全球6G技術(shù)專利布局研究

苑朋彬，楊 帥，孫浩林

（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

1 研究背景

6G即第六代移動通信系統(tǒng)（6th Generation Mobile Networks），是繼5G后的下一代信息通信技術(shù)。當(dāng)前5G面向垂直行業(yè)應(yīng)用開發(fā)超大規(guī)模鏈接（mMTC）、低時延高可靠（URLLC）、增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）等多應(yīng)用場景[1]，極大地滿足了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信需求。但面向2030年，5G在空間覆蓋范圍、性能指標(biāo)等方面仍存在一定的局限性，不能滿足未來網(wǎng)絡(luò)要求[2]。6G將引入新的愿景、性能指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景，以滿足多種網(wǎng)絡(luò)接入方式和實現(xiàn)空天地海一體化覆蓋范圍，實現(xiàn)關(guān)鍵性能指標(biāo)的優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新[3]。

6G網(wǎng)絡(luò)將實現(xiàn)泛在、智能連接愿景，具體可實現(xiàn)空天地海一體化的網(wǎng)絡(luò)泛在無縫連接，實現(xiàn)多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接方式，實現(xiàn)通信感知計算一體化等智能連接。（1）空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)：將構(gòu)建跨越地面、空域、海域和太空的一體化網(wǎng)絡(luò)，即使在極端環(huán)境條件下（如沙漠、深海）也能實現(xiàn)通訊，真正實現(xiàn)全球覆蓋。（2）多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接方式：可通過移動蜂窩、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)通信、水聲通信、可見光通信等多種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入。（3）通信感知計算一體化：AI技術(shù)和區(qū)塊鏈等技術(shù)應(yīng)用于6G網(wǎng)絡(luò)，將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化管理，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性[4]。

6G技術(shù)在連接速率、連接密度、時延、頻譜效率、能量效率等多個性能指標(biāo)方面均會有很大的提升[5]：（1）6G用戶體驗速率可達(dá)1Gbps，峰值速率最高可達(dá)1Tbps，用戶體驗速率指標(biāo)可以提升至5G的10倍以上，峰值速率指標(biāo)可以提升至5G的50倍。（2）6G連接密度可達(dá)107/km2，網(wǎng)絡(luò)連接密度比5G提升10倍。（3）5G網(wǎng)絡(luò)空口時延為1ms，6G網(wǎng)絡(luò)空口時延為0.1ms，時延縮短了90%。（4）頻譜效率比5G提高3～5倍，能量效率提高至100倍以上。

6G關(guān)鍵使能技術(shù)可分為無線空口使能技術(shù)（例如太赫茲技術(shù)、信道編碼技術(shù)、波形設(shè)計技術(shù)、多址接入技術(shù)、超大規(guī)模天線技術(shù)、全雙工技術(shù)等）、網(wǎng)絡(luò)使能技術(shù)（例如網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）[6]、新物理維度使能技術(shù)（例如軌道角動量、智能超表面、智能全息無線電技術(shù)等）[7]等幾大方面。目前6G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，關(guān)鍵技術(shù)尚未形成共識。

全球6G技術(shù)競爭已經(jīng)拉開帷幕，6G技術(shù)已經(jīng)成為全球競爭焦點(diǎn)和研發(fā)熱點(diǎn)。國際標(biāo)準(zhǔn)組織和相關(guān)國家積極制定6G戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，推進(jìn)6G技術(shù)研發(fā)。如國際電信聯(lián)盟（以下簡稱國際電聯(lián)）在瑞士日內(nèi)瓦召開的第34次國際電信聯(lián)盟工作組會議上，明確了2023年底前國際電聯(lián)6G早期研究的時間表[8]；第三代合作伙伴項目（3GPP）提出于2023年開啟對于6G的研發(fā)，并將在2025年下半年開始對6G技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，在2028年下半年生產(chǎn)6G設(shè)備產(chǎn)品，在2030年正式進(jìn)入6G商用時代；歐盟委員會建立智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)合作關(guān)系，實施6G研究和創(chuàng)新計劃；美國政府與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合啟動RINGS計劃[9]，面向?qū)W術(shù)界開展基礎(chǔ)性項目研究；中國政府成立IMT-2030推進(jìn)組，推進(jìn)6G研發(fā)工作實施[10]。

本研究采用專利情報分析方法對6G技術(shù)全球發(fā)展態(tài)勢予以揭示。專利作為技術(shù)知識的載體，集經(jīng)濟(jì)、法律、技術(shù)信息為一體，通過對專利信息進(jìn)行挖掘，可以從定量角度揭示各國家（地區(qū)）、組織機(jī)構(gòu)、技術(shù)研發(fā)的側(cè)重點(diǎn)，為技術(shù)發(fā)展提供決策參考。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

研究選取Innography數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源；以6G技術(shù)作為主要的檢索對象，并根據(jù)相關(guān)專家建議補(bǔ)充太赫茲、軌道角動量、智能超表面、智能全息無線電技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，檢索時間為2021年12月底；檢索范圍為1963 年至今的所有專利數(shù)據(jù)；檢索方式利用“關(guān)鍵詞”+“IPC分類號”進(jìn)行組合限定檢索，將相關(guān)專利限定在國際分類代碼H04（電通信領(lǐng)域）；經(jīng)查重、清洗得到最終有效專利申請公開12 259件。

研究采用Python 、Excel等數(shù)據(jù)處理分析工具，采用數(shù)據(jù)挖掘、情報學(xué)方法對專利申請公開時間、公開國家、公開機(jī)構(gòu)、技術(shù)分類號等字段進(jìn)行提取、統(tǒng)計、分析和挖掘，分別從專利申請趨勢分布、專利申請國家/機(jī)構(gòu)分布、技術(shù)研究方向和各國申請熱點(diǎn)幾個維度揭示6G技術(shù)的發(fā)展全貌。

3 6G技術(shù)全球?qū)＠麘B(tài)勢分析

3.1 專利時間分布

6G技術(shù)是一項綜合性技術(shù)，是5G技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)。

技術(shù)發(fā)展得益于原始技術(shù)的產(chǎn)生、積累、融合與再創(chuàng)新。6G技術(shù)是多項關(guān)鍵技術(shù)的集合，涵蓋增強(qiáng)型無線空口技術(shù)、新物理維度無線傳輸技術(shù)、太赫茲與可見光通信技術(shù)、內(nèi)生智能的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)。部分技術(shù)出現(xiàn)時間比較早，例如早在2000年初國外就已經(jīng)開啟了太赫茲技術(shù)的相關(guān)研究[11]。由于6G概念出現(xiàn)時間較晚，本研究展示了自2010年以來的6G技術(shù)相關(guān)專利申請公開趨勢（如圖1所示）。圖1顯示，2019年前，年均專利申請量均高于500項，2020年以后有所回落（考慮到專利從申請到公開具有18個月的滯后期，且2019年后全球受新冠肺炎疫情影響，因此下降趨勢在合理范圍內(nèi)）。

圖1 2010-2021年全球6G技術(shù)專利申請公開趨勢

總體來看專利申請趨勢比較平穩(wěn)，6G技術(shù)相關(guān)專利并未形成規(guī)模性上漲趨勢，目前仍處于技術(shù)研究的前期階段。目前多國已經(jīng)發(fā)布相關(guān)白皮書，對6G技術(shù)愿景進(jìn)行展望，對關(guān)鍵候選技術(shù)進(jìn)行分析，未來3～5年是6G技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵時期。

3.2 專利空間分布

3.2.1 技術(shù)公開國家

6G技術(shù)是各國戰(zhàn)略性競爭的焦點(diǎn)，各國均進(jìn)行了大量的專利布局。圖2對全球6G技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行統(tǒng)計，最終得出6G技術(shù)專利申請公開排名前15的國家?？梢悦黠@看出，全球6G技術(shù)專利申請公開國家之間存在明顯的數(shù)量差距，中國憑借3 528件專利領(lǐng)跑全球。

圖2 全球6G技術(shù)專利申請公開排名前15的國家

從國家排名可以看出，以中國、美國、日本、韓國等為代表的國家在6G技術(shù)發(fā)展上處于世界領(lǐng)先地位，專利申請量占全球80%，是6G技術(shù)專利申請的主要國家。（1）中國6G技術(shù)相關(guān)專利3 528件，專利量排名第1，在全球占比為30%。（2）美國6G技術(shù)相關(guān)專利2 376件，專利量排名第2，在全球占比為20%。（3）日本6G技術(shù)相關(guān)專利2 356件，其專利申請量與美國基本持平，專利量排名第3，在全球占比為20%。（4）韓國6G相關(guān)專利1 154件，專利量排名第4，在全球占比為10%。（5）其他國家（例如法國、德國、加拿大、瑞典、英國、意大利、荷蘭、芬蘭、印度、匈牙利、澳大利亞）專利申請量均在1 000件以下，專利總量在全球占比為20%。它們是6G技術(shù)的研發(fā)補(bǔ)充力量。

各國政府重視6G技術(shù)研究，進(jìn)行6G研發(fā)工作頂層設(shè)計。例如：（1）中國政府部門從2019年開始進(jìn)行6G戰(zhàn)略部署，成立IMT-2030推進(jìn)組，推進(jìn)6G研發(fā)工作實施?？茖W(xué)技術(shù)部制定國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“寬帶通信和新型網(wǎng)絡(luò)”重點(diǎn)專項項目，支持6G項目研究。（2）2021年美國政府部門與產(chǎn)業(yè)界共同發(fā)起RINGS計劃，面向?qū)W術(shù)界開展6G基礎(chǔ)研究。2020年美國電信產(chǎn)業(yè)解決方案聯(lián)盟（ATIS）成立Next G聯(lián)盟，促進(jìn)6G技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和市場化[12]。（3）2020年日本政府部門發(fā)布首個6G戰(zhàn)略計劃“6G技術(shù)研發(fā)綜合戰(zhàn)略”，制定詳細(xì)的6G技術(shù)發(fā)展路線。得益于5G技術(shù)的領(lǐng)先，中國在6G相關(guān)技術(shù)專利申請方面具有累積優(yōu)勢。以美國、日本為代表的發(fā)達(dá)國家雖然在專利數(shù)量上與中國存在一定的差距，但其競爭實力必須得到重視。

3.2.2 技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)

6G技術(shù)是全球研發(fā)競爭的熱點(diǎn)，全球相關(guān)組織機(jī)構(gòu)均進(jìn)行了大量的專利布局。圖3展示了全球6G技術(shù)專利申請公開排名前20的研發(fā)機(jī)構(gòu)，可以看出，中國、美國、日本、韓國等國家的研發(fā)機(jī)構(gòu)處于世界領(lǐng)先地位，華為、中興、LG、三星、諾基亞、日本電氣、日本電報電話、愛立信、高通是全球6G技術(shù)發(fā)展的主要推動者。

圖3 全球6G技術(shù)專利申請公開排名前20的研發(fā)機(jī)構(gòu)

全球前20的研發(fā)機(jī)構(gòu)中：（1）中國企業(yè)實力靠前，其中華為專利申請量全球第一（共申請6G相關(guān)專利890件），中興排名第二（共申請6G相關(guān)專利721件），二者是全球6G技術(shù)研發(fā)的領(lǐng)軍企業(yè)。（2）日本企業(yè)研發(fā)活動活躍，6家企業(yè)排名靠前。其中專利申請以傳統(tǒng)型電信企業(yè)日本電氣和日本電報電話公司為主（專利申請量均在400件以上）。（3）韓國企業(yè)研發(fā)實力雄厚，LG、三星2家公司排名靠前。值得注意的是，韓國電子通訊研究院是該排名中唯一的政府研發(fā)機(jī)構(gòu)。（4）美國研發(fā)機(jī)構(gòu)中，研發(fā)水平比較平均，以高通公司、交互數(shù)字通信有限公司、思科公司、美國電話電報公司為研發(fā)主體，專利申請數(shù)量均在100～300件之間。（5）歐洲國家中，以芬蘭的諾基亞公司、瑞典的愛立信公司為代表的信息通信技術(shù)企業(yè)也是全球6G技術(shù)研發(fā)的主要推動者。需要注意的是圖3中韓國、芬蘭、瑞典、荷蘭等國家的代表機(jī)構(gòu)專利公開數(shù)量多于圖2中該國的專利申請公開總量，原因是代表機(jī)構(gòu)在其他國家也有相關(guān)專利申請。

全球研發(fā)機(jī)構(gòu)6G技術(shù)研發(fā)行動中，成立研發(fā)中心、發(fā)布相關(guān)白皮書、啟動相關(guān)合作研發(fā)計劃是當(dāng)前開展研發(fā)的主要做法。例如：（1）華為公司早在2019年8月就在加拿大渥太華成立6G研發(fā)實驗室[13]，啟動6G研究；并于2020年6月攜手中國聯(lián)通公司、銀河航天公司達(dá)成空天地一體化戰(zhàn)略合作伙伴協(xié)議，共同發(fā)力6G領(lǐng)域。（2）LG公司在2019年初與韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院（KAIST）合作成立6G研究中心[14]，同年三星公司發(fā)布6G白皮書《下一代超連接體驗》（The Next Hyper Connected Experience for All）。（3）諾基亞公司牽頭一系列研發(fā)項目，例如芬蘭6Genesis項目和歐洲6G旗艦項目Hexa-X項目[15]等。

3.3 專利內(nèi)容分布

3.3.1 技術(shù)研發(fā)方向

6G關(guān)鍵使能技術(shù)主要涵蓋無線網(wǎng)絡(luò)空口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，圖4統(tǒng)計了排名前15的技術(shù)研發(fā)方向（按照IPC分類小組統(tǒng)計），表1對技術(shù)研發(fā)方向進(jìn)行釋義?？梢钥闯?，當(dāng)前技術(shù)研發(fā)方向集中在以H04L（數(shù)字信息的傳輸）、H04B（傳輸）、H04W（無線通訊網(wǎng)絡(luò)）、H04N（圖像通信）、H04Q（選擇裝置）、H04J（多路復(fù)用通信）等小類為代表的技術(shù)分支下。

圖4 全球6G技術(shù)專利申請公開排名前15的技術(shù)研發(fā)方向

表1 全球6G技術(shù)專利申請公開排名前15的技術(shù)方向釋義

因此，當(dāng)前技術(shù)研發(fā)主要圍繞網(wǎng)絡(luò)層、無線傳輸層進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。（1）網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)方向涉及數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)（H04L-012）、信息傳輸設(shè)備（H04L-001、H04L-29、H04L-009、H04L-005、H04N-005、H04Q-003、H04B-001、H04L-027、H04N-001）、信息傳輸安全（H04L-009）等方面。其中，數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)（H04L-012）技術(shù)方向是當(dāng)前專利申請的主要方向（專利申請量2 799件），網(wǎng)絡(luò)檢測或防止接收信息錯誤的裝置（H04L-001）也是研發(fā)的重點(diǎn)（專利申請量629件）。（2）無線傳輸層技術(shù)方向涉及無線傳輸系統(tǒng)（H04B-007）、無線傳輸監(jiān)督測試安排（H04W-024）、無線傳輸方式（H04B-010）、無線傳輸資源分配管理（H04W-072）、多路復(fù)用通信（H04J-099）等方面。其中，無線電傳輸系統(tǒng)（H04B-007）是當(dāng)前專利申請的主要方向（專利申請量1 256件）。

續(xù)表

3.3.2 公開國家研發(fā)熱點(diǎn)

圖5對比了專利申請公開排名前10的國家在不同技術(shù)方向上的專利分布，在一定程度上反映出各國專利申請的側(cè)重點(diǎn)、技術(shù)研發(fā)上的優(yōu)勢與劣勢。

圖5 全球6G技術(shù)專利申請公開排名前10的國家研究熱點(diǎn)分布

可以明顯看出，中國、美國、日本、韓國在6G技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)上進(jìn)行了大量的專利申請布局。其中數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、無線電傳輸系統(tǒng)是各國研發(fā)的重點(diǎn)，專利申請量大。除上述兩個研發(fā)熱點(diǎn)外，中國在光傳輸或量子傳輸、檢錯裝置、監(jiān)督監(jiān)測測試安排、裝置儀器電路系統(tǒng)、保密安全通信等方面具有一定的研發(fā)優(yōu)勢，在無線信息資源管理方面有待加強(qiáng)；美國在無線信息資源管理、傳輸路徑多重使用裝置方面已經(jīng)形成了自己的競爭優(yōu)勢；日本比較注重系統(tǒng)零部件、監(jiān)督監(jiān)測測試安排方面的專利申請，但對于無線電傳輸系統(tǒng)方面的研發(fā)有待加強(qiáng)；韓國在各技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)上均有涉及。其他國家在各研發(fā)熱點(diǎn)方向?qū)＠暾埩可伲w實力有待加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文從專利時間分布、專利空間分布、專利內(nèi)容分布三個維度出發(fā)，全面揭示了全球6G技術(shù)發(fā)展趨勢、技術(shù)公開國家、技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)、技術(shù)研發(fā)方向、公開國家研發(fā)熱點(diǎn)等概況，并得出以下5點(diǎn)結(jié)論，以為當(dāng)前6G技術(shù)發(fā)展提供參考。

（1）全球6G技術(shù)處于技術(shù)研究前期階段，相關(guān)專利申請并未形成規(guī)模性上漲趨勢。目前6G愿景需求尚不明確，關(guān)鍵技術(shù)尚未形成業(yè)界共識，未來3～5年是技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵時期。

（2）中國是6G技術(shù)研發(fā)大國，其以3 528件專利申請公開領(lǐng)跑全球，在全球占比為30%，美國、日本次之，在全球占比均為20%。各國政府重視6G研發(fā)開展，頂層設(shè)計并部署6G研發(fā)工作，明確了面向2030年的6G技術(shù)發(fā)展路線。

（3）以華為、中興、LG、三星、諾基亞、日本電氣、日本電報電話、愛立信、高通等為代表的研發(fā)機(jī)構(gòu)是全球6G技術(shù)發(fā)展的主要推動者。各研發(fā)機(jī)構(gòu)紛紛成立研發(fā)中心，發(fā)布相關(guān)白皮書，啟動相關(guān)合作研發(fā)計劃，大力推動6G技術(shù)的快速發(fā)展。

（4）當(dāng)前技術(shù)研發(fā)主要圍繞網(wǎng)絡(luò)、無線傳輸?shù)确较蜻M(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。具體涉及交換網(wǎng)絡(luò)、信息傳輸設(shè)備、信息傳輸安全、無線傳輸系統(tǒng)、無線傳輸監(jiān)督測試安排、無線傳輸方式、無線傳輸資源分配管理、多路復(fù)用通信等多方面。

（5）數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、無線電傳輸系統(tǒng)是各國研發(fā)的重點(diǎn)。中國在各研發(fā)熱點(diǎn)實力較強(qiáng)；在無線信息資源管理方面，美國專利申請量高于中國；日本在系統(tǒng)零部件方面研發(fā)能力較強(qiáng)。■