苹果于 2022 年推出手机直连卫星的功能，让美加等国的iPhone 14用户在没有行动网络的情况下，也能透过Globalstar的低轨卫星来传送求救讯息。苹果向路透社表示iPhone 14使用了额外的软硬件，且内含特制射频零件[1]。根据以上新闻，笔者分析苹果可能只是把卫星电话硬件整合到iPhone 14内。因为硬件整合通常没有足够的创新性来申请专利，也许我们可以从近几年的苹果专利申请来确认这样的推论。

图片来源 : shutterstock、达志影像

在过去3年多于美国专利商标局 (USPTO) 所公开的苹果公司申请案中，有33个专利家族的摘要都有提到satellite，但笔者在初步查看这些公开案的宣告资料、名称及摘要后，发现都与硬件整合无关。以US20230247506A1为例，苹果有将此篇专利向ETSI（欧洲电信标准协会）宣告为标准必要专利 (SEP)；通常来说，硬件整合与标准必要专利是互斥的概念，因标准必要专利往往只限于一种特定实施，其目的在于提供一种标准，而硬件整合则可容许多种实施，只要完成整合都是可行的实施。所以这篇已宣告的SEP初步看起来应与硬件整合无关，若再检视其名称及摘要后，即发觉其欲解决的问题与3GPP NTN的handover (跨基地台切换) 有关，确认与硬件整合无关。

市场上手机直连卫星技术整理

陆厂如华为及小米，也陆续推出具有手机直连卫星功能的新款手机，分析可能也是与苹果一样使用硬件整合的方式。然而，新近上市的Google Pixel 9却不是使用硬件整合的模式，而是使用卫星通讯业者Skylo的NTN服务。

Skylo于2024 年8月及9 月发布的新闻稿分别提到，Skylo于美国地区支持 Google Pixel 9 系列手机的卫星 SOS 功能，且Skylo的NTN服务能够为使用高通 X80 射频芯片的手机提供全面的无缝卫星连接[2],[3]。高通于2024 年2 月所发布的新闻稿中也提到支持3GPP Release 17的X80芯片是首次在5G调变解调器中整合NB-NTN卫星通讯[4]。另一方面，联发科于2024 年1 月所发布的新闻稿中提到，其MT6825是首款符合 3GPP Release 17的 5G NTN 芯片，也是首款获得Skylo卫星网络官方认证的5G NTN芯片，已用在摩托罗拉 Defy手机上[5]。根据网络消息[6]，Pixel 9是透过三星所提供的射频芯片以获取NTN链接能力。

卫星运营商Viasat于2023 年11 月所发布的新闻稿中提到，Skylo基于3GPP Release 17所发展出的卫星技术，再结合Viasat的地球同步卫星以及Viasat子公司Inmarsat的卫星频段，推出「bent pipe」卫星来支持NTN IoT服务[7]。这里的bent pipe卫星与3GPP NTN里的Transparent Mode卫星等义，而3GPP是把Transparent Mode卫星当成一种中继器。换句话说，bent pipe卫星只是把从上行链路所收到的信号再从下行链路转发出去，本身不具有任何处理器可以处理上行链路信号。

不同于苹果及Google选择的模式，Starlink 计划把LTE基地台直接搬到太空中，意即在地球周围建立一个包含数千颗新款direct-to-cell (DTC)卫星，这些卫星具有LTE基地台的功能，可以直接向一般的LTE手机提供服务。Starlink所规划的direct-to-cell卫星网络，可以看成多个内含LTE基地台的新款DTC卫星所组成的网络，向Starlink于地面上的合作电信营运商比如T-Mobile提供服务，而T-Mobile的LTE手机用户可透过LTE频段上传LTE信号给内含LTE基地台的DTC卫星。

图1. 3种主要的手机直连卫星模式；张克平整理制表

图1整理了3种主要的手机直连卫星模式，接下来，笔者将针对Starlink、AST SpaceMobile 及 Skylo 这三家公司的专利做一番探讨，了解其在handover及timing advance（定时提前）的做法，以及这些做法与3GPP又有甚么不同。

在传统行动通信中，handover是必要的程序，因为手机不会一直待在同一个基地台的服务范围内，而手机于通话状态中从A基地台切换到B基地台的过程，就称为handover，而这种过程经常会出现明显延迟甚至导致通话中断；如何能做到无缝衔接，一直是各业者技术上的挑战。

卫星通讯公司专利探讨

● Handover技术相关专利

首先从US11729684B1这篇专利来看Starlink是怎么处理handover。这篇专利的说明书提到提前请求并发起handover的行为可以减少切换延迟并提高切换效率，说明书也提到调度表 (New Schedule) 可以定义什么实体应该与什么其它实体通讯、某些实体何时应该与某些其它实体通讯。

从图2可以看出Starlink卫星网络中的RDS服务器125会向卫星102A及手机112A传送上述的调度表210，所以手机112A可基于调度表来处理handover请求230，以启动从卫星 102A到卫星102B的handover。

图2. US11729684B1专利的用户终端handover讯息流程；图片来源：USPTO

在Starlink的handover做法，手机基于网络端所提供的调度表来提前请求并发起handover，然而，在图3的 3GPPhandover流程中，是完全看不到这样的调度表。

图3. 3GPP的handover讯息流程截图；图片来源：3GPP TS 36.300 V18.3.0

从图3可以看出3GPP手机会向目前服务的基地台传送多个波束信号强度的量测结果(步骤2)，基地台可基于量测结果选择一个最合适的波束(步骤3)来进行handover请求(步骤4)，而这样的过程是完全没有使用Starlink专利中的调度表的。

图2及图3可清楚看出Starlink及3GPP有不同的handover作法。接下来，我们再来看timing advance。

● Timing advance技术相关专利

在传统行动通信中，手机利用基地台所传送的同步信号来达到下行链路的同步，但这样还不足以与基地台进行上行链路的通讯。这是因为基地台不会同时只服务一位用户，如果一个timeslot的区段同时有两个用户在使用，然后一个离基地台近一个离基地台远，这两支手机所传送的信号到达基地台的时间是不会一致的。手机如果没有达到上行链路的同步除了会导致干扰，也造成基地台的解调不易。3GPP从2G一直到5G都是使用timing advance的方法来处理上行链路的同步问题，亦即手机在传送信号前会预先补偿不同距离所对应的传送时间，如此一来，不同手机发送到同一timeslot的信号可以同时到达基地台。

Starlink的传统低轨卫星距离地表的高度约为550公里，新款DTC卫星则为350公里，而Skylo所使用的Viasat同步卫星则距离地表35,786公里，手机与这些卫星的距离都比与地表基地台的距离远很多。除了距离远而需要比较长的传送时间，卫星涵盖范围也会比地表基地台要来的大。让我们来了解一下Skylo 、AST SpaceMobile以及3GPP是如何解决这些现象所造成的影响。

首先来看AST SpaceMobile的US11817936B2专利。这篇专利的说明书有提到基地台可根据normalized delay来调整预期接收时间。为了简化基地台的作业，normalized delay是基于基地台到波束中心的路径所计算出来的，换句话说，预补偿系基于波束中心而不是基于手机位置。AST SpaceMobile认为手机与波束中心的距离差异虽然会产生小量的residual timing differences，但透过基地台的timing advance控制器可以被控制在基地台的容忍范围内。说明书也提到根据卫星、地面站天线和手机位置的不同可能会有不同的延迟，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。

综上所述，为了简化实施，基地台是基于波束中心而计算出normalized delay，但是手机不一定只处于波束中心这个位置，若处于其它位置所产生的residual timing differences，AST SpaceMobile认为可以控制在基地台的容忍范围内。

现在再看另一篇AST SpaceMobile的专利US11870540B2。 US11870540B2的说明书有提到LTE不能容忍大于1200 Hz的residual Doppler，也不能容忍>0.5 ms的residual timing differences，所以须预先补偿覆盖区内每个波束中心的Doppler变化，以便最大限度地减少手机所看到的residual Doppler。说明书也提到校正到波束中心比校正到个别手机位置是更容易实施。

换句话说，这两篇专利为了简化基地台计算normalized delay的作业，只参考基地台到波束中心的路径，而没有考虑基地台到每台手机的个别路径。让我们再透过图4去了解3GPP有关timing advance的做法

图4. 3GPP的NTN时序关系图解；图片来源：3GPP TS 36.300 V18.3.0

3GPP认为手机应透过考虑自身位置以及基地台所提供的Common TA及星历 (含卫星位置和速度信息)来自动预补偿TA以及Doppler偏移。所以手机如果没有获得有效的位置及星历表，是无法与NTN网络通讯的。3GPP为了解决 NTN 的传播延迟，定义了Common TA、Koffset 以及 Kmac。这里的Common TA系对应于参考点 (RP) 和 NTN payload之间的RTT。Koffset大约为Service link RTT和Common TA之和。Kmac 则大约为RP和 gNB 之间的 RTT。

从图4可见，timing advance (TA) =Service link RTT + Common TA，而Service link RTT是卫星对应至一个别手机路径的RTT。所以3GPP在计算timing advance时，有考虑个别手机位置，而前述两篇AST SpaceMobile 专利中的normalized delay仅考虑基地台到波束中心的路径。因此AST SpaceMobile及3GPP有不同的timing advance作法。

接着来看Skylo的US11963123B2专利。这篇专利的说明书提到手机可以各自延迟其上行链路的传送，使得上行链路数据被设定为与Tmax相对应的时刻到达基地台，所以不同手机发送到同一timeslot的上行链路数据可同时到达基地台。其中，timing advance系基于Tmax及上行链路的延迟而决定的，而Skylo网络中的控制器系基于自波束服务区域内所搜集到的多台手机的RTT资料，从中选出最大值当作是Tmax。

图5. US11963123B2专利的同步流程；来源：USPTO

如图5所示，由于Skylo网络把各手机中的最大RTT配置成Tmax，所以各手机的RTT一定是小于等于Tmax。这篇专利设计timing advance的目的是不管那支手机在那个时间点收到基地台在T0所传送的下炼信号，这些手机都能在T0+Tmax这个时间点把对应的上炼信号送达至基地台。以手机UE1为例，在延迟TUE1,delay之后接收到基地台在T0所传送的下炼信号，假设上行链路传输时间与下行链路传输时间相同，UE1可计算出用于发起上行链路传输的timing advance应对应于(T0+Tmax)-TUE1delay这个时间点。

说明书也有提到一个比较细节的地方，那就是TUEdelay不一定会是sub-frame长度的整数。此时手机把TUEdelay拆成两部分：整数数量的sub-frame N和相对于sub-frame长度的分数Delta1。除了sub-frame整数，也须考虑分数Delta1，亦即也须提前移动分数Delta1的时间长度。这么做的目的是为了在基地台维持frame structure的同步，而这里的frame structure是指3GPP定义的5G frame structure。

Skylo这篇专利与稍早提及的AST SpaceMobile两篇专利及3GPP有不同的timing advance作法。因为不管是AST SpaceMobile或3GPP的网络都没有Tmax这样的实施。

那么，Skylo这篇专利会是SEP吗?事实上，Skylo未曾至ETSI宣告过任何SEP，亦从未参与3GPP标准的制定。在Skylo网站上，Skylo认为他们的卫星通讯技术是属于Standard Plus而非Standard。从Standard Plus字面上来看，Skylo认为他们的技术是基于3GPP NTN但不是完全遵从3GPP NTN。

从专利面可看出Starlink及AST SpaceMobile是各自独立发展其卫星通讯系统的，两者都是依照自己的技术规格建设其系统。Skylo的卫星通讯系统虽然是基于3GPP，但也是依照自己的技术规格来实施。

Starlink 于今年的10月拿到FCC所授予为期15天的临时授权，可为佛罗里达州因米尔顿飓风而失去手机通讯的 T-Mobile 用户提供基本的简讯服务。由此新闻可推知Starlink尚未开启其direct to cell服务。事实上，手机直连卫星服务在很多国家也都还未商业化，目前还很难推测以上三个手机直连卫星模式未来的发展前景。

备注：

责任编辑：李淑莲

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【本文论述仅为作者见解，不代表其任职单位之立场。】

作者： 张克平 现任： 鸿海科技中央智权总处 技术经理 经历： 宏达电 资深专利经理 理慈国际法律事务所 技术暨专利顾问 安捷伦科技 应用工程师 学历： 台湾交通大学电信系