成任何挑戰(zhàn)。這種軟件既無任何實時要求，也不會干擾目標系統(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。該軟件庫能以二進制可執(zhí)行碼的形式提供給目標CPU架構。
　　
　　總的來說，Hammerhead可以與許多針對2.5G和3G網(wǎng)絡的手機基帶解決方案兼容，和主CPU之間的數(shù)字連接可以通過使用任何一種Hammerhead接口選項來完成，該芯片可以提供標準UART端口、SPI或I2C。用戶可以對任何一種接口進行配置以滿足目標系統(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。
　　
　　廣泛的應用
　　
　　A-GPS的典型應用包括搜索“興趣點(POI)”以及至預定地點的個人導航。POI是一種提供有關陌生環(huán)境信息的服務，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，導航功能對人們非常有用，就像車載導航系統(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的地圖信息，雖然這種信息未必需要儲存在手機內，在需要的情況下，它可以作為服務的一部分由網(wǎng)絡運營者發(fā)送至用戶的手機。
　　
　　人的定位是另一種應用，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)護的兒童的當前位置。出于資料保護和系統(tǒng)本身性質等原因，加入了防止未經人們同意而對他們進行追蹤的機制。因此有關個人位置的信息決不會無條件地被存儲在網(wǎng)絡或服務器中。系統(tǒng)只會對來自接收機、由用戶明確要求啟動的查詢做出響應。然而目前在技術上已經可以根據(jù)蜂窩連接情況進行未經用戶授權的大致定位，只有網(wǎng)絡運營者才能進行這種定位。
　　
　　有時這種技術甚至可以挽救生命。作為增強型緊急呼叫功能的一部分，當手機發(fā)出一個緊急呼叫時時，呼叫者當前的位置會自動與呼叫一起被傳送至緊急控制中心。在實際情況下，呼叫者經常很難準確可靠地報告其位置。通過A-GPS對呼叫者的位置進行精確測定可以使緊急事故處理人員迅速準確地判斷位置并抵達現(xiàn)場。美國已頒布法律，從2007年起強制在所有的手機中推行這種稱為E911(增強型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制法規(guī)，但類似的法規(guī)極有可能會出臺。