衛星追蹤器土砲計劃 (一) 緣起

不久前我在研究中國大陸對蒼鷺的衛星追蹤研究時，發現中國做鳥類衛星追蹤的發報器已經可以自製，而且不再使用價格昂貴的衛星服務回傳資料，改用行動電話的網路回傳。

中國的候鳥遷徙路徑大部份都在陸地上，因此使用行動電話網路回傳資料是個相當實際而且聰明的做法。但台灣的候鳥飛出去之後就在海上，所經過的絕大部份路徑是沒有行動網路覆蓋的，因此同樣的裝置不見得適用於台灣的候鳥追蹤。 雖然這樣的追蹤器在台灣沒辦法用在候鳥追蹤上，但某次跟小樹老師聊到這件事時，他想到這樣的裝置還是可以用在棲留性鳥類的追蹤與調查。

他舉了猛禽研究會鳳頭蒼鷹調查計劃為例，目前他們只能使用腳環來追蹤，如果有發報器的話，可以大大的增加追蹤的精確度和提高數據的可用性。 鳳頭蒼鷹是與人類非常接近的猛禽，他們不僅不遷徙，很多族群還棲息在都會區的公園中，甚至就在公園中繁殖。如果讓鳳頭蒼鷹背上使用行動電話網路回傳資料的發報器，一點都不用擔心訊號覆蓋的問題。

於是，我就寫信給大陸一家做這種發報器的公司 “環球信士”，問問他們產品的價格以及使用國外 SIM 卡的可行性。價格比我預期的要高，20 克的太陽能 GPS 追蹤器要價約六千多塊人民幣，但仍然比歐洲那些用 Argos 衛星的發報器動輒一兩萬歐元的價錢要低得多。但最大的問題是，他們不讓用戶自行更換 SIM 卡。他們的追蹤器在出廠時，SIM 卡就封死在機器裡面，因此我們也沒辦法藉由換 SIM 卡來使用台灣的行動電話網路。

乾脆來土砲吧

E-mail 來往了一陣子，我不斷嘗試說服他們賣我不含 SIM 卡的機器，他們終究不同意。我甚至想要直接買一台回來拆，看看能不能自己把 SIM 卡換掉，camp 上台灣的網路來使用。

但，就在這個 moment，我突然覺得，靠，這東西是有多難，人稱土砲硬體一哥的我會做不出來嗎 ? 不過就是個 GSM modem 加上 GPS 接收器，頂多再加個太陽能板跟一塊鋰電池啊。淘寶上滿滿一大堆徵信社用來抓猴的汽車追蹤器也是這玩意啊，有超長待機時間的、有用磁鐵隨便就可以吸在車上的、也有從外型完全看不出來是電子產品的偽裝型追蹤器，各式各樣，應有盡有。

不過，抓猴用的追蹤器在硬體上雖然和野生動物追蹤器沒什麼兩樣，但關鍵的差異還是在軟體，特別是電源管理的部份。

抓猴用的追蹤器可以配個超大容量的電池，充飽電之後布署，而且必要的時候可以回收。但野生動物追蹤器掛出去之後幾乎不可能回收，又有體積與重量的限制，因此一定要能自己供電。典型的做法是用太陽能板發電，並利用電池儲存。除此之外，以太陽能電池所能供應的電力來說，GSM 或 WCDMA 網路連線是相對耗電的，這個體積的追蹤器應該沒辦法一直 camp 在網路上，所以必需要設計一套可靠的機制讓它用最有效率的方式測量及回傳資料。

為了省電，甚至要考慮讓 GPS 也只能間隔開啟，而不能連續追蹤。 如果追蹤器沒辦法一直連接網路，要下給它的指令就只能趁它連接網路時送過去，因此這個 protocol 的設計也變得很關鍵。也許可以設計一些比較複雜的機制，讓追蹤器自己根據電池的電量決定要隔多久連一次網路來回傳並接收指令，而控制指令也可以決定追蹤器接下來開啟 GPS 或網路連線的行為。最重要的是，在電池耗盡前所送回來的最後訊息該怎麼設計，以及電池耗盡後再度回充讓追蹤器活過來時，該怎麼重新連上網路並回報自己還活著，這些都是很有趣的題目。

想著想著，我就幫自己挖了一個大坑，而且，我決定跳坑了。

GSM, WCDMA, 還是LTE ?

我離開手機這一行已經好多年了，在我做手機的那個年代，3G 的標準才剛訂好，而我當時還在設計 EDGE 的平台。現在要做這樣的裝置，已經不用自己從 baseband +RF+PA 晶片開始硬幹，市場上有各式各樣的 cellular data module 可以選用。十年前一個 GSM modem 要價幾百塊美金，而且電路板比 iPhone 6 Plus 還大，現在 GSM/GPRS 的 2G modem 只要銅板大小，而且不用十塊美金。四頻 GSM 加雙頻 WCDMA 的 3G module 也沒大多少，而且一樣二三十塊美金就有了。再加十塊，還有 4G 的 LTE module 可以選。

選擇太多，有時候也是一種煩惱。我到底該用哪一種行動網路來回傳資料比較適合呢 ? 大部份的抓猴用追蹤器都是 2G 的，它們用 GSM 網路的簡訊或 GPRS data 來回傳定位資料。一則簡訊可以傳 140 bytes 的資料，而 GPRS 依照所使用 time slot 數量及編碼方式，則可以有 21.4Kbps 或 42.8Kbps 的上行速度。如果搭配 EDGE 的調變及編碼方式的話，在 uplink 佔用 5 個 time slot 的狀況下，甚至可以飆出 296Kbps 的傳輸速度，直逼 WCDMA。

當然有用過的人都知道，現實生活中的 GPRS 或 EDGE 從來沒有跑這麼快過，就算基地台支援，絕大多數的手機因為 PA 功耗的問題，很難佔用 2 個以上的 time slot 來發射。

WCDMA 最早的標準有 384Kbps 的 uplink 速度，但後來的 HSUPA 則又把 uplink 的速度推上 34.5Mbps。不過標準訂是訂了，真的有做到的沒幾個，常見的 HSUPA 實作大概都在 category 5 的 2Mbps 及 category 6 的 5.76Mbps。相較於 GPRS 或 EDGE，3G 的速度真的非常快，對於要傳送定位資料而言綽綽有餘。

一般 WCDMA 的 modem 在傳送資料時，平均功耗會比 GSM modem 要大一些，但因為 WCDMA 的傳送速度快得多，平均下來單位流量的功耗會遠小於 GSM。如果我們需要一次大量傳送整批資料的話，非 WCDMA 莫屬。但如果是間歇性的傳送小批量資料，也許 GSM 會稍佔上風。

另一個差別則是電源系統的設計。GSM 因為協定本身有 TDD 的設計，在同一個無線電頻率下有八個 time slot 以 4.615ms 的週期在切換，造就了困擾大家多年的 217Hz TDD 干擾。這個干擾就是當年我們將 2G 手機放在喇叭旁邊時，電話進來前你會聽到的那種 “茲… 茲…” 的聲音。它除了會對臨近的電子用品造成干擾外，對電源系統的設計也是一個挑戰。GSM 的 PA 需要在 576.92us 這麼短的時間內打開又關閉，而它打開時的耗電會高達 2A，如果電源系統的反應跟不上的話，壓降會讓 GSM 的 PA 無法正確工作，導致 RF 的效能不如預期。而 WCDMA 則沒有這個問題，除了中國特有的 TDD-WCDMA 外，世界上絕大多數的 WCDMA 系統都是 FDD-WCDMA，在這個系統中發射和接收的 RF 電路都是持續開啟的，不需要反覆切換開啟、關閉，因此它的耗電不會大起大落，對電源系統的設計要求比較低。

現階段要使用 GSM 系統還有一個風險: 頻譜。台灣已經開始在回收 GSM 的頻譜，轉給 4G LTE 使用。中華電信已經停掉 GSM 900 的服務，遠傳也關閉了 GSM 1800 的網路，目前仍在運作的 GSM 網路只剩下中華電信跟台灣大哥大的全區 GSM 1800 網路。台灣已經確定在 2017 年 6 月要全面回收 GSM 頻譜，因此 GSM 系統在台灣只剩一年半可以使用。

至於 LTE，我實在想不到在現在這個階段有什麼理由要讓追蹤器有 100Mbps 的傳輸頻寬，所以 LTE 的選項就先擱著吧。也許有一天連 WCDMA 的頻譜都被回收了，我們才會被迫轉到 LTE 上。

雙管齊下

我對 GSM 和 WCDMA 在傳輸資料時的 power consumption pattern 很有興趣，我也想試試看在小量資料傳輸時兩者個效能差異，所以我決定兩種系統都弄回來試試看。等到要做產品時，再決定要怎麼做。

拜物聯網熱潮所賜，現在不僅便宜又好用的 Wi-Fi module 滿天下，連 GSM/GPRS module 和 WCDMA modem 都百家爭鳴。我決定先著手尋找適合的 module 來做一些實驗。

續集：衛星追蹤器土砲計劃 (二) GSM 平台