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宏观PND架构与应用市场分析
 

【作者: 王岫晨】2007年12月15日 星期六

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GPS技术是1960年代初期,由美国空军与海军针对军事用途之导航与定位方面需求而研发,在1966年则开放民间使用受限官方选择性(Selective Availability;SA)的GPS L1频道(1575.42MHz)。1973年,美国国防部整合并扩大应用于民事的定位测量用途,到了2000年取消管制,并将误差精确度缩小至10~15m的范围。今日GPS技术则已普遍应用于生活中的导航应用等用途。


GPS产品应用

放眼目前市场上的GPS产品,在使用上存在产品区隔,依据应用不同从高阶到低阶产品一应俱全,目前主流仍是以PND为主,加上手机与车用导航,这三项应用是目前GPS最主要的三大应用领域。而诸如纪录行车轨迹的Data Logger等产品,可运用在车队管理与个人位置追踪等用途,与手机搭配更将产生不错的综效,这样的市场也预计将在2008年逐渐起飞。至于PND装置,是目前GPS最主要、市场也最大的应用领域,然而该市场未来随着GPS手机与车用导航系统的普及将逐渐受到挤压,这样的趋势目前已经非常明显。


PND稳居主流

PND成为市场新宠也不过是近三年的事,在2004年时全球PND市场仅几十万台的规模,2005年快速成长到了500万台,2006年全球PND销售量便一举突破1000万台。根据资策会MIC预测,到了2007年全球PND市场规模可望突破2600万台,其中单一功能的PND出货量更将达到2320万台。


而PND普及度的提高,相对也为整个市场带来更激烈的竞争。也为了迎合各个使用阶层的需求,PND产品的市场区隔更为明显,低价化、多功能与高效能已成为PND装置发展的三大主轴。目前市面上PND产品的高低阶应用之区分,主要归纳为几项。第一是面板尺寸,面板尺寸大、宽屏幕机种,通常价格便较为昂贵。第二是处理器的等级,例如装置若内建ARM9与ARM11处理器等级便不相同,这也直接影响到PND所能具备的功能。因此所谓的低阶PND就是单纯进行定位功能,而中、高阶的PND产品为了做出市场区隔,纷纷导入更多的加值应用功能,从基本的定位系统、到语音导航等、触摸屏、蓝牙模块等,到结合PDA及智能型手机,甚至能提供MP3音乐功能,或多媒体视讯功能。为了要让PND整合这些加值能力,制造商也必须在其软、硬件技术上进行升级。


在低阶PND产品市场上,其系统模块成本已普遍降至199美元水平,预计未来仍有很大降价空间。此领域厂商通常都在不损及GPS定位能力的条件下,采用更高整合度的方式来降低价格。例如GPS核心引擎便可采用射频与基频各自独立的芯片组设计,当然也能选择整合型的SoC单芯片。独立型的解决方案提供较高设计弹性,但另一方面单芯片方案则具备更高成本效益,让整体设计的物料成本降低,更可进一步让产品尺寸缩小,且设计师也不必费心调整射频与基频协同工作的效能。以整合型的GPS单芯片来看,未来还可整合更多组件,例如内存、电源管理与LNA(Low Noise Amplifier)等,不过在发展成熟的条件下,所能降低的成本有限。


至于中高阶PND产品,则除了原有的GPS导航功能之外,另外加入更多应用功能,例如MP3音乐播放、视讯拍摄或掌上游戏等功能,部份产品甚至具备数据处理运算能力。而这样的产品也使得PND、PMP与PDA产品间的界线越来越模糊,这种市场重迭的状况将越来越明显。特别是未来在GPS手机加入战局之后,更将挤压原有的PND市场。


GPS手机与车用导航羽翼渐丰

根据美国ABI Research所公布的预测指出,2008年GPS手机市场规模将达到500亿美元,2012年将超过1000亿美元。此外,ABI Research也估计GPS手机的出货量,在2008年将达到2.4亿支,2012年将达5.5亿支。2008年更将有多数GPS手机支持W-CDMA技术。


此外,市场调查研究机构iSuppli所作的研究数据也相去不远,该公司预估Nokia、Samsung与Motorola等手机品牌大厂,2007年合计出货约1.62亿支GPS手机,到2011年时,全球将有4.44亿支手机内建GPS,几乎占总出货量的三分之一。iSuppli预估,以Nokia为首的手机厂商,2008年所销售的GPS手机,将比2007年成长48%,由此可看出GPS芯片内建在手机内将成不可避免的新趋势,未来单一的GPS手持装置将变成和与PDA一样,渐渐成为过时的产品项目。


近年来许多知名手机大厂纷纷收购GPS技术相关厂商,这使得手机厂商跨足GPS市场的情势更为明显。许多手机芯片组的厂商早已在手机芯片中整合GPS功能,并大幅提高定位精确度、TTFF及室内接收等性能。另外,导航应用相关软件开发厂商也与手机系统业者合作,提供消费者更有吸引力的定位服务功能(Location Based Services;LBS)。手机厂商非常重视GPS手机软件开发与服务一环,除了欧美知名大厂之外,许多亚洲ODM厂商例如三星、HTC、广达、英华达等都纷纷投入GPS手机市场,足见此市场之未来发展性。


iSuppli也指出,愈来愈多的汽车出厂时将内建GPS功能,根据Wards汽车年鉴,2006年出厂的轿车与轻型卡车中,7%内建GPS系统,2005年的比例是6%,而这样的比例到了2008年肯定将更高,这对于PND装置的市场占有率当然会造成一定的影响。


尽管GPS手机与车用导航装置将挤压PND市场,然而却也不至于完全取代PND的地位,各产品市场还是会独立存在。以GPS手机市场来看,虽然手机整合GPS功能已是趋势,然而手机屏幕太小难以清楚显示地图就是一大问题,除了部份高阶手机机种具备较为精确的运算与图资功能之外,一般手机内建GPS仅属于附加功能,说穿了就是让单一手机具备更多种功能,在消费市场上便更具卖点。


然而手机的用途毕竟还是以通话功能为主,附加功能为辅,真有精确定位导航需求之用户,还是会购买专用的PND装置,可清楚显示地图与导航方位等信息。这情况就类似手机在整合了数字相机与MP3播放功能之后,单一数字相机与MP3播放器依然存在,因为单一装置所能提供的功能更为专一且强大,并非整合式多功能装置所能够比拟。


因此放眼未来,尽管GPS手机与车用导航系统等相关产品将影响PND装置市场占有率,然而提到完全取代尚言之过早。本文接着将讨论PND产品在进行导航定位时经常遇到的问题,并接着介绍各家厂商针对这些问题所提出的解决方案。


《图一 旺玖科技产品研发处副总经理张思恩指出,业界以SiRF 2.5来称其PL6313芯片,可看出旺玖在研发高性能GPS芯片的技术实力。》
《图一 旺玖科技产品研发处副总经理张思恩指出,业界以SiRF 2.5来称其PL6313芯片,可看出旺玖在研发高性能GPS芯片的技术实力。》

PND设计挑战

A-GPS辅助定位

PND以GPS技术进行导航,而GPS导航中最担心的关键问题就是遮蔽物,以及玻璃反射讯号等问题。这些问题容易导致GPS装置产生多重干扰,遮蔽物例如钢筋水泥建筑或者铁棚屋顶等,讯号无法穿过;而玻璃则容易将讯号反射,导致讯号强度减弱。例如在百货公司或办公大楼之内,既是钢筋水泥建筑物,又是玻璃外墙,这对GPS讯号接收来说是最恶劣的环境。而金属车体、以及车上的隔热玻璃等容易阻隔讯号的接收,对于GPS在城市中原本就容易产生的干扰更是雪上加霜。因此在都市中,以A-GPS进行辅助导航,透过穿透力强的基地台讯号,更能够精确掌握收讯者的所在位置,不仅提高定位精确度,对于紧急救援应用更能提供最快的协助。


A-GPS可提供更为精确的定位,然而其尚未普及的原因,主要在于环境建置尚未完备,而政府的支持与否以及成本等问题也都是影响普及率的主要因素。在欧美市场上,A-GPS的环境建置需要顾及许多层面,例如服务业者与电信业者等,因为与GPS依赖卫星定位不同的是,A-GPS依赖的是基地台讯号,透过此种方式协助在众多遮蔽物的都市环境中进行辅助定位,即使在建筑物内或行车当中,讯号都可透过基地台穿透建筑物以及车体,进行建筑物或遮蔽物中的追踪导航用途。


A-GPS主要的服务是LBS(Location Based Service),也就是进行人身定位,透过此种定位协助可掌握一个人所在的位置、区域,未来甚至可知道是在哪个建筑物中的第几层楼。目前A-GPS主要用于加速辅助定位、以及室内的追踪导航等用途,这便是A-GPS与GPS的主要差异。A-GPS目前多利用GSM基地台,而WiFI、WiMAX甚至是WCDMA等也都是未来可行的方式。


《图二 旺玖科技产品营销暨业务处经理刘建成说,一般路况使用GPS导航,尽管各芯片效能不同,然而一般消费者却很难察觉微小差异。》
《图二 旺玖科技产品营销暨业务处经理刘建成说,一般路况使用GPS导航,尽管各芯片效能不同,然而一般消费者却很难察觉微小差异。》

惯性导航

针对车载导航的PND设备,业者除了往低价及高效能等方向发展之外,另一个备受瞩目的设计,就是导入方位推估技术的惯性导航(Dead Reckoning;DR)系统,让GPS断讯时仍能继续定位导航。


这是在行车状态时,当行进到隧道或路桥下的环境中,GPS是无法接收到讯号的。这时候惯性导航的功能也变得格外重要,透过适当的算法,当车辆进入隧道之后,仍可依据当时车速、方向等估计车辆在隧道中的位置,持续提供导航信息。这对于在隧道中发生事故后的救灾效率是非常重要的,惯性导航可提供更确切的方位,让救灾人员知道事故现场还有多远距离。


惯性导航技术对于车载导航相当实用,因为汽车常会行经卫星讯号接收不良的地方如隧道或桥下,此时便能切换到惯性导航模式。车载惯性导航的概念由来已久,但过去技术不纯熟因此难以实现,如今因MEMS微机电技术的突破与价格下降,使得PND设备能够透过内建三轴加速度计、陀螺仪或电子罗盘等运动传感器,进而惯性导航功能,提供行车更大的便利与安全性。


《图三 瑞萨科技第二课第二营业技术营销部副主任刘惟昱说明,由于考虑功能及配置的多样性,因此瑞萨发展整合各种周边功能的SH-Mobile R处理器。》
《图三 瑞萨科技第二课第二营业技术营销部副主任刘惟昱说明,由于考虑功能及配置的多样性,因此瑞萨发展整合各种周边功能的SH-Mobile R处理器。》

支持双用途卫星定位

随着GPS系统的普及,GPS应用已不单纯局限高阶军事定位、商业追踪、车用内嵌式导航、工业品管等领域,消费性可携式GPS装置市场正百花齐放。GPS芯片技术发展越来越细致复杂,如何兼顾TTFF以及定位精确度,则会是GPS在消费电子领域继续扩散影响力的关键。


原本欧盟想独力发展Galileo卫星导航系统与美国的GPS系统分庭抗礼,目前则改与美国合作使用同一频段,提供更准确的视讯影像和地理坐标信息。如此一来,双方接收器可以同时获得彼此系统的讯号,将数据整合,藉以鼓励GPS接收器厂商迈向双用途接收器市场。


GPS以及Galileo系统的进一步整合,GPS芯片厂为使芯片组与接收器支持双用途功能,将更注重TTFF以及定位精确度的设计要求,克服低功耗与高感度间的技术难题。此外,进一步降低都市建筑物干扰因素、抗UV汽车隔热纸影响立即实况收讯(pick up)、系统噪声干扰(system noise)、大气层粒子影响(ionospheric effects)、环境多重反射干扰(multi-path)等限制,也会是2008年GPS定位技术再突破的重点项目。


《图四 益登科技业务四处资深产品经理刘新晖表示,GPS手机将影响PND市占率,然而要完全取代尚言之过早。》
《图四 益登科技业务四处资深产品经理刘新晖表示,GPS手机将影响PND市占率,然而要完全取代尚言之过早。》

精确度考虑

若非特殊精确定位需求的导航装置,在一般路况上使用GPS导航功能时,尽管各家厂商的芯片效能在数据上多有不同,然而事实上一般消费者却很难察觉这些微小的差异。特别在于消费者是否有需求使用更为高阶的产品,这便是因人而异的状况了。不同厂商产品所存在的差异,必须在讯号非常微弱的状况下才会明显感受到相差几个dBm的精确度,在一般正常的情况下,用户将非常难以察觉。


类似以下的状况,GPS产品使用时常发生一种情况,由于更新时间上的差异,因此经常发生用户遇到红灯停下车子的时候,导航装置却没跟上脚步,误以为车辆还在持续行进中,直到讯号更新后才将车辆拉回正确位置。对于消费者来说,这将产生两种情况,一种是由于消费者在行车当中视线不会持续注视着导航装置,只会久久看一次屏幕了解目前车辆所在位置,对于这样的消费者来说,相差几秒的误差对他们都是可以接受的。而另一种消费者,则是对于精确度的要求非常高,认为这样的误差出现将令人无法接受。也因此,各家GPS产品功能所存在的差异,尽管细微,对于用户却将产生不同的影响。


此外,GPS还经常发生的问题,就在类似立体交流道的道路上。立体交流道由于容易产生讯号遮蔽的问题,往往用户会发现导航结果车辆已经偏离道路了,尽管在GPS产品的设计中,18公尺的误差都还在容许范围之内,只是对于用户来说,偏离道路以及没有偏离道路的两种导航结果,用户当然较为乐于接受不偏离的导航结果。


导航装置除了精确度、算法与模块的差异之外,图资档也是带动导航装置普及的重要关键。因为图资档的细腻度直接关系到是否能够正确指引用户到达目的地,质量较差的图资档在GPS装置接受到卫星讯号解运算之后,就会出现指示错误的情况,例如不同步、速度慢、有误差等状况产生。为了避免这种问题发生,芯片必须稳定度高、加上图资档精确。目前市面上产品的图资档普遍都具备一定的水平与准确性。而由于海拔高度的问题,导航系统多少都会有误差的产生。未来高阶GPS系统搭配高精度的图资档案,甚至可以进行3D立体导航,连用户位于第几楼层中都可详细显示。


《图五 u-blox台湾区总经理江敏楠指出,u-blox自行发展一套免费的A-GPS服务AssistNow系统,让消费者享受全球定位效能。》
《图五 u-blox台湾区总经理江敏楠指出,u-blox自行发展一套免费的A-GPS服务AssistNow系统,让消费者享受全球定位效能。》

GPS技术发展现况

旺玖科技

台湾厂商自力研发的骄傲

旺玖科技(Prolific Technology)约于四年前开始投入GPS芯片的研发,最初与美国奇异(GE)公司合作研发GPS芯片。当时美国奇异公司所使用的是模拟技术,而旺玖则是以数字DSP技术来发展GPS芯片,在其SoC架构的基频组件中整合了一个32bit的CUP核心。在2005年旺玖也并购了GPS的专业厂商立纬科技,并将两公司的GPS技术研发团队整合为一,因此目前旺玖所拥有的GPS技术与产品,是完全由台湾厂商所自行研发。


旺玖科技产品研发处副总经理张思恩指出,旺玖所研发的PL6313芯片组在业界有SiRF 2.5之称号。虽然旺玖最初是以发展I/O接口产品起步,对于GPS芯片投入时间相对较短,然而业界以SiRF 2.5来称其PL6313芯片,相对可看出旺玖在短时间便研发出高性能GPS芯片的技术实力。而以这样的昵称,也可得知PL6313的效能大约介于SiRF star II以及SiRF star III之间,加上由于是自行研发,因此不管就成本与芯片尺寸等特性都在市场上居于领先地位。此外在性能与数据的表现方面,旺玖的GPS芯片组不论在道路实测以及仪器测试等状况下,与竞争产品都不相上下,这也可看出旺玖GPS技术的成熟度非常足够。


产品营销暨业务处经理刘建成表示,PL6313芯片组可提供PDA、Tablet PC及Smart Phone等需要卫星定位及追踪功能的行动运算平台高性能、低耗电及低附加成本的解决方案。PL6313芯片组主要设计诉求为低耗电、小尺寸、并降低系统嵌入GPS功能之增加成本。嵌入运算平台时,直接利用原本即存在的运算器及内存来完成GPS导航运算,以达降低成本之功效。可作用在于撷取追踪GPS讯号,并产生初始量测值。PL6313特色在于低价格与本土厂商之技术支持,敏感度为-150dBm,精确度最高可达5公尺范围,芯片尺寸为10mm×10mm×0.8mm,具备12颗卫星频道。


PL6313芯片组目前大量应用于G-Mouse卫星接收器、Data Logger、DSC Logger、Bluetooth GPS、GSM Tracker以及PND装置上。而即将量产出货的新款PL6315芯片组,应用范围除了PND装置之外,更涵盖了未来市场规模非常庞大的GPS手机,以及车用导航装置上。



《图六 旺玖PL6313 GPS芯片组架构图》
《图六 旺玖PL6313 GPS芯片组架构图》

u-blox

高阶应用市场行动家

u-blox AG是以GPS模块起家的导航定位解决方案供货商,10年来在军事定位、商业追踪、车用导航、工业品管等GPS应用领域经营有成,新一代的u-blox 5 GPS芯片是u-blox在调整与Atmel合作关系后成功开发的产品。u-blox 5兼顾TTFF以及定位精确度,能够支持地面上所有强波器基地台规格,灵敏度实际值可达-160dBm。


u-blox台湾区总经理江敏楠表示,在惯性导航方面,u-blox 5可藉由陀螺仪和测速线,调整方向与速度,确保定位精确度。在开放空间无干扰情况下,u-blox 5的圆概率误差(circular error probability;CEP)可达95%比例误差值不超过2.5公尺,在地面强波器辅助下更可将误差控制于2公尺内。


而u-blox也自行发展一套免费提供消费者使用的A-GPS服务AssistNow系统,提供有效期长达14天的辅助数据,消费者只需不定时地连接到网络更新辅助数据,便能享受在全球各地TTFF少于1秒的卫星接取定位效能。


u-blox 5提供快速的首次定位时间,它所采用的GPS架构拥有50个信道,并提供超过100万个相关器(correlators)以及独立的定位与搜索引擎,可以进行大规模的平行搜寻。在u-blox的AssistNow A-GPS服务协助下,u-blox 5芯片与模块可在1秒内取得卫星讯号和完成首次定位。


而整合了u-blox 5 GPS与GALILEO芯片,u-blox也发表了50信道LEA-5 GPS模块系列,这些单机多用途的GPS接收器采用,具有丰富功能和弹性链接能力,应用整合也很方便,使体积与成本都受严格限制的汽车电子、消费和工业等各种应用能够迅速上市。


LEA-5 GPS模块产品线采用无铅封装,并能在-40到85℃工业温度范围操作。它的小型尺寸和SMT焊垫很适合完全自动化的组装流程,以及标准的零件取置机和回焊作业,这使得量产成本更低。而LEA-5H GPS模块内含闪存,这能简化轫体升级和系统设定值储存;以ROM为基础的LEA-5S则能进一步降低成本。这两套模块都提供u-blox的OMA SUPL兼容A-GPS界面,并且支持AssistNow Online和AssistNow Offline A-GPS服务。


未来u-blox将以既有高阶应用市场的GPS硬件技术优势为基础,垂直加强u-blox的GPS精确定位与TTFF技术在消费电子领域的渗透能力,并藉此重整GPS芯片的技术质量。



《图七 Broadcom新一代BCM4750 GPS芯片》
《图七 Broadcom新一代BCM4750 GPS芯片》

瑞萨科技

轻松整合行动视讯与导航系统

随着地面数字广播市场渐趋成熟,手机、汽车导航系统及PMP等可接收地面数字广播的多媒体终端机开始问世。例如汽车导航系统需求能在车内观赏高画质电视影像,日本市场的GPS装置更要求必须支持电视播放功能,因此加入了地面数字广播收讯功能的系统,在数量上也将快速增加。


瑞萨科技第二课第二营业技术营销部副主任刘惟昱表示,由于考虑到功能及配置的多样与完整性,在这种市场趋势下,瑞萨科技于2006年发展出整合各种周边功能的SH-Mobile R处理器,更于2007年推出了SH-Mobile R+系列,这两系列产品均已量产并应用于多样产品上。


SH-MobileR适用于支持One-Seg地面数字广播的汽车导航系统,及可携式媒体播放器(One-Seg为日本针对可携式与行动终端机而提供的服务)。SH-Mobile R的VPU4视讯图像处理IP,可支持全球数个地区的数字广播所采用的H.264/MPEG-4 AVC动态影像压缩标准。SH-Mobile R也整合了相机接口,可直接连接500万画素等级的相机模块,并具备图像处理功能,可高速撷取大型影像数据并进行图像处理。JPEG硬件加速器则有助于高速显示并拍摄JPEG影像,而24位TFT彩色LCD控制器可显示高画质的影像。此外内建了可提高图像处理效能的2D图形加速器,更可快速、精确地显示复杂的图形化使用接口。


SH-Mobile R具有一颗高效能SH4AL-DSP CPU核心,其效能在266MHz最高工作频率下可达到478MIPS,可平行处理浏览器及数个高负荷的应用程序,并可支持Linux操作系统,SH-Mobile R+的效能更可达到333MHz(600MIPS),不仅提供PND产品足够的导航运算能力,多样的图像处理功能更是让用户不论进行何种视讯应用都能得心应手。刘惟昱指出,SH-Mobile R系列在2008将发表推出SH-Mobile R2系列,SH-Mobile R2主要针对SH-Mobile R系列进行更改,并推出针对低阶用途的纯CPU架构,与针对日本市场中高阶应用等两种款式。另外针对A-GPS产品,瑞萨也与SiRF合作,由SiRF提供GSM接收器与GPS软件,瑞萨则提供SH-Mobile处理器,架构成A-GPS模块,目前也已应用于多款终端产品上。


《图八 u-blox LEA-5 GPS模块》
《图八 u-blox LEA-5 GPS模块》

Braodcom

发挥行动导航最大竞争力

Broadcom在2007年7月收购了Global Locate之后,也获得了其所拥有的GPS技术。益登科技业务四处资深产品经理刘新晖指出,目前SiRF的GPS芯片在PND市场拥有70%占有率,其处理器是包含ARM核心的完整解决方案,而目前Broadcom的GPS产品为射频加基频的单芯片,运算部份依赖后端的运算资源进行处理,因此属于Host Based的GPS系统,内存也会分享部份系统记忆资源。


正由于不内建ARM核心,因此不论是应用于手机或多媒体播放器等产品上,都可以透过这些产品的应用处理器进行运算,而大幅节省成本。对于消费性产品市场更有竞争力。由于本身还具备基频功能,因此架构介于软件GPS与纯硬件GPS之间,亦即与系统分享资源,在不过份占用系统资源的情况下,最大程度节省整体成本。如此一来,所能发挥的效能就非常大。这在经过主要客户终端产品的使用验证之后,都证明其整体效能与竞争对手相较之下足以抗衡。


目前Broadcom以Global Locate架构为主的A-GPS芯片Hammerhead(PMB2520)已量产出货,而下一代全新的BCM4750 A-GPS芯片也将会在2008年3月量产,BCM4750采用低成本90奈米CMOS制程制造,具有良好接收性能与追踪灵敏度。BCM4750延续了Global Locate的架构,能够在高楼大厦的底层和建筑物密布的环境下接收信号灵敏度达-162dBm的微弱信号。该芯片在每秒更新一次的导航速度下,功率损耗低于15mW,是非常具有竞争力的产品。


新一代的BCM4750芯片将非常适用于要求极快TTFF和极佳导航性能的PND产品。此外,具备网络联机功能的产品(如无线PND和手机)还能够透过BCM4750软件解决方案开发全套功能。这些功能包括A-GPS和LTO(长期轨道)扩充式星历图辅助,透过这些辅助功能,TTFF时间甚至可以缩短至一秒以内。而Broadcom除了硬件芯片的提供,还可提供包括A-GPS堆栈和客户端软件在内的配套软件。


刘新晖表示,过去Global Locate在全球都有成立许多参考点(reference station),加上其本身也是A-GPS数据数据(Data Networking)的供货商,只此只要使用Global Locate的硬件,都可以透过因特网下载星历图数据,如此便可大幅提高产品附加效能。


《图九 瑞萨SH-MobileR导航芯片》
《图九 瑞萨SH-MobileR导航芯片》

结语

瑞萨SH-MobileR导航芯片


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