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5G技術在這一兩年迅速成為全球關注焦點，不僅各國政府已開始大力推動相關發(fā)展政策，主要科技大廠也積極布局5G演進技術與賦能(Enabling)技術專利，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，第四代無線通訊標準的統(tǒng)一(即LTE-Advanced)也帶動全球各科技大廠對于標準制定工作的重視，近年來不管是參與標準會議人數(shù)或是提案數(shù)都明顯增加。
然而，技術標準復雜議題與各組織會員的角力戰(zhàn)造成3GPP標準制定時程上的延遲：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的標準制定工作，接下來的版本仍會照計畫執(zhí)行。
從標準衍伸的標準必要專利(SEP)，即結(jié)合標準技術與專利保護兩特性，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，及早投資關鍵技術研發(fā)與專利布局已成為重要必要之手段。
因此，當?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研究和開展國際交流與合作的主要平臺。國家高技術研究發(fā)展計劃(863計畫)第一期資金投入約1.6億人民幣，針對10項技術研究方向包括極密集網(wǎng)絡、直接通信(D2D)、機器對機器(M2M)、Wi-Fi融合組網(wǎng)、新型網(wǎng)絡架構(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)與基礎設施建構(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。
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研究方向包括改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、先進接取技術、支援應急通訊網(wǎng)路、改善使用者經(jīng)驗與終端設備效能等情境。
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)；歐盟預計在2014至2020年間提供預算約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)的標準、技術與架構(gòu)。5GPPP在2013年發(fā)表的5G草案中提及相較于先前技術，5G網(wǎng)路技術需求將更高，建議發(fā)展更多新的無線通訊技術包括通道模擬、接取與干擾處理與采用新興技術包括軟體定義網(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)展高科技技術主要模式是藉由各學研機構(gòu)與企業(yè)合作、各大學間研究聯(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所全球重點大學和電信營運商Verizon共同探討研發(fā)下世代無線網(wǎng)路相關議題。英國薩里大學(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相關技術研究，其中較為值得注意的是5G系統(tǒng)試煉場(Test Bed)的建立，預計在2015年完工。屆時，可提供研究人員驗證技術與測試產(chǎn)品之用并可降低研發(fā)成本。
5G技術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，以期待引領下世代無線通訊網(wǎng)路技術趨勢；也因此，不難在各大公司網(wǎng)站、國家政策宣示、國際會議與標準組織會議找到各國或是各公司對于5G技術愿景的白皮書或技術報告，表1為全球各國家產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與公司對于5G技術建議研究項目的整理。這些技術都是被認為能滿足未來通訊系統(tǒng)需求之技術，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中將針對表中所提到的技術執(zhí)行專利檢索，以觀察這些技術目前的專利趨勢。
專利檢索與趨勢分析
在各國討論的技術當中，大致可以區(qū)分為演進技術與賦能技術。如前文所述，演進技術觀察的依據(jù)是3GPP每一版本所揭露的技術；賦能技術觀察依據(jù)是5G指標選取具有達到未來5G系統(tǒng)需求之技術。本文將針對表2列出十二項5G技術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標準規(guī)格的時程。由此得知，5G技術的專利布局已經(jīng)悄悄地在醞釀當中。從獲證的專利來看，技術的發(fā)展并不是近兩年的事情，甚至更早。就以毫米波相關技術而言，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毫米波生成的專利和1987年毫米波波導的獲證專利。就如前文所述，演進技術的發(fā)展可藉由觀察標準版本揭露之技術而得知；相對的，賦能技術的選取有其挑戰(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中，演技技術中直接通訊(18%)，中繼(15%)與小型基地臺(14%)占多數(shù)；賦能技術中高頻段傳輸技術(9%)與虛擬網(wǎng)路技術(8%)相對來說受到比較多關注�！�
圖1 專利歷年分布
圖2 各技術百分比分布
在前文已提到全球各國已展開5G技術研發(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，其余五國都有相關政策與研究計畫支持5G技術研發(fā)。因此，在國家政策的支持對于技術發(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)與學研機構(gòu)帶領，不管在專利的數(shù)量或?qū)＠亩鄻有愿鼊倨渌鲊摇Ｃ绹?4%當中主要所有權(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；再者，申請人主要是國內(nèi)大型企業(yè)與學研機構(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)在而言技術的布局，各國都在押寶。圖4為各國相對于技術的泡泡圖，泡泡的大小代表專利的數(shù)量。再次證明，在技術研發(fā)的初期，政策對于技術發(fā)展趨勢的影響力，各國著重的技術略微不同，但以目前而言，演進技術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。在賦能的技術上，美國再次展現(xiàn)其專利分布與技術發(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)路的相關技術與毫米波的專利。此可觀察出，不管各國用何種方式推動5G技術，這些國家儼然已提早切入5G技術研發(fā)與專利布局。
圖4 國家與技術分布
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)人相對積極關注下世代通訊技術，不管在技術的研發(fā)或是標準組織的參與，可預期的在未來5G技術的發(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)技術傳送約1.056 Gbps的資料量。對于5G服務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；因此，除此之外，重點關鍵技術包括先進調(diào)變與編碼技術、多天線技術、D2D、小型基地臺、干擾技術，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。愛立信認為，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的解決方案的關鍵技術包括多天線、干擾抑制、D2D、多跳通信(Multi-hop)、高頻段傳輸技術、頻譜接入(Spectrum Access)方式等。
華為認為三個推動5G技術力的動力。一是為了提供最好的服務，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)絡需求，無線接取技術與網(wǎng)絡架構(gòu)必須革新；三是5G新型網(wǎng)絡部署需支持新型技術，比如具有自回傳的超密集無線網(wǎng)絡、D2D、動態(tài)頻譜共享等，并提出5G技術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。
阿爾卡特朗訊認為未來網(wǎng)絡設計將是多元不單是頻譜與容量問題、未來網(wǎng)路架構(gòu)應該是開放與透明、5G技術的實現(xiàn)必須架構(gòu)于小型基地臺的布建、5G技術預計在2022到2023間成熟應用、未來系統(tǒng)必須考慮未授權(quán)頻譜5項特征。同時，重點關注的研究有新無線接取技術，新天線設計、高頻段傳輸、軟體定義網(wǎng)絡(SDN)和網(wǎng)路功能虛擬(NFV)；通信技術優(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的分布情況，逐漸反映出各公司對5G的愿景以及技術布局的概況。但布局策略上略有不同，演進技術仍為重點布局區(qū)域，賦能技術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 公司與技術分布
5G相關技術專利趨勢
以下將針對賦能技術中毫米波與軟體定義網(wǎng)路(SDN)做專利技術分析。毫米波相關技術經(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，針對特定技術研發(fā)，例如H04W(Wireless Communication Networks)。在2011年后，毫米波相關技術申請專利增加，同時跨CPC分類號類種類增加。毫米波相關技術逐漸受到關注，專利權(quán)人申請的數(shù)量與研發(fā)的技術類型逐漸多元，圖9所顯示的是H04W第四階的分布情況，以CPC分類觀察，目前技術針對無線通訊網(wǎng)路的設備，例如終端，基地臺或接取點設備；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 毫米波相關技術在CPC分類號(第三階)的分布
圖9 針對毫米波相關技術在H04W第四階分類的分布情況
圖10顯示目前毫米波技術研發(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技術在60GHz的認證(802.11ad)。BMW、Hyundai、Tesla將采用Broadcom乙太網(wǎng)路方案，作為車內(nèi)網(wǎng)路的標準配備提供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的毫米波專利技術比較針對高資料量的多媒體傳送為主，近年大量申請相關專利，在未來的影響力是可預期。至于其他橫跨的產(chǎn)業(yè)包括專利授權(quán)公司、電子零件、航太國防與半導體�！�
圖10 毫米波專利權(quán)人分布
SDN相關技術經(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；其中技術有資料流為基礎的路由(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OpenFlow為最為影響力的介面標準，但無線通訊架構(gòu)的標準目前仍然還在發(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；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技術優(yōu)化各節(jié)點的資源分配。美國通信設備制造商Tellabs的SDN專利技術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發(fā)展應隨時調(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)
