5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利態(tài)勢研究

張會麗1 閆坤 李文宇

(1.中國信息通信研究院西部分院，重慶 401336；2.中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心，北京 100191)

0 引言

5G作為新一代信息通信技術(shù)，具有大帶寬、低時延、高可靠特性，是推動數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)轉(zhuǎn)型的強大動力，是數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為實體經(jīng)濟與新興技術(shù)融合的產(chǎn)物，是加快5G商用部署的重要突破口之一，兩者相輔相成，推進制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

全球5G已進入商用部署關(guān)鍵期，5G將助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)從工業(yè)數(shù)字化階段到全面互聯(lián)階段的轉(zhuǎn)變。5G將從4個方面由淺入深賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：一是從工業(yè)企業(yè)(Operation Technology，OT)和信息技術(shù)(Information Technology，IT)架構(gòu)底層向上層逐步延伸；二是從輔助功能向生產(chǎn)過程控制逐步延伸，目前5G大多聚焦在輔助功能上，并未取代生產(chǎn)過程控制；未來伴隨工廠內(nèi)部5G網(wǎng)絡(luò)的完善部署，將會實現(xiàn)高效率、零停機、低時延和高穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)過程控制；三是從增強移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)向大規(guī)模機器類型通信(Massive Machine Type Communication，mMTC)和超可靠低延遲通信(Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC)逐步延伸，其中eMBB場景包括超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，mMTC場景包括環(huán)境監(jiān)測、海量連接等大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，uRLLC場景包括遠程制造、遠程培訓(xùn)、遠程手術(shù)、無人駕駛等低延遲業(yè)務(wù)；四是從5G無線連接技術(shù)向5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片、時間敏感網(wǎng)絡(luò)等逐步延伸。5G 3GPP R15版本中制定了基于NSA和SA的eMBB標(biāo)準(zhǔn)，在3GPP R16和R17規(guī)劃中，3GPP已經(jīng)開始對5G NR支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行新的研究規(guī)劃，旨在更好地集成融合5G網(wǎng)絡(luò)與時間敏感網(wǎng)，預(yù)計未來5G將會爭取工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)，并有望顛覆工控及部分裝備產(chǎn)品形態(tài)[1]。

1 5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的融合

1.1 全球5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合情況

2018年，5G產(chǎn)業(yè)自動化聯(lián)盟(The 5G Alliance for Connected Industries and Automation，5G-ACIA)成立，旨在助力5G在工業(yè)領(lǐng)域落地發(fā)展，并基于真實業(yè)務(wù)需求場景開發(fā)5G技術(shù)。5G-ACIA組織成員匯集了傳統(tǒng)自動化和制造業(yè)企業(yè)以及信息和通信技術(shù)行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)，共同促進5G工業(yè)互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，加速工業(yè)自動化的實現(xiàn)。

2019年3月，5G-ACIA聯(lián)盟發(fā)布《5G for Connected Industries and Automation》白皮書[2]，闡述5G應(yīng)用場景貫穿了工業(yè)制造的全過程，覆蓋了生產(chǎn)過程的全生態(tài)環(huán)節(jié)。歐盟、美國、韓國等發(fā)達國家/地區(qū)積極順應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的良好發(fā)展態(tài)勢，在汽車制造、電子自動化、機械制造領(lǐng)域通力合作，共同助推標(biāo)準(zhǔn)制定、協(xié)力推出應(yīng)用服務(wù)，旨在在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域迅速布局，以搶占5G垂直產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)制高點。

1.2 我國5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合情況

來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心圖1 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全球?qū)＠甓壬暾堏厔?/p>

我國高度重視5G賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展情況，多次發(fā)布指導(dǎo)性文件，力求助推產(chǎn)業(yè)良性高速發(fā)展。2019年8月13日，工業(yè)和信息化部召開“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”全國現(xiàn)場工作會議，強調(diào)緊抓新一代信息技術(shù)與實體經(jīng)濟深度融合的重大歷史機遇，積極探索“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”領(lǐng)域?qū)嵺`創(chuàng)新；要求加快推動“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，有力支撐制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。2019年11月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進方案》[3]，明確到2022年打造5個產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺，覆蓋10個重點行業(yè)，形成至少20大典型工業(yè)應(yīng)用場景。2020年2月，中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議強調(diào)要加快5G網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新基建產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2020年3月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《關(guān)于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展的通知》，詳細制定了2020年“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的推進措施，提出加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展“二十條”。

從2019年6月工業(yè)和信息化部向電信運營商頒發(fā)5G商用牌照開始，我國進入5G商用元年。作為制造大國，我國是推動5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的重要參與者。我國重點聚焦電力、機械、汽車、石化、化工等工業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)展，期望以重點領(lǐng)域為突破口，引領(lǐng)融合創(chuàng)新發(fā)展，確保政產(chǎn)學(xué)研系統(tǒng)全面助力5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的融合發(fā)展生態(tài)。

2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利態(tài)勢分析

本文檢索專利所用的數(shù)據(jù)庫包括Derwent數(shù)據(jù)庫[4]、Innography數(shù)據(jù)庫[5]和Innojoy數(shù)據(jù)庫[6]，檢索范圍涵蓋2012年1月—2019年9月的全球?qū)＠暾?。全球范圍是指包括且不限于“七國兩組織”(七國：中國、美國、日本、韓國、德國、法國、瑞士；兩組織：世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局)的全部公開專利。專利分析在整體趨勢分析部分按照同族統(tǒng)計，屬于一個專利同族的多項專利合并同族后計為1項專利；在具體技術(shù)統(tǒng)計時采用單件統(tǒng)計方式，具體根據(jù)圖表中單位“項”或者“件”來區(qū)分同族統(tǒng)計或者單件統(tǒng)計。由于專利申請公開具有18個月的滯后期，至本文完成日，2018年以及2019年部分專利尚未公開，因此2018—2019年的專利統(tǒng)計數(shù)量低于真實申請數(shù)量。

2.1 在維持2012—2016年的平穩(wěn)態(tài)勢后，2017年5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利集中爆發(fā)

自2012年開始，截至2019年9月，在全球范圍內(nèi)共計申請14 927件5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利，合并同族后為10 084項。

自2012年國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)提出5G需求，產(chǎn)業(yè)界開始嘗試探索5G與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用場景與技術(shù)，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利在2012—2015年呈現(xiàn)平穩(wěn)增長態(tài)勢，年度申請量維持在400～700項左右(見圖1)。受2016年3GPP全面啟動5G標(biāo)準(zhǔn)化研究工作以及2017年12月5G新空口非獨立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的影響，5G面向三大應(yīng)用場景(eMBB、uRLLC、mMTC)的各項關(guān)鍵技術(shù)取得了長足發(fā)展；同時，自2017年開始全球各國紛紛發(fā)布5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略部署政策，全球產(chǎn)業(yè)界成立多個5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟和創(chuàng)新中心，共同研討5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，并于2017年達到3219項申請量的峰值。2018年6月，3GPP發(fā)布5G獨立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)并啟動5G R16標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研工作，進一步研究uRLLC增強以滿足諸如“工業(yè)制造”“電力控制”等更多的5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。ICT創(chuàng)新主體和傳統(tǒng)制造業(yè)由于持續(xù)尋求創(chuàng)新與突破，其2018—2019年的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利申請量相比于2017年有穩(wěn)步的增長。

2.2 中美韓歐是5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)來源國家/地區(qū)

為分析各個國家/地區(qū)的技術(shù)研發(fā)情況，對自2012年開始，截至2019年9月的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利主要發(fā)明人申請量分布情況進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)中國、美國、韓國、歐洲是5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合領(lǐng)域主要技術(shù)來源國家/地區(qū)，這與這些國家/地區(qū)的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)政策和產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為相關(guān)。

我國積極探索傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，高度重視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與5G融合發(fā)展，并密集發(fā)布多項政策實施方案促進產(chǎn)業(yè)生態(tài)，因此我國相關(guān)專利布局活躍，貢獻約45%的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利技術(shù)。美國電信運營商和設(shè)備商立足自身領(lǐng)先制造業(yè)的基礎(chǔ)優(yōu)勢，借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，加快5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用布局。以三星和LG企業(yè)為主導(dǎo)的韓國重視5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，并積極研究探討面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的5G技術(shù)創(chuàng)新，貢獻約10%的專利技術(shù)。以瑞典、德國、芬蘭、加拿大為代表的歐洲地區(qū)作為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利技術(shù)的主要來源地區(qū)，得益于其申請人自身豐厚的5G相關(guān)技術(shù)儲備，緊跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢，積極布局相關(guān)專利。

2.3 專利布局地域廣泛

自2012年開始，截至2019年9月，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合專利共計在23個國家/地區(qū)有專利布局，主要包括世界知識產(chǎn)權(quán)組織(World Intellectual Property Organization，WIPO)成員國、中國、美國、韓國和歐洲專利局(European Patent Office，EPO)成員國，其中排名前5的國家/地區(qū)專利申請量占比總和高達92%(見圖2)。值得關(guān)注的是，WIPO成員國專利以35%的占比位居第一，原因在于多數(shù)企業(yè)越來越重視國際目標(biāo)市場，期望在多個國家同時部署5G產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，形成全面的專利保護體系。

來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心圖2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全球?qū)＠繕?biāo)國家/地區(qū)分布

2.4 2/3專利處于在審狀態(tài)

專利法律狀態(tài)是指專利申請當(dāng)前所處的狀態(tài)，是專利價值的重要體現(xiàn)形式之一。如圖3所示，自2012年開始，截至2019年9月，在14 927項5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專利中，19%的專利申請?zhí)幱谑顟B(tài)，其失效原因包括PCT申請進入國家階段、專利申請撤回等；有權(quán)專利2385件，占專利申請總量的16%；65%的專利申請?zhí)幱谠趯彔顟B(tài)，這與5G標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)研發(fā)周期密切相關(guān)，其中5G面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合研究主要集中在5G技術(shù)相對成熟之后，而發(fā)明專利需要經(jīng)過實審階段方能授權(quán)，其審查周期普遍為3～5年，所以目前大部分專利尚處于審查過程中。

2.5 重點聚焦支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的5G技術(shù)和以5G技術(shù)為支撐來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

為明晰5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合領(lǐng)域重點技術(shù)研發(fā)方向，對自2012年開始，截至2019年9月的14 927件專利內(nèi)容進行聚類分析，以確定目前創(chuàng)新主體在5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)方面的布局重點。

支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的5G技術(shù)專利主要涉及無線接入技術(shù)(參考信號、控制信道/控制信息/下行鏈路控制、隨機接入、資源分配、信道狀態(tài)信息、同步信號等)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(網(wǎng)絡(luò)切片)。其中，參考信號是專利布局相對密集的技術(shù)領(lǐng)域，共有1178件專利申請與之有關(guān)，其作為實現(xiàn)大規(guī)模天線技術(shù)的關(guān)鍵，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活波束賦形，提升工業(yè)環(huán)境的覆蓋和容量，解決多設(shè)備多場景下的接入問題，具體內(nèi)容涵蓋參考信號的設(shè)計、配置、發(fā)送/接收等；控制信道/控制信息相關(guān)專利共有1400余件，主要涉及控制信道設(shè)計優(yōu)化、控制信息的配置等；無線資源分配/管理是實現(xiàn)資源調(diào)度和優(yōu)化的重要途徑，包括670余件相關(guān)專利申請；隨機接入方向?qū)＠?90余件，其改進方向聚焦于面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景的接入方法；信道狀態(tài)信息相關(guān)專利400余件，主要涵蓋信道狀態(tài)信息反饋優(yōu)化；同步信號相關(guān)專利330余件，其內(nèi)容側(cè)重同步信號設(shè)計優(yōu)化、發(fā)送/接收。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可對5G資源和能力按照不同的業(yè)務(wù)場景和業(yè)務(wù)模型，實現(xiàn)按需定制，能夠保障工業(yè)領(lǐng)域不同業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)以及工廠內(nèi)外部的數(shù)據(jù)安全與獨立，是5G賦能垂直行業(yè)的利器，是ICT企業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新主體關(guān)注的技術(shù)熱點，共計申請620余件專利。

來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心圖3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全球?qū)＠蔂顟B(tài)

來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心和Innography數(shù)據(jù)庫圖4 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全球?qū)＠P(guān)鍵技術(shù)聚類分析

以5G技術(shù)作為有力網(wǎng)絡(luò)支撐來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新方面的專利主要涉及智能業(yè)務(wù)以及高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)。其中，智能業(yè)務(wù)是專利布局最多的方向，共計申請1050余件專利，結(jié)合對智能業(yè)務(wù)相關(guān)專利的人工細化篩選分析，發(fā)現(xiàn)其技術(shù)創(chuàng)新主要聚焦D2D、機器通信、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)計算與處理，可見工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域重點關(guān)注設(shè)備互聯(lián)互通問題。高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)是面向高帶寬的應(yīng)用，如基于視覺的照相檢測、AGV、云化機器人等。為實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用與5G的有機融合，高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)共布局450余件專利。

2.6 ICT企業(yè)是推動5G賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用的重要力量

從5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專利的全球申請人來看析，排名靠前的企業(yè)主要為通信企業(yè)，說明ICT企業(yè)是推動5G賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用的重要力量。全球5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利主要申請人有華為、三星、愛立信、諾基亞、OPPO、VIVO、高通、INTEL、中興、LG、AT&T。

3 發(fā)展建議

3.1 繼續(xù)發(fā)揮ICT企業(yè)先鋒作用，加大實體經(jīng)濟企業(yè)參與力度

目前，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的專利申請主要以ICT企業(yè)的5G技術(shù)創(chuàng)新為主，傳統(tǒng)實體經(jīng)濟企業(yè)積極性不高，其主要解決應(yīng)用實踐問題，技術(shù)創(chuàng)新成果不夠突出，未能在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到主導(dǎo)作用。針對目前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新主體不夠多元的問題，一方面應(yīng)加強通信廠商與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的溝通融合與跨界合作，合力開展重點行業(yè)、重點企業(yè)試點示范和協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)，在運輸物流、石油化工等重點領(lǐng)域率先開展“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”商用應(yīng)用示范，調(diào)動實體企業(yè)的積極性；另一方面應(yīng)鼓勵和推動更多細分工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)建立和完善技術(shù)創(chuàng)新模式，開展面向行業(yè)骨干的知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略與技能培訓(xùn)，建設(shè)制造業(yè)知識產(chǎn)權(quán)在職人才培養(yǎng)基地，并以行業(yè)示范應(yīng)用帶動融合領(lǐng)域熱點技術(shù)創(chuàng)新，加速邊緣智能、網(wǎng)絡(luò)切片、時間敏感網(wǎng)絡(luò)等核心技術(shù)研發(fā)，在核心技術(shù)領(lǐng)域進行前瞻布局。

3.2 保持核心技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化差異化技術(shù)布局

一方面，從5G技術(shù)本身出發(fā)，政府或企業(yè)可以進行專利技術(shù)分析與預(yù)警，以獲得專利布局中的空白點和薄弱點，提早進行專利布局；另一方面，從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新角度出發(fā)，企業(yè)可從內(nèi)外網(wǎng)的5G升級改造入手，提出基于eMBB、mMTC、uRLLC場景的定位、遠程控制、遠程檢測等技術(shù)，構(gòu)建全面覆蓋的技術(shù)體系。

4 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為實體經(jīng)濟與新興技術(shù)融合的產(chǎn)物，是加快5G商用部署的重要突破口之一。世界各國在加快5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)方面積極開展創(chuàng)新研究工作，未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將成為主要工業(yè)強國搶占國際制造業(yè)競爭制高點的關(guān)鍵因素。本文聚焦5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專利態(tài)勢，從專利申請趨勢、專利技術(shù)來源國和布局目標(biāo)國、專利法律狀態(tài)、專利主要申請人幾方面深入分析專利布局情況，建議在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域創(chuàng)新主體方面，繼續(xù)發(fā)揮ICT企業(yè)先鋒作用，加大實體經(jīng)濟企業(yè)參與力度；在技術(shù)布局方面，保持核心技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化差異化技術(shù)布局，全面助力5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛部署與應(yīng)用。