爱华网产业概览：GPS在手机行业中的应用
过去几年中，全球定位系统(GPS)在车载导航和行业应用中热火朝天。2007年则是GPS大举进入手机的开始，政府法规、3G增值应用、运营商急于提高收入、位置服务(LBS)需求和单芯片GPS方案出现等一系列因素，使得手机采用GPS技术的时机已经成熟。GPS最初主要用于高端智能手机、多媒体和3G手机，随后大量向中低端渗透。目前有三种向手机平台增加GPS功能的形式，平衡成本、性能和上市时间等因素，未来几年将是以硬件形式为主、三种集成形式并存的格局。而为了实现更好的性能，支持GPS/AGPS/伽利略的多模单芯片方案将是主流。 技术和市场成熟，GPS在手机中应用即将爆发 研究机构ABI表示,经过多年期待后，07年GPS将大量进入手机，预计到08年底，25%的WCDMA手机将集成GPS技术。这种说法得到了GPS芯片厂商们的热情响应，他们认为，政府法规、3G增值应用和位置服务需求，将推动GPS手机市场的发展。SiRF公司创始人兼营销副总裁Kanwar Chadha表示：“2007年将开始第二波手机集成GPS功能热潮。第一波主要是美国E911法规推动的，为了在紧急呼叫情况下能够确定手机用户的位置。第一波热潮对美国市场产生了重大影响，特别是在CDMA领域，但主要是功能有限的AGPS，只是用于紧急情况。”高通公司(Qualcomm)介绍说，美国CDMA运营商今年已开始提供包括地图和导航在内的位置服务。 Chadha指出,今后五年内，GPS将成为手机平台的组成部分，一系列创新性内容和服务将为消费者和企业带来巨大好处。SiRFstarIII平台的成功和便携导航市场的迅速成长，说明定位是非常有吸引力的功能。SiRF正在与广泛的内容提供商合作，针对位置识别(Location Awareness)来优化其应用。Google Earth和Microsoft Live地理搜索引擎的出现，将大大加快GPS进入手机的步伐。 Google移动工程研发总监李文飚指出，3G增值应用中，移动搜索和定位技术将紧密结合。他展望了可能的应用场景：林先生来商业中心购物，他将手机指向A商厦，由于手机带有定位和指向技术，将位置信息发送给Google，Google识别出A商厦，并将A商厦的商店分类列出，发回手机。购物后，林先生对着手机喊了一声“出租车”，手机将林先生的位置信息和“出租车”指令发给Google，Google把这一信息发送给离林先生最近的出租车，并将出租车即将来到的信息发回手机。李文飚表示：“用户始终不需要输入，手机指到哪儿，移动搜索引擎搜到哪儿。” 高通公司人士表示，尽管LBS在技术上不存在任何问题，但一直没有发展起来，一是实现LBS的产业链太长；二是业界对LBS的理解不深刻，通常只想到地图和导航等。他强调：“在移动通信环境下，LBS将无处不在，作为一种基础平台，为用户提供更高级的个性化服务，但不为用户所知。”他解释说，用户定制的可能是信息服务，比如名牌服装打折的信息，当手机识别出用户进入商业中心后，就会自动向用户发送附近名牌店的打折信息。而u-blox公司技术人员倪志鸿更是表示：“GPS带来的应用可能性受限于你的想象力。” aihuau.comSiGe半导体无线前端产品总监Stuart Strickland博士也指出，GPS将在未来3～5年内成为手机的标准配置。运营商和手机厂商越来越有意增加GPS功能以支持导航和位置服务。该市场正受到消费者需求拉动，因为这个功能在其它消费电子产品有已经很普遍；同时也受到政府安全法规的推动，特别是在日本，从2007年4月开始该国新生产的3G手机必须支持GPS。 除了市场需求外，GPS技术成熟也是推动因素。u-blox GPS芯片和模块代理商中国电子器件工业总公司副总经理王刚表示：“3G解决了大流量数据传输问题，GPS方案的小型化、单芯片、高灵敏度和低功耗，使GPS在手机中的应用也越来越清晰。GPS功能从智能手机甚至到普通手机，将迎来一个快速发展期。”u-blox的倪志鸿补充说，未来两年，GPS在手持设备中的应用将爆发，技术上GPS算法和软件成熟，而且WinCE和Linux等主系统都支持GPS导航软件，而且LCD屏价格大幅下降，嵌入CPU处理能力大幅提升，能满足需求。 GPS从高端手机向中低端手机渗透，单芯片方案是主流 而GPS在手机中的应用，将从高端的3G手机、多媒体和智能手机渗透到中低端手机之中。U-blox的倪志鸿指出，GPS从高端手机切入，一是因为它们主平台完善，有足够的显示、CPU和内存资源；二是受限于成本，GPS在高端手机中所占比重较小。他表示，一旦大面积铺开后，增加GPS功能的成本可以降至5美元以下，这将在两年内实现。ABI认为，到2008年GPS芯片组的平均售价将降至2.7美元。 SiGe的Strickland也指出：“最初目标市场是高端GSM和WCDMA手机。随着基于软件的创新性架构使得在手机中增加GPS功能的成本下降，将开始向中低端手机渗透。”Atmel公司GPS应用市场营销经理Joerg Alber认为，一旦价格低于某个门限，手机中GPS渗透率将非常高。在他看来，未来单芯片方案和软件GPS方案可以将GPS系统成本降至2.5美元以下。SiRF的Chadha也认同最初主要是高端手机，但他补充说：“在有些国家，政府法规是主要的推动因素。” 要将GPS功能引入手机，成本、体积和功耗是避不开的话题，另外就是性能。SiRF的Chadha指出：“虽然尺寸、功耗和成本一直是手机市场面临的挑战，但LBS的成功关键是可靠的定位和导航能力。运营商要想成功部署可以增加收入的服务，良好的消费者体验最重要，这涉及定位平台的可靠性、快速响应时间和可靠的导航能力。”SiGe的Strickland也认为，需要提供与目前单机便携导航产品媲美的用户体验，能在有较强手机信号情况下接收微弱的GPS信号，按需提供精确的位置信息。 目前GPS方案可以分为两类，一类是RF和基带芯片分离的芯片组方案，常常以模块方式向OEM提供，目前车载导航大多使用这类产品；另一类是将RF和基带芯片及一些外围器件以SiP封装在一起，开成单芯片方案，面向便携产品。矛盾的是，单芯片虽然解决了成本、体积和功耗问题，但性能会有所下降，例如追踪灵敏度较芯片组方案会下降1～2dbm，而且开发复杂。不过，随着单芯片技术的进步，这个问题已基本解决。例如，SiRF的SiRFstarIII单芯片方案灵敏度可达-159dbm，u-blox将于明年第一季提供样片的单芯片拥有不到一秒的接收性能和-160dBm的灵敏度。Alber表示：“芯片组方案显而易见提供了更多的灵活性，但是Atmel确信单芯片方案将很快成为市场的主流。” 对于OEM选择单芯片还是模块方案，中电器件王刚表示：“目前选用单芯片方案需要前期投入比较大，对技术开发能力要求比较高。长远看来，单芯片无论从采购成本和设计灵活性上来说都是首选的方案。另外，随着技术进步，单芯片方案设计和调试的难度也在不断降低，例如u-blox将要推出的第5代单芯片产品，技术指标全面超过了上一代的模块产品，设计难度也有所降低。GPS行业有个不成文的法则，单芯片自行开发的经济成本为100Kpcs，通常产量超过100K的终端产品选用单芯片比较合适。追求轻薄短小又有销量的手机市场，一般都会采用单芯片方案。”他透露说，目前中电器件正与几个国内ODM合作开发3G手机，他们采用的都是单芯片方案。 三大方案并存,硬件GPS方案暂占上风 尽管单芯片是未来的主流，但根据对手机主系统依赖的程度不一样，单芯片方案又可以分为三类，独立的硬件GPS方案，依赖于主机的软件GPS解决方案，软硬件结合解决方案。传统上，单机GPS接收器由RF前端、相关器ASIC(GPS核)、DSP、MCU(通常基于ARM CPU)和存储在Flash EPROM中的软件。它输出是包括接收器位置在内的导航信息流。这种架构相对容易集成到专门用于GPS导航的设备之中，但集成到手机或PMP中则成本过高。由于手机有强大的CPU和存储资源，因此，用于手机的GPS芯片有不同的架构。 第一类是独立于主机的硬件GPS方案，如Atmel的ATR0630/35，SiRF的SiRFstarIII，u-blox 5系列，它们和传统的单机GPS接收器相似，GPS芯片中集成了RF收发、基带(GPS核和ARM7 CPU)等，全部GPS软件和导航算法都运行在这个芯片上，与手机主系统完全独立。SiRF的Chadha指出：“这是把GPS添加到现有手机平台，或者急需快速进入市场时的最理想方案。”尽管这种方案目前成本较高，但Atmel的Alber强调：“未来真正的单片芯方案将达到目前蓝牙价格水平，大约2.5美元或者更低。这是理想方案，因为真正的独立工作型GPS方案的系统整合非常容易，可以迅速生产。” 第二类是部分依赖于主机型的软硬结合GPS方案。GPS芯片集成了RF和相关器ASIC(GPS核)，在该方案中手机系统CPU上面运行一些非时间关键(non-time critical)的软件，但全部时间关键GPS信号处理都是在GPS芯片上进行的，适用于有一定系统资源的中端手机。SiRF的Chadha表示：“这种方案要求主机系统具有一定的吞吐能力，并要求较长的设计周期，但在某些环境中可能更有成本效益。”典型代表是SiGe的SE8088L加速GPS接收方案，它包括一个GPS RF前端和一个数字相关器ASIC(用来减轻手机主处理器的负荷)，采用4x6x0.9mm QFN封装。利用中端手机已经存在的处理器和内存资源，SE8088L提供了一种高精度、高灵敏度性、低功耗和低成本的GPS解决方案。 第三类是完全依赖主机型的软件GPS方案，也是成本最低的方案。在该方案下，GPS信号处理要么由运行在主机上的软件完成，要么将GPS硬核集成到主机平台(手机基带)之中。利用软件处理的情况下，将占用大量主机资源；采用GPS内核集成方案，则处理时间显著变长。它的优点是成本和功耗最低，但如果要提供位置服务，需要手机有强大的系统资源，适用于高端手机。Atmel的Alber称：“它将能实现低于2美元的GPS系统成本。” Atmel、SiGe和SiRF都有软件GPS解决方案，如SiRF的SiRFsoft，SiGe的SE4120L。SE4120L据称是全球第一个用于GPS和伽利略的商用多模RF前端。它直接与主机应用处理器连接，在这个处理器上，GPS基带以软件形式实现，它处理收到的信号，提供导航解决方案。随着手机CPU性能的提高和成本下降，基于软件的架构将提供最经济解决方案。 针对这三种方案，SiRF的Chadha总结说：“对于手机，LBS是主要推动因素的市场中，前两种方案将是未来2～3年的主流。由政府法规推动的市场中，要求每部手机都具备GPS功能，集成式GPS核将受到欢迎，目前Nextel和CDMA运营商在美国的情形就是这样。我们预期SiRFsoft之类的纯软件GPS将在某些领域盛行，在这些领域中位置识别非常重要，而且主机有足够的吞吐能力及资源。” 但u-blox的倪志鸿表示，硬件方案将GPS功能独立出来，和手机主系统互不干涉，是目前最成熟、稳定和可靠的方案。而软件GPS方案有两个问题，一是开发周期长，将GPS程序和主机程序集成难度很大；二是GPS工作不稳定，当用户安装和使用第三方应用软件时，可能与GPS软件冲突，影响GPS正常工作。 支持GPS/AGPS/伽利略的多模方案是未来主流 与独立的GPS设备相比，由于手机拥有移动网络，AGPS(Assisted-GPS)为提升手机GPS接收性能提供了辅助。事实上，目前已大量用于CDMA手机，用于紧急服务的都是AGPS技术。独立GPS的主要缺点在于首次定位时间太长，在城市峡谷和室内等场所接收能力差。AGPS把星历等辅助信息通过移动网络传送到手机，使手机首次定位非常快，可以在信号很弱的地方定位，并且更加省电。U-blox的倪志鸿补充说，用户也可以通过有线网络或存储卡下载这些数据，不一定需要经过移动网络。 SiGe的Strickland表示说：“通过移动网络提供卫星位置信息的替代源，AGPS使GPS接收器摆脱了对来自卫星信号的数据进行解码的负担，并可以接收和追踪比较微弱的信号。由于把这种信息发送到手机的网络费用因素，这种技术最常与push-to-fix功能和紧急服务有关。它特别适合要求在网络中而不是手机本身上计算用户位置的情况下，而不太适合于连续导航。”他还介绍说， SiGe、Cambridge Positioning Systems和Trimble合作开发了一种E-GPS系统，旨在把GPS与手机内部已经具备的蜂窝网络信号测量相结合。网络测量在大约3秒之内提供一致的定位信息，在各种环境中都精确到50～100米以内，包括在建筑物深处。把这些测量与GPS结合在一起的系统，可以依靠蜂窝测量实现快速的“push-to-fix”室内定位，依靠GPS实现高精度和连续的室外定位。这两种系统还可以共享信息来提高性能。 对于AGPS不能够提供连续导航这种说法，AGPS领导者高通公司进行了反驳。高通公司介绍说，高通刚开始提供AGPS技术时，定位计算确实是在服务器上进行，缺点是手机和服务器之间交互多造成定位时间长(每20秒定位一次)和网络负担，不能够用于导航。但2004年以后，定位计算在手机上进行，1～2秒钟可以定位一次，完全可以用于导航。而且AGPS精度可以达到5～50m，优于传统GPS的5～80m。他还介绍说，高通名为gpsOne的AGPS技术支持GPS、三角定位和Cell ID三大定位技术，共有五种应用模式并且能够自动切换：纯AGPS、AGPS/基站混合、CDMA三角定位、混合Cell ID和Cell ID定位。 借助其在CDMA市场的主导地位，高通的AGPS技术已经被装备在2亿部手机上，当然大部分限于紧急服务。随着一些CDMA运营商开始部署LBS，高通的CDMA200芯片已经增加了对导航业务的支持。与其它方案不同的是，高通无需要单独的GPS芯片，而是将GPS接收和基带处理功能集成进了其手机芯片组中。在WCDMA领域，高通发布了全球第一套商用SUPL系统。SUPL是WCDMA领域的AGPS全球标准。 在手机领域，传统GPS芯片领导厂商SiRF同样表现不俗。SiRF的专利多模AGPS技术支持独立GPS、移动辅助AGPS和基于移动的AGPS，也能支持伽利略等其它信号，不仅满足了E911需求，而且可以满足LBS的需求。它已被部署在逾4000万部手机和配件之中，客户包括全球一线手机OEM和ODM。Chadha强调说：“我们在这个领域经验丰富，过去10年里，我们的导航算法精益求精，可以满足各种环境下的应用。”ABI首席分析师Alan Varghese指出，过去几年SiRF一直是GPS芯片领域的领导者，但在手机领域， Atmel/u-blox、Global Locate、GloNav、Nemerix、TI和 u-Nav将很快会追上来。尽管业界对GPS和AGPS技术优劣的争论不一，但大家都认为，支持AGPS/GPS/伽利略等系统的多模方案将是未来主流。
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