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A-GPS手机多模式平台设计架构剖析
 

【作者: 歐敏銓】2006年12月18日 星期一

浏览人次:【4181】
  

GPS的应用愈来愈广,在相关产品的代工及品牌上,台湾都是全球的重镇,从相关概念股的股价长红,就可以看出此产业目前蓬勃的成长气势。在汽车与PDA的导航装置已渐渐普及后,目前市场开始将眼光放在拥有最大用户基础的手机之上,希望能让GPS成为继照相、音乐等功能之后,手机上头的另一项杀手级应用。


其实,GPS手机在市场上已不是什么新鲜事,从2001、2002年起,在Qualcomm大力推动MSM晶片组及gpsOne无线GPS定位软体的动作下,包括美、日、韩和中国等采用CDMA系统的区域中,已陆续推出许多GPS功能的手机及相关的服务;同时,在GSM的阵营中也已看到许多具备GPS功能的手机上市。但平心而论,由于GPS手机在使用性及系统设计上与行车导航有颇大的区隔,这些限制让GPS手机一直不能成为风糜全球的普遍性应用。


行车用GPS重视的是道路与目的地的导航,手机用的GPS则更偏向于个人化的位置服务(Location-based Service, LBS),例如为行人提供所在位置附近的加油站、推荐餐厅、旅馆等资讯的「兴趣点」(point of interest, POI)加值服务,或在人潮众多的商场、运动场及剧院、电影院中找到朋友(Friend Finder)服务。手机GPS的另一项使用方式,则是紧急救援或看护照顾的功能,例如美国的E911法案,就要求每台手机中要安装GPS的定位功能,以便在紧急状况下能呼叫及追踪定位;也有行动通讯业者和保全业者结合,推出具有追踪定位随身保护的手机,内建SOS紧急求救键、蜂鸣器等,以保障妇女或老人、小孩的安全。


这些应用和服务都有其卖点,但手机的个人化使用和道路上的GPS定位很不一样,我们会在各种环境中使用手机,尤其是在室内或街道巷弄之中,而这些地方的卫星收讯状况极弱,如何提升定位的可行性是一大挑战。另外则是系统整合上的问题,在小小的手机当中,已同时存在太多的次系统,包括Wi-Fi、Bluetooth或DVB-H/T-DMB等无线功能,以及各种多媒体的应用,今日要将GPS再整合入其中,又不对其尺寸、功耗及成本带来太大冲击,确实有不少问题需要克服。


手机三大定位模式

要利用手机来进行卫星定位,一般来说有几种方式,一是自主模式(Autonomous Mode),一是辅助模式(Assistance Mode),一是加强自主模式(Enhanced Autonomous Mode),以下分别做一些介绍:


自主模式

自主模式是最基本的方式,也就是透过GPS接收器直接接收来自天空的卫星讯号,不过,此方式的限制最大、精确度也较差。在自主模式下,手机等行动设备除了必须找到足够的卫星,GPS接收器还得花上一段时间来收集每个卫星的低位元率轨道数据。在天空能见度低时,或是有障碍物时,讯号的衰减会让GPS设备要花上数分钟进行冷开机(cold-start),甚至无法正常定位。


其实,除了由楼房、谷地、电子讯号的干扰等原因所造成的卫星讯号阻碍外,可能造成定位误差的原因还有很多:即使能收到卫星讯号,也可能因建筑物等物体的反射而造成多径(multi-path)讯号的接收误差;在卫星讯号通过大气层及电离层会造成的讯号的延迟,而卫星本身也会有轨道数据的偏移值;此外,在接收器中内建的电子时钟,也可能存在微小的时间误差。


辅助模式

要改善GPS的定位能力,最佳的作法是采用辅助模式,也就是透过地面上的网路来提供即时的卫星资讯。此方式能大幅缩短首次定位时间(Time-To-First Fix, TTFF)和精确范围,在世界各国已发展出各种增强型的SBAS(Satellite-Based Augmentation System)辅助网路模式,包括在美国的DGPS (Differential GPS)、WAAS(Wide Area Augmentation System),日本的MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)与欧洲的EGNOS(Euro Geostationary Navigation Overlay Service)。不过,在手机的应用上,则以与2G/3G网路整合的A-GPS辅助模式最受重视。


在A-GPS的架构下,包括GPS全球参考网路、收集和传送辅助资料的专用伺服器及用户终端,其中参考网路站台的接收器会收集卫星的年历(Almanac)、星历(Ephemeris)和时间等资料,当用户终端查询时,再经由专用伺服器传送出去,这些立即性的辅助资料能协助用户终端在数秒之内就完成定位。此外,由于有手机网路的辅助,让A-GPS收讯的灵敏度大幅提升,也就是即使是处于比开放空间讯号弱上千百倍的严重遮蔽区域,如都会巷弄、室内,甚至是地下室的环境中,都可以收得到讯号。再加上A-GPS模式能够大幅减少终端运算上功耗,最多可以减少终端GPS晶片60%的功耗,这让它成为GPS手机的首选模式。


还有一种辅助模式,称为方向推估(Dead Reckoning, DR),此方式适用于行车导航的辅助使用,能让汽车在驶入隧道或山谷等收讯不良的路段时,仍能维持短暂的定位能力。 DR技术是透过用于里程表与正向或后向运动的感测器,以及像陀螺仪、ABS感测器或方向指示器等加速器或感测器来推算出汽车的行进距离和方向。在短距离内,DR系统所提供的资料比GPS的讯号来得准确,因此可做为短距离内的汽车定位误差修正辅助,不过,当时间增加时,误差累积效应会愈来愈大,导航的精确度就会大幅下降。


加强自主模式

在自主模式中,卫星讯号可能会因遮蔽而收讯不良;在A-GPS的模式下,虽然手机网路的覆盖率极高,但用户还是有可能离开网路的覆盖范围,因而得不到行动网路的辅助数据。这时,就可以改采加强自主模式来进行定位,此模式仍获得接近辅助模式的接收效能。


对于自主模式来说,获得星历数据是最大的挑战之一。星历的解码需要在不被中断的情况下,对数据的三个子讯框(subframe)进行解码,而且不能有错误的位元。如果错失了某个子讯框,至少需再等30秒才能尝试下一次的解码动作。因此,在许多状况下,对星历数据的辅助取得能让定位更快成功。


加强自主模式就是利用网际网路来为手机等行动装置提供LTO(long-term orbital)辅助数据。行动装置在可接取网际网路的任何时刻,都能将LTO下载到GPS的驱动软体当中。此一数据能提供完整的GPS卫星资料,一旦下载成功,在数天内它都能提供准确的A-GPS辅助定位能力,而不需要更进一步的网路辅助。由于不需要导航讯号进行解码,在开放天空的环境下,此模式能节省约30秒的定位时间。


有些服务商或什至是晶片厂商(如Global Locate),会自行建立LTO数据中心,此中心的数据每隔几天就会更新一次,以提供数天的辅助级效能正确性。此模式的好处是不需电信营运商的网路支援,只需有网际网路接取功能的手机,都能受益。这对手机制造商来说具有很大的吸引力,因为不用受限于营运商也能提供接近A-GPS的功能。请参考(图一)。


《图一 建立LTO数据中心的加强自主模式 》 - BigPic:600x299
《图一 建立LTO数据中心的加强自主模式 》 - BigPic:600x299数据源:Global Locate

A-GPS多模式建置策略

同样是A-GPS服务,但在操作模式上仍有不同的作法,也会产生不同的效果。在行动网路中,每个系统都有自己的A-GPS消息发送标准,其中GSM/GPRS是RRLP,UMTS是RRC,CDMA则是IS-801A。因此,在建置模式上,如果是利用行动网路及讯号发送层(如SS7)来从网路获取位置讯息,如蜂巢式ID、AFLT或者时间同步机制,称为控制平面(Control Plane)模式;如果基于OMA组织所定义的安全用户层面定位(Secure User Plane Location, SUPL)标准,先包裹RRLP、RRC或IS-801A讯号后再以一致的规格发送出去,则称为用户平面(User Plane)模式。请参考(图二)、(图三)。


《图二 用户平面架构图 》 - BigPic:600x350
《图二 用户平面架构图 》 - BigPic:600x350数据源:SiRF
《图三 控制平面架构图 》 - BigPic:599x380
《图三 控制平面架构图 》 - BigPic:599x380数据源:SiRF

这两种建置模式各有其优缺点,用户平台模式较单纯,各类的行动通讯业者都可以直接利用现有的IP网路来进行沟通,建置成本会比控制平台模式更低,整合速度也会加快;若采用控制平台作法,通讯业者还得布建专属的硬体单元,例如定位测量单元(Location Measurement Unit, LMU)和无线网路控制器(Radio Network Controller, RNC)等等,而且从网路到终端都必须支援专属的介面和协定,建置起来相当复杂,成本也会较高,但此模式能为用户提供最佳的效能。


对于行动终端的设计者来说,​​若要让其设备能采行A-GPS,并不能只支援用户平台或控制平台其中的一种模式,因为其手机可能处在各种环境之下。若想在两种平台中进行切换,GPS终端必须支援一套协定转换的闸道器机制,例如位置服务转译和讯号模组(Location Service Translation and Messaging Modules),让用户可以从控制平台转换为用户平台模式,或从RRLP转为RRC或IS-801A。


在有网路提供辅助资料的模式下,GPS终端又可以有两种运算模式,一是由行动终端自行运算的MS-based模式(MS为Mobi​​le Station的缩写​​),以及由网路伺服器运算定位资料,再送回给终端的MS-assisted模式。MS-based模式的沟通方式较单纯,在第一次寻求网路辅助资讯后,就回到独立运算的模式,当然,这需要有较强的终端运算能力;相较之下,MS-assisted模式则是由终端将量测到的数据丢给网路伺服器,由伺服器来完成最后的定位运算,此模式的终端运算负荷较小,但会要求终端与网路持续保持连线。


此外,由于卫星的移动相当快速,每秒可移动800公尺,因此要掌握卫星的位置并不容易,除非能得GPS时间。 GPS时间又可分为粗略式GPS时间(Coarse GPS time)和精确式GPS时间(Precise GPS time),前者的定位时间要约30秒钟,后者只需数秒钟即可。目前在SUPL及标准式GSM/WCDMA的建置环境中,并无法取得精确GPS时间,在控制平面、MS-based的模式下,有三种环境能取得精确式时间:一是在CDMA系统环境下;二是在具有LMU来监控基地台时序偏移值(timing offset)的GSM/WCDMA系统环境下;三是透过大量同步操作的GPS终端来获得SMLC的GSM/WCDMA系统环境。各种类型GPS收讯方式的效能比较,请参考(表一)。


(表一) 各种启动类型的效能比较
Type of Start Massive Parallel Correlation Required Signal strength required to startup Typical range of TTFF
Autonomous Cold No, since ephemeris decoding is the limiting tactor -140dBm
WITH NO INTERRUPTIONS
1-2 minutes
Autonomous Warm 45s
MS-Based Precise Time No, because the search window is tightly bounded by the network assistance -155dBm 1-15s
MS-based Coarse Time Yes -152dBm 1-30s
Enhanced Autonomous 1-30s
1 2 minutes after moving
<资料来源:Global Locate>

系统架构规划剖析

和其它的通讯系统相同,GPS的系统区块大致可分为天线、接收器(射频)、基频和驱动软体。至于在系统建置上,则可以有很多作法。就硬体上,可以采独立元件的组合,此方式具有较大的弹性,但系统工程师必须花工夫去调校整体系统的效能,难度较高。另一种方式是采用整合射频与基频的单封装晶片,或什至是连天线也整合在一起的GPS模组。


在GPS手机的设计上,由于手机的空间实在有限,也为了降低元件成本,因此有业者提出软体GPS(Software GPS)的架构模式。它的作法是将GPS的基频部分整合到手机中的基频晶片或应用处理器中,只保留接收器即可。目前包括Qualcomm、TI、NXP、RFMD,甚至SiRF都有这样的解决方案,但由于此作法必须占用手机基频的不少运算资源,而且会提升手机基频的耗电量。相较之下,GPS晶片或晶片组近年来的效能大幅提升、价格持续下降,加上建置容易,因此目前市场上还是以硬体式的GPS为主,市调单位IMS Research也预期在2010年以前,硬体方式仍会是GPS手机的主要建置方式。


在采用硬体式GPS的系统架构上,GPS讯号经天线及接收器来接收、转换为数位讯号后,由基频上的微处理器(最常用ARM7)来进行主要的运算工作,再将解码后的定位数据传送给手机中的主处理器,让它能进一步为用户提供各种延伸性的应用,例如基本的地图显示、其他的LBS服务,或再透过IP网路提供更多的加值服务。请参考(图四)。


《图四 GPS手机的系统架构 》 - BigPic:600x220
《图四 GPS手机的系统架构 》 - BigPic:600x220数据源:Global Locate

在中低阶的手机中,此核心是基频处理器,在高阶手机中,则是应用处理器,GPS驱动软体会安装在其上,它能为无线网路提供标准式的介面、处理辅助数据、管理晶片通讯及控制,并能为各种应用的开发提供位置的API。


GPS驱动软体将关于处理辅助数据协定和卫星量测的功能包裹在其中,进而能为开发者提供高层次的指令,以加速软体的开发。由于需要大量运算的程式是由GPS晶片组来自主处理,驱动软体对于主处理器及主记忆体资源只有很小的需求。它能透过主处理器的UART、SPI or I?C等标准的序列介面来达成与GPS晶片的沟通。作为通用式的GPS驱动程式,它必须广泛支援市场上主流的处理器(如ARM7、ARM9、OMAP应用处理器)及作业系统(如Symbian、Nucleus、PocketPC)。


结论

多模式定位(Multmode Location)是GPS终端及服务的趋势,请参考(图五)。在设计架构上,就会需要有一个弹性且可适性(adaptive)的平台,让GPS终端能自由的转换到最恰当的使用模式。这种弹性的平台必须要能支援自主式、加强自主式和辅助式等定位模式,在A-GPS手机的开发上,更同时要支援SUPL和RRLP、RRC、IS-801A等网路介面,以及MS-based、MS-assisted和控制平面、用户平面等模式。


《图五 多模式定位的发展需求 》
《图五 多模式定位的发展需求 》数据源:SiRF

这是很大的设计挑战,不过,要让GPS的发展更上一层楼,还得从整个生态体系来做考量,也就是涵盖了网路系统、终端和应用层面。在卫星网路上,除了美国发射的GPS网路外,还有一套新的网路在建置中,也就是由欧盟和欧洲航天局(ESA)共同推出的欧洲民用卫星导航专案:GALILEO。此专案有心建立一个跨洲界、国界的全球系统,并强调与现有的GPS系统相容,能提供互补的效益。


此外,应用功能一向是左右市场接受度的一大因素,而这又和软体方面的GIS地图、搜寻引擎及LBS的应用程式的开发,以及网路营运商及内容业者的参与息息相关。目前市场上对GPS已产生高度的兴趣,尤其是在行动装置的应用领域,未来的高度成长相当值得期待。


(作者为电子技术自由作者,联络方式:ovenou@yahoo.com.tw)


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wonder发言于2007.06.29 09:18:38 AM

事實上導航系統用在車中已有一段時日了,況且越來越成為車輛出售時的標準配備。

過去多是內建於車內系統上,目前漸漸發展成行動攜帶式,讓使用者停車之後還可以帶下車,隨時使用。

Korbin Lan发言于2006.12.19 06:25:26 PM

一定可以的!!!

我相信霹靂遊俠裡的"夥計"就有裝...而大家都會很想要有這種車!!

(至於技術我就不太懂了)

Jalen Chung发言于2006.12.18 06:56:31 PM

如果GPS導航在手持式裝置的未來前景可期,那麼在車用電子方面呢?在車用網路設計上,GPS導航又擁有什麼樣的地位?當歐美日本甚至中國正在極力架構屬於自己的GPS導航標準時,台灣又該如何將GPS與航太科技密切結合,配合車用系統的建立,架構立體而又屬於自己的GPS導航系統呢?

 

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