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公里的两个点，卫星高度550公里时，较远那个点的仰角约44度，斜距约758公里，比正下方多0.69毫秒；高度360公里时，仰角约33度，斜距约627公里，比正下方多0.89毫秒。卫星飞得更低，是为了收到手机微弱的上行信号；只要波束仍要覆盖同样宽的地面，束间的时间差就不会自动消失。

这个比较不能换成「同一个仰角」。仰角同为40度时，550公里轨道比正下方多约0.87毫秒，360公里轨道只多约0.60毫秒。轨道降低以后，相同观测角度下的路程差会变小；相同地面距离下的路程差则可能变大。前面的500公里比的是地面距离，因为蜂窝小区钉在地上，关心的是同一片区域，不是同一个仰角。仰角如果降到25度甚至10度，550公里轨道上与正下方的单程差可以到大约1.9毫秒和4.2毫秒。实际链路不会、也不需要在这么低的仰角上把所有波束都用满，但可以看出差别的上限远不只零点几毫秒。

因此要分开两种延迟。各束共有的那一两毫秒或更长的传播时间，可以由基站按一个已知的固定延迟来安排。不同波束多出来的那一部分彼此不一致，基站就无法把它们放进同一次解调，手机的定时提前也覆盖不到。这份专利处理的是后一种。各束最终对齐到的时延，不能短于这一时间片里传播最慢的那一束。

▲左侧短路径的信号已经停在卫星的缓冲槽里；右侧长路径的信号还在半路上；对齐之后，两路一起送到网关和地面基站。

●快的那一束，被按在卫星的缓冲区里

手机经某一束发出数据后，卫星计算机根据该时间片内这一束参考点的距离得到传播时延，再为这一束安排一段缓冲。传播时延与缓冲时间相加，等于这一片预先设定的时延。各束的接收数据在可变时延缓冲中等待各自需要的时间，然后输出。

缓冲只能把较早到达的信号留住，不能把已经较晚到达的信号提前送出。预定时延因此不能短于最慢的那一束。较快的束多等一些，较慢的束少等，或者不再额外等待。送到后面的数据，在这一小段时间里带有同一个时延。

说明书写明了这段缓冲的目的：不同波束的接收数据等待不同的时长，是为了使信号从手机发出、到卫星输出给网关，各束花费的时间相同，基站才能与这些手机保持同步。如果一片时间内距离仍在明显变化，可以把时间再划分得更细，或使用能够跟随这种变化的缓冲。对基站来说，这一小段里各束对应的是同一个时延。

下行在说明书中也有对应做法。可以在发射时按束缓冲，让各束的出发时刻不同，到达地面时对齐；也可以在发给手机的定时提前指令中，补上这一束多出来的传播时间。20项权利要求都围绕同一套卫星计算机系统，独立权利要求写的是上行：卫星带相控阵，按束把接收数据送入可变时延缓冲。手机不必为此更换芯片。

●各束到达时刻不同，运营商的网就接不住

数据离开缓冲之后，经卫星与网关之间的馈电链路（feeder link，把卫星收到的用户数据送回地面网络的链路）进入移动运营商原有的核心网。说明书以4G为例，基站是 eNodeB，后面连接移动性管理实体、服务网关和 PDN 网关。5G并不当然使用更短的符号：子载波间隔仍是15千赫时，符号长度与LTE相同；间隔提高到30千赫或更高，符号才会按比例变短，对到达时间差更敏感。无论哪一种，毫秒级的束间差别都已经跨过多个符号，同样需要先收成统一时延。

基站可以设在卫星上，也可以设在地面，通过网关与卫星连接。设在地面时，卫星送出的数据必须带着稳定且一致的时延，地面设备才能按原有规则进行调度、重传和语音处理。各束延迟不同，地面设备会把这种差别看成链路抖动。附图把星间链路、网关、蜂窝核心网和地面移动运营商画在同一套系统里，权利要求则集中在卫星如何计算和缓冲。这套对齐要保证的，是数据能够按照地面蜂窝网的时序要求送入运营商网络。

●对星链来说，把各束拉到同一时延，比再快半毫秒更要紧

星链宽带使用专用天线，定时和补偿可以做在终端里，更新软件就能修改终端。直连手机面对的是已经售出、仍按地面蜂窝定时工作的手机，空口规范和定时提前的范围都无法改动，能够反复更新的是卫星上的计算机和相控阵。专利保护的就是这一部分。星链要从专用终端扩展到现有手机，就需要在卫星上先把各束的时延对齐，手机和基站才能继续同步。

一颗卫星也只有同时使用许多波束，才能接入足够多的手机。波束从星下点分布到覆盖区边缘时，按前面的几何估算，传播时间差可以从不到1毫秒增加到数毫秒。每束单独使用一套基站时钟的话，星上处理和发往地面的数据都会被拆开，单颗卫星能够服务的用户数就上不去。各束先对齐到同一个预定时延，同一套基站时序才能同时处理许多束。

这些数据还要进入移动运营商的核心网，而不是只送进星链自己的互联网出口。无论是在地面信号到达不了的地方，替合作运营商传送短信和速率有限的数据，还是以后经营星链自己的移动业务，对方设备都按照时间稳定的基站来接收。短信对到达时间比较宽容，稍晚一些往往仍能送达；连续传输数据和语音则按毫秒以内的时隙工作，相差几个符号就无法对应。直连服务此前已经在部分地区随合作运营商提供，公开运行的阶段仍以短信和有限数据为主；这项技术的临时申请在2023年初也已提交。专利的作用不是突然启动一项新业务，而是写明一颗多波束卫星怎样对一部未改定时体制的手机、一张现有的核心网，维持基站所要求的统一时延。只补充短消息时，它改善的是到达时间的一致性；要做成能够持续通话和上网的手机网络，这种一致性就是前提。

让一部分波束固定在地面小区上，还可以减少手机因为卫星移动而不断更新位置，把带宽留给通信本身。小区固定以后，卫星与小区的距离会随飞行改变，时延就必须按时间片重新计算。波束固定和时延对齐需要一起使用：没有对齐，固定小区在时序上仍然对不上；小区不固定，手机又会因为卫星移动而频繁更换服务小区。

▲卫星沿轨道往前走，一道波束仍照着原来的地面小区，另一道则伸向更远的区域。

●等来的不是网速，是旧手机仍能按地面基站的方式通信

星链宽带降低时延，靠的是减少排队、缩短路径和去掉不必要的缓冲。这份专利的方向相反，是让传播时间较短的波束多等一段时间。多等多少，专利没有给出实测；按550公里轨道的几何关系估算，波束从正下方向外偏到仰角40度左右，单程大约多0.9毫秒，仰角更低时可以到一两毫秒甚至更长。调度和重传可以接受一段稳定、已知的延迟，难以处理的是同一时刻有的波束已经进入后续符号，有的还停在前面的符号。路径较短的用户，数据不会因此更早到达。多等的那段时间，是为了让各束符合同一个时延，使手机能够继续使用它在地面网络中原有的收发方式。

同一束内中心与边缘的微小差别仍由定时提前处理，缓冲只负责波束与波束之间。卫星与手机之间的相对运动还会造成多普勒频偏，需要另外补偿频率；这份专利的权利要求针对的是时延，不是频率。一颗卫星飞离后由下一颗接替时，地面小区最好保持不变，那也是另一项设计。标准组织为非地面网络（non-terrestrial network，NTN，把卫星纳入蜂窝标准的技术体制）还准备了另一种做法：让带有卫星导航的手机读取星历，自行补偿时延和多普勒。那要求手机支持这套体制。直连手机不更换终端，就把主要补偿放在卫星和地面设备一侧。

授权文件没有说明每一颗在轨卫星是否已经完全按这些步骤运行，也没有规定每个时间片有多长。它确定的关系是：按参考点计算传播时间，用缓冲补到同一个预定时延，这个时延至少要覆盖最慢的一束，对齐后的数据再经网关进入地面移动网。手机不需要计算卫星的轨道速度，也不需要知道自己这一束此刻的斜距比相邻波束更短。它仍按连接地面基站的方式收发；路径较短的那一束，则先在卫星上等待，直到与路径较长的一束使用同一个时延。

主要信源：美国专利商标局2026年10月6日授权文本 US 12,757,141 B1（申请号18/425,414，临时申请63/442,642），专利号、名称、授权日、霍桑申请人与星基地受让人、四位发明人、20项权利要求和12页附图，束内中心与边缘的时延差可忽略、残差用定时提前补偿，束与束因距离不同而时延不同并会导致基站与手机失去同步，一部分波束可相对地面固定，按时间片用卫星到覆盖区参考点的距离计算时延，接收数据进入可变时延缓冲、使传播时延与缓冲时间之和等于该时间片的预定时延，从手机发出到卫星输出给网关各束花费同一时间，基站可在星上或经网关设在地面，说明书中的下行按束缓冲或改写定时提前，独立权利要求落在上行接收缓冲，实施例中的 eNodeB、移动性管理实体、服务网关和 PDN 网关，以及附图里的网关、蜂窝核心网和地面移动运营商；3GPP TS 36.213 的定时提前量程，0至1282、每步16个 \(T_s\)、往返约0.67毫秒、单程约0.33毫秒、小区半径约100公里；3GPP TS 36.211 的普通循环前缀，约4.7微秒、路程差约1.4公里。550公里与900公里的单程1.83毫秒和3.00毫秒、相差1.17毫秒约16个符号，550公里与360公里、地面相距500公里的斜距和仰角，以及轨道速度约每秒7.6公里、星下点约每秒7公里，均为本文按光速299792公里/秒和球体几何估算，不是专利测量值。直连面对未改协议的普通手机、补偿做在网络一侧、公开服务仍以短信和有限数据为主，参照 Liu 等，A Variegated Look at Direct-to-Cell Satellites in the Wild，Proceedings of the ACM on Measurement and Analysis of Computing Systems，2026年3月，测量地为日本东京和神奈川，未外推为全球业务状态。雷德蒙德为星链卫星团队主要研发地点之一，是机构背景，专利只写了 Darren E. Smith 的地址。