单芯片A-GPS方案解决手机导航问题

位置服务的灵感来源于英飞凌和其美国合作伙伴Global Locate共同开发的名为“A-GPS硬件/软件系统解决方案">Hammerhead”的PMB2520单芯片辅助全球卫星定位系统(A-GPS)解决方案。A-GPS定位指使用全球卫星定位系统，并接收来自蜂窝移动电话网络的“辅助信息”来进行定位。A-GPS可以在不到一秒钟的时间内对用户进行精确定位，其定位精度高达几米。其高灵敏度意味着无论是在建筑物内还是在很深的郊区峡谷内，它都可以可靠地工作。
　　
　　A-GPS基本原理
　　
　　由于GPS系统的性质，对卫星信号中的数据进行核对是一项既复杂又耗时的工作，但在自主操作中又是无法避免的。直接从手机移动网络接收辅助定位信息后，由于无须从卫星信号中对该数据进行核对，从而可以大幅减少GPS接收机的工作量。根据信号强度，这样做可以将首次定位时间(TTFF)缩减到几秒钟，反过来又可以大幅减少每次定位所需要的可观的能量损耗，从而实现了较长的待机和通话时间，而这正是移动通信装置最重要的特性之一。
　　
　　即使A-GPS的信号比一般“开放天空”的GPS信号更弱1,000倍时，它仍然能够实现可靠的定位，这就意味着A-GPS系统无论是在室内、很深的峡谷内或是在移动的交通工具上都可以正常工作。甚至在带有强反射信号的较差接收条件下，复杂的算法也能够使该系统实现对信号的精确定位(智能化多径干扰抑制技术)。

　　
　　图：Hammerhead PMB2520应用于普通手机中的电路框图。此A-GPS芯片通过串行接口与基带部分通讯，并使用手机现有的时钟时序发生机制。
　　
　　该系统在使用辅助信息时基本上有两种不同的操作模式，即移动装置主模式和移动装置辅助模式。在移动装置主模式下，手机向网络要求辅助信息，并在长达几个小时的时间内使用该数据集，第一次和随后的定位所需要的计算均在手机内进行。该模式可以实现最快的定位，但要求移动装置具有一定的计算能力。在移动装置辅助模式下，手机向网络请求用于每次定位的独立辅助信息，并将GPS数据发回基站进行进一步的处理。在这种模式下，网络需要完成的工作量大于在移动装置主模式下的工作量，因此，每次定位所需要的时间也长一些，但对移动装置的计算能力没有什么要求。
　　
　　在手机移动网络上进行所有A-GPS相关数据交换的协议可以基于一种或两种不同的概念，即控制面(Control Plane)或用户面(User Plane)。较早的控制面结构使用无线和核心网的专用信令通路，这种方法需要对现有网络基础设施进行改进，这当然不利于网络运营者。在用户面(又叫安全用户面，SUPL)架构中，移动通信设备与使用IP链接的定位服务器进行通信 ，而现有的移动通信网络基础设施保持不变。数据连接可以通过常规的GPRS连接，如利用网络中现有的接口和协议来完成。Hammerhead与这两种概念完全兼容。
　　
　　但Hammerhead并非总是依赖于单独从网络接收辅助导航信息。由于采用了高灵敏度的集成式低噪声放大器(LNA)，该芯片还可以实现在自主运行状态下的操作。不过在这种情况下，它需要完全依赖卫星信号来进行运算，定位需要较长的时间，而且室内的接收效果会受到限制，这对于一般的GPS设备来说是很常见的事情。为了弥补这一缺陷，这里采用了一种称为“增强型自主模式”的特殊功能模式(已成为Global Locate的一项专利)。借助该模式，A-GPS可以利用以前记录的辅助导航数据来进行定位计算，这些数据的有效期长达四天。这种长期轨道(LTO)数据可以通过任何接口被传输到移动装置上，也就是说，该信息不一定必须来源于手机移动网络，而是可以通过互联网进行下载。该技术将发挥重要的作用，直至移动网络运营者完成全球A-GPS基础设施的建设。
　　
　　单芯片整合射频功能和基带
　　
　　在PMB2520方案中，高灵敏度的射频接收器(灵敏度为-160dBm)和数字基带被整合在一个0.13um CMOS芯片上。英飞凌的射频和系统经验结合Global Locate的既有的A-GPS专有技术，为实现Hammerhead芯片的设计提供了基础。
　　
　　Hammerhead使用“大规模并行关联”技术来接收卫星以八个并行信道发射的信号，并将它们同32,000多个相关器中的参考码进行比较。与车辆导航系统中常用的接收器相比，该技术可以大幅缩短首次定位时间，并可以显著减少功耗。因此，在冷启动后以-130dBm的灵敏度进行接收的情况下，Hammerhead的首次定位时间仅为一秒钟左右。该功能主要适用于只需一次定位、无需连续追踪的应用(如应急服务和寻人)。
　　
　　由于它的大规模集成度，Hammerhead包括外部元件(SAW滤波器和一些无源器件)占手机印刷电路板的面积仅为80mm2。目前市场上的GPS芯片大多数采用双芯片方案，常常需要300mm2的电路板面积。
　　
　　另一个使成本最优化的方面是该芯片经过调整设计，可以适用于一般的手机架构。尽管完全不是一种自主运行解决方案，Hammerhead还是巧妙地使用了目前手机设计中既有的功能单元，如用于高精度参考时钟频率(10-40MHz)和实时时钟频率(32,768kHz)的晶振。
　　
　　实际位置是通过GPS芯片的相关器(时间延迟差)的原始数据在手机基带中进行计算来确定的，这种计算是采用Global Locate提供的软件库。和单纯基于DSP的GPS解决方案相比，这种方案所需的计算能力很低，仅为3MIPS，对目前的基带不构成任何挑战。这种软件既无任何实时要求，也不会干扰目标系统的电话呼叫流程。此软件库的存储器需求也不高：不超过50kb的RAM和不超过200kb的ROM。该软件库能以二进制可执行码的形式提供给目标CPU架构。
　　
　　总的来说，Hammerhead可以与许多针对2.5G和3G网络的手机基带解决方案兼容，和主CPU之间的数字连接可以通过使用任何一种Hammerhead接口选项来完成，该芯片可以提供标准UART端口、SPI或I2C。用户可以对任何一种接口进行配置以满足目标系统的要求。该芯片对数字接口数据率的要求不超过9,600波特。
　　
　　广泛的应用
　　
　　A-GPS的典型应用包括搜索“兴趣点(POI)”以及至预定地点的个人导航。POI是一种提供有关陌生环境信息的服务，可以被用来下载最近加油站、推荐餐厅、旅馆等信息。与此直接相关，导航功能对人们非常有用，就像车载导航系统一样，可以告诉用户如何去想要去的目的地。需要注意的是在这种情况下，步行者需要更加详细的地图信息，虽然这种信息未必需要储存在手机内，在需要的情况下，它可以作为服务的一部分由网络运营者发送至用户的手机。
　　
　　人的定位是另一种应用，典型的用途包括“查找朋友”和“儿童追踪”，可以显示朋友和需要监护的儿童的当前位置。出于资料保护和系统本身性质等原因，加入了防止未经人们同意而对他们进行追踪的机制。因此有关个人位置的信息决不会无条件地被存储在网络或服务器中。系统只会对来自接收机、由用户明确要求启动的查询做出响应。然而目前在技术上已经可以根据蜂窝连接情况进行未经用户授权的大致定位，只有网络运营者才能进行这种定位。
　　
　　有时这种技术甚至可以挽救生命。作为增强型紧急呼叫功能的一部分，当手机发出一个紧急呼叫时时，呼叫者当前的位置会自动与呼叫一起被传送至紧急控制中心。在实际情况下，呼叫者经常很难准确可靠地报告其位置。通过A-GPS对呼叫者的位置进行精确测定可以使紧急事故处理人员迅速准确地判断位置并抵达现场。美国已颁布法律，从2007年起强制在所有的手机中推行这种称为E911(增强型911)的功能，日本也通过了类似的法律。虽然欧洲目前在这方面还未制定强制法规，但类似的法规极有可能会出台。