采用單芯片A-GPS方案實(shí)現手機導航應用

最新一代的手機已經(jīng)可以充當游戲機、MP3播放機、照相機和個(gè)人數碼管理器，下一步就是一些新興手機業(yè)務(wù)的推出，如“位置服務(wù)(LBS)”將提供一系列基于用戶(hù)當前地理位置定位的服務(wù)，從定位發(fā)出緊急呼叫的用戶(hù)，到導航應用及根據用戶(hù)當前位置提供定制信息等。

位置服務(wù)的靈感來(lái)源于英飛凌和其美國合作伙伴Global Locate共同開(kāi)發(fā)的名為“Hammerhead”的PMB2520單芯片輔助全球衛星定位系統(A-GPS)解決方案。A-GPS定位指使用全球衛星定位系統，并接收來(lái)自蜂窩移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的“輔助信息”來(lái)進(jìn)行定位。A-GPS可以在不到一秒鐘的時(shí)間內對用戶(hù)進(jìn)行精確定位，其定位精度高達幾米。其高靈敏度意味著(zhù)無(wú)論是在建筑物內還是在很深的郊區峽谷內，它都可以可靠地工作。

A-GPS基本原理

由于GPS系統的性質(zhì)，對衛星信號中的數據進(jìn)行核對是一項既復雜又耗時(shí)的工作，但在自主操作中又是無(wú)法避免的。直接從手機移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )接收輔助定位信息后，由于無(wú)須從衛星信號中對該數據進(jìn)行核對，從而可以大幅減少GPS接收機的工作量。根據信號強度，這樣做可以將首次定位時(shí)間(TTFF)縮減到幾秒鐘，反過(guò)來(lái)又可以大幅減少每次定位所需要的可觀(guān)的能量損耗，從而實(shí)現了較長(cháng)的待機和通話(huà)時(shí)間，而這正是移動(dòng)通信裝置最重要的特性之一。

即使A-GPS的信號比一般“開(kāi)放天空”的GPS信號更弱1,000倍時(shí)，它仍然能夠實(shí)現可靠的定位，這就意味著(zhù)A-GPS系統無(wú)論是在室內、很深的峽谷內或是在移動(dòng)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實(shí)現對信號的精確定位(智能化多徑干擾抑制技術(shù))。

該系統在使用輔助信息時(shí)基本上有兩種不同的操作模式，即移動(dòng)裝置主模式和移動(dòng)裝置輔助模式。在移動(dòng)裝置主模式下，手機向網(wǎng)絡(luò )要求輔助信息，并在長(cháng)達幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間內使用該數據集，第一次和隨后的定位所需要的計算均在手機內進(jìn)行。該模式可以實(shí)現最快的定位，但要求移動(dòng)裝置具有一定的計算能力。在移動(dòng)裝置輔助模式下，手機向網(wǎng)絡(luò )請求用于每次定位的獨立輔助信息，并將GPS數據發(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(dòng)裝置主模式下的工作量，因此，每次定位所需要的時(shí)間也長(cháng)一些，但對移動(dòng)裝置的計算能力沒(méi)有什么要求。

在手機移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行所有A-GPS相關(guān)數據交換的協(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(hù)面(User Plane)。較早的控制面結構使用無(wú)線(xiàn)和核心網(wǎng)的專(zhuān)用信令通路，這種方法需要對現有網(wǎng)絡(luò )基礎設施進(jìn)行改進(jìn)，這當然不利于網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)者。在用戶(hù)面(又叫安全用戶(hù)面，SUPL)架構中，移動(dòng)通信設備與使用IP鏈接的定位服務(wù)器進(jìn)行通信 ，而現有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )基礎設施保持不變。數據連接可以通過(guò)常規的GPRS連接，如利用網(wǎng)絡(luò )中現有的接口和協(xié)議來(lái)完成。Hammerhead與這兩種概念完全兼容。

但Hammerhead并非總是依賴(lài)于單獨從網(wǎng)絡(luò )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(shí)現在自主運行狀態(tài)下的操作。不過(guò)在這種情況下，它需要完全依賴(lài)衛星信號來(lái)進(jìn)行運算，定位需要較長(cháng)的時(shí)間，而且室內的接收效果會(huì )受到限制，這對于一般的GPS設備來(lái)說(shuō)是很常見(jiàn)的事情。為了彌補這一缺陷，這里采用了一種稱(chēng)為“增強型自主模式”的特殊功能模式(已成為Global Locate的一項專(zhuān)利)。借助該模式，A-GPS可以利用以前記錄的輔助導航數據來(lái)進(jìn)行定位計算，這些數據的有效期長(cháng)達四天。這種長(cháng)期軌道(LTO)數據可以通過(guò)任何接口被傳輸到移動(dòng)裝置上，也就是說(shuō)，該信息不一定必須來(lái)源于手機移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，而是可以通過(guò)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(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)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)和數字基帶被整合在一個(gè)0.13um CMOS芯片上。英飛凌的射頻和系統經(jīng)驗結合Global Locate的既有的A-GPS專(zhuān)有技術(shù)，為實(shí)現Hammerhead芯片的設計提供了基礎。

Hammerhead使用“大規模并行關(guān)聯(lián)”技術(shù)來(lái)接收衛星以八個(gè)并行信道發(fā)射的信號，并將它們同32,000多個(gè)相關(guān)器中的參考碼進(jìn)行比較。與車(chē)輛導航系統中常用的接收器相比，該技術(shù)可以大幅縮短首次定位時(shí)間，并可以顯著(zhù)減少功耗。因此，在冷啟動(dòng)后以-130dBm的靈敏度進(jìn)行接收的情況下，Hammerhead的首次定位時(shí)間僅為一秒鐘左右。該功能主要適用于只需一次定位、無(wú)需連續追蹤的應用(如應急服務(wù)和尋人)。

由于它的大規模集成度，Hammerhead包括外部元件(SAW濾波器和一些無(wú)源器件)占手機印刷電路板的面積僅為80mm2。目前市場(chǎng)上的GPS芯片大多數采用雙芯片方案，常常需要300mm2的電路板面積。

另一個(gè)使成本最優(yōu)化的方面是該芯片經(jīng)過(guò)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(shí)鐘頻率(10-40MHz)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻率(32,768kHz)的晶振。

實(shí)際位置是通過(guò)GPS芯片的相關(guān)器(時(shí)間延遲差)的原始數據在手機基帶中進(jìn)行計算來(lái)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。這種軟件既無(wú)任何實(shí)時(shí)要求，也不會(huì )干擾目標系統的電話(huà)呼叫流程。此軟件庫的存儲器需求也不高：不超過(guò)50kb的RAM和不超過(guò)200kb的ROM。該軟件庫能以二進(jìn)制可執行碼的形式提供給目標CPU架構。

總的來(lái)說(shuō)，Hammerhead可以與許多針對2.5G和3G網(wǎng)絡(luò )的手機基帶解決方案兼容，和主CPU之間的數字連接可以通過(guò)使用任何一種Hammerhead接口選項來(lái)完成，該芯片可以提供標準UART端口、SPI或I2C。用戶(hù)可以對任何一種接口進(jìn)行配置以滿(mǎn)足目標系統的要求。該芯片對數字接口數據率的要求不超過(guò)9,600波特。

廣泛的應用

A-GPS的典型應用包括搜索“興趣點(diǎn)(POI)”以及至預定地點(diǎn)的個(gè)人導航。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(lái)下載最近加油站、推薦餐廳、旅館等信息。與此直接相關(guān)，導航功能對人們非常有用，就像車(chē)載導航系統一樣，可以告訴用戶(hù)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(wù)的一部分由網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)者發(fā)送至用戶(hù)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護的兒童的當前位置。出于資料保護和系統本身性質(zhì)等原因，加入了防止未經(jīng)人們同意而對他們進(jìn)行追蹤的機制。因此有關(guān)個(gè)人位置的信息決不會(huì )無(wú)條件地被存儲在網(wǎng)絡(luò )或服務(wù)器中。系統只會(huì )對來(lái)自接收機、由用戶(hù)明確要求啟動(dòng)的查詢(xún)做出響應。然而目前在技術(shù)上已經(jīng)可以根據蜂窩連接情況進(jìn)行未經(jīng)用戶(hù)授權的大致定位，只有網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)者才能進(jìn)行這種定位。

有時(shí)這種技術(shù)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(gè)緊急呼叫時(shí)時(shí)，呼叫者當前的位置會(huì )自動(dòng)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)常很難準確可靠地報告其位置。通過(guò)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確地判斷位置并抵達現場(chǎng)。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(chēng)為E911(增強型911)的功能，日本也通過(guò)了類(lèi)似的法律。雖然歐洲目前在這方面還未制定強制法規，但類(lèi)似的法規極有可能會(huì )出臺。