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5G技術(shù)在這一兩年迅速成為全球關(guān)注焦點，不僅各國政府已開始大力推動相關(guān)發(fā)展政策，主要科技大廠也積極布局5G演進技術(shù)與賦能(Enabling)技術(shù)專利，其中毫米波、軟體定義網(wǎng)路(SDN)及極密集網(wǎng)路更是業(yè)界研發(fā)重點。
邁向第四代無線通訊系統(tǒng)已成為全球無線通訊產(chǎn)業(yè)勢在必行之趨勢。根據(jù)4G Americas統(tǒng)計資料顯示，在2014年底全球11個國家已有36家電信營運商加入商轉(zhuǎn)第四代無線通訊系統(tǒng)行列，預(yù)計在2020年全球用戶數(shù)將增至3.5億。不僅如此，第四代無線通訊標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一(即LTE-Advanced)也帶動全球各科技大廠對于標(biāo)準(zhǔn)制定工作的重視，近年來不管是參與標(biāo)準(zhǔn)會議人數(shù)或是提案數(shù)都明顯增加。
然而，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜議題與各組織會員的角力戰(zhàn)造成3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定時程上的延遲：Release 10版本約花12個月時間，Release 11版本約花18個月時間。近期的Release 12自2012年開始已花費大約兩年多的時間，3GPP預(yù)計在2015年第一季完成，但是否能如期達成仍有變數(shù)，因為仍有許多議題必須討論。Release 12的延遲公布并不代表會影響接下來Release 13的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，接下來的版本仍會照計畫執(zhí)行。
從標(biāo)準(zhǔn)衍伸的標(biāo)準(zhǔn)必要專利(SEP)，即結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)與專利保護兩特性，近年來已成為各科技大廠合法搶占市場占有率與鞏固各企業(yè)核心技術(shù)的手段或武器。因此，各大公司為保護自己在市場上的競爭性與影響力，及早投資關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與專利布局已成為重要必要之手段。
因此，當(dāng)?shù)谒拇鸁o線通訊系統(tǒng)在全球布局之后，此競賽將延續(xù)于第五代無線通訊系統(tǒng)之技術(shù)研發(fā)與布局，亦或是2016年后3GPP的Release 15版本。本文將針對各國目前對5G研究情況與政策、企業(yè)發(fā)展策略角度觀察并配合專利布局分析，希望提供讀者對于5G目前發(fā)展的概貌。
各國展開5G技術(shù)研究
在中國，工業(yè)和信息化部、發(fā)改委和科技部共同成立IMT-2020推進組，推動中國第五代移動通信技術(shù)研究和開展國際交流與合作的主要平臺。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計畫)第一期資金投入約1.6億人民幣，針對10項技術(shù)研究方向包括極密集網(wǎng)絡(luò)、直接通信(D2D)、機器對機器(M2M)、Wi-Fi融合組網(wǎng)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新型多天線/分布式傳輸、新型信號處理、高頻段通信、頻譜共享、網(wǎng)絡(luò)智能化。
在韓國，科技部、ICT和未來計劃部(MSIP)共同推動成立韓國5G論壇(5G Forum)，旨在推動韓國國內(nèi)5G研究與國際合作。韓國具體政策包括5G行動通訊促進戰(zhàn)略未來七年將投入約新臺幣150億元進行研發(fā)與基礎(chǔ)設(shè)施建構(gòu)，研究方向包括毫米波、大型天線矩陣、先進多重存取(Multi-RAT)、小型基地臺，行動回傳網(wǎng)路、無縫隙交遞，調(diào)變與編碼等技術(shù)。
在日本，日本電波產(chǎn)業(yè)協(xié)會(ARIB)在進階無線通信研究委員會(ADWICS)中成立2020 and Beyond Ad Hoc，旨在研究2020年及以后的無線通訊系統(tǒng)。2014年8月出版的白皮書提出技術(shù)研究方向包括改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、先進接取技術(shù)、支援應(yīng)急通訊網(wǎng)路、改善使用者經(jīng)驗與終端設(shè)備效能等情境。
在亞洲，各國家推動第五代無線通訊系統(tǒng)，政府政策扮演重要推手的角色，然而在歐美國家情況略有不同。在歐洲，歐盟延續(xù)科技研發(fā)第七期計畫(FP7)啟動第八期計畫(FP8)又稱展望2020(Horizon 2020)；歐盟預(yù)計在2014至2020年間提供預(yù)算約800億歐元研究經(jīng)費。在展望2020計畫下成立5G PPP(The 5G Infrastructure Public Private Partnership)，就如其名稱所示，5GPPP組織是期望成為歐盟與民間企業(yè)間研發(fā)創(chuàng)新的合作橋梁，預(yù)計投資14億歐元研究經(jīng)費建構(gòu)下世代電信通訊系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)與架構(gòu)。5GPPP在2013年發(fā)表的5G草案中提及相較于先前技術(shù)，5G網(wǎng)路技術(shù)需求將更高，建議發(fā)展更多新的無線通訊技術(shù)包括通道模擬、接取與干擾處理與采用新興技術(shù)包括軟體定義網(wǎng)路(SDN)與網(wǎng)路功能虛擬化。
美國與英國政府目前尚未有明確的5G發(fā)展科技策略，然而美英各國發(fā)展高科技技術(shù)主要模式是藉由各學(xué)研機構(gòu)與企業(yè)合作、各大學(xué)間研究聯(lián)盟或政府研究基金資助方式(例如美國國家科基金會)。Intel實驗室的英特爾組織的策略研究聯(lián)盟(Intel Strategic Research Alliance，ISRA)邀集11所全球重點大學(xué)和電信營運商Verizon共同探討研發(fā)下世代無線網(wǎng)路相關(guān)議題。英國薩里大學(xué)(University of Surrey)在英國政府的資助與多家企業(yè)(華為、三星、Fujitsu、Telefonica等業(yè)者)合資成立5G創(chuàng)新中心(5G Innovation Center)將聚焦于5G相關(guān)技術(shù)研究，其中較為值得注意的是5G系統(tǒng)試煉場(Test Bed)的建立，預(yù)計在2015年完工。屆時，可提供研究人員驗證技術(shù)與測試產(chǎn)品之用并可降低研發(fā)成本。
5G技術(shù)的探討在這一兩年持續(xù)發(fā)燒成為重要議題，各企業(yè)與國家無不積極發(fā)表對于未來無線通訊網(wǎng)路的愿景與賦能技術(shù)，以期待引領(lǐng)下世代無線通訊網(wǎng)路技術(shù)趨勢；也因此，不難在各大公司網(wǎng)站、國家政策宣示、國際會議與標(biāo)準(zhǔn)組織會議找到各國或是各公司對于5G技術(shù)愿景的白皮書或技術(shù)報告，表1為全球各國家產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與公司對于5G技術(shù)建議研究項目的整理。這些技術(shù)都是被認(rèn)為能滿足未來通訊系統(tǒng)需求之技術(shù)，其中三項Massive MIMO, Ultra Dense Networks、mmWave為各國所共識。在接下來的專利分析當(dāng)中將針對表中所提到的技術(shù)執(zhí)行專利檢索，以觀察這些技術(shù)目前的專利趨勢�！�
專利檢索與趨勢分析
在各國討論的技術(shù)當(dāng)中，大致可以區(qū)分為演進技術(shù)與賦能技術(shù)。如前文所述，演進技術(shù)觀察的依據(jù)是3GPP每一版本所揭露的技術(shù)；賦能技術(shù)觀察依據(jù)是5G指標(biāo)選取具有達到未來5G系統(tǒng)需求之技術(shù)。本文將針對表2列出十二項5G技術(shù)進行專利檢索與趨勢分析�！�
由圖1可知，早期公開的專利數(shù)在2009年之后逐年成長，在2011年后公開件數(shù)明顯倍數(shù)成長，2013年增加量大約是2012年的3至4倍左右。一般而言，專利申請到獲證大約需花4年的時間。以此估算，在2012年至2014年的公開專利(大約一千件)將在2016年之后逐漸獲證，這時間也是ITU規(guī)劃討論5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的時程。由此得知，5G技術(shù)的專利布局已經(jīng)悄悄地在醞釀當(dāng)中。從獲證的專利來看，技術(shù)的發(fā)展并不是近兩年的事情，甚至更早。就以毫米波相關(guān)技術(shù)而言，在我們檢索的資料中早在1981年就有一篇美國軍方獲證有關(guān)毫米波生成的專利和1987年毫米波波導(dǎo)的獲證專利。就如前文所述，演進技術(shù)的發(fā)展可藉由觀察標(biāo)準(zhǔn)版本揭露之技術(shù)而得知；相對的，賦能技術(shù)的選取有其挑戰(zhàn)性，是否符合5G需求必須長期的研究與觀察。圖2顯示目前這十二項技術(shù)中，演技技術(shù)中直接通訊(18%)，中繼(15%)與小型基地臺(14%)占多數(shù)；賦能技術(shù)中高頻段傳輸技術(shù)(9%)與虛擬網(wǎng)路技術(shù)(8%)相對來說受到比較多關(guān)注�！�
圖1 專利歷年分布
圖2 各技術(shù)百分比分布
在前文已提到全球各國已展開5G技術(shù)研發(fā)與政策推廣，從專利所有權(quán)人所屬國分布，美國、韓國、日本、中國、芬蘭與瑞典占約88%。這前六國中，除美國之外，其余五國都有相關(guān)政策與研究計畫支持5G技術(shù)研發(fā)。因此，在國家政策的支持對于技術(shù)發(fā)展有其正向的影響，但是未必是絕對的。就以美國為例，即便無明確有關(guān)5G的科技政策，但是由下而上的發(fā)展方式由國內(nèi)各大企業(yè)與學(xué)研機構(gòu)帶領(lǐng)，不管在專利的數(shù)量或?qū)＠亩鄻有愿鼊倨渌鲊摇Ｃ绹?4%當(dāng)中主要所有權(quán)人分別是Intel、Qualcomm、Broadcom等國內(nèi)大企業(yè)；而其中，約1/6為跨國企業(yè)申請人，即在美國所設(shè)立的分公司名義申請。在亞洲，專利的布局比較偏向于某種技術(shù)；再者，申請人主要是國內(nèi)大型企業(yè)與學(xué)研機構(gòu)為主；例如韓國19%的專利權(quán)人中無跨國企業(yè)申請人(圖3)�！�
圖3 專利權(quán)人所屬國分布
因此，就現(xiàn)在而言技術(shù)的布局，各國都在押寶。圖4為各國相對于技術(shù)的泡泡圖，泡泡的大小代表專利的數(shù)量。再次證明，在技術(shù)研發(fā)的初期，政策對于技術(shù)發(fā)展趨勢的影響力，各國著重的技術(shù)略微不同，但以目前而言，演進技術(shù)顯而易見是目前各國主要布局的重點。如圖4所示，主要分布于極密集網(wǎng)路的專利技術(shù)。在賦能的技術(shù)上，美國再次展現(xiàn)其專利分布與技術(shù)發(fā)展的多樣性。臺灣專利數(shù)量主要也是布局于極密集網(wǎng)路的相關(guān)技術(shù)與毫米波的專利。此可觀察出，不管各國用何種方式推動5G技術(shù)，這些國家儼然已提早切入5G技術(shù)研發(fā)與專利布局�！�
圖4 國家與技術(shù)分布
專利權(quán)人專利趨勢
就以專利權(quán)人分布來看又呈現(xiàn)不同的面貌，美國公司未必是主要競爭者，在技術(shù)發(fā)展初期，各專利權(quán)人無不積極研發(fā)與專利布局。前十大所有權(quán)人(占約54%)，韓國與歐洲國家為主；韓國有Samsung、LG與ETRI，歐洲有Nokia、Ericsson與Alcatel。這些專利權(quán)人相對積極關(guān)注下世代通訊技術(shù)，不管在技術(shù)的研發(fā)或是標(biāo)準(zhǔn)組織的參與，可預(yù)期的在未來5G技術(shù)的發(fā)展有其高度的影響力。
圖5專利統(tǒng)計以專利家族為主，即每一專利家族只取一篇為代表。以各專利權(quán)人的專利數(shù)來看，各專利權(quán)人的專利數(shù)差異約在2個百分比以內(nèi)，顯示現(xiàn)在是百家爭鳴的狀態(tài)，各家都在對這些技術(shù)進行研究，并無一個專利權(quán)人占有絕對的優(yōu)勢，目前所看的數(shù)量排名在未來幾年也可能會變化。
圖5 專利權(quán)人的分布
三星最早2013年宣稱在毫米波頻段(28GHz)使用自我調(diào)整式陣列傳輸(Adaptive Array Transceiver)技術(shù)傳送約1.056 Gbps的資料量。對于5G服務(wù)的愿景希望在智能網(wǎng)路下提供隨處可見、栩栩如生的多媒體服務(wù)；因此，除此之外，重點關(guān)鍵技術(shù)包括先進調(diào)變與編碼技術(shù)、多天線技術(shù)、D2D、小型基地臺、干擾技術(shù)，網(wǎng)路扁平化，行動軟體定義網(wǎng)路(Mobile SDN)等。
不讓三星專美于前，今年七月愛立信也宣布在15GHz載波上取得了5Gbps速率，采用了創(chuàng)新型無線介面概念和先進的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。愛立信認(rèn)為，5G是實現(xiàn)網(wǎng)路社會多元需求的網(wǎng)路系統(tǒng)并具有超高容量、超可靠性、高部署靈活、低延遲、隨時隨地可接入性等特性。5G的解決方案的關(guān)鍵技術(shù)包括多天線、干擾抑制、D2D、多跳通信(Multi-hop)、高頻段傳輸技術(shù)、頻譜接入(Spectrum Access)方式等。
華為認(rèn)為三個推動5G技術(shù)力的動力。一是為了提供最好的服務(wù)，頻譜使用必須最佳化與最大化；二是為了滿足大容量、多連接和超高速的網(wǎng)絡(luò)需求，無線接取技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須革新；三是5G新型網(wǎng)絡(luò)部署需支持新型技術(shù)，比如具有自回傳的超密集無線網(wǎng)絡(luò)、D2D、動態(tài)頻譜共享等，并提出5G技術(shù)解決方案包含新型干擾管理、調(diào)變與編碼方式、接取協(xié)定(Access Protocol)，單頻全雙工、虛擬化架構(gòu)、大規(guī)模陣列天線等。
阿爾卡特朗訊認(rèn)為未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計將是多元不單是頻譜與容量問題、未來網(wǎng)路架構(gòu)應(yīng)該是開放與透明、5G技術(shù)的實現(xiàn)必須架構(gòu)于小型基地臺的布建、5G技術(shù)預(yù)計在2022到2023間成熟應(yīng)用、未來系統(tǒng)必須考慮未授權(quán)頻譜5項特征。同時，重點關(guān)注的研究有新無線接取技術(shù)，新天線設(shè)計、高頻段傳輸、軟體定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)路功能虛擬(NFV)；通信技術(shù)優(yōu)化融合，例如Wi-Fi、WCDMA和LTE的融合。
圖6為目前各公司在十二項技術(shù)的分布情況，逐漸反映出各公司對5G的愿景以及技術(shù)布局的概況。但布局策略上略有不同，演進技術(shù)仍為重點布局區(qū)域，賦能技術(shù)SDN、mmWave、SoftCell為特定幾家公司所著重。韓國公司三星與LG在專利布局上呈現(xiàn)“互補”的情況�！�
圖6 公司與技術(shù)分布
5G相關(guān)技術(shù)專利趨勢
以下將針對賦能技術(shù)中毫米波與軟體定義網(wǎng)路(SDN)做專利技術(shù)分析。毫米波相關(guān)技術(shù)經(jīng)專利檢索后共有182篇專利家族，52個專利權(quán)人。圖7是毫米波歷年獲證與早期公開專利分布之關(guān)系圖，以2011年為分水嶺，在之前的毫米波專利早期公開數(shù)量少于獲證件數(shù)，此階段毫米波尚未被受關(guān)注，因此申請專利偏少。圖8觀察第三階CPC分類號的分布，發(fā)現(xiàn)在2011年以前跨CPC分類的相對少，即屬初期研發(fā)階段，針對特定技術(shù)研發(fā)，例如H04W(Wireless Communication Networks)。在2011年后，毫米波相關(guān)技術(shù)申請專利增加，同時跨CPC分類號類種類增加。毫米波相關(guān)技術(shù)逐漸受到關(guān)注，專利權(quán)人申請的數(shù)量與研發(fā)的技術(shù)類型逐漸多元，圖9所顯示的是H04W第四階的分布情況，以CPC分類觀察，目前技術(shù)針對無線通訊網(wǎng)路的設(shè)備，例如終端，基地臺或接取點設(shè)備；區(qū)域資源管理，例如無線資源的選擇或分配或無線網(wǎng)路流量的安排；網(wǎng)路規(guī)劃，例如涵蓋性或流量規(guī)劃工具�！�
圖7 毫米波歷年專利分布
圖8 毫米波相關(guān)技術(shù)在CPC分類號(第三階)的分布
圖9 針對毫米波相關(guān)技術(shù)在H04W第四階分類的分布情況
圖10顯示目前毫米波技術(shù)研發(fā)的競爭者，Intel目前暫居第一位，同時，Intel也是WiGig最大推手。WiGig是Wi-Fi技術(shù)在60GHz的認(rèn)證(802.11ad)。BMW、Hyundai、Tesla將采用Broadcom乙太網(wǎng)路方案，作為車內(nèi)網(wǎng)路的標(biāo)準(zhǔn)配備提供Machine Type Communication，而Broadcom的毫米波專利中也有適合車載傳輸?shù)募夹g(shù)例如在快速移動載具(例如車輛)快速建立通道通訊。Samsung對于毫米波的企圖心已非常明顯，Samsung的毫米波專利技術(shù)比較針對高資料量的多媒體傳送為主，近年大量申請相關(guān)專利，在未來的影響力是可預(yù)期。至于其他橫跨的產(chǎn)業(yè)包括專利授權(quán)公司、電子零件、航太國防與半導(dǎo)體。
圖10 毫米波專利權(quán)人分布
SDN相關(guān)技術(shù)經(jīng)專利檢索后共有150篇專利家族，31個專利權(quán)人。軟體定義網(wǎng)路的核心就是將網(wǎng)路中的控制層以軟體的方式實現(xiàn)，此技術(shù)的發(fā)展算是比較近期(2008年左右)，圖11所示目前獲證專利數(shù)不多，以早期公開為主。從技術(shù)特征分析，目前專利申請針對分封交換資料網(wǎng)路(Packet Switched Data Network)的路徑優(yōu)化、管理與偵測與封包元件選擇；其中技術(shù)有資料流為基礎(chǔ)的路由(Flow-based Routing)策略，位址查表與過濾，使用多重網(wǎng)路架構(gòu)，網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)與更新等�！�
圖11 軟體定義網(wǎng)路歷年專利分布
圖12為目前軟體定義網(wǎng)路競爭者的專利數(shù)情況，NEC是目前專利申請數(shù)量最多的公司，緊接是Huawei與Ericsson。目前南面介面(Southbound Interface)，即控制面與資料轉(zhuǎn)接之間的介面，以O(shè)penFlow為最為影響力的介面標(biāo)準(zhǔn)，但無線通訊架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)目前仍然還在發(fā)展中。針對LTE系統(tǒng)架構(gòu)，Ericson目前有三篇專利是在LTE架構(gòu)下實施軟體定義網(wǎng)路技術(shù)；演進封包核心(Evolved Packet Core, EPC)中的實體(MME、PCRF、HSS)與部分S-GW和P-GW的控制層由OpenFlow Controller實現(xiàn)并在云端執(zhí)行；利用SDN優(yōu)化LTE路徑并經(jīng)過其稱EPG(Evolved Packet Gateway)，其為具有S-GW和P-GW的閘；在極密集網(wǎng)路架構(gòu)下，利用SDN技術(shù)優(yōu)化各節(jié)點的資源分配。美國通信設(shè)備制造商Tellabs的SDN專利技術(shù)是針對行動裝置與網(wǎng)路間封包路由，而路由的執(zhí)行是建立在演進節(jié)點B(eN B)與封包核心網(wǎng)路間的SDN路由器。
圖12 軟體定義網(wǎng)路專利權(quán)人分布
研發(fā)/專利布局須同步
從現(xiàn)在網(wǎng)路需求趨勢例如資料量、資料類型與裝置用戶數(shù)等因素顯示出目前的網(wǎng)路系統(tǒng)將不符未來所需，因此無線網(wǎng)路系統(tǒng)技術(shù)與時并進的演進是必需的；然而，無線通訊產(chǎn)產(chǎn)業(yè)是高度動態(tài)的環(huán)境，研發(fā)策略上必須更明確與靈活性，資金投入以及重點技術(shù)發(fā)展應(yīng)隨時調(diào)整，同時，研發(fā)與智慧財產(chǎn)布局須并行同步。(本文作者為國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心助理研究員)
來源：集微網(wǎng)
