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A-GPS手機多模式平台設計架構剖析
 

【作者: 歐敏銓】   2006年12月18日 星期一

瀏覽人次:【4183】
  

GPS的應用愈來愈廣,在相關產品的代工及品牌上,台灣都是全球的重鎮,從相關概念股的股價長紅,就可以看出此產業目前蓬勃的成長氣勢。在汽車與PDA的導航裝置已漸漸普及後,目前市場開始將眼光放在擁有最大用戶基礎的手機之上,希望能讓GPS成為繼照相、音樂等功能之後,手機上頭的另一項殺手級應用。


其實,GPS手機在市場上已不是什麼新鮮事,從2001、2002年起,在Qualcomm大力推動MSM晶片組及gpsOne無線GPS定位軟體的動作下,包括美、日、韓和中國等採用CDMA系統的區域中,已陸續推出許多GPS功能的手機及相關的服務;同時,在GSM的陣營中也已看到許多具備GPS功能的手機上市。但平心而論,由於GPS手機在使用性及系統設計上與行車導航有頗大的區隔,這些限制讓GPS手機一直不能成為風糜全球的普遍性應用。


行車用GPS重視的是道路與目的地的導航,手機用的GPS則更偏向於個人化的位置服務(Location-based Service, LBS),例如為行人提供所在位置附近的加油站、推薦餐廳、旅館等資訊的「興趣點」(point of interest, POI)加值服務,或在人潮眾多的商場、運動場及劇院、電影院中找到朋友(Friend Finder)服務。手機GPS的另一項使用方式,則是緊急救援或看護照顧的功能,例如美國的E911法案,就要求每台手機中要安裝GPS的定位功能,以便在緊急狀況下能呼叫及追蹤定位;也有行動通訊業者和保全業者結合,推出具有追蹤定位隨身保護的手機,內建SOS緊急求救鍵、蜂鳴器等,以保障婦女或老人、小孩的安全。


這些應用和服務都有其賣點,但手機的個人化使用和道路上的GPS定位很不一樣,我們會在各種環境中使用手機,尤其是在室內或街道巷弄之中,而這些地方的衛星收訊狀況極弱,如何提升定位的可行性是一大挑戰。另外則是系統整合上的問題,在小小的手機當中,已同時存在太多的次系統,包括Wi-Fi、Bluetooth或DVB-H/T-DMB等無線功能,以及各種多媒體的應用,今日要將GPS再整合入其中,又不對其尺寸、功耗及成本帶來太大衝擊,確實有不少問題需要克服。


手機三大定位模式

要利用手機來進行衛星定位,一般來說有幾種方式,一是自主模式(Autonomous Mode),一是輔助模式(Assistance Mode),一是加強自主模式(Enhanced Autonomous Mode),以下分別做一些介紹:


自主模式

自主模式是最基本的方式,也就是透過GPS接收器直接接收來自天空的衛星訊號,不過,此方式的限制最大、精確度也較差。在自主模式下,手機等行動設備除了必須找到足夠的衛星,GPS接收器還得花上一段時間來收集每個衛星的低位元率軌道數據。在天空能見度低時,或是有障礙物時,訊號的衰減會讓GPS設備要花上數分鐘進行冷開機(cold-start),甚至無法正常定位。


其實,除了由樓房、谷地、電子訊號的幹擾等原因所造成的衛星訊號阻礙外,可能造成定位誤差的原因還有很多:即使能收到衛星訊號,也可能因建築物等物體的反射而造成多徑(multi-path)訊號的接收誤差;在衛星訊號通過大氣層及電離層會造成的訊號的延遲,而衛星本身也會有軌道數據的偏移值;此外,在接收器中內建的電子時鐘,也可能存在微小的時間誤差。


輔助模式

要改善GPS的定位能力,最佳的作法是採用輔助模式,也就是透過地面上的網路來提供即時的衛星資訊。此方式能大幅縮短首次定位時間(Time-To-First Fix, TTFF)和精確範圍,在世界各國已發展出各種增強型的SBAS(Satellite-Based Augmentation System)輔助網路模式,包括在美國的DGPS(Differential GPS)、WAAS(Wide Area Augmentation System),日本的MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)與歐洲的EGNOS(Euro Geostationary Navigation Overlay Service)。不過,在手機的應用上,則以與2G/3G網路整合的A-GPS輔助模式最受重視。


在A-GPS的架構下,包括GPS全球參考網路、收集和傳送輔助資料的專用伺服器及用戶終端,其中參考網路站臺的接收器會收集衛星的年曆(Almanac)、星曆(Ephemeris)和時間等資料,當用戶終端查詢時,再經由專用伺服器傳送出去,這些立即性的輔助資料能協助用戶終端在數秒之內就完成定位。此外,由於有手機網路的輔助,讓A-GPS收訊的靈敏度大幅提升,也就是即使是處於比開放空間訊號弱上千百倍的嚴重遮蔽區域,如都會巷弄、室內,甚至是地下室的環境中,都可以收得到訊號。再加上A-GPS模式能夠大幅減少終端運算上功耗,最多可以減少終端GPS晶片60%的功耗,這讓它成為GPS手機的首選模式。


還有一種輔助模式,稱為方向推估(Dead Reckoning, DR),此方式適用於行車導航的輔助使用,能讓汽車在駛入隧道或山谷等收訊不良的路段時,仍能維持短暫的定位能力。DR技術是透過用於里程表與正向或後向運動的感測器,以及像陀螺儀、ABS感測器或方向指示器等加速器或感測器來推算出汽車的行進距離和方向。在短距離內,DR系統所提供的資料比GPS的訊號來得準確,因此可做為短距離內的汽車定位誤差修正輔助,不過,當時間增加時,誤差累積效應會愈來愈大,導航的精確度就會大幅下降。


加強自主模式

在自主模式中,衛星訊號可能會因遮蔽而收訊不良;在A-GPS的模式下,雖然手機網路的覆蓋率極高,但用戶還是有可能離開網路的覆蓋範圍,因而得不到行動網路的輔助數據。這時,就可以改採加強自主模式來進行定位,此模式仍獲得接近輔助模式的接收效能。


對於自主模式來說,獲得星曆數據是最大的挑戰之一。星曆的解碼需要在不被中斷的情況下,對數據的三個子訊框(subframe)進行解碼,而且不能有錯誤的位元。如果錯失了某個子訊框,至少需再等30秒才能嘗試下一次的解碼動作。因此,在許多狀況下,對星曆數據的輔助取得能讓定位更快成功。


加強自主模式就是利用網際網路來為手機等行動裝置提供LTO(long-term orbital)輔助數據。行動裝置在可接取網際網路的任何時刻,都能將LTO下載到GPS的驅動軟體當中。此一數據能提供完整的GPS衛星資料,一旦下載成功,在數天內它都能提供準確的A-GPS輔助定位能力,而不需要更進一步的網路輔助。由於不需要導航訊號進行解碼,在開放天空的環境下,此模式能節省約30秒的定位時間。


有些服務商或甚至是晶片廠商(如Global Locate),會自行建立LTO數據中心,此中心的數據每隔幾天就會更新一次,以提供數天的輔助級效能正確性。此模式的好處是不需電信營運商的網路支援,只需有網際網路接取功能的手機,都能受益。這對手機製造商來說具有很大的吸引力,因為不用受限於營運商也能提供接近A-GPS的功能。請參考(圖一)。


《圖一 建立LTO數據中心的加強自主模式 》 - BigPic:600x299
《圖一 建立LTO數據中心的加強自主模式 》 - BigPic:600x299資料來源:Global Locate

A-GPS多模式建置策略

同樣是A-GPS服務,但在操作模式上仍有不同的作法,也會產生不同的效果。在行動網路中,每個系統都有自己的A-GPS消息發送標準,其中GSM/GPRS是RRLP,UMTS是RRC,CDMA則是IS-801A。因此,在建置模式上,如果是利用行動網路及訊號發送層(如SS7)來從網路獲取位置訊息,如蜂巢式ID、AFLT或者時間同步機制,稱為控制平面(Control Plane)模式;如果基於OMA組織所定義的安全用戶層面定位(Secure User Plane Location, SUPL)標準,先包裹RRLP、RRC或IS-801A訊號後再以一致的規格發送出去,則稱為用戶平面(User Plane)模式。請參考(圖二)、(圖三)。


《圖二 用戶平面架構圖 》 - BigPic:600x350
《圖二 用戶平面架構圖 》 - BigPic:600x350資料來源:SiRF
《圖三 控制平面架構圖 》 - BigPic:599x380
《圖三 控制平面架構圖 》 - BigPic:599x380資料來源:SiRF

這兩種建置模式各有其優缺點,用戶平臺模式較單純,各類的行動通訊業者都可以直接利用現有的IP網路來進行溝通,建置成本會比控制平臺模式更低,整合速度也會加快;若採用控制平臺作法,通訊業者還得佈建專屬的硬體單元,例如定位測量單元(Location Measurement Unit, LMU)和無線網路控制器(Radio Network Controller, RNC)等等,而且從網路到終端都必須支援專屬的介面和協定,建置起來相當複雜,成本也會較高,但此模式能為用戶提供最佳的效能。


對於行動終端的設計者來說,若要讓其設備能採行A-GPS,並不能只支援用戶平臺或控制平臺其中的一種模式,因為其手機可能處在各種環境之下。若想在兩種平臺中進行切換,GPS終端必須支援一套協定轉換的閘道器機制,例如位置服務轉譯和訊號模組(Location Service Translation and Messaging Modules),讓用戶可以從控制平臺轉換為用戶平臺模式,或從RRLP轉為RRC或IS-801A。


在有網路提供輔助資料的模式下,GPS終端又可以有兩種運算模式,一是由行動終端自行運算的MS-based模式(MS為Mobile Station的縮寫),以及由網路伺服器運算定位資料,再送回給終端的MS-assisted模式。MS-based模式的溝通方式較單純,在第一次尋求網路輔助資訊後,就回到獨立運算的模式,當然,這需要有較強的終端運算能力;相較之下,MS-assisted模式則是由終端將量測到的數據丟給網路伺服器,由伺服器來完成最後的定位運算,此模式的終端運算負荷較小,但會要求終端與網路持續保持連線。


此外,由於衛星的移動相當快速,每秒可移動800公尺,因此要掌握衛星的位置並不容易,除非能得GPS時間。GPS時間又可分為粗略式GPS時間(Coarse GPS time)和精確式GPS時間(Precise GPS time),前者的定位時間要約30秒鐘,後者只需數秒鐘即可。目前在SUPL及標準式GSM/WCDMA的建置環境中,並無法取得精確GPS時間,在控制平面、MS-based的模式下,有三種環境能取得精確式時間:一是在CDMA系統環境下;二是在具有LMU來監控基地台時序偏移值(timing offset)的GSM/WCDMA系統環境下;三是透過大量同步操作的GPS終端來獲得SMLC的GSM/WCDMA系統環境。各種類型GPS收訊方式的效能比較,請參考(表一)。


(表一) 各種啟動類型的效能比較
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
<資料來源:Global Locate>

系統架構規劃剖析

和其它的通訊系統相同,GPS的系統區塊大致可分為天線、接收器(射頻)、基頻和驅動軟體。至於在系統建置上,則可以有很多作法。就硬體上,可以採獨立元件的組合,此方式具有較大的彈性,但系統工程師必須花工夫去調校整體系統的效能,難度較高。另一種方式是採用整合射頻與基頻的單封裝晶片,或甚至是連天線也整合在一起的GPS模組。


在GPS手機的設計上,由於手機的空間實在有限,也為了降低元件成本,因此有業者提出軟體GPS(Software GPS)的架構模式。它的作法是將GPS的基頻部分整合到手機中的基頻晶片或應用處理器中,只保留接收器即可。目前包括Qualcomm、TI、NXP、RFMD,甚至SiRF都有這樣的解決方案,但由於此作法必須佔用手機基頻的不少運算資源,而且會提升手機基頻的耗電量。相較之下,GPS晶片或晶片組近年來的效能大幅提升、價格持續下降,加上建置容易,因此目前市場上還是以硬體式的GPS為主,市調單位IMS Research也預期在2010年以前,硬體方式仍會是GPS手機的主要建置方式。


在採用硬體式GPS的系統架構上,GPS訊號經天線及接收器來接收、轉換為數位訊號後,由基頻上的微處理器(最常用ARM7)來進行主要的運算工作,再將解碼後的定位數據傳送給手機中的主處理器,讓它能進一步為用戶提供各種延伸性的應用,例如基本的地圖顯示、其他的LBS服務,或再透過IP網路提供更多的加值服務。請參考(圖四)。


《圖四 GPS手機的系統架構 》 - BigPic:600x220
《圖四 GPS手機的系統架構 》 - BigPic:600x220資料來源:Global Locate

在中低階的手機中,此核心是基頻處理器,在高階手機中,則是應用處理器,GPS驅動軟體會安裝在其上,它能為無線網路提供標準式的介面、處理輔助數據、管理晶片通訊及控制,並能為各種應用的開發提供位置的API。


GPS驅動軟體將關於處理輔助數據協定和衛星量測的功能包裹在其中,進而能為開發者提供高層次的指令,以加速軟體的開發。由於需要大量運算的程式是由GPS晶片組來自主處理,驅動軟體對於主處理器及主記憶體資源只有很小的需求。它能透過主處理器的UART、SPI or I?C等標準的序列介面來達成與GPS晶片的溝通。作為通用式的GPS驅動程式,它必須廣泛支援市場上主流的處理器(如ARM7、ARM9、OMAP應用處理器)及作業系統(如Symbian、Nucleus、PocketPC)。


結論

多模式定位(Multmode Location)是GPS終端及服務的趨勢,請參考(圖五)。在設計架構上,就會需要有一個彈性且可適性(adaptive)的平臺,讓GPS終端能自由的轉換到最恰當的使用模式。這種彈性的平臺必須要能支援自主式、加強自主式和輔助式等定位模式,在A-GPS手機的開發上,更同時要支援SUPL和RRLP、RRC、IS-801A等網路介面,以及MS-based、MS-assisted和控制平面、用戶平面等模式。


《圖五 多模式定位的發展需求 》
《圖五 多模式定位的發展需求 》資料來源:SiRF

這是很大的設計挑戰,不過,要讓GPS的發展更上一層樓,還得從整個生態體系來做考量,也就是涵蓋了網路系統、終端和應用層面。在衛星網路上,除了美國發射的GPS網路外,還有一套新的網路在建置中,也就是由歐盟和歐洲航天局(ESA)共同推出的歐洲民用衛星導航專案:GALILEO。此專案有心建立一個跨洲界、國界的全球系統,並強調與現有的GPS系統相容,能提供互補的效益。


此外,應用功能一向是左右市場接受度的一大因素,而這又和軟體方面的GIS地圖、搜尋引擎及LBS的應用程式的開發,以及網路營運商及內容業者的參與息息相關。目前市場上對GPS已產生高度的興趣,尤其是在行動裝置的應用領域,未來的高度成長相當值得期待。


(作者為電子技術自由作者,聯絡方式:ovenou@yahoo.com.tw)


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相關討論
wonder發言於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發言於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發言於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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