蜂窩物聯(lián)網(wǎng)專利技術(shù)綜述

周書玉 涂榮

1. 摘要

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為未來(lái)通信行業(yè)的重要內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)架構(gòu)都產(chǎn)生一定影響。本文聚焦蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中的常用技術(shù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT、機(jī)器類通信MTC/e-MTC、擴(kuò)展覆蓋EC-GSM，以及蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中急需解決的增強(qiáng)覆蓋、省電、資源分配等問(wèn)題，從專利的角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并在此基礎(chǔ)給出后續(xù)的技術(shù)走向、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避方面的預(yù)測(cè)和建議。

2. 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)概述

2.1 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的分類

物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮自身價(jià)值和優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)支撐，對(duì)整合不同的碎片化應(yīng)用場(chǎng)景的共性特征，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。只有統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能互聯(lián)互通，也只有統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，才能促成大規(guī)模的生產(chǎn)，從而降低單業(yè)務(wù)成本。第三代合作伙伴（3GPP）各工作組分工合作實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求、功能、架構(gòu)、安全、信令流程等的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定。目前3GPP主要關(guān)注3種基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，分別是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、eMTC和EC-GSM。

（1）NB-IoT

NB-IoT是一類構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可直接部署域GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT具備四大特點(diǎn)：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益20dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力;二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度，超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年;四是更低的模塊成本。由于NB-IoT自身具備的廣覆蓋、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，使其可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。

（2）MTC/eMTC

eMTC基于LTE協(xié)議演進(jìn)而來(lái)，采用LTE帶內(nèi)部署方式，支持TDD和FDD兩種方式，eMTC和LTE在同一頻段內(nèi)協(xié)同工作，由基站統(tǒng)一進(jìn)行資源分配，共用部分控制信道。eMTC的用戶設(shè)備通過(guò)支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率，可以支持豐富、創(chuàng)新的物聯(lián)應(yīng)用，主要包括：智能充電樁、侯機(jī)寶、電梯衛(wèi)士、智能公交站牌、公共自行車管理等方面。

（3）EC-GSM

EC-GSM，即延伸覆蓋版的GSM，運(yùn)用此技術(shù)，現(xiàn)有已布建的GSM基地臺(tái)也更適合用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，相同的GSM基地臺(tái)，可以擁有更大的通信覆蓋面積，支援更多GSM終端節(jié)點(diǎn)的通信。EC-GSM是由于受到來(lái)自LoRa等技術(shù)的挑戰(zhàn)，由3GPP GERAN在GSM的基礎(chǔ)上，增加了省電模式、增強(qiáng)型連續(xù)接收、覆蓋優(yōu)化等新功能而形成的，而NB-IoT和eMTC則屬于全新的RAT模式，可以基于現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信的頻譜在帶內(nèi)、帶外、保護(hù)間隔內(nèi)進(jìn)行部署。值得注意的是，以沃達(dá)豐、SK電訊等為代表的電信運(yùn)營(yíng)商均有準(zhǔn)備在未來(lái)5至10年將GSM退網(wǎng)，以便將低頻段讓給NB-IoT和eMTC，從而滿足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)的大范圍部署。因此，EC-GSM僅有可能再對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)等特殊考慮的情況下，在無(wú)法建設(shè)NB-IoT的場(chǎng)景中才會(huì)采用。

2.2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

“物聯(lián)網(wǎng)”的概念是于1999年由麻省理工學(xué)院的Auto-ID 實(shí)驗(yàn)室提出的。1999年在美國(guó)召開的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議上提出了傳感網(wǎng)（智能塵埃）是下一個(gè)世紀(jì)人類面臨的又一個(gè)發(fā)展機(jī)遇。同年，麻省理工學(xué)院的Gershenfeld Nell教授撰寫了“When Things Start to Think”一書，以這些為標(biāo)志開始了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。2005年，在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)上，國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告 2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。進(jìn)入新世紀(jì)后，物聯(lián)網(wǎng)得到了快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界更是提出了萬(wàn)物互聯(lián)的設(shè)想，越來(lái)越多的物體將被連接到互聯(lián)網(wǎng)，并最終實(shí)現(xiàn)到主控端、云端的連接。

5G與前四代通信系統(tǒng)不同的是，5G并不是依靠一種新接入方式，而是關(guān)注多種應(yīng)用場(chǎng)景和多種接入技術(shù)，這些無(wú)線接入技術(shù)在后向包容4G技術(shù)的同時(shí)還有多種新型的無(wú)線接入技術(shù)。5G不僅僅只考慮人類用戶需求的體驗(yàn)速率、時(shí)延等需求，還滲透到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，將大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)作為主要應(yīng)用場(chǎng)景，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)成為了推進(jìn)5G發(fā)展的巨大動(dòng)力，期待解決不同場(chǎng)景下不同終端設(shè)備的不同性能需求問(wèn)題。因此移動(dòng)蜂窩網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)，在5G網(wǎng)絡(luò)中，大連接低功耗物聯(lián)網(wǎng)成為主要場(chǎng)景之一。

2.3蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的亟待解決的問(wèn)題

2.3.1 定位增強(qiáng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和MTC終端的廣泛使用，MTC的定位能力被提上議事進(jìn)程上。例如在物流應(yīng)用及作為SENSOR部署的場(chǎng)景中，定位能力逐漸成為運(yùn)營(yíng)商和客戶的主要需求，在Rel-13的NB-IOT因?yàn)閹挼南拗?，無(wú)法直接使用能夠保證一定精度的已有LTE版本的定位技術(shù)。這也構(gòu)成蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。另外，傳統(tǒng)的LTE的定位技術(shù)也無(wú)法滿足覆蓋增強(qiáng)的部署場(chǎng)景。所以，定位增強(qiáng)技術(shù)將會(huì)成為下一個(gè)版本中最重要的組成部分。

2.3.2多播傳輸增強(qiáng)

針對(duì)MTC部署中終端固件、軟件升級(jí)和組消息發(fā)送等應(yīng)用場(chǎng)景，3GPP決定在Rel-14版本中支持多播傳輸增強(qiáng)，主要研究將集中在增強(qiáng)Rel-13中SC-PTM技術(shù)實(shí)現(xiàn)下行的多播傳輸。在WI進(jìn)程中將考慮NB-IOT的窄帶特性，并在多播傳輸中繼續(xù)支持覆蓋增強(qiáng)。

2.3.3移動(dòng)性增強(qiáng)

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基本針對(duì)靜止的終端，對(duì)移動(dòng)性的支持有一定的限制。在后續(xù)的發(fā)展中，將著重研究對(duì)連接態(tài)移動(dòng)性的增強(qiáng)以更好支持用戶的服務(wù)連續(xù)性。

2.4蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展

在5G部署場(chǎng)景研究的文獻(xiàn)中，3GPP定義了3種最重要的5G部署場(chǎng)景：

1）增強(qiáng)寬帶移動(dòng)通信;

2）巨量機(jī)器類型通信;

3）超可靠性及低時(shí)延通信。

由此可見，Massive Machine Type Communication 將是5G重要部署場(chǎng)景之一。對(duì)于此，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)方向主要?dú)w納為以下3點(diǎn)

1）連接密度

這是設(shè)計(jì)增強(qiáng)的主要目標(biāo)，最終保證支持大約1000000終端/平方千米的密度。如此密度的終端部署，需要解決包括干擾消除、多址和控制優(yōu)化等一系列的問(wèn)題。

2）終端功率消耗

進(jìn)一步考慮降低終端的功率消耗，降低終端的成本。

3）覆蓋增強(qiáng)

由于物聯(lián)網(wǎng)的通信場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于較大的場(chǎng)景，因此需要繼續(xù)支持并拓展覆蓋增強(qiáng)，并進(jìn)一步提高資源利用率。

3. 物聯(lián)網(wǎng)專利情況分析

3.1 國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)量

為了獲得蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的專利申請(qǐng)情況，以CIoT，NB-IOT，eMTC，EC-GSM等關(guān)鍵詞在DWPI專利庫(kù)中共得到1251篇專利文獻(xiàn)，排除了一些明顯不屬于該領(lǐng)域的申請(qǐng)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，伴隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，自2009年起3G-4G通信的崛起以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，根據(jù)智能終端的需要，有關(guān)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的申請(qǐng)量在2012-2018年得到了快速發(fā)展，在2018年達(dá)到了最高峰，這一年關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的專利申請(qǐng)量高達(dá)533件，簡(jiǎn)單的從數(shù)據(jù)中看在2018年后開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)然這是由于2019年后專利申請(qǐng)的公開數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致總申請(qǐng)量下降，并不能因此判定該領(lǐng)域申請(qǐng)呈現(xiàn)出大幅下降趨勢(shì)，因此，從時(shí)間上看是符合邏輯的。綜合判斷，關(guān)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)領(lǐng)域是近幾年全球?qū)＠暾?qǐng)的熱點(diǎn)，并且其專利申請(qǐng)量也將繼續(xù)保持較高的水平。

3.2區(qū)域分析

根據(jù)上述在DWPI中獲得的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)為統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)全球?qū)＠暾?qǐng)的主要國(guó)家及地區(qū)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。中國(guó)的專利申請(qǐng)量位于第一位，達(dá)到了全球?qū)＠暾?qǐng)總量的24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他國(guó)家。由于國(guó)內(nèi)兩大通信設(shè)備商華為和中興迅速崛起，以及中國(guó)市場(chǎng)的影響力，使得中國(guó)在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量如此之大。美國(guó)的英特爾、高通等行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先的公司，其申請(qǐng)量也非常大，占全球份額的19%，歐洲集合了愛(ài)立信、諾西等行業(yè)巨頭，因而申請(qǐng)量位居前列也是在意料中的，占全部份額的9%。韓國(guó)的LG和三星也在該領(lǐng)域投入很多研究，沃達(dá)豐與印度電信公司的合并，以及愛(ài)立信與印度鐵塔攜手計(jì)劃的智慧城市，都促使印度在該領(lǐng)域的高速發(fā)展，專利申請(qǐng)量在全球也名列前茅。

3.3 原創(chuàng)國(guó)分析

美國(guó)是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的原創(chuàng)專利申請(qǐng)最多的國(guó)家，占到申請(qǐng)總量的45%，中國(guó)在這一領(lǐng)域的申請(qǐng)量略少于美國(guó)，占41%，中美兩國(guó)的申請(qǐng)量之和超過(guò)了全球申請(qǐng)總量的90%。韓國(guó)和歐洲也分別占據(jù)了8%和3%的申請(qǐng)量。由此可以看出，中美兩國(guó)都非常重視蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，除了中美兩個(gè)以為的其他地區(qū)，也對(duì)此領(lǐng)域相當(dāng)關(guān)注，我們不難歐洲和韓國(guó)也致力于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究，印度和日本在該領(lǐng)域的努力也是我們不容忽視的。

3.4重點(diǎn)申請(qǐng)人

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)企業(yè)研究院所中興、華為以及電信研究院在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域都處于領(lǐng)先地位，三星、愛(ài)立信、LG、英特爾、領(lǐng)英、高通等各國(guó)巨頭公司在該領(lǐng)域的申請(qǐng)量也是不甘示弱。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的專利申請(qǐng)情況的分析，可以得到華為和中興的申請(qǐng)量最為突出，而國(guó)外的三星和愛(ài)立信有徒增的趨勢(shì)，大學(xué)申請(qǐng)也占有較高的比例。在相關(guān)的干擾研究方面，大部分企業(yè)和高校傾向于在網(wǎng)絡(luò)特性和用戶服務(wù)體驗(yàn)上作出改進(jìn)，而隨著基礎(chǔ)設(shè)施和移動(dòng)智能設(shè)備的普及，傳統(tǒng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)受到了挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)正在快速的發(fā)展中，核心業(yè)務(wù)從話音加速向數(shù)據(jù)更迭，寬帶無(wú)線從支撐移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新加速向支撐垂直行業(yè)移動(dòng)物聯(lián)發(fā)展。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)正呈現(xiàn)著迅猛的發(fā)展勢(shì)頭，適用于生活的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)也面臨一些亟待解決的碎片化問(wèn)題，譬如說(shuō)，移動(dòng)性、多播傳輸以及定位上的信號(hào)增強(qiáng)等技術(shù)問(wèn)題，也還存在一些標(biāo)準(zhǔn)制定的規(guī)范需要進(jìn)一步完善。

通過(guò)對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的專利發(fā)展?fàn)顩r的梳理，了解的該領(lǐng)域相關(guān)專利國(guó)內(nèi)外的申請(qǐng)情況進(jìn)行了的分析，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)有了更加深刻的了解，同時(shí)也掌握了未來(lái)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，此外，通過(guò)大量地閱讀申請(qǐng)文件，提高了對(duì)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的了解，為后期的審查積累了一些專業(yè)技術(shù)知識(shí)。

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