مسیریابی ماهواره‌ای در گجت‌های پوشیدنی پیشرفته همواره یکی از ارکان اصلی سنجش عملکرد برای ورزشکاران و ماجراجویان بوده است. وقتی یک ساعت هوشمند مسیر حرکت را ثبت می‌کند، کوچک‌ترین خطا در دریافت سیگنال می‌تواند محاسبه سرعت، مسافت و مسیر بازگشت را با چالش روبرو کند. طی سال‌های گذشته، پشتیبانی هم‌زمان از چند شبکه ماهواره‌ای به استانداردی فنی در صنعت تبدیل شده بود تا گیرنده‌ها بتوانند در شرایط سخت محیطی مانند دره‌های عمیق یا خیابان‌های متراکم شهری، موقعیت کاربر را تثبیت کنند. با این حال، تغییر در ترکیب سامانه‌های موقعیت‌یابی برخی گجت‌های جدید بازتاب‌دهنده رویکرد تازه طراحان سخت‌افزار است. موضوع حذف گلوناس از اپل واچ در تازه‌ترین مدل‌های این شرکت سوالات مهمی را درباره کیفیت مسیریابی و جهت‌گیری فنی تراشه‌های جدید مطرح کرده است. بررسی زیرساخت‌های سیگنالی و نیازمندی‌های سخت‌افزاری نشان می‌دهد که چرا مهندسان تصمیم گرفته‌اند یکی از قدیمی‌ترین شبکه‌های موقعیت‌یاب جهانی را از ساختار گیرنده‌های جدید کنار بگذارند.
در این مطلب می خوانید
سامانه‌های موقعیت‌یاب جهانی بر پایه شبکه‌ای از ماهواره‌ها کار می‌کنند که به صورت پیوسته داده‌های مداری و زمان‌سنجی دقیق را به سمت زمین ارسال می‌کنند. تراشه گیرنده موجود در ساعت هوشمند با محاسبه فاصله زمانی دریافت این سیگنال‌ها از حداقل چهار ماهواره مجزا، مختصات دقیق جغرافیایی و ارتفاع کاربر را محاسبه می‌کند. هرچه تعداد ماهواره‌های در دسترس بیشتر باشد، زمان قفل اولیه روی موقعیت کاهش یافته و پایداری ارتباط بهبود می‌یابد. سال‌ها حضور هم‌زمان چند شبکه مختلف روی گیرنده‌های یک‌فرکانسه به عنوان راهکاری برای جبران کمبود ماهواره‌های در دسترس تلقی می‌شد. اما با پیدایش تکنولوژی‌های جدیدتر در گیرنده‌های همراه، اولویت طراحی از تعداد شبکه‌ها به سمت کیفیت و معماری پردازش سیگنال حرکت کرده است.
علت‌های فنی حذف گلوناس از اپل واچ چیست؟
شبکه گلوناس به عنوان سامانه موقعیت‌یاب ملی روسیه توسعه خود را از دهه 1350 شمسی آغاز کرد و نخستین ماهواره آن در سال 1361 به مدار زمین فرستاده شد. این شبکه با بهره‌گیری از 24 ماهواره فعال، پوشش بسیار قوی و مناسبی در عرض‌های جغرافیایی بالا مانند مناطق قطبی دارد. در سال 1389 دولت روسیه تصویب کرد که دستگاه‌های فاقد گیرنده گلوناس با تعرفه گمرکی 25 درصدی وارد شوند. همین مسئله سازندگان گجت‌های هوشمند را ترغیب کرد تا از آیفون 4S به بعد گیرنده‌های گلوناس را در کنار جی‌پی‌اس قرار دهند. این روند تا سال‌ها ادامه داشت اما تحولات سخت‌افزاری جدید نیازمندی‌های کاملا متفاوتی ایجاد کرده است.
دلیل نخست در تفاوت معماری ارسال سیگنال میان سامانه‌ها نهفته است. گلوناس در فرکانس‌های تجاری از روش دسترسی چندگانه با تقسیم فرکانسی یا FDMA استفاده می‌کند. در این روش، هر ماهواره روی کانال فرکانسی مستقل خود پیام می‌فرستد. این ساختار باعث می‌شود تا تاخیر زمانی پردازش سیگنال در سخت‌افزار گیرنده برای هر ماهواره متفاوت باشد. طراح تراشه مجبور است کالیبراسیون پیچیده‌ای برای مدیریت تاخیرهای متغیر فرکانسی پیاده‌سازی کند. این فرآیند علاوه بر اشغال فضای پردازشی در تراشه، مصرف انرژی را افزایش می‌دهد و کالیبراسیون مدار گیرنده را دشوارتر می‌سازد.
در نقطه مقابل، سامانه‌های جی‌پی‌اس، گالیله اروپا و بیدو چین از معماری دسترسی چندگانه با تقسیم کد یا CDMA بهره می‌برند. در CDMA تمام ماهواره‌ها روی یک فرکانس پایه یکسان پیام می‌فرستند و تفکیک آن‌ها بر اساس کدهای شناسایی منحصر‌به‌فرد صورت می‌گیرد. یکسان بودن فرکانس پایه باعث می‌شود تاخیر سخت‌افزاری گیرنده برای همه سیگنال‌ها یکسان باشد. در نتیجه، کالیبراسیون تراشه بسیار ساده‌تر انجام می‌شود و پردازنده انرژی کمتری برای تصحیح خطای زمانی مصرف می‌کند. حذف الگوی FDMA و تمرکز کامل روی CDMA به مهندسان اجازه می‌دهد تراشه‌ای کم‌مصرف‌تر و یکپارچه‌تر طراحی کنند.
عامل دوم به پیدایش گیرنده‌های چندفرکانسه بازمی‌گردد. در مدل جدید اپل واچ اولترا 4 پشتیبانی از جی‌پی‌اس دوفرکانسه L1 و L5 تعبیه شده است. فرکانس L5 قدرت نفوذ بالاتری دارد و سیگنال‌های برگشتی از ساختمان‌ها یا صخره‌ها را فیلتر می‌کند. شبکه گلوناس در تجهیزات تجاری عمدتا سیگنال تک‌فرکانسه L1 را ارائه می‌دهد و نمی‌تواند ترکیب دوفرکانسه مورد نیاز برای الگوریتم‌های مدرن را تامین کند. بنابراین حضور آن در کنار فرکانس‌های L1 و L5 جی‌پی‌اس و گالیله ارزش افزوده ملموسی برای افزایش دقت ایجاد نمی‌کند و تنها بار پردازشی اضافه ایجاد خواهد کرد.
ارزیابی عملکرد مسیریابی در کاربری واقعی
برای ارزیابی دقیق تاثیر این تصمیم باید عملکرد عملیاتی ساعت در محیط‌های مختلف سنجیده شود. در ساعت‌های هوشمند امروزی، هم‌زمان‌سازی با شبکه‌های جی‌پی‌اس، گالیله، بیدو و QZSS تراکم ماهواره‌ای بیش از حد نیازی را فراهم می‌کند. بر اساس تحلیل‌های فنی منتشر شده در مک‌رومرز عدم پشتیبانی از گلوناس هیچ افت کیفیتی در تعیین موقعیت کاربران ایجاد نکرده است. در واقع، ترکیب جی‌پی‌اس دوفرکانسه با شبکه گالیله خطای شعاعی را به کمتر از چند سانتی‌متر می‌رساند، در حالی که سیگنال یک‌فرکانسه گلوناس خطایی در حدود چند متر داشت.
در فضاهای متراکم شهری که ساختمان‌های بلند باعث ایجاد پدیده چندمسیره شدن سیگنال می‌شوند، فرکانس L5 نقشی کلیدی در حذف بازتاب‌ها ایفا می‌کند. گیرنده با مقایسه فاز سیگنال L1 و L5 می‌تواند موج اصلی را از موج بازتاب‌شده تشخیص دهد. سامانه گلوناس به دلیل عدم ارائه سیگنال تجاری L5 در گجت‌های پوشیدنی، امکان کمک به این فرآیند تصحیح خطای اتمسفری و محیطی را نداشت. از این رو حذف آن هیچ خللی در مسیریابی میان برج‌ها یا مسیرهای جنگلی ایجاد نمی‌کند.
موضوع مقررات تجاری و تغییرات بازار بین‌المللی نیز در این تصمیم موثر بوده است. الزامات گمرکی دهه گذشته که شرکت‌ها را به درج گیرنده گلوناس مجاب می‌کرد، دیگر اولویت اصلی بازار نیست. با کاهش پیچیدگی‌های تنظیم‌گری در برخی مناطق و اولویت یافتن کارایی انرژی، طراحان سخت‌افزار نیازی به حفظ تراشه‌های قدیمی برای معافیت‌های مالیاتی احساس نمی‌کنند. این موضوع دست مهندسان را باز گذاشته تا تمرکز خود را روی بهینه‌سازی مدارهای اصلی قرار دهند.
پیامدهای سخت افزاری و آینده گیرنده های ماهواره ای
مدیریت مصرف باتری و کنترل دما در ساعت‌های هوشمند از حیاتی‌ترین چالش‌های مهندسی به شمار می‌رود. پردازش هم‌زمان کانال‌های فرکانسی متعدد در یک تراشه کوچک، گرمای قابل توجهی تولید می‌کند. با کنار گذاشتن مدار کالیبراسیون FDMA و حذف سیگنال‌های غیرضروری، نرخ افت عملکرد تراشه در اثر دمای بالا کاهش می‌یابد. کاربران در فعالیت‌های طولانی‌مدت نظیر دویدن یا کوهنوردی، شارژدهی پیش‌بینی‌پذیرتری را تجربه می‌کنند. خریدارانی که میان انتخاب این مدل و گزینه‌های دیگر تردید دارند، می‌توانند در راهنمای مقایسه اپل واچ سری 12 و اولترا 4 تفاوت‌های سخت‌افزاری و شارژدهی این دو گجت را بررسی کنند.
تغییر رویکرد در طراحی سیستم‌های مسیریابی گجت‌های پوشیدنی نشان‌دهنده گذر از کمیت ماهواره‌ها به سمت کیفیت سیگنال است. صنعت نیمه‌هادی اکنون به سمتی حرکت می‌کند که استفاده از استانداردهای یک‌فرکانسه قدیمی جای خود را به گیرنده‌های چندفرکانسه یکپارچه بر پایه CDMA بدهد. این تحول نه‌تنها بورد سخت‌افزاری را کوچک‌تر می‌سازد، بلکه فضا را برای گنجاندن حسگرهای بیشتر یا افزایش ظرفیت باتری باز می‌کند.
کوچ از سامانه‌های سنتی تک‌فرکانسه، الگویی تازه برای سایر سازندگان گجت‌های هوشمند ترسیم کرده است. حذف مدارات کالیبراسیون پیچیده، راه را برای تولید تراشه‌های موقعیت‌یابی کم‌مصرف‌تر و دقیق‌تر هموار می‌کند. اکنون سوال اصلی صنعت این است که آیا دیگر سامانه‌های منطقه‌ای و قدیمی نیز در نسل‌های بعدی سخت‌افزار جای خود را کاملا به شبکه‌های چندفرکانسه CDMA خواهند داد یا خیر.
