蘋果於 2022 年推出手機直連衛星的功能，讓美加等國的iPhone 14用戶在沒有行動網路的情況下，也能透過Globalstar的低軌衛星來傳送求救訊息。蘋果向路透社表示iPhone 14使用了額外的軟硬體，且內含特製射頻零件[1]。根據以上新聞，筆者研判蘋果可能只是把衛星電話硬體整合到iPhone 14內。因為硬體整合通常沒有足夠的創新性來申請專利，也許我們可以從近幾年的蘋果專利申請來確認這樣的推論。

圖片來源 : shutterstock、達志影像

在過去3年多於美國專利商標局 (USPTO) 所公開的蘋果公司申請案中，有33個專利家族的摘要都有提到satellite，但筆者在初步查看這些公開案的宣告資料、名稱及摘要後，發現都與硬體整合無關。以US20230247506A1為例，蘋果有將此篇專利向ETSI（歐洲電信標準協會）宣告為標準必要專利 (SEP)；通常來說，硬體整合與標準必要專利是互斥的概念，因標準必要專利往往只限於一種特定實施，其目的在於提供一種標準，而硬體整合則可容許多種實施，只要完成整合都是可行的實施。所以這篇已宣告的SEP初步看起來應與硬體整合無關，若再檢視其名稱及摘要後，即發覺其欲解決的問題與3GPP NTN的handover (跨基地台切換) 有關，確認與硬體整合無關。

市場上手機直連衛星技術整理

陸廠如華為及小米，也陸續推出具有手機直連衛星功能的新款手機，研判可能也是與蘋果一樣使用硬體整合的方式。然而，新近上市的Google Pixel 9卻不是使用硬體整合的模式，而是使用衛星通訊業者Skylo的NTN服務。

Skylo於2024 年8月及9 月發布的新聞稿分別提到，Skylo於美國地區支援 Google Pixel 9 系列手機的衛星 SOS 功能，且Skylo的NTN服務能夠為使用高通 X80 射頻晶片的手機提供全面的無縫衛星連接[2],[3]。高通於2024 年2 月所發布的新聞稿中也提到支援3GPP Release 17的X80晶片是首次在5G調變解調器中整合NB-NTN衛星通訊[4]。另一方面，聯發科於2024 年1 月所發布的新聞稿中提到，其MT6825是首款符合 3GPP Release 17的 5G NTN 晶片，也是首款獲得Skylo衛星網路官方認證的5G NTN晶片，已用在摩托羅拉 Defy手機上[5]。根據網路消息[6]，Pixel 9是透過三星所提供的射頻晶片以獲取NTN連結能力。

衛星運營商Viasat於2023 年11 月所發布的新聞稿中提到，Skylo基於3GPP Release 17所發展出的衛星技術，再結合Viasat的地球同步衛星以及Viasat子公司Inmarsat的衛星頻段，推出「bent pipe」衛星來支援NTN IoT服務[7]。這裡的bent pipe衛星與3GPP NTN裡的Transparent Mode衛星等義，而3GPP是把Transparent Mode衛星當成一種中繼器。換句話說，bent pipe衛星只是把從上行鏈路所收到的信號再從下行鏈路轉發出去，本身不具有任何處理器可以處理上行鏈路信號。

不同於蘋果及Google選擇的模式，Starlink 計劃把LTE基地台直接搬到太空中，意即在地球周圍建立一個包含數千顆新款direct-to-cell (DTC)衛星，這些衛星具有LTE基地台的功能，可以直接向一般的LTE手機提供服務。Starlink所規劃的direct-to-cell衛星網路，可以看成多個內含LTE基地台的新款DTC衛星所組成的網路，向Starlink於地面上的合作電信營運商比如T-Mobile提供服務，而T-Mobile的LTE手機用戶可透過LTE頻段上傳LTE信號給內含LTE基地台的DTC衛星。

圖1. 3種主要的手機直連衛星模式；張克平整理製表

圖1整理了3種主要的手機直連衛星模式，接下來，筆者將針對Starlink、AST SpaceMobile 及 Skylo 這三家公司的專利做一番探討，了解其在handover及timing advance（定時提前）的做法，以及這些做法與3GPP又有什麼不同。

在傳統行動通信中，handover是必要的程序，因為手機不會一直待在同一個基地台的服務範圍內，手機於通話狀態中從A基地台切換到B基地台的過程，就稱為handover，而這種過程經常會出現明顯延遲甚至導致通話中斷；如何能做到無縫銜接，一直是各業者技術上的挑戰。

衛星通訊公司專利探討

● Handover技術相關專利

首先從US11729684B1這篇專利來看Starlink是怎麼處理handover。這篇專利的說明書提到提前請求並發起handover的行為可以減少切換延遲並提高切換效率，說明書也提到調度表 (New Schedule) 可以定義什麼實體應該與什麼其它實體通訊、某些實體何時應該與某些其它實體通訊。

從圖2可以看出Starlink衛星網路中的RDS伺服器125會向衛星102A及手機112A傳送上述的調度表210，所以手機112A可基於調度表來處理handover請求230，以啟動從衛星 102A到衛星102B的handover。

圖2.US11729684B1專利的使用者終端handover訊息流程；圖片來源：USPTO

在Starlink的handover做法，手機基於網路端所提供的調度表來提前請求並發起handover，然而，在圖3的 3GPP的handover流程中，是完全看不到這樣的調度表。

圖3. 3GPP的handover訊息流程截圖；圖片來源：3GPP TS 36.300 V18.3.0

從圖3可以看出3GPP手機會向目前服務的基地台傳送多個波束信號強度的量測結果(步驟2) ，基地台可基於量測結果選擇一個最合適的波束(步驟3)來進行handover請求(步驟4)，而這樣的過程是完全沒有使用Starlink專利中的調度表的。

圖2及圖3可清楚看出Starlink及3GPP有不同的handover作法。接下來，我們再來看timing advance 。

● Timing advance技術相關專利

在傳統行動通信中，手機利用基地台所傳送的同步信號來達到下行鏈路的同步，但這樣還不足以與基地台進行上行鏈路的通訊。這是因為基地台不會同時只服務一位用戶，如果一個timeslot的區段同時有兩個用戶在使用，然後一個離基地台近一個離基地台遠，這兩支手機所傳送的信號到達基地台的時間是不會一致的。手機如果沒有達到上行鏈路的同步除了會導致干擾，也造成基地台的解調不易。3GPP從2G一直到5G都是使用timing advance的方法來處理上行鏈路的同步問題，亦即手機在傳送信號前會預先補償不同距離所對應的傳送時間，如此一來，不同手機發送到同一timeslot的信號可以同時到達基地台。

Starlink的傳統低軌衛星距離地表的高度約為550公里，新款DTC衛星則為350公里，而Skylo所使用的Viasat同步衛星則距離地表35,786公里，手機與這些衛星的距離都比與地表基地台的距離遠很多。除了距離遠而需要比較長的傳送時間，衛星涵蓋範圍也會比地表基地台要來的大。讓我們來了解一下Skylo 、AST SpaceMobile以及3GPP是如何解決這些現象所造成的影響。

首先來看AST SpaceMobile的US11817936B2專利。這篇專利的說明書有提到基地台可根據normalized delay 來調整預期接收時間。為了簡化基地台的作業，normalized delay是基於基地台到波束中心的路徑所計算出來的，換句話說，預補償係基於波束中心而不是基於手機位置。AST SpaceMobile認為手機與波束中心的距離差異雖然會產生小量的residual timing differences，但透過基地台的timing advance控制器可以被控制在基地台的容忍範圍內。說明書也提到根據衛星、地面站天線和手機位置的不同可能會有不同的延遲，因此可以添加artificial delay，使得基地台所看到的normalized delay都具有相同或相似值。

綜上所述，為了簡化實施，基地台是基於波束中心而計算出normalized delay，但是手機不一定只處於波束中心這個位置，若處於其它位置所產生的residual timing differences，AST SpaceMobile認為可以控制在基地台的容忍範圍內。

現在再看另一篇AST SpaceMobile的專利US11870540B2。 US11870540B2的說明書有提到LTE不能容忍大於1200 Hz的residual Doppler，也不能容忍>0.5 ms的residual timing differences，所以須預先補償覆蓋區內每個波束中心的Doppler變化，以便最大限度地減少手機所看到的residual Doppler。說明書也提到校正到波束中心比校正到個別手機位置是更容易實施。

換句話說，這兩篇專利為了簡化基地台計算normalized delay的作業，只參考基地台到波束中心的路徑，而沒有考慮基地台到每台手機的個別路徑。讓我們再透過圖4去了解3GPP有關timing advance的做法。

圖4. 3GPP的NTN時序關係圖解；圖片來源：3GPP TS 36.300 V18.3.0

3GPP認為手機應透過考慮自身位置以及基地台所提供的Common TA及星曆 (含衛星位置和速度資訊)來自動預補償TA以及Doppler偏移。所以手機如果沒有獲得有效的位置及星曆表，是無法與NTN網路通訊的。3GPP為了解決 NTN 的傳播延遲，定義了Common TA、Koffset 以及 Kmac。這裡的Common TA係對應於參考點 (RP) 和 NTN payload之間的RTT。Koffset大約為Service link RTT和Common TA之和。Kmac 則大約為RP和 gNB 之間的 RTT。

從圖4可見，timing advance (TA) =Service link RTT + Common TA，而Service link RTT是衛星對應至一個別手機路徑的RTT。所以3GPP在計算timing advance 時，有考慮個別手機位置，而前述兩篇AST SpaceMobile 專利中的normalized delay僅考慮基地台到波束中心的路徑。因此AST SpaceMobile及3GPP有不同的timing advance作法。 

接著來看Skylo的US11963123B2專利。這篇專利的說明書提到手機可以各自延遲其上行鏈路的傳送，使得上行鏈路資料被設定為與Tmax相對應的時刻到達基地台，所以不同手機發送到同一timeslot的上行鏈路資料可同時到達基地台。其中，timing advance係基於Tmax及上行鏈路的延遲而決定的，而Skylo網路中的控制器係基於自波束服務區域內所蒐集到的多台手機的RTT資料，從中選出最大值當作是Tmax。

圖5.  US11963123B2專利的同步流程；來源：USPTO

如圖5所示，由於Skylo網路把各手機中的最大RTT配置成Tmax，所以各手機的RTT一定是小於等於Tmax。這篇專利設計timing advance的目的是不管那支手機在那個時間點收到基地台在T0所傳送的下鍊信號，這些手機都能在T0+Tmax這個時間點把對應的上鍊信號送達至基地台。以手機UE1為例，在延遲TUE1,delay之後接收到基地台在T0所傳送的下鍊信號，假設上行鏈路傳輸時間與下行鏈路傳輸時間相同，UE1可計算出用於發起上行鏈路傳輸的timing advance應對應於(T0+Tmax)-TUE1delay這個時間點。

說明書也有提到一個比較細節的地方，那就是TUEdelay不一定會是sub-frame長度的整數。此時手機把TUEdelay拆成兩部分：整數數量的sub-frame N和相對於sub-frame長度的分數Delta1。除了sub-frame整數，也須考量分數Delta1，亦即也須提前移動分數Delta1的時間長度。這麼做的目的是為了在基地台維持frame structure的同步，而這裡的frame structure是指3GPP定義的5G frame structure。

Skylo這篇專利與稍早提及的AST SpaceMobile兩篇專利及3GPP有不同的timing advance作法。因為不管是AST SpaceMobile或3GPP的網路都沒有Tmax這樣的實施。

那麼，Skylo這篇專利會是SEP嗎?事實上，Skylo 未曾至ETSI宣告過任何SEP，亦從未參與3GPP標準的制定。在Skylo網站上，Skylo認為他們的衛星通訊技術是屬於Standard Plus 而非Standard。從Standard Plus字面上來看，Skylo認為他們的技術是基於3GPP NTN但不是完全遵從3GPP NTN。

從專利面可看出Starlink及AST SpaceMobile是各自獨立發展其衛星通訊系統的，兩者都是依照自己的技術規格建設其系統。Skylo的衛星通訊系統雖然是基於3GPP，但也是依照自己的技術規格來實施。

Starlink 於今年的10月拿到FCC所授予為期15天的臨時授權，可為佛羅里達州因米爾頓颶風而失去手機通訊的 T-Mobile 用戶提供基本的簡訊服務。由此新聞可推知Starlink尚未開啟其direct to cell服務。事實上，手機直連衛星服務在很多國家也都還未商業化，目前還很難推測以上三個手機直連衛星模式未來的發展前景。

備註：

責任編輯：李淑蓮

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報立場。】

作者： 張克平 現任： 鴻海科技中央智權總處 技術經理 經歷： 宏達電 資深專利經理 理慈國際法律事務所 技術暨專利顧問 安捷倫科技 應用工程師 學歷： 交通大學電信系

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