浅谈单芯片A-GPS方案解决手机导航问题

　　手机导航（英文名称：Mobile Navigation）就是通过导航手机的导航功能，把你从目前所在的地方带到另一个你想要到达的地方。手机导航就是卫星手机导航[1],它与手机电子地图的区别就在于，它能够告诉你在地图中所在的位置，以及你要去的那个地方在地图中的位置，并且能够在你所在位置和目的地之间选择路线，并在行进过程中的为你提示左转还是右转，这就是所谓的导航。

　　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单芯片辅助卫星定位系统（A-GPS）解决方案。A-GPS可以在不到一秒钟的时间内对用户进行定位，其定位高达几米。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

　　A-GPS（Assisted GPS）即辅助GPS技术，它可以提高 GPS 卫星定位系统的性能。通过移动通信运营基站它可以快速地定位，广泛用于含有GPS功能的手机上。GPS通过卫星发出的无线电信号来进行定位。当在很差的信号条件下，例如在一座城市，这些信号可能会被许多不规则的建筑物、墙壁或树木削弱。在这样的条件下，非A-GPS 导航设备可能无法快速定位，而A-GPS 系统可以通过运营商基站信息来进行快速定位。

　　A-GPS技术是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术，可以在GSM/GPRS、WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA网络中使用。该技术需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备。如果要提高该方案在室内等GPS信号屏蔽地区的定位有效性，该方案还提出需要增添类似于EOTD方案中的位测量单元（LMU）。

　　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，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重要的特性之一。

　　虽然AGPS技术的定位很高、首次捕获GPS信号时间短，但是该技术也存在着一些缺点。首先，室内定位的问题目前仍然无法圆满解决。另外，AGPS的定位实现必须通过多次网络传输（多可达六次单向传输），这对运营商来说是被认为大量的占用了空中资源。AGPS主要的问题是用户对于使用移动定位业务必须更换手机难以接受。而且AGPS手机比一般手机在耗电上有一定的额外负担，间接减短了手机的待机时间。除此之外，就是使用有效性问题。由于GPS系统受美国政府拥有和控制，在非常时期（如海湾战争、反恐战争等），民用GPS服务可能会受到影响，AGPS的定位业务更难以正常运作了。

　　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，次和随后的定位所需要的计算均在手机内进行。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）。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。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。该技术将发挥重要的作用，直至移动网络运营者完成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，并可以显着减少功耗。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。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。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。