A-GPS躍居定位技術(shù)主流手機定位與導(dǎo)航將成3G殺手應(yīng)用

1、A-GPS躍居定位技術(shù)主流手機定位與導(dǎo)航將成3G殺手應(yīng)用新通訊2006 年5月號63期趨勢眺望 文.賴盈霖具有GPS功能的手機、PDA將是未來三年成長最快的GPS市場，A-GPS又被視為手機應(yīng)用的明日之星。國際認證論壇已將 A-GPS的測試規(guī)范納入 WI-015 的范疇，并且規(guī)范自2006年第三季起，所有宣告具有A- GPS功能的手機或 PDA都必須通過WI-015 定義的測試項目.自從1996年3月美國政府宣布民間組織(不限美國本土)可免費使用 GPS系統(tǒng)提供的定位服務(wù)之后，GPS科技對全球經(jīng)濟的貢獻在過去十年逐年遞增。根據(jù)市調(diào)機構(gòu)ABI預(yù)估，在2008年時GPS產(chǎn)值可達200億美元。 其中

2、，具有GPS功能的手機、PDA 將是未來三年成長最快的GPS市場，而輔助 GPS(Assisted GPS, A-GPS)技術(shù)又被視為明日之星。利用GPS技術(shù)提供手機定位和導(dǎo)航服務(wù)，將是3G系統(tǒng)的一項殺手級應(yīng)用，因此3GPP在R6版針對具有 A-GPS功能的手機制定了一套最低性能需求(Minimu mPerformance Requirem ents, MPS)認證規(guī)范。以往GPS手機并無嚴謹?shù)臏y試規(guī)范，國際認證論壇 (Global Certification Forum, GCF)已將A-GPS的測試規(guī)范納入WI-015 的范疇，并且規(guī)范自 2006年第三季起，所有宣告具有A- GPS功能的

3、手機或 PDA都必須通過 WI-015 定義的測試項目。本文針對 A-GPS的系統(tǒng)架構(gòu)以及相關(guān)的測試規(guī)范(3GPP TS25.171)深入探討。A-GPS接收機的操作模式依據(jù)輔助資料的多寡、傳送方式和最終位置計算的地點(手機或網(wǎng)路)，A- GPS可分為四種不同操作模式：1. 單機式(Stand-alone)單機式的A-GPS不須從行動網(wǎng)路獲得任何輔助資料，此模式和傳統(tǒng)GPS接收機非常類似。 GPS的基頻晶片在計算出位置之后，會將位置資訊傳送至手機的通訊處理器 (Communication Processor, CP)或應(yīng)用處理器(Application Processor, AP) 。手機的C

4、P會根據(jù)使用者的需求或來自網(wǎng)路端的請求，將位置資訊利用上傳鏈路傳送至行動網(wǎng)路(圖1)。單機式的A- GPS接收機也可從手機的CP獲得時間的輔助或頻率的校正資訊，利用這些資訊來縮短首次定位時間(Tim e To First Fix, TTFF) 。 要從手機的CP獲取時間或頻率的輔助，必須修改手機的實體層(Layer 1, L1)，而GPS的基頻晶片也必須經(jīng)過修改之后才可以接收來自手機L1的輔助資訊。2. 獨立式(Autonomous)獨立式A- GPS接收機是瑟孚科技(SiRF)建議的操作模式之一(圖2)。手機可從行動 網(wǎng)路獲得近似位置、時間和時脈修正的資訊，在計算出位置之后，手機會將位置資訊

5、回報給網(wǎng)路。手機的近似位置可利用E-OTD法或Cell-ID法得知。利用此種操作模式并不須在網(wǎng)路端建構(gòu)位置伺服器(Location Server, LCS) 。3. 用戶設(shè)備輔助(UE-assisted)手機從行動網(wǎng)路的位置伺服器獲得輔助資訊，手機會將位置量測的結(jié)果回報給位置伺服器，并由位置伺服器計算出手機位置(圖3) o網(wǎng)路所提供的輔助資訊可以是：(a) L1的資訊：時間或頻率。當(dāng)GPS的時間追蹤能力喪失時，便須藉由手機的CP輸出時間輔助資訊給 GPS基頻晶片。 當(dāng)GPS在低功率模式(Off, Standby, Hibernate) 或GPS即時時脈產(chǎn)生器(Real Time Clock,

6、RTC)的不確定因素很大時，便需要時間輔助資訊來加速定位。傳統(tǒng)GPS接收機的參考頻率源為溫度補償型石英振蕩器(TCXO)，而手機系統(tǒng)的參考頻率源為電壓控制-溫度補償石英振蕩器(VC-TCXO)。這主要是因為 GPS接收機對頻率的飄移非常敏感，需要一個穩(wěn)定的參考頻率源，因此一般 GPS接收機會采用TCXO作為參考頻率源。而手機采用VC-TCXO作為參考頻率源，主因是可利用類比電壓來調(diào)整參考頻率源的輸出頻率，來補償因為手機和基地臺間的相對運動所產(chǎn)生的都普勒頻率飄移(Doppler FrequencyOffset)。若為了節(jié)省電路板面積或成本考量，將GPS和手機共用相同的 VC-TCXO ,則手機系

7、統(tǒng)的實體層必須修改，而造成較復(fù)雜的架構(gòu)。(b) 衛(wèi)星資訊：星歷內(nèi)容(Ephemeris)、都普勒頻率飄移、近似的偽距離(Pseudo-range) 、可視的衛(wèi)星(Satellites In View) 。近似的偽距離是基地臺至可視 衛(wèi)星間的偽距離，基地臺提供近似的偽距離給手機，可縮小 GPS基頻訊號處理在碼域 (Code Domain)的搜尋視窗的大小。(c) GPS 資訊：電離層(Ionosphere)的延遲、GPS時間。(d) 位置資訊：近似的位置資訊(利用網(wǎng)路定位方式所得的位置資訊)。在GSM網(wǎng)路是利用無線資源 LCS協(xié)定(Radio Resource LCS Protocol, RRL

8、P)訊息來告知用戶設(shè)備近似的位置，在 WCDMA網(wǎng)路是利用無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)訊息來告知用戶設(shè)備近似的位置。4. 以用戶設(shè)備為基礎(chǔ)(UE-based)手機從行動網(wǎng)路的位置伺服器獲得輔助資訊，手機會將位置資訊回報給位置伺服器(圖4)。利用此法，可擷取更低準位的 GPS訊號，以提升 GPS靈敏度(可達-160dBm), 并可大幅縮短TTFF。瑟孚提出一套多模式 A-GPS解決方案，能依照所在環(huán)境，切換至不同接收模式。例如在沒有行動網(wǎng)路服務(wù)的地區(qū)，可切換至單機式操作模式，在沒有位置伺服器但有行動網(wǎng)路時，可切換至獨立式模式；同時具有行動網(wǎng)路和位置伺服器的

9、環(huán)境下，可依照網(wǎng)路負載以及位置更新率的高低，動態(tài)地切換至 UE-assisted 或UE-based 模式。單機式A- GPS具有自主性的操作，不會占用網(wǎng)路頻寬和資源，且具有良好的隱私性。在具有良好的 GPS訊號覆蓋環(huán)境下，且須頻繁地更新位置時，建議采用單機式操作模 式。在單機式操作模式下，毋須占用網(wǎng)路資源，因此可進行頻繁的位置更新(例如每秒一次),此模式適合個人導(dǎo)航應(yīng)用。A-GPS接收機架構(gòu)A-GPS 的架構(gòu)由三個元件組成 (圖5):應(yīng)用背景(Application Background) 、A-GPS 用戶端(Client),以及應(yīng)用通訊介面 (Application Communicat

10、ion Interface, ACI)。應(yīng)用背景主要負責(zé) GSM(RRLP)或WCDMA(RRC) 定位通訊協(xié)定的處理。應(yīng)用背景有兩個主要任務(wù)：(1)負責(zé)RRLP訊息的錯誤處理、(2)編碼/解碼RRLP和RRC訊息。A-GPS用戶端的主要功能是執(zhí)行A-GPS的狀態(tài)機(State Machine) , A-GPS用戶端會將定位通訊協(xié)定訊息轉(zhuǎn)譯成GPS硬體語言，另一方面，會將位置計算結(jié)果轉(zhuǎn)譯成RRLP或RRC訊息，利用上傳鏈路傳送至網(wǎng)路端。圖6為A-GPS用戶端架構(gòu)。A-GPS用戶端有四個介面：1. 應(yīng)用背景：A-GPS用戶端會介接至應(yīng)用背景，此介面主要負責(zé)傳送RRLP或RRC訊息。2. 傳送接收

11、處理器(Tx&Rx Handler) : A -GPS用戶端經(jīng)由傳送接收處理器連接至GPS接收機的硬體。 傳送接收處理器會將 RRLP或RRC訊息轉(zhuǎn)譯成 GPS硬體語言。 傳送接收處理器能處理兩種不同頻道：邏輯頻道和控制頻道。對整個A- GPS系統(tǒng)的組譯則是透過控制頻道，所有的輔助資料和最終位置資訊，則透過資料頻道來傳送。3. 資料庫服務(wù)(Database Service) : A-GPS用戶端透過此介面來接取資料庫(一般 是快閃記憶體)，存取暫時性或啟動(Wake Up) 所需的資料。啟動參數(shù)是星歷內(nèi)容和 衛(wèi)星星歷(Almanc),暫時參數(shù)為最后的位置、時間等。4. 應(yīng)用通訊介面(A

12、CI):應(yīng)用層和 A- GPS間藉由應(yīng)用通訊介面提供了資料的傳輸通道。應(yīng)用通訊介面可傳輸三種不同型態(tài)的資料：A- GPS的On/Off、組譯的請求、傳輸所有A- GPS所需的參數(shù)。A-GPS的元件配置與手機架構(gòu)有關(guān)，在功能型手機(Feature Phone) 中，只具有通訊處理器(CP)而沒有應(yīng)用處理器(AP)。在智慧型手機(Smart Phone)中會同時有 CP和AP。A-GPS系統(tǒng)的電源管理可分為下列四個操作模式：1. 主動模式(Active Mode): GPS接收機為主動狀態(tài)，擷取并追蹤可視的衛(wèi)星。2. 待機模式(Standby Mode): GPS接收機的射頻部分關(guān)閉，基頻部分仍開

13、啟允許熱開機(Hot Start) 。3. 休眠模式(Hibernate Mode): GPS關(guān)閉但是RTC仍處于開啟狀態(tài)，資料被保留在非揮發(fā)性記憶體中(NVRAM)，依照輔助資料的多寡，可以暖開機(Warm Start) 或熱開機。4. 關(guān)閉模式(Power Off Mode) : GPS接收機處于關(guān)閉狀態(tài)。衛(wèi)星星歷存放在快閃記憶體內(nèi)，在沒有輔助資料的狀態(tài)下只能進行冷開機(Cold Start),如要進行暖開機甚至熱開機，則必須提供足夠的輔助資料。A-GPS訊號流程1. GSM1. 行動定位服務(wù)中心 (Serving Mobile Location Center, SMLC)傳送輔助資料給手

14、機。2. 當(dāng)有通訊協(xié)定的錯誤產(chǎn)生時，手機會傳送 RRLP訊息給SMLC ,告知通訊協(xié)定有錯誤產(chǎn)生。當(dāng)SMLC接收到訊息時，會選擇重新傳送或是中止。3. 當(dāng)手機成功接收到所有的輔助資料之后，會傳送一個確認(Acknowledgement,ACK)訊息給SMLC，告知已經(jīng)成功接收到輔助資料。圖7所示為GSM系統(tǒng)A-GPS的訊號流程。2. WCDMA用戶設(shè)備輔助(UE-assisted) :1. 用戶面(User Plane, UP)請求或輔助資料請由產(chǎn)生時，會觸發(fā)A-GPS系統(tǒng)。 服務(wù)無線網(wǎng)路控制器(SRNC)會搜集有關(guān)用戶設(shè)備的網(wǎng)路資訊，單機式移動定位服務(wù)中心 (Stand-alone SMLC

15、, SAS)會開始計算輔助資料。2. SRNC 喚醒SAS之后，SAS會將輔助資料傳送至SRNC。 SRNC將輔助資料透過空中介面?zhèn)魉椭劣脩粼O(shè)備。3. 用戶設(shè)備在輔助資料的協(xié)助下，開始進行 GPS衛(wèi)星量測。4. 用戶設(shè)備將 GPS衛(wèi)星的量測結(jié)果(偽距離)傳送至SRNC , SRNC將偽距離資訊傳 送至SAS。 SAS在收到偽距離之后，開始進行位置計算。5. SAS將用戶設(shè)備的位置資訊傳送至SRNC。 SRNC依據(jù)不同的請求，將位置資訊傳送至網(wǎng)路端或是用戶設(shè)備端。圖8顯示用戶設(shè)備輔助 A- GPS的訊號流程。以用戶設(shè)備為基礎(chǔ)(UE-based):基本上，UE-based 以用戶設(shè)備為基礎(chǔ)的訊號流

16、程和UE-assisted很相似，唯一的差別在于UE-based 的位置計算是發(fā)生在用戶設(shè)備內(nèi)。當(dāng)用戶設(shè)備計算出位置資訊后，會依據(jù)不同的定位請求，決定是否將位置資訊傳送至網(wǎng)路端。 圖9所示為UE-based 的A- GPS訊號流程。綜合前文所述的 A-GPS架構(gòu)和訊號流程，可將圖5所示的A-GPS區(qū)塊圖在UE-based 和UE-assisted操作模式下的訊號流程描繪在圖10。A-GPS測試規(guī)范有關(guān)A-GPS的測試規(guī)范是定義在 3GPP TS25.171 V6.0.0 (2004-09) 及其后的衍生 版本，在此測試規(guī)范的假設(shè)條件，是用戶設(shè)備必須有能力接收到經(jīng)由RRC訊息所傳送的輔助資料。3

17、GPP TS25.171 總共定義了三項測試條件：1. 量測參數(shù)：在UE-based 的模式下，量測參數(shù)包含在 RRC UE Positioning PositionEstim ate Info IE 內(nèi)。用戶設(shè)備會回報經(jīng)度和緯度，作為水平量測的結(jié)果。在UE-assisted 模式下，量測參數(shù)是定義在RRC UE Positioning GPS MeasuredResults IE 內(nèi)。用戶設(shè)備會回報碼相位 (Code Phase) 作為量測結(jié)果，有關(guān)碼相位的 定義，可參考 3GPP TS25.302 和3GPP TS25.215。用戶設(shè)備碼相位的量測結(jié)果，會被轉(zhuǎn)換成水平的經(jīng)度和緯度資訊。2.

18、 在3GPP TS25.171中定義的反應(yīng)時間，是從用戶設(shè)備接收完相關(guān)RRC訊息之后開始，到用戶設(shè)備回報量測結(jié)果給SAS為止，此段時間就是所謂的首次定位時間另外，在每次測試之前，用戶設(shè)備必須將非揮發(fā)性記憶體內(nèi)存放的資料清除，也就是A-GPS不可利用先前獲得的任何輔助資料，例如 GPS時間、前次定位的位置，或其 他輔助資料。3. 時間的輔助：時間的輔助就是利用RRC訊息，將GPS時間藉由行動網(wǎng)路提供給用戶設(shè)備。 目前3GPP定義了兩種時間輔助模式：粗糙時間輔助 (Coarse Tim e Assistance)，以及精確時間輔助 (Fine Tim e Assistance)。 所有的3G網(wǎng)路皆

19、支援 粗糙時間輔助，提供的準確度為 GPS時間的士2秒。這項輔助可確保在一個導(dǎo)航資料 的子訊框內(nèi)就可得知GPS時間。精確時間輔助則是一項選擇式服務(wù)，3G網(wǎng)路可利用 RRC訊息將目前 UMTS無線電存取網(wǎng)路(UTRAN)的時間和GPS的時間差告知用戶設(shè)備，利用此項服務(wù)可確保時間準確 度小于士 10微秒。 A-GPS用戶端可提供三種不同的時間輔助法(表1)。3G PP TS25.171定義的測試個案1. 靈敏度要評估一個A- GPS接收機的性能，靈敏度的測試是必須的。靈敏度測試是考驗 A-GPS接收機在AWGN通道以及弱衛(wèi)星訊號的條件下，能否在規(guī)定時間內(nèi)正確地解算出位置。表2列出靈敏度測試所需的測試參數(shù)以及最低性能要求。2. 名義上的精確度名義上的精確度是要驗證A- GPS接收機在理想環(huán)境下的位置估算準確度。此項測試的主要目的，在于評估A-GPS接收機在良好收訊環(huán)境時，正確解算出位置的能力。表3列出測試參數(shù)和最低性能需求。3. 動態(tài)范圍動態(tài)范圍的測試，是為了評估 A- GPS接收機在可視衛(wèi)星訊號具有差異很大的功率位準 時的接收性能。強衛(wèi)星訊號在互相關(guān)時 (Cross-correlation) ,會遮住弱衛(wèi)星訊號，造 成接收錯誤。此項測試必須位在 AWGN的通道環(huán)境中。表4列出測試參數(shù)和最低性 能需求。4. 多重路徑多重路徑的