基于專利視角的邊緣計算技術創(chuàng)新態(tài)勢分析 ①

商 琦 陳洪梅

(*蘇州工業(yè)園區(qū)服務外包職業(yè)學院信息工程學院 蘇州 215123) (**蘇州大學計算機科學與技術學院 蘇州 215006) (***蘇州市科技情報研究所 蘇州 215021)

0 引 言

據(jù)IDC預測，到2020年全球互聯(lián)網數(shù)據(jù)量將超過40澤字節(jié)(zettabyte，ZB)，其中45%的數(shù)據(jù)將在網絡邊緣處理[1]。以集中化和中心化的云計算架構將無法高效處理網絡邊緣設備產生或轉發(fā)的數(shù)據(jù)，主要原因在于云端與網絡邊緣交互頻繁導致數(shù)據(jù)處理的實時性較低；網絡邊緣產生的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫藢е戮W絡帶寬壓力過大；云端能耗隨應用增多而迅猛增長；云端數(shù)據(jù)存儲不利于數(shù)據(jù)安全和隱私保護。

為解決上述問題，在網絡邊緣處執(zhí)行計算任務的模型應運而生。美國PNNL實驗室在2013年一份內部報告中提出“Edge Computing”(邊緣計算)的概念[2]，從數(shù)據(jù)源到云端中心路徑之間的任意計算節(jié)點和網絡設備執(zhí)行任務計算或調度的過程都屬于邊緣計算范疇。2015年9月ETSI協(xié)會發(fā)布移動邊緣計算白皮書以更好地滿足技術標準制定及產業(yè)落地需求[3]。2015年11月，由思科、微軟和普林斯頓大學組成的開放霧計算聯(lián)盟正式開啟霧計算協(xié)議架構設計[4]。2016年美國自然科學基金委將邊緣計算劃入“重點強調領域”，并于同年10月舉辦WGCEC會議研討邊緣計算的未來與挑戰(zhàn)[5]。2016年11月由華為技術有限公司牽頭成立了國內邊緣計算產業(yè)聯(lián)盟，旨在推動邊緣計算產業(yè)整合[6]。2017年邊緣計算技術研討會的成功召開及各學會邊緣計算專委會的相繼成立，標志著邊緣計算不斷得到各界認可和推動。

邊緣計算技術的文獻研究集中在網絡架構、小朵云、移動邊緣、負載遷移等方面。施巍松等人[7]從邊緣網絡的計算模型、系統(tǒng)平臺和典型應用等方面對邊緣計算技術進行詳實闡述，是國內外邊緣計算研究的引領者。Verbelen等人[8]提出了小朵云概念，將云服務器負載部分遷移到移動終端邊緣側，并以動態(tài)方式接入網絡中任意設備以減輕云服務器負荷。Malandrino等人[9]將邊緣計算技術應用到移動蜂窩網絡，并對提高帶寬利用率和降低網絡延遲給出較好的解決方案。趙梓銘等人[10]比較了3個具有代表性的邊緣計算平臺，通過應用實例闡述邊緣計算在移動應用和物聯(lián)網領域的優(yōu)勢及挑戰(zhàn)。田輝等人[11]從細粒度任務卸載算法、高可靠任務卸載與預測算法及服務器聯(lián)合資源管理策略等方面研究了移動邊緣計算在5G領域的研究熱點。

專利文獻占世界科技信息量的90%以上[12]，很多學者利用專利文獻對與邊緣計算高度相關的技術領域進行研究。鄧潔等人[13]從專利法律信息角度構建云計算產業(yè)關鍵指標來分析產業(yè)競爭態(tài)勢。段楠楠等人[14]通過專利定量分析云計算行業(yè)不同專利權人的專利布局相關系數(shù)，從而更精準辨識專利權人與同行競爭關系。趙麗莉等人[15]積極探索和研究國內云計算環(huán)境下的專利部署戰(zhàn)略、專利權許可聯(lián)盟協(xié)議和標準制定，以降低云計算產業(yè)可能面臨的法律風險。但前述研究目前存在以下不足：一是研究領域均為云計算，與邊緣計算雖有關聯(lián)，但處理模式存在本質區(qū)別，截至2019年8月，從知網上尚未檢索到邊緣計算領域專利分析相關文獻；二是專利分析過程缺乏必要的檢索策略，也沒有闡述詳細的檢索依據(jù)和思路。

本文基于IncoPat創(chuàng)新情報數(shù)據(jù)源構建全面且準確的檢索策略，針對檢索結果篩選出與邊緣計算領域高度相關的目標專利，分析全球不同國家專利申請趨勢，從而掌握該技術的區(qū)域活躍程度；分析全球創(chuàng)新研發(fā)機構專利價值，從而揭示創(chuàng)新主體競爭情報和發(fā)展態(tài)勢；分析專利文本聚類，從而獲知專利技術的不同分支和研究熱點；深入研究核心技術專利，從而揭示產業(yè)核心技術演進路線，為我國邊緣計算產業(yè)發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與檢索策略

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過IncoPat創(chuàng)新情報數(shù)據(jù)源對全球邊緣計算技術相關專利進行檢索、分析和挖掘。IncoPat創(chuàng)新情報數(shù)據(jù)源收錄全球100多個國家和地區(qū)超過1億件專利和4千萬件專利家族，對基于其檢索結果進行人工篩選后獲取的目標專利進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計、定量分析、深度挖掘，從而獲取邊緣計算技術創(chuàng)新態(tài)勢可視化情報分析結果。

1.2 檢索策略

將關鍵字和技術分類號作為檢索策略，檢索日期為2019年5月1日。為提高檢索查全率和查準率，將邊緣計算技術作4級技術分類后構建檢索式見表1。檢索策略由申請日、國際專利分類號、標題、標題摘要權利要求和說明書等檢索字段并綜合運用邏輯算符、截詞算符和位置算符構成，從而得到全球邊緣計算技術相關目標專利4 958件，經擴展同族合并后為3 125件。

表1 邊緣計算專利情報技術檢索策略

為進一步提高專利檢索準確率，剔除與邊緣計算領域無關的材料學、藥學和動力學等噪聲專利，對3 125件專利進行人工干預，經篩選去噪后獲得與邊緣計算技術高度相關的目標專利3 035件，作為該技術創(chuàng)新態(tài)勢專利情報分析樣本。

2 邊緣計算創(chuàng)新態(tài)勢分析

2.1 專利申請趨勢分析

按申請日對全球邊緣計算領域的3 035件目標專利申請趨勢進行統(tǒng)計見表2。2016年之前，全球邊緣計算技術領域專利申請比較平穩(wěn)；但從2016年至2018年，專利申請數(shù)量分別為322件、452件和617件，同比增長54.8%、40.4%和36.5%，總體呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。應當注意，專利文獻從申請到公開通常有18個月緩沖期，2019年實際申請專利數(shù)量可能比2018年更多。

表2 全球邊緣計算技術專利申請數(shù)量

2.2 邊緣計算專利布局地域分析

對不同國家或地區(qū)創(chuàng)新機構申請的專利數(shù)量進行統(tǒng)計分析可以揭示專利技術的地域布局和產業(yè)發(fā)展狀況，以及專利技術在布局地域的技術活躍度，從而為進一步了解產業(yè)發(fā)展趨勢，為制定全球競爭策略提供參考依據(jù)[16]。

按照不同的專利(申請)權屬區(qū)域統(tǒng)計專利申請數(shù)量，從而獲取邊緣計算技術的應用地域分布，專利申請數(shù)量排名前5的國家或地區(qū)分別為中國(1 168件)、美國(1 038件)、世界知識產權組織(287件)、韓國(170件)和日本(135件)。邊緣計算技術相關專利在中國和美國布局最多，其中，中國專利申請數(shù)量分別為世界知識產權組織、韓國和日本的4.1倍、6.9倍和8.7倍。

圖1展示了邊緣計算領域專利申請量排名前5的國家或地區(qū)年專利申請趨勢。可以看出2010年至2015年，邊緣計算全球主要應用地域為美國、中國和韓國，且專利年申請數(shù)量呈總體平穩(wěn)趨勢，美國年專利申請數(shù)量遙遙領先于其他國家或地區(qū)。從2015年開始，中國的專利申請增速明顯，2016年中國專利申請增速和年專利申請數(shù)量已經躍居全球第一。僅2018年，中國專利申請量達到449件，分別為美國和世界知識產權組織的3.6倍和14.0倍。從年專利申請趨勢來看，邊緣計算技術從2015年開始其產業(yè)關注度明顯提高，專利申請數(shù)量增速明顯，產業(yè)鏈趨向成熟的過渡階段，中國已成為邊緣計算創(chuàng)新研發(fā)和產業(yè)應用高地。

圖1 邊緣計算技術應用國家或地區(qū)年專利申請趨勢

2.3 創(chuàng)新機構競爭態(tài)勢分析

專利價值是從技術層面、法律層面、產業(yè)層面和運營層面對專利所涉技術價值的綜合評估，專利價值與創(chuàng)新機構綜合競爭力呈正相關映射。基于專利引用頻次、同族數(shù)量、權利要求數(shù)量和保護范圍、專利運營等要素[17]分析全球邊緣計算領域目標專利價值結果見圖2。圖2中的氣泡表明創(chuàng)新機構(橫坐標標明)專利落入到該專利對應的價值等級閾值(縱坐標標明)的數(shù)量，價值等級閾值越高表明專利價值越高，氣泡越大表明專利數(shù)越多[18]。

圖2 全球邊緣計算專利申請量前10的創(chuàng)新機構競爭態(tài)勢分析

由圖2可以看出，華為技術有限公司、Akamai、Limelight、IBM、Cisco和Microsoft等公司申請的專利中落入專利價值為10級的最多，數(shù)量分別為28件、37件、26件、14件、12件和18件。Intel、北京郵電大學、中國聯(lián)通、南京郵電大學雖然申請的專利總量較多，但總體價值不高，綜合競爭力不強。

為進一步分析創(chuàng)新機構綜合競爭力，對高價值專利在所有申請專利中所占比重進行統(tǒng)計。將專利價值等級閾值為v-08及以上的專利視為高價值專利，統(tǒng)計閾值為v-08及以上專利在所有申請專利中的占比見表3?？梢钥闯雠琶?的創(chuàng)新研發(fā)機構分別為Microsoft(92.9%)、Limelight(73.1%)、Cisco(72.2%)、Akamai(70.6%)和IBM(62.9%)，綜合競爭力較強。華為技術有限公司雖然在邊緣計算領域專利申請量最大，但高價值專利占比與排名前5的創(chuàng)新機構尚存在差距，核心競爭優(yōu)勢稍遜。

表3 創(chuàng)新機構高價值專利占比統(tǒng)計

2.4 邊緣計算技術研究熱點分析

2.4.1 邊緣計算技術文本聚類分析

專利文本聚類根據(jù)專利文本間相似度進行歸類，同一聚類的文本相似度盡可能大，反之盡可能小。由于文本聚類能夠充分揭示專利技術的主干和分支，目前已被各國廣泛用于專利技術歸類[19，20]。

目標專利的文本聚類分析見表4，可以看出全球邊緣計算研究領域主要集中在移動云、多點傳送、邊緣節(jié)點和內容分發(fā)等4個技術主干，各技術主干又聚合若干技術分支。例如，移動云技術主干包括網絡邊緣、邊緣系統(tǒng)、緩存數(shù)據(jù)和LBS服務等技術分支。

表4 邊緣計算技術文本聚類分析圖

2.4.2 申請量前5創(chuàng)新機構研究熱點分析

統(tǒng)計專利申請量排名前5的創(chuàng)新機構研究熱點分布見表5。華為和Akamai的研究熱點涵蓋了邊緣計算技術的每個分支，但側重略有不同。華為在多點傳送分支領域的創(chuàng)新成果最多(75件)，在行業(yè)中處于領頭羊地位；Akamai在邊緣節(jié)點技術分支成果最多(33件)，處于邊緣節(jié)點分支領域研發(fā)的第一梯隊。Limelight、IBM和Intel在移動云技術領域的專利布局較多，分別為27件、32件和21件。

表5 申請量TOP5創(chuàng)新機構研究熱點分布

3 核心專利挖掘與分析

3.1 核心專利挖掘

核心專利是指專利所涉技術在該領域處于基礎性或關鍵性地位，對該領域技術的后續(xù)發(fā)展具有引領作用和絕對貢獻，對外延技術具有較高的參考價值；或是引領產業(yè)不斷自我創(chuàng)新及功能集聚的標準必要專利[21]。

從專利引證頻次、專利權轉讓/許可頻次、專利無效/訴訟頻次，以及同族數(shù)量、權利要求數(shù)量等指標[22]，通過深度分析目標專利所涉技術，挖掘出10篇核心專利如表6所示。可見排名前5的專利權人都來自美國，分別是Level 3、Akamai、IBM和Edgecast；國內的華為技術有限公司有2篇專利分別排名第6和第7；Akamai信息技術有限公司的PCT專利WO0217082A1排名第8，Limelight網絡有限公司和Nokia的專利分別排名第9和第10。

表6 邊緣計算技術核心專利挖掘

綜上可知，邊緣計算技術領域的核心技術主要由美國和中國研發(fā)機構所掌控。中國雖有2篇專利躋身核心專利前10，但專利權人單一，都是由華為一家創(chuàng)新機構所持有；專利技術的引證頻次、權利要求數(shù)量等方面相較于排名前5的美國專利，仍然存在一定的差距，尤其缺少邊緣計算領域的標準必要專利和基礎性底層技術，提升空間較大。

3.2 核心專利深度分析

3.2.1 邊緣服務器高效處理網絡數(shù)據(jù)，節(jié)省網絡帶寬

(1)美國Level 3通信有限公司的2篇專利US20080065724A1和US20120215779A1側重于通過邊緣服務器形成網絡拓撲用于邊緣內容獲取、分發(fā)和處理。其中US20080065724A1提供一種邊緣內容處理方法，將客戶端對對象的請求引導到CDN第1服務器。如果該服務器具有所請求對象，則將對象提供給客戶端，否則將客戶請求重定向到CDN第2服務器進行處理。US20120215779A1提出在CDN邊緣節(jié)點布置一個或多個邊緣服務器，包括用于收集與內容請求關聯(lián)的收集器和用于將收集器的分析與CDN邊緣收集的分析聚合的聚集器，以進一步提升邊緣數(shù)據(jù)處理效率。

(2)美國Akamai信息技術有限公司的專利WO0217082A1側重于在CDN邊緣服務器動態(tài)組裝網絡邊緣內容，提出一種ESI標記語言用于定義網頁片段的動態(tài)組件于網絡邊緣側，每個片段具有高速緩存功能，以提高現(xiàn)場捕獲對象性能。

(3)美國Limelight網絡有限公司的專利US8626876提出一種中間服務器，用于從內容分發(fā)網絡中的邊緣服務器接收內容請求，并訪問和處理內容分發(fā)網絡中的內容，以提升邊緣服務器數(shù)據(jù)處理效率。

(4)中國華為技術有限公司的專利CN101051980A通過請求路由系統(tǒng)RRS獲取請求消息、查詢網絡自治域存儲文件的邊緣服務器ES-P，并向客戶端返回信息，以提高文件數(shù)據(jù)分發(fā)速度，降低邊緣服務器固有帶寬對文件數(shù)據(jù)分發(fā)的限制。

3.2.2 構建全局負載均衡策略，提高邊緣計算性能

(1)美國Akamai信息技術有限公司的專利US7111061B2提供一種全局負載均衡重定向策略，引導終端用戶的邊緣業(yè)務到鏡像服務器，從而降低該邊緣服務器載荷，最大化提升網絡傳輸性能。

(2)中國華為技術有限公司的專利US20120064896A1提供一種負載信息獲取的方法，源接入控制器和目標接入控制器通過基于無線接入網(RAN)信息管理(RIM)的負載信息請求消息和基于RIM的負載信息響應消息進行交互，使得源RAT系統(tǒng)能夠在進行RAT間PS域切換之前獲取目標RAT系統(tǒng)的負載信息，從而保證系統(tǒng)的通信質量。

3.2.3 提供移動邊緣服務，進一步提升移動邊緣處理性能

(1)美國國際商業(yè)機器公司(IBM)的專利US20060069742提供一種用于蜂窩設備的邊緣高速緩存的預取同步數(shù)據(jù)的方法，包括在第1位置提供未處理的同步數(shù)據(jù)；在第一網絡上將未處理的同步數(shù)據(jù)從第1位置下載到第2位置；在第2位置計算未處理的同步數(shù)據(jù)，以提供預處理的同步數(shù)據(jù)；將預處理過的同步數(shù)據(jù)存儲在高速緩存中；從移動設備接收同步請求；將存儲在高速緩存中預處理的同步數(shù)據(jù)的至少一部分提供給移動設備。

(2)芬蘭諾基亞公司(Nokia)的專利US20030058874側重于在移動網絡中提供移動邊緣服務(MES)，使智能網關通用分組無線服務(GPRS)支持節(jié)點(GGSN)能夠與MES應用層通信，從而使得服務提供商可以向用戶提供內容分發(fā)和網絡應用等業(yè)務。此外，移動邊緣服務通過提供包括控制、數(shù)據(jù)和管理接口的協(xié)議棧來實現(xiàn)智能GGSN中的組件交互，以提升移動邊緣處理性能。

4 結論與建議

4.1 結論

基于專利大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，挖掘出全球邊緣計算技術領域創(chuàng)新競爭態(tài)勢、核心技術專利及所屬創(chuàng)新機構，得到以下結論。

(1)邊緣計算由CDN技術發(fā)展而成，目前處于概念落地期向技術成熟期過渡階段，產業(yè)規(guī)?；行钑r日。中國、美國、韓國和日本在邊緣計算技術創(chuàng)新研發(fā)領域的專利申請較早，美國是主要的技術來源國和應用國，說明美國對邊緣計算技術研發(fā)非常重視；中國在邊緣計算創(chuàng)新研發(fā)領域后來居上，專利申請總量已躍居全球第一，對全球邊緣計算產業(yè)發(fā)展格局和技術創(chuàng)新應用落地具有很強的借鑒意義。

(2)中國在邊緣計算領域的專利申請總量雖已排名全球第一，是邊緣計算技術創(chuàng)新研發(fā)高地，但高價值專利比重與美國存在較大差距。專利申請前10創(chuàng)新機構排名中，華為技術有限公司的高價值專利比重為48.1%，雖然遠高于中國其他創(chuàng)新機構，但相較于Microsoft、Akamai、Cisco、Limelight和IBM等公司，還有差距。

(3)從邊緣計算技術核心專利挖掘結果可知，美國的Level 3通信有限公司和Akamai信息技術有限公司，以及中國華為技術有限公司均有2篇專利躋身全球核心專利行列，為重要的邊緣計算領域創(chuàng)新研發(fā)機構。其中，Level 3的專利US20080065724、Akamai的專利 US7111061和IBM的專利US20060069742分別被引證233次、168次和119次，說明Level 3、Akamai和IBM的相關技術已經成為全球邊緣計算領域的基礎專利。

(4)從邊緣計算技術聚類分析可知，全球邊緣計算技術領域的創(chuàng)新研發(fā)集中在移動云邊緣、多點傳送、邊緣節(jié)點和內容分發(fā)等技術主干，該結論與全球核心專利挖掘結果高度一致。

4.2 建議

以推動國內邊緣計算產業(yè)發(fā)展為根本出發(fā)點提出以下建議。

(1)加強基礎技術研究。國內邊緣計算領域創(chuàng)新研發(fā)機構專利申請總量已位居世界第1，但大多屬于技術應用創(chuàng)新，而不是底層核心創(chuàng)新和標準必要技術創(chuàng)新，高質量專利占比與發(fā)達國家尚存在差距。我國應加大對邊緣計算領域的基礎技術研發(fā)扶持力度；從政策上引導創(chuàng)新研發(fā)機構緊跟產業(yè)和技術前沿；鼓勵校企協(xié)同技術攻關，以取得邊緣計算基礎技術的實質突破。

(2)重視核心專利“走出去”。國內創(chuàng)新機構研發(fā)的關鍵性技術成果，應當結合企業(yè)經營戰(zhàn)略進行全方位、跨區(qū)域、多層次專利布局，以拓寬專利保護地域限制。在國內企業(yè)“走出去”政策驅動下，創(chuàng)新機構應當制定核心技術全球化布局戰(zhàn)略，積極謀劃海外專利布局，形成國內市場和海外重點市場協(xié)同布局的知識產權新體系，從而提升創(chuàng)新研發(fā)機構全球競爭力。

(3)加強知識產權轉移轉化。專利的社會效益取決于專利權動態(tài)轉移和專利技術成果有效轉化。高校院所在基礎性技術研究方面具有資源優(yōu)勢，專利產出數(shù)量較多，質量相對較高，但其專利轉移意識和技術成果轉化能力較弱。國內創(chuàng)新機構應當加強與高校院所合作創(chuàng)新，有針對地受讓與企業(yè)研發(fā)方向高度相關的核心專利并有效實施，促進專利技術社會效益最大化。

(4)加快產業(yè)聯(lián)盟構建。加快構建邊緣計算產業(yè)聯(lián)盟，鼓勵行業(yè)標桿型企業(yè)、獨角獸企業(yè)、初創(chuàng)型企業(yè)以會員制加盟，聯(lián)合技術攻關和研發(fā)創(chuàng)新；支持產業(yè)聯(lián)盟研究并制定邊緣計算國際標準或行業(yè)標準；逐步擴大產業(yè)聯(lián)盟對全球產業(yè)鏈上下游的輻射和帶動作用，積極構建邊緣計算的“中國方案”，以進一步推動國內邊緣計算產業(yè)的國際化可持續(xù)發(fā)展。