全球6G技术专利布局研究

摘   要:6G是继5G后的下一代信息通信技术,目前已经成为全球竞争焦点和研发热点。本文通过对Innography数据库专利数据进行情报分析,从时间、空间、内容三个维度全面揭示了全球6G技术发展现状。研究发现:6G技术目前处于发展前期;各国政府积极部署相关战略计划和行动;中国是6G技术的研发大国,专利申请总量占全球总份额的30%,已经形成了自己的研发优势;以华为、中兴、LG、三星、诺基亚等为代表的企业,是6G技术研发的主要力量;当前数据交换网络、无线电传输系统是6G技术创新的主要方向;美国注重无线信息资源管理技术研发,日本注重系统零部件研发,各国已经初步形成了自己的研发特点。

关键词:6G;专利分析;研发主体;技术热点

一、研究背景

6G即第六代移动通信系统(6th Generation Mobile Networks),是继5G后的下一代信息通信技术。当前5G面向垂直行业应用开发超大规模链接(mMTC)、低时延高可靠(URLLC)、增强型移动宽带(eMBB)等多应用场景,极大地满足了当前网络通信需求。但面向2030年,5G在空间覆盖范围、性能指标等方面仍存在一定的局限性,不能满足未来网络要求。6G将引入新的愿景、性能指标、关键技术和应用场景,以满足多种网络接入方式和实现空天地海一体化覆盖范围,实现关键性能指标的优化和相关技术的创新。

6G网络将实现泛在、智能连接愿景,具体可实现空天地海一体化的网络泛在无缝连接,实现多样化的网络连接方式,实现通信感知计算一体化等智能连接。(1)空天地海一体化网络:将构建跨越地面、空域、海域和太空的一体化网络,即使在极端环境条件下(如沙漠、深海)也能实现通讯,真正实现全球覆盖。(2)多样化的网络连接方式:可通过移动蜂窝、卫星网络、无人机通信、水声通信、可见光通信等多种方式进行网络接入。(3)通信感知计算一体化:AI技术和区块链等技术应用于6G网络,将实现网络智能化管理,增强网络的安全性。

6G技术在连接速率、连接密度、时延、频谱效率、能量效率等多个性能指标方面均会有很大的提升:

(1)6G用户体验速率可达1Gbps,峰值速率最高可达1Tbps,用户体验速率指标可以提升至5G的10倍以上,峰值速率指标可以提升至5G的50倍。(2)6G连接密度可达107/km2,网络连接密度比5G提升10倍。(3)5G网络空口时延为1ms,6G网络空口时延为0.1ms,时延缩短了90%。(4)频谱效率比5G提高3~5倍,能量效率提高至100倍以上。

6G关键使能技术可分为无线空口使能技术(例如太赫兹技术、信道编码技术、波形设计技术、多址接入技术、超大规模天线技术、全双工技术等)、网络使能技术(例如网络安全技术、确定性网络技术、分布式异构网络技术、空天地海一体化网络技术等)、新物理维度使能技术(例如轨道角动量、智能超表面、智能全息无线电技术等)等几大方面。目前6G技术标准尚未统一,关键技术尚未形成共识。

全球6G技术竞争已经拉开帷幕,6G技术已经成为全球竞争焦点和研发热点。国际标准组织和相关国家积极制定6G战略发展规划,推进6G技术研发。如国际电信联盟(以下简称国际电联)在瑞士日内瓦召开的第34次国际电信联盟工作组会议上,明确了2023年底前国际电联6G早期研究的时间表;第三代合作伙伴项目(3GPP)提出于2023年开启对于6G的研发,并将在2025年下半年开始对6G技术进行标准化,在2028年下半年生产6G设备产品,在2030年正式进入6G商用时代;欧盟委员会建立智能网络服务合作关系,实施6G研究和创新计划;美国政府与产业界联合启动RINGS计划,面向学术界开展基础性项目研究;中国政府成立IMT-2030推进组,推进6G研发工作实施。

本研究采用专利情报分析方法对6G技术全球发展态势予以揭示。专利作为技术知识的载体,集经济、法律、技术信息为一体,通过对专利信息进行挖掘,可以从定量角度揭示各国家(地区)、组织机构、技术研发的侧重点,为技术发展提供决策参考。

二、数据来源及方法

研究选取Innography数据库作为数据来源;以6G技术作为主要的检索对象,并根据相关专家建议补充太赫兹、轨道角动量、智能超表面、智能全息无线电技术等关键技术,检索时间为2021年12月底;检索范围为1963年至今的所有专利数据;检索方式利用“关键词”+“IPC分类号”进行组合限定检索,将相关专利限定在国际分类代码H04(电通信领域);经查重、清洗得到最终有效专利申请公开12259件。

研究采用Python、Excel等数据处理分析工具,采用数据挖掘、情报学方法对专利申请公开时间、公开国家、公开机构、技术分类号等字段进行提取、统计、分析和挖掘,分别从专利申请趋势分布、专利申请国家/机构分布、技术研究方向和各国申请热点几个维度揭示6G技术的发展全貌。

三、6G技术全球专利态势分析

3.1 专利时间分布

6G技术是一项综合性技术,是5G技术的继续演进。

技术发展得益于原始技术的产生、积累、融合与再创新。6G技术是多项关键技术的集合,涵盖增强型无线空口技术、新物理维度无线传输技术、太赫兹与可见光通信技术、内生智能的新型网络技术等多项关键技术。部分技术出现时间比较早,例如早在2000年初国外就已经开启了太赫兹技术的相关研究。由于6G概念出现时间较晚,本研究展示了自2010年以来的6G技术相关专利申请公开趋势(如图1所示)。图1显示,2019年前,年均专利申请量均高于500项,2020年以后有所回落(考虑到专利从申请到公开具有18个月的滞后期,且2019年后全球受新冠肺炎疫情影响,因此下降趋势在合理范围内)。

总体来看专利申请趋势比较平稳,6G技术相关专利并未形成规模性上涨趋势,目前仍处于技术研究的前期阶段。目前多国已经发布相关白皮书,对6G技术愿景进行展望,对关键候选技术进行分析,未来3~5年是6G技术研发的关键时期。

3.2 专利空间分布

3.2.1 技术公开国家

6G技术是各国战略性竞争的焦点,各国均进行了大量的专利布局。图2对全球6G技术相关专利进行统计,最终得出6G技术专利申请公开排在前15名的国家。可以明显看出,全球6G技术专利申请公开国家之间存在明显的数量差距,中国凭借3528件专利领跑全球。

从国家排名可以看出,以中国、美国、日本、韩国等为代表的国家在6G技术发展上处于世界领先地位,专利申请量占全球80%,是6G技术专利申请的主要国家。(1)中国6G技术相关专利3528件,专利量排名第一,在全球占比为30%。(2)美国6G技术相关专利2376件,专利量排名第二,在全球占比为20%。(3)日本6G技术相关专利2356件,其专利申请量与美国基本持平,专利量排名第三,在全球占比为20%。(4)韩国6G相关专利1154件,专利量排名第四,在全球占比为10%。(5)其他国家(例如法国、德国、加拿大、瑞典、英国、意大利、荷兰、芬兰、印度、匈牙利、澳大利亚)专利申请量均在1000件以下,专利总量在全球占比为20%。它们是6G技术的研发补充力量。

各国政府重视6G技术研究,进行6G研发工作顶层设计。例如:

(1)中国政府部门从2019年开始进行6G战略部署,成立IMT-2030推进组,推进6G研发工作实施。科学技术部制定国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项项目,支持6G项目研究。(2)2021年美国政府部门与产业界共同发起RINGS计划,面向学术界开展6G基础研究。2020年美国电信产业解决方案联盟(ATIS)成立Next G联盟,促进6G技术研发、标准化和市场化。(3)2020年日本政府部门发布首个6G战略计划“6G技术研发综合战略”,制定详细的6G技术发展路线。得益于5G技术的领先,中国在6G相关技术专利申请方面具有累积优势。以美国、日本为代表的发达国家虽然在专利数量上与中国存在一定的差距,但其竞争实力必须得到重视。

3.2.2 技术研发机构

6G技术是全球研发竞争的热点,全球相关组织机构均进行了大量的专利布局。图3展示了全球6G技术专利申请公开排名前20的研发机构,可以看出,中国、美国、日本、韩国等国家的研发机构处于世界领先地位,华为、中兴、LG、三星、诺基亚、日本电气、日本电报电话、爱立信、高通是全球6G技术发展的主要推动者。

排在全球前20名的研发机构中:

(1)中国企业实力靠前,其中华为专利申请量全球第一(共申请6G相关专利890件),中兴排名第二(共申请6G相关专利721件),二者是全球6G技术研发的领军企业。(2)日本企业研发活动活跃,6家企业排名靠前。其中专利申请以传统型电信企业日本电气和日本电报电话公司为主(专利申请量均在400件以上)。(3)韩国企业研发实力雄厚,LG、三星两家公司排名靠前。值得注意的是,韩国电子通讯研究院是该排名中唯一的政府研发机构。(4)美国研发机构中,研发水平比较平均,以高通公司、交互数字通信有限公司、思科公司、美国电话电报公司为研发主体,专利申请数量均在100~300件之间。(5)欧洲国家中,以芬兰的诺基亚公司、瑞典的爱立信公司为代表的信息通信技术企业也是全球6G技术研发的主要推动者。需要注意的是图3中韩国、芬兰、瑞典、荷兰等国家的代表机构专利公开数量多于图2中该国的专利申请公开总量,原因是代表机构在其他国家也有相关专利申请。

全球研发机构6G技术研发行动中,成立研发中心、发布相关白皮书、启动相关合作研发计划是当前开展研发的主要做法。例如:

(1)华为公司早在2019年8月就在加拿大渥太华成立6G研发实验室,启动6G研究;并于2020年6月携手中国联通公司、银河航天公司达成空天地一体化战略合作伙伴协议,共同发力6G领域。(2)LG公司在2019年初与韩国先进科学技术研究院(KAIST)合作成立6G研究中心,同年三星公司发布6G白皮书《下一代超连接体验》(The Next Hyper Connected Experience for All)。(3)诺基亚公司牵头一系列研发项目,例如芬兰6Genesis项目和欧洲6G旗舰项目Hexa-X项目等。

3.3 专利内容分布

3.3.1 技术研发方向

6G关键使能技术主要涵盖无线网络空口技术和网络层技术,图4统计了排在前15名的技术研发方向(按照IPC分类小组统计),表1对技术研发方向进行释义。可以看出,当前技术研发方向集中在以H04L(数字信息的传输)、H04B(传输)、H04W(无线通讯网络)、H04N(图像通信)、H04Q(选择装置)、H04J(多路复用通信)等小类为代表的技术分支下。

因此,当前技术研发主要围绕网络层、无线传输层进行技术创新。(1)网络层技术方向涉及数据交换网络(H04L-012)、信息传输设备(H04L-001、H04L-29、H04L-009、H04L-005、H04N-005、H04Q-003、H04B-001、H04L-027、H04N-001)、信息传输安全(H04L-009)等方面。其中,数据交换网络(H04L-012)技术方向是当前专利申请的主要方向(专利申请量2799件),网络检测或防止接收信息错误的装置(H04L-001)也是研发的重点(专利申请量629件)。(2)无线传输层技术方向涉及无线传输系统(H04B-007)、无线传输监督测试安排(H04W-024)、无线传输方式(H04B-010)、无线传输资源分配管理(H04W-072)、多路复用通信(H04J-099)等方面。其中,无线电传输系统(H04B-007)是当前专利申请的主要方向(专利申请量1256件)。

3.3.2 公开国家研发热点

图5对比了专利申请公开排在前10名的国家在不同技术方向上的专利分布,在一定程度上反映出各国专利申请的侧重点、技术研发上的优势与劣势。

可以明显看出,中国、美国、日本、韩国在6G技术研发热点上进行了大量的专利申请布局。其中数据交换网络、无线电传输系统是各国研发的重点,专利申请量大。除上述两个研发热点外,中国在光传输或量子传输、检错装置、监督监测测试安排、装置仪器电路系统、保密安全通信等方面具有一定的研发优势,在无线信息资源管理方面有待加强;美国在无线信息资源管理、传输路径多重使用装置方面已经形成了自己的竞争优势;日本比较注重系统零部件、监督监测测试安排方面的专利申请,但对于无线电传输系统方面的研发有待加强;韩国在各技术研发热点上均有涉及。其他国家在各研发热点方向专利申请量少,整体实力有待加强。

四、结论

本文从专利时间分布、专利空间分布、专利内容分布三个维度出发,全面揭示了全球6G技术发展趋势、技术公开国家、技术研发机构、技术研发方向、公开国家研发热点等概况,并得出以下5点结论,以为当前6G技术发展提供参考。

(1)全球6G技术处于技术研究前期阶段,相关专利申请并未形成规模性上涨趋势。目前6G愿景需求尚不明确,关键技术尚未形成业界共识,未来3~5年是技术研发的关键时期。

(2)中国是6G技术研发大国,其以3528件专利申请公开领跑全球,在全球占比为30%,美国、日本次之,在全球占比均为20%。各国政府重视6G研发开展,顶层设计并部署6G研发工作,明确了面向2030年的6G技术发展路线。

(3)以华为、中兴、LG、三星、诺基亚、日本电气、日本电报电话、爱立信、高通等为代表的研发机构是全球6G技术发展的主要推动者。各研发机构纷纷成立研发中心,发布相关白皮书,启动相关合作研发计划,大力推动6G技术的快速发展。

(4)当前技术研发主要围绕网络、无线传输等方向进行技术创新。具体涉及交换网络、信息传输设备、信息传输安全、无线传输系统、无线传输监督测试安排、无线传输方式、无线传输资源分配管理、多路复用通信等多方面。

(5)数据交换网络、无线电传输系统是各国研发的重点。中国在各研发热点实力较强;在无线信息资源管理方面,美国专利申请量高于中国;日本在系统零部件方面研发能力较强。

来源:《全球科技经济瞭望》2022年7月第37卷 第7期

 

注:除标明原创外,均为网友或机构投稿分享,如有宣发需求请联系dongxizhiku@163.com。

         

发表回复