打破GNSS功耗限制　穿戴裝置創造個人追蹤商機

隨著穿戴式裝置的消費者與使用模式日趨多元，要同時滿足高效能與低功耗雙重需求的挑戰也日益升高。為此，GNSS廠商也提出智慧型功率解決方案，希望能克服GNSS在功耗上的限制，進一步拓展穿戴裝置在個人追蹤的應用發展。

市場上各類電子產品推陳出新，藉由這些日新月異的科技，人們忙碌的現代生活才能變得更為便利。與此同時，隨著人們越來越重視健康，個人健身裝置也越來越普及，為了發揮這類裝置的完整功能性，位置感知技術已是不可或缺的一環。然而，電池壽命一直是實現此目標的一大挑戰。本文將探討此議題，並介紹一些最新的節能技術。

個人追蹤裝置是使用全球導航衛星系統(GNSS)來提供位置訊息的小型裝置，可放置在人或物件(例如包裹)，以及任何需要追蹤的物品上。歐洲GNSS機構(European GNSS Agency, GSA)指出，在利潤豐厚的行動定位服務(Location Based Services, LBS)市場中，個人位置追蹤裝置將是下一個重大商機。GSA估計，2016年至2025年此市場的複合年成長率為17.9%，預計到2020年將出貨1,410萬台，使個人追蹤裝置成為LBS市場中成長最快的領域。

在繁忙的現代生活中，位置追蹤在許多應用上都有用武之地。追蹤功能可協助我們保護我們關心的家庭成員或物品，例如長輩、小孩或甚至寵物。針對商業應用，追蹤技術可被用來掌握資產和員工的移動，特別是貨運駕駛的位置。即使是農民也日益普遍地使用此技術來定位牲畜。為了計算我們走路、跑步或騎車的距離(和速度)，健身追蹤器也需要能持續地掌握位置資訊。

將追蹤裝置的位置資訊與智慧手機、平板電腦或筆記型電腦上的應用程式結合，可帶來很多豐富的應用。使用者能記錄他們的運動數據，掌握長期的運動成果。企業能分析並提升公司各層面營運的效率，尤其是在配送路線方面。其中，地理圍欄(Geofencing)功能特別有用，使用者可在地圖上定義預先設定的安全區域，如果追蹤器移動到該區域之外，便會發出警報。此功能可提供多種用途，包括追蹤患有阿茲海默症等疾病的長輩、追蹤嬰兒和幼兒、追蹤牲畜以及有價值的商業資產等。

功耗成GNSS裝置設計重大挑戰

然而，由於功耗的限制，用來提供重要追蹤能力的GNSS裝置也為設計人員帶來了重大挑戰。

雖然追蹤裝置每年會銷售出數百萬台，但事實上，許多裝置往往只使用了很短的時間，便被束之高閣。最主要原因是因為它們無法滿足消費者的使用期望，而電池壽命太短是最常被提到的原因之一。

提供更多功能是所有精巧裝置設計者所面臨的共同挑戰。雖然改用容量更大的電池是最顯而易見的解決方案，但使用者通常都要求可攜式裝置具備更多功能性，尺寸更是要輕薄短小。這意味著，要克服此挑戰的唯一可行方法是找到更有效的解決方案和技術。事實上，許多感測器不須經常運作。例如，當測量環境溫度的時候，若每隔幾毫秒就讀取一次讀數，會產生大量無意義的數據，而且會快速耗盡電池電量。因此，感測器最好能在很短的時間內開啟以讀取數據，然後再次斷電。利用此技巧，即使是耗電量高的感測器也能用在可攜式裝置中，不會對電池壽命產生重大影響。

但是，對於核心功能是監控位置的位置追蹤器來說，關閉GNSS單元以提供更有效率的運作並不是一個可行選項。地理圍欄應用已採用的一種方式是，讓追蹤器在「安全區域」內降低更新頻率，然後一旦追蹤器移動到該區域之外時，就增加更新頻率。

雖然此方式在某種程度上可以補償效率不佳的GNSS單元，但風險是，如果裝置在電池電量不足時離開安全區域，更高的更新頻率將使電池耗盡。這意味著，有可能會在最重要的時刻失去連線。

實際上，唯一可行的解決方案是提高GNSS單元的效率，這樣才能在使用適當容量的電池的同時，提供所需的功能性和更新頻率。

智慧型功率模式突破 GNSS功耗限制

為了克服穿戴式裝置須在超小尺寸和超低功耗間取得平衡的挑戰。市面上有廠商開發了GNSS獨立技術，內建所有的定位演算法，免除了對特定應用處理器的依賴性，也不須採用繁重且耗電的訊號處理。搭配Super-E(Super-Efficient)定位技術，這是一種智慧型功率模式，可降低整體的功耗，不會影響定位效能。僅使用最小的資源進行追蹤並保持準確的位置，只有當衛星訊號非常微弱或可視衛星很少時，才會啟動全功率操作，以維持定位效能。以實際的運動手表為例，與u-blox的1Hz全功率模式相比，智慧型功率模式可達成三倍的省電效能，且無須犧牲定位準確度。

此智慧型功率模式可整合於系統級封裝(SiP)解決方案中，僅佔用20mm2的空間，便能提供完整的GNSS系統，包括TCXO、LNA、SAW濾波器和濾波元件，可以方便地內建至各種高整合度產品之中。此外，智慧型功率模式亦可在晶片中提供，結合低功耗與高定位準確度，僅需占位不到30mm2(包括可攜式裝置中的所有必要元件)。

例如，u-blox即在其新推出的系列模組中內建智慧型功率模式，其中，超小型、超低功耗且高度整合的GNSS SiP模組，尺寸僅為4.5×4.5×1.0mm，並採用先進的S-LGA封裝，可實現輕鬆可靠的焊接。其以同步GNSS引擎為基礎，可支援GPS/GLONASS/北斗/伽利略衛星系統，並包括訊完整性保護、抗干擾和防詐騙功能。結合所有這些特性，可在嚴苛的環境條件下提供精準可靠的定位。

更重要的是，透過採用整合的智慧型功率模式，SiP模組可在精巧尺寸、超低功耗與良好的GNSS效能之間取得理想的平衡。實際上，即使採用中到低訊號電平的工業天線設計，它追蹤30分鐘所消耗的平均功率僅有25mW，且仍能維持良好的定位與速度準確度。

由於具備高整合度設計、單一1.8V電壓電源、簡單介面以及先進的干擾抑制功能，SiP模組能更輕鬆地內建於新一代穿戴式裝置之中，即使在嚴苛環境下也能確保GNSS效能。此外，SiP模組提供SQI介面，可支援選用的外部快閃記憶體、持續的資料紀錄、並提升A-GNSS效能。

總結

個人追蹤裝置是LBS市場中成長最快的領域，但由於定位功能需要較高的功率，限制了產品的實際應用。隨著內建智慧型功率模式的SiP模組問世，也改變了市場的遊戲規則，現在，即使是精巧的穿戴式裝置也能實現隨時連線的GNSS定位功能。

內建智慧型功率模式的SiP模組體積小、功耗低，可與被動天線搭配使用，具備簡單的介面和完備的評估套件，不論是經驗豐富或是初次開發GNSS裝置的設計人員都能輕鬆完成開發任務。藉由這樣的GNSS方案，設計人員就能在尺寸、功耗、成本和效能間取得平衡，滿足消費者對智慧裝置的未來需求，也為設計提供較大的擴展性。

隨著穿戴式裝置的消費者與使用模式日趨多元，要同時滿足高效能與低功耗雙重需求的挑戰也日益升高。因此，開發出功耗低、且能在嚴苛環境下同樣具備準確定位功能的裝置，將可望開創出高附加價值的GNSS穿戴式裝置市場，包括運動手環、人和動物追蹤器以及消費性/工業資產追蹤器等，創造更大的商機。

(本文作者為u-blox定位產品中心市場開發經理)