SpaceX获得新专利：星链直连手机，近处的波束必须先等一等

10月6日，美国专利商标局授予 SpaceX 专利 US 12,757,141 B1，题目是卫星蜂窝通信网络中的时延均衡系统与方法（Systems and Methods for Latency Equalization in a Satellite Cellular Telecommunications Network）。一颗低轨卫星用相控阵天线同时发出许多定向窄束，每束覆盖地面一片区域，与使用常规定时机制的手机通信。各束到卫星的距离不同，无线电波走完这段距离的时间也不同。基站要把落入同一时隙的信号放在一起处理；有的束早到、有的束晚到，通话的时序就无法对应，数据也会被解进错误的符号。 SpaceX 的做法不是修改手机。卫星先算出每一束的传播时间，让走得较快的几束在缓冲区里多停留一段时间，直到它们和这一小段里预先设定的同一个时延一致，再把数据送出卫星，经网关进入地面移动运营商的网络。路径较短的信号会被故意推迟。星链要把卫星做成手机可以按地面基站来连接的设备，就得先让各束按这个统一时延交出数据，后面的通话和传输才能沿用地面蜂窝网的时序。 临时申请于2023年2月1日提交，正式申请日是2024年1月29日，共20项权利要求。发明人是 Ramakrishna Akella、Chen Chen、Darren E. Smith 和 Brian Dunn。仅标注Darren E. Smith 的地址在雷德蒙德，那里是星链卫星团队的主要研发地点之一。申请时公司地址仍写霍桑，受让人则是位于星舰基地的 SpaceX。 ●束心更近，并不是这张专利在管的事 一种容易产生的理解是：波束中心的手机离卫星更近，边缘更远，所以只要把中心的信号稍微推迟，去配合边缘。说明书里的例子并不这样处理。同一束之内，中心附近和边缘附近的传播时间差，在这些例子中小到可以忽略，剩下的差别由手机原有的定时提前（timing advance，手机把发射时间稍稍提前，使信号到达基站时落入规定时隙）补偿。 差别明显的是不同波束之间。照向卫星正下方的一束，和斜向远处另一片地区的一束，斜距可以差出很长一段。这不是比较两部手机谁站得更靠近同一束的中心，而是每一整束信号各自对应一段不同的传播距离。这些数据如果按到达先后直接送进同一个基站，基站会在同一个处理窗口里同时看到好几组时间对不上的信号。 直连业务还希望地面小区尽量固定。人没有移动，手机就不必因为卫星飞过而反复更换小区。说明书中的一种做法，是让一部分波束相对地面固定，随着卫星移动而转向，始终照着同一片区域。卫星在550公里高度的轨道速度大约每秒7.6公里，星下点沿地面移动大约每秒7公里。波束若固定在某一片地面上，这一束到卫星的斜距就会在过境过程中持续变化。斜距并不是按轨道速度匀速增减，变化的是卫星与该地面点之间的距离分量。专利因此不设置一个始终不变的延迟，而是把一次过境分成许多很短的时间片。在一片之内，这一束的时延取一个数值；到下一片，卫星已经移动，就按新的距离重新计算，缓冲时间也相应调整。 计算用的不是手机上报的位置，而是该束覆盖区内的一个参考点，可以是波束中心，也可以是区内另一个代表位置。卫星依据自身轨道和波束指向算出到这个点的距离，再换算成时间。 ▲手机周围那一小圈，是地面小区的定时范围；卫星远在这圈之外。 ●普通手机的时钟，只够大约一百公里 光在真空中的速度是每秒299792公里，大约每毫秒300公里，每微秒0.3公里。普通LTE手机用来容纳多径反射的循环前缀（cyclic prefix，每个符号前面多出的一小段保护时间，让稍晚到达的反射波仍落在同一个符号内），多数符号约4.7微秒，对应的路程差约1.4公里。这段保护时间是为建筑物反射准备的，不是为卫星轨道准备的。 定时提前的上限大约对应往返0.67毫秒，单程约0.33毫秒，也就是小区半径一百公里左右。超出这个范围，手机自己的计时就不够用。卫星高度为数百公里时，仅正下方的单程时延就有1毫秒以上，并且随卫星移动而变化。手机的定时提前消化不了这整段路程，只能处理某一束内部、相对于参考点剩下的小差别。 用一组常见的低轨高度来估算，专利本身没有规定轨道高度，下面的数字也不是专利中的测量值。卫星在550公里、位于某一束正上方时，单程1.83毫秒；另一束斜距若为900公里，单程3.00毫秒。两者相差1.17毫秒。LTE一个子帧是1毫秒、14个符号，1.17毫秒大约相当于16个符号。基站用同一个时间窗口解调时，早到的信号会进入后面的符号，晚到的仍留在前面的符号。1.17毫秒也约为定时提前单程上限0.33毫秒的三倍半，所以这不是手机把发射再提前一点就能补上的差别。 轨道降低会缩短正下方的绝对时延，但在地面跨度相同的时候，不一定缩小束与束之间的路程差。把地球当成球体来算：沿地表相距500公里的两