逐鹿M2M市場　GSM/GPRS網路磨刀霍霍

此速度等級對於傳送和接收如感測器、自動讀表、全球衛星定位系統(GPS)座標、文字簡訊 、安全狀態或財務資料等各種有用訊息來說， 是綽綽有餘的。許多這類的資料交易(Data Transactions)能在遠端機器間自動執行，能讓人們的生活變得更便利、安全、有趣及更有效率。

圖1　u-blox的LEON GSM/GPRS數據機可實現裝置間的相互通訊

GPRS是透過內建的驗證與加密技術，以實現安全的網際網路互連。這意味著，採用GPRS的機器能夠從全球任何角落安全地傳送訊息，然後再將其上載到網路應用程式中(圖1)。目前，機器能夠從任何地方回報重要資料，或安全地執行金融交易，並讓人們可立即透過一般的網路瀏覽器存取這些有用資訊。

這類的應用具有無限的可能性，例如人、物品、動物的即時追蹤，具緊急電話功能的車輛自動定位系統，可提供鄰近有哪些服務(或是人)的導航系統，車隊管理系統可回報位置、速度、車輛診斷及駕駛行為，根據道路使用與「里程保險」(Pay-as-you-drive)的自動收費系統，商店、公共廣告、街道招牌和報攤中商品價格的無線更新，地理圍欄(Geo-fencing)回報，當有人或有物品離開某預定區域，即可自動警示，從任何地點均可買東西的無線銷售點(POS)系統終端機，將與位置相關的新聞和網站內容傳送到個人的筆記型電腦或行動電話，定位(Location-based)社交網路-鄰近約會，遠端水/電表讀取以及侵入/火災警報系統等。

圖2　將GPS和GSM技術結合在車輛應用中，能實現像是eCall、自動車輛定位(AVL)、車隊管理、定位服務等超越傳統導航的新服務。

隨著這些應用在全球各地的迅速成長，機器有可能取代人類，成為使用全球GSM/GPRS網路的主要使用者。雖然GPRS能讓機器傳送和接收資料，但其本身並不能產生資料。能實現這些應用的推手，是GPRS與遠端感測器的結合，而更重要的是，須與全球衛星定位系統(GPS)結合(圖2)。所有上述的應用除自動讀表與POS系統端機外，都有賴於機器必須知道其地理位置，再透過GPRS，將此訊息與其他的感測器資料傳送到遠端主機中。

這意味著，下列兩個先進的射頻(RF)通訊系統必須能緊密配合，才能達到理想的結果。一是精巧的GPRS數據機，用來傳送和接受感測器資料到遠端主機；二是可決定位置的高靈敏度GPS接收器。

一開始，這項要求似乎看來沒什麼了不起，但在實際的運作上，卻不是那麼簡單。要設計結合GSM/GPRS與GPS功能的裝置，會遭遇以下的挑戰：

首先要能成功運作兩個根本不同的RF系統，雖然它們的訊號強度相差好幾倍，但仍要能密切配合。然後能在城市等GPS衛星訊號微弱或堵塞的區域中，輔助並加速GPS定位功能。同時要能取得電信業者的同意以及能妥善處理兩種技術間的介面與控制。

在高雜訊環境中處理訊號

GPS衛星是在離地表2萬公里(1.2427萬哩)的高度，以相當於30瓦(W)燈泡的功率傳送定位訊號。但這些訊號在花了6.6％0秒的時間傳送到地表的GPS接收器後，強度已經變得非常非常微弱。有多微弱呢？在最佳狀況下，訊號強度為-120dBm或1×10-15瓦，相當於原始強度的十億分之三十萬。這些訊號在都會區，有可能會再衰減20～30dBm，而這正是GPS最廣為使用的區域。

通常，一台定位裝置僅須在四個這般微弱的衛星訊號被接收與解碼後，就能決定出地理位置。這實在是現代電子學令人讚嘆的能力，已將無線訊號接收與數位訊號處理這兩種技術的應用發揮到極限。

而現在，還要再加上一個GPRS收發器，並將這些功能全都整合在一個僅手掌大的裝置中。也就是說，GPRS數據機和天線須放在離GPS接收器幾公分遠的位置，共享相同的資料匯流排、電源供應、印刷電路板(PCB)和外殼。當裝置啟動時，GPRS收發器就好像是用最大的肺活量在呼叫，依其與最鄰近GSM基地台的距離而定，它的最高傳輸功率會超過30dBm。這比傳送進來的GPS訊號，功率強了超過三千六百萬兆倍。

在設計上，這兩個系統會在不同的頻帶上運作。進來的GPS訊號會使用約1,575("L1")MHz的頻帶，並採用分碼多重存取(CDMA)(展頻)調變技術，這是在雜訊環境中傳送與接收微弱訊號的最有效方式。

另一方面，GPRS的頻帶集中在900MHz或1,800MHz附近，它是透過分時多重存取(TDMA)調變技術分割資料封包，然後在分配的時槽(Time Slot)內將其傳送出來。

這些不同的頻帶相距不遠，同時還連帶有資料匯流排中的諧波與數位雜訊，以及行動電話、筆記型電腦和汽車電子的環境RF雜訊，因此必須利用非常精密的技巧才能從其中挑出微弱的GPS訊號。一般會將帶通(Band Pass)、高通(High Pass)和低通(Low Pass)過濾器放在重要位置，以減弱頻帶外(Out-of-band)雜訊。在取樣訊號準備用來進行數位處理時，這些雜訊會造成交疊誤差(Aliasing Error)。這些都是所有GPS接收器製造商會採用的標準被動元件。

抗干擾能力至為關鍵

要在雜訊條件下提供高效能GPS接收，真正的挑戰在於如何辨別出會通過過濾器的頻帶內(In-band)雜訊，亦即干擾訊號(Jamming Signal)。u-blox的GPS模組具備專屬演算法，可在掃描整個GPS接收器頻帶後，找出最強的訊號峰值，然後針對每個訊號峰值進行統計分析，來判定它是不是衛星訊號。若找出的是不要的訊號，此演算法會記住，之後將此訊號排除。若某個訊號因為特殊原因無法用此方式移除，此技巧會建立一個臨界值(Threshold)表單，若一個真實的GPS訊號落入此臨界值內，此偵測演算法會對其非常謹慎地處理，這樣接收器才不會追蹤到假訊號。

此智慧型干擾抑制(Jamming-mitigation)方法需要大量的處理能力。為此，u-blox在每個GPS模組中都內建一個專用的安謀國際(ARM)處理器。與傳統作法相比，這種結合硬體與軟體的專屬方式，能夠在干擾訊號大到25dBm的環境中辨識出GPS衛星訊號(圖3)。

圖3　在干擾訊號大至25dBm的環境中辨識出GPS衛星訊號。

抗干擾(Anti-jamming)能力是u-box GPS接收器模組擁有高擷取效能與高追蹤效能的重要關鍵。

立即告知目前所在位置

城市是最能發揮GPS服務效益的地方。因為，大多數人都在城市中生活、購物與工作。但是，由於高聳建築林立、隧道、停車塔和高架道路等各種地形條件都會衰減、反射，甚至阻礙GPS訊號，因此城市也是GPS衛星接收最具挑戰性的環境(圖4)

圖4　城市是GPS服務最具挑戰性的環境。

這些阻礙可能會造成小干擾，或甚至產生嚴重結果，例如GPS導航系統可能會斷斷續續或完全失效(特別是當離開隧道和車庫時)、交通阻塞預防服務(Traffic-jam Avoidance Service)會失效、大眾運輸系統無法回報預計的抵達時間、商業運輸服務會失去位置訊息，而造成影響運送物品的安全性、包括警車、消防車、救護車等緊急交通工具將無法即刻到達事故地點、自動道路收費與里程保險系統會因為缺乏足夠資料而無法收取道路使用費。

AssistNow加速全球定位效能

若要所有這些應用都能正確執行，必須找到四個GPS衛星。除了量測距離，它們的星曆(Ephemeris)，亦即軌道位置資料，都必須能完整地接收與解碼。只有當這些所有的資料都齊全時，才能利用三角量測法決定出正確的位置。但是，衰減的GPS訊號，再加上訊號本身極慢的位元率(只有50baud，需要30秒的下載時間)，會導致等待時間太長，讓使用者無法接受。要實現快速且令人滿意的使用者體驗，必須導入另一種方法來輔助並加速定位效能。

為了解決這個問題，所有的u-blox GPS接收器都支援公司開發的全球性AssistNow線上服務，以加速全球定位效能。AssistNow輔助GPS(A-GPS)服務可透過直接將重要的衛星星曆資料利用行動電話如GPRS或其他無線網路，傳送到GPS接收器，便可加速位置的運算(圖5)。不再只依賴從遙遠GPS衛星傳來的微弱且緩慢星曆資料，現在資料可透過u-blox全年無休的線上輔助服務來提供，因此能夠實現幾秒內就完成GPS定位的目標。

圖5　利用AssistNow線上服務，一台連網的GPS裝置可從u-blox的AssistNow線上服務下載輔助資料。

u-blox的LEON GPRS數據機是專為這類應用所設計的，具備內建的AssistNow客戶端韌體和嵌入式TCP/IP堆疊，也就是說，LEON可提供即時性的網際網路連接，同時只要在有行動電話覆蓋的範圍內，也可以從世界各地與u-blox的AssistNow服務相連。利用AssistNow，LEON可直接將衛星星曆資料傳送到u-blox GPS接收器，以實現快速且令人滿意的全球定位體驗。

在韓國，此服務已經有實際的廣泛部署案例。AssistNow資料是透過韓國的數位多媒體廣播(DMB)網路來傳遞。行動GPS裝置製造商僅須簽署這項服務，就可以為終端使用者提供導航、運輸、緊急和娛樂服務的即時定位效能。AssistNow是一項成熟、經過驗證的技術，u-blox現已開始提供。

取得電信業者同意

與被動接收微弱衛星訊號的GPS接收器不同的是，GSM/GPRS收發器模組的RF發射訊號都必須取得政府機構的核准，例如在台灣是國家通訊委員會(NCC)、在美國是聯邦通訊委員會(FCC)，以及在歐洲是無線和電信終端設備(R&TTE)。此外，每個國家也都有制定與電信業者相關的認證。沒有取得這些認證，採用此模組的裝置將無法在該國或該電信業者的行動網路上執行。

在現今的全球市場中，具嵌入式GPRS連接功能的裝置製造商也瞄準了多重市場，這讓認證成為複雜且耗時的過程。也因此，已取得預先認證的無線模組是最具吸引力的解決方案。若在模組層級能夠預先得到認證，終端產品的認證就會非常容易，因為可以省略許多步驟。此外，無法通過最終認證的風險也會大幅降低，因為許多潛在的設計問題都已經在模組設計時先解決了。

有鑑於此，u-blox的LEON GSM/GPRS模組已獲得了多項主要政府、標準組織及無線電信業者的核准，包括NCC(台灣)、FCC(美國)、AT&T(美國)、R&TTE(歐洲)、SRRC(中國)、Rogers Wireless(加拿大)、GOS(俄羅斯)及Anatel(巴西)等。此外，LEON也符合全球認證論壇(GCF)與PTCRB(全球)需求。

介面/控制線路最小化

圖6　u-blox的C16-G25Q車載資訊系統參考設計結合LEON GSM/GPRS模組及NEO-GPS模組，再加上實現M2M應用全部所需的元件。

造型優美、精巧的設計也意味著PCB面積也必須同樣小巧，所以介面與控制線路須盡可能地最小化。GPS/GPRS設計需要多種主動和被動元件，包括GPS和GSM天線、過濾器、與被動元件等。但是，最占PCB空間的元件是GSM/GPRS數據機、GPS接收器模組、GPS和GSM天線，以及用戶識別模組(SIM)卡，詳情可參考u-blox的C16-G25Q車載資訊系統參考設計(圖6)。

無線和GPS模組都是作為從端(Slave)裝置，直接由主機(Host)處理器控制。為了減少主機介面，在LEON GRPS數據機和NEO-5Q GPS模組間建置一個直接介面，能讓AssistNow資料根據需求直接傳送到GPS模組。此架構亦支援自主(Autonomous)輔助GPS運作，毋須耗費主機處理器的負荷。

為了要讓PCB線路(Trace)最小化，LEON-NEO架構將兩種無線和GPS模組的主機控制都繞線通過LEO GSM模組。LEON可將控制訊息簡單地透過兩線I2C介面傳遞到GPS接收器。如此，就不需要在主機控制器和GPS接收器間增加額外的控制線路。

圖7　Giesecke & Devrient專精於為車輛與工業M2M應用提供小型SIM晶片與模組。

此外，為了盡可能地縮小SIM模組，像德國的Giesecke & Devrient(G&D)可提供多種小型SIM設計(圖7)。針對機器對機器(M2M)應用，G&D已開發一種可焊式(Solderable)SIM封裝(VQFN-8)，這是特別為小空間與條件嚴苛的車輛與工業環境所設計，具有很高的振動與寬廣的溫度範圍。

須保持向後相容

科技只會持續地向前進展，不會後退。2G網路終將會被3G、4G技術所取代。這就是為什麼u-blox在開發下一代無線模組時，始終保持著「向後相容」哲學。在這裡，向後相容性意味著u-blox下一代3.75無線模組，亦即LISA系列產品，將會與LEON的布局相容，兩個模組都黏著在相同的占位面積上，因此能夠在維持小尺寸、低功耗的情況下，同時提供GSM/GPRS和全球行動通訊系統(UMTS)/高速封包存取(HSPA)功能性。HSPA可提供與非對稱數位用戶迴路(ADSL)相似的雙向速度，以支援視訊和多媒體應用，將能為車載資訊應用開啟全新的視野。

如果要評估適用於M2M應用的GPS--GSM/GPRS設計，u-blox提供C16-G25Q車載資訊參考設計。這是一立即可用的(Off-the-shelf)設計與評估方案，可用在車隊管理、物品追蹤、道路收費以及安全/監控等車載資訊應用。

此參考設計整合u-blox的NEO-5Q GPS接收器與LEON-G200 GPRS/GSM模組，是一款百分之百的表面黏著元件(SMD)方案，包括一個電路板上SIM晶片，以及一個已啟用的電話號碼。此外，也有機械式SIM卡的SIM卡座可供選擇。

(本文作者為u-blox通訊經理)