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又被視為手機應用的明日之星。國際認證論壇已將A-GPS的測試規範納入WI-015的範疇，並且規範自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系統提供的定位服務之後，GPS科技對全球經濟的貢獻在過去十年逐年遞增。根據市調機構ABI預估，在2008年時GPS產值可達200億美元。其中，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)技術又被視為明日之星。
利用GPS技術提供手機定位和導航服務，將是3G系統的一項殺手級應用，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(Minimum Performance Requirements, MPS)認證規範。以往GPS手機並無嚴謹的測試規範，國際認證論壇(Global Certification Forum, GCF)已將A-GPS的測試規範納入WI-015的範疇，並且規範自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。本文針對A-GPS的系統架構以及相關的測試規範(3GPP TS25.171)深入探討。
A-GPS接收機的操作模式
依據輔助資料的多寡、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不須從行動網路獲得任何輔助資料，此模式和傳統GPS接收機非常類似。GPS的基頻晶片在計算出位置之後，會將位置資訊傳送至手機的通訊處理器(Communication Processor, CP)或應用處理器(Application Processor, AP)。手機的CP會根據使用者的需求或來自網路端的請求，將位置資訊利用上傳鏈路傳送至行動網路(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(Time 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過修改之後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)。手機可從行動網路獲得近似位置、時間和時脈修正的資訊，在計算出位置之後，手機會將位置資訊回報給網路。手機的近似位置可利用E-OTD法或Cell-ID法得知。利用此種操作模式並不須在網路端建構位置伺服器(Location Server, LCS)。
3.用戶設備輔助(UE-assisted)
手機從行動網路的位置伺服器獲得輔助資訊，手機會將位置量測的結果回報給位置伺服器，並由位置伺服器計算出手機位置(圖3)。網路所提供的輔助資訊可以是：
(a)L1的資訊：時間或頻率。當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GPS在低功率模式(Off, Standby, Hibernate)或GPS即時時脈產生器(Real Time Clock, 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GPS接收機的參考頻率源為溫度補償型石英振盪器(TCXO)，而手機系統的參考頻率源為電壓控制-溫度補償石英振盪器(VC-TCXO)。這主要是因為GPS接收機對頻率的飄移非常敏感，需要一個穩定的參考頻率源，因此一般GPS接收機會採用TCXO作為參考頻率源。而手機採用VC-TCXO作為參考頻率源，主因是可利用類比電壓來調整參考頻率源的輸出頻率，來補償因為手機和基地台間的相對運動所產生的都普勒頻率飄移(Doppler Frequency Offset)。若為了節省電路板面積或成本考量，將GPS和手機共用相同的VC-TCXO，則手機系統的實體層必須修改，而造成較複雜的架構。
(b)衛星資訊：星曆內容(Ephemeris)、都普勒頻率飄移、近似的偽距離(Pseudo-range)、可視的衛星(Satellites In View)。近似的偽距離是基地台至可視衛星間的偽距離，基地台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(利用網路定位方式所得的位置資訊)。在GSM網路是利用無線資源LCS協定(Radio Resource LCS Protocol, RRLP)訊息來告知用戶設備近似的位置，在WCDMA網路是利用無線資源控制(Radio Resource Control, RRC)訊息來告知用戶設備近似的位置。
4.以用戶設備為基礎(UE-based)
手機從行動網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)，並可大幅縮短TTFF。
瑟孚提出一套多模式A-GPS解決方案，能依照所在環境，切換至不同接收模式。例如在沒有行動網路服務的地區，可切換至單機式操作模式，在沒有位置伺服器但有行動網路時，可切換至獨立式模式；同時具有行動網路和位置伺服器的環境下，可依照網路負載以及位置更新率的高低，動態地切換至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訊號覆蓋環境下，且須頻繁地更新位置時，建議採用單機式操作模式。在單機式操作模式下，毋須占用網路資源，因此可進行頻繁的位置更新(例如每秒一次)，此模式適合個人導航應用。
A-GPS接收機架構
A-GPS的架構由三個元件組成(圖5)：應用背景(Application Background)、A-GPS用戶端(Client)，以及應用通訊介面(Application Communication Interface, ACI)。
應用背景主要負責GSM(RRLP)或WCDMA(RRC)定位通訊協定的處理。應用背景有兩個主要任務：(1)負責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行A-GPS的狀態機(State Machine)，A-GPS用戶端會將定位通訊協定訊息轉譯成GPS硬體語言，另一方面，會將位置計算結果轉譯成RRLP或RRC訊息，利用上傳鏈路傳送至網路端。圖6為A-GPS用戶端架構。
A-GPS用戶端有四個介面：
1.應用背景：A-GPS用戶端會介接至應用背景，此介面主要負責傳送RRLP或RRC訊息。
2.傳送接收處理器(Tx&Rx Handler)：A -GPS用戶端經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(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。啟動參數是星曆內容和衛星星曆(Almanc)，暫時參數為最後的位置、時間等。
4.應用通訊介面(ACI)：應用層和A-GPS間藉由應用通訊介面提供了資料的傳輸通道。應用通訊介面可傳輸三種不同型態的資料：A-GPS的On/Off、組譯的請求、傳輸所有A-GPS所需的參數。
A-GPS的元件配置與手機架構有關，在功能型手機(Feature Phone)中，只具有通訊處理器(CP)而沒有應用處理器(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，擷取並追蹤可視的衛星。
2.待機模式(Standby Mode)：GPS接收機的射頻部分關閉，基頻部分仍開啟允許熱開機(Hot Start)。
3.休眠模式(Hibernate Mode)：GPS關閉但是RTC仍處於開啟狀態，資料被保留在非揮發性記憶體中(NVRAM)，依照輔助資料的多寡，可以暖開機(Warm Start)或熱開機。
4.關閉模式(Power Off Mode)：GPS接收機處於關閉狀態。衛星星曆存放在快閃記憶體內，在沒有輔助資料的狀態下只能進行冷開機(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.GSM
1.行動定位服務中心(Serving Mobile Location Center, SMLC)傳送輔助資料給手機。
2.當有通訊協定的錯誤產生時，手機會傳送RRLP訊息給SMLC，告知通訊協定有錯誤產生。當SMLC接收到訊息時，會選擇重新傳送或是中止。
3.當手機成功接收到所有的輔助資料之後，會傳送一個確認(Acknowledgement, ACK)訊息給SMLC，告知已經成功接收到輔助資料。圖7所示為GSM系統A-GPS的訊號流程。
2.WCDMA
用戶設備輔助(UE-assisted)：
1.用戶面(User Plane, UP)請求或輔助資料請由產生時，會觸發A-GPS系統。服務無線網路控制器(SRNC)會蒐集有關用戶設備的網路資訊，單機式移動定位服務中心(Stand-alone SMLC, SAS)會開始計算輔助資料。
2. SRNC喚醒SAS之後，SAS會將輔助資料傳送至SRNC。SRNC將輔助資料透過空中介面傳送至用戶設備。
3.用戶設備在輔助資料的協助下，開始進行GPS衛星量測。
4.用戶設備將GPS衛星的量測結果(偽距離)傳送至SRNC，SRNC將偽距離資訊傳送至SAS。SAS在收到偽距離之後，開始進行位置計算。
5. SAS將用戶設備的位置資訊傳送至SRNC。SRNC依據不同的請求，將位置資訊傳送至網路端或是用戶設備端。圖8顯示用戶設備輔助A-GPS的訊號流程。
以用戶設備為基礎(UE-based)：
基本上，UE-based以用戶設備為基礎的訊號流程和UE-assisted很相似，唯一的差別在於UE-based的位置計算是發生在用戶設備內。
當用戶設備計算出位置資訊後，會依據不同的定位請求，決定是否將位置資訊傳送至網路端。圖9所示為UE-based的A-GPS訊號流程。
綜合前文所述的A-GPS架構和訊號流程，可將圖5所示的A-GPS區塊圖在UE-based和UE-assisted操作模式下的訊號流程描繪在圖10。
A-GPS測試規範
有關A-GPS的測試規範是定義在3GPP TS25.171 V6.0.0 (2004-09)及其後的衍生版本，在此測試規範的假設條件，是用戶設備必須有能力接收到經由RRC訊息所傳送的輔助資料。3GPP TS25.171總共定義了三項測試條件：
1.量測參數：在UE-based的模式下，量測參數包含在RRC UE Positioning Position Estimate Info IE內。用戶設備會回報經度和緯度，作為水平量測的結果。在UE-assisted模式下，量測參數是定義在RRC UE Positioning GPS Measured Results IE內。用戶設備會回報碼相位(Code Phase)作為量測結果，有關碼相位的定義，可參考3GPP TS25.302和3GPP TS25.215。用戶設備碼相位的量測結果，會被轉換成水平的經度和緯度資訊。
2.在3GPP TS25.171中定義的反應時間，是從用戶設備接收完相關RRC訊息之後開始，到用戶設備回報量測結果給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，用戶設備必須將非揮發性記憶體內存放的資料清除，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時間藉由行動網路提供給用戶設備。目前3GPP定義了兩種時間輔助模式：粗糙時間輔助(Coarse Time Assistance)，以及精確時間輔助(Fine Time Assistance)。所有的3G網路皆支援粗糙時間輔助，提供的準確度為GPS時間的±2秒。這項輔助可確保在一個導航資料的子訊框內就可得知GPS時間。
精確時間輔助則是一項選擇式服務，3G網路可利用RRC訊息將目前UMTS無線電存取網路(UTRAN)的時間和GPS的時間差告知用戶設備，利用此項服務可確保時間準確度小於±10微秒。A-GPS用戶端可提供三種不同的時間輔助法(表1)。
3GPP 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通道以及弱衛星訊號的條件下，能否在規定時間內正確地解算出位置。表2列出靈敏度測試所需的測試參數以及最低性能要求。
2.名義上的精確度
名義上的精確度是要驗證A-GPS接收機在理想環境下的位置估算準確度。此項測試的主要目的，在於評估A-GPS接收機在良好收訊環境時，正確解算出位置的能力。表3列出測試參數和最低性能需求。
3.動態範圍
動態範圍的測試，是為了評估A-GPS接收機在可視衛星訊號具有差異很大的功率位準時的接收性能。強衛星訊號在互相關時(Cross-correlation)，會遮住弱衛星訊號，造成接收錯誤。此項測試必須位在AWGN的通道環境中。表4列出測試參數和最低性能需求。
4.多重路徑
多重路徑的測試是評估A-GPS接收機對多重路徑的忍受能力。此項測試必須產生五個衛星訊號，有兩個衛星訊號設為單一抽頭的頻道(Single Tap Channel)，代表直線傳播(Line-of-Sight, LOS)的衛星訊號，另外三個衛星設為雙抽頭的頻道(Two-tap Channel)，代表LOS訊號和其多重路徑的訊號成分。表5列出測試參數和最低性能需求。
5.移動和週期更新的測試
此測試主要是模擬當A-GPS接收機置於移動車輛內，當車輛減速、轉彎、加速時，能否正確進行GPS量測或位置計算。良好的追蹤性能對A-GPS接收機而言是必備的。移動和週期更新的測試，可評估當用戶設備的速度和方向改變時，追蹤性能是否會受影響。在此測試下，用戶設備會依循3GPP TS25.171定義的一個矩形軌跡移動，此一行為可模擬用戶設備在都市街道內移動。
圖11所示為3GPP TS25.171定義的矩形軌跡。此一矩形的長寬各為1,440和940公尺，並具有圓形街角。用戶設備從時速25公里，在250公尺的距離內加速到時速100公里，用戶設備以時速100公里運行400公尺，之後在250公尺範圍內減速至時速25公里。隨後用戶設備以時速25公里向右轉，之後在250公尺內再加速至時速100公里，這個程序會一直重複直到完成整個軌跡。在此測試下，用戶設備每隔2秒就必須回報一次位置或GPS量測結果。
在此測試條件下，因為主要是要驗證A-GPS接收機在移動環境下的週期更新回報能力，並不考慮TTFF的時間。表6列出測試參數和最低性能需求。
(詳細圖表請見新通訊63期5月號)