田珊

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局，北京 100088）

1 大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)簡(jiǎn)介

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、工業(yè)智能化、移動(dòng)多媒體等各種新的業(yè)務(wù)類(lèi)型不斷涌現(xiàn)，全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量需求呈指數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量增長(zhǎng)千倍被視為未來(lái)第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)MIMO技術(shù)帶來(lái)的性能提升明顯不足以滿(mǎn)足未來(lái)用戶(hù)對(duì)通信系統(tǒng)容量、效率等方面的需求。2010年貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Thomas L.Marzetta首先提出了大規(guī)模MIMO（Large-scale MIMO，也稱(chēng)Massive MIMO）的概念。大規(guī)模MIMO技術(shù)，指在基站配置規(guī)模較大的天線(xiàn)陣列，通過(guò)陣列增益來(lái)提高有用信號(hào)的發(fā)射功率，從而有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，基站發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量趨于無(wú)窮時(shí)，傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中嚴(yán)重影響通信性能的熱噪聲以及非相干小區(qū)的干擾將可以忽略不計(jì)，各用戶(hù)對(duì)應(yīng)的信道接近正交，可視為用戶(hù)間沒(méi)有干擾，同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，更充分地利用空間資源。

圖1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，大規(guī)模MIMO技術(shù)的基本特征是，在基站布置數(shù)十根甚至上百根收發(fā)天線(xiàn)，相較于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中布置4根或8根天線(xiàn)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這些天線(xiàn)以大規(guī)模陣列的方式集中放置，分布在同一小區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶(hù)，在同一時(shí)頻資源上利用基站配置大規(guī)模天線(xiàn)陣列所提供的空間自由度與基站同時(shí)進(jìn)行通信，提升頻譜資源在多個(gè)用戶(hù)之間的復(fù)用能力，因此，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)頻譜資源的整體利用率得到大幅提升。同時(shí)，由于基站配置大規(guī)模天線(xiàn)陣列提供了分集增益和陣列增益，每個(gè)用戶(hù)與基站間通信的功率效率也得到顯著提升。

與傳統(tǒng)MIMO技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO技術(shù)的主要特點(diǎn)在于基站端的天線(xiàn)數(shù)大幅度增加。在系統(tǒng)總的傳輸功率一定的情況下，由于天線(xiàn)數(shù)的增加使分配到每一根天線(xiàn)上的功率變小，而利用波束賦形等操作可以將傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地指向待發(fā)送的用戶(hù)區(qū)域，從而降低了能量損耗。同時(shí)，基站端采用分集發(fā)送技術(shù)將相同數(shù)據(jù)利用多個(gè)天線(xiàn)向同一用戶(hù)發(fā)送，目標(biāo)用戶(hù)將接收到的多個(gè)天線(xiàn)的數(shù)據(jù)流信號(hào)進(jìn)行相干疊加得到強(qiáng)度更高的期望信號(hào)，而其他用戶(hù)接收到不同數(shù)據(jù)流的干擾信號(hào)可以相互抵消從而降低了干擾。因此，大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠顯著提高系統(tǒng)的能量效率。

基站端天線(xiàn)數(shù)目增加使系統(tǒng)降低了對(duì)單根天線(xiàn)精確度的要求。此外，當(dāng)天線(xiàn)數(shù)目增加，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中單根天線(xiàn)上的功率相較于傳統(tǒng)MIMO大大降低，因此可以使用廉價(jià)的功率放大器代替價(jià)格昂貴的高功率放大器，從而顯著降低設(shè)備的成本。同時(shí)，大規(guī)模MIMO下行的發(fā)射功率較小，可以滿(mǎn)足5G的綠色節(jié)能需求。

傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)對(duì)功率放大器以及射頻鏈路的要求很高，系統(tǒng)的某一模塊出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中天線(xiàn)單元眾多，部分模塊出現(xiàn)問(wèn)題往往不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的魯棒性。由于其低能耗和高性能的優(yōu)勢(shì)，大規(guī)模MIMO技術(shù)受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，并成為5G中可行性較高的關(guān)鍵技術(shù)。

2 大規(guī)模MIMO技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)狀況分析

本文對(duì)全球范圍內(nèi)有關(guān)大規(guī)模MIMO的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行分析，以反映目前的大規(guī)模MIMO技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利分布情況。通過(guò)中英文關(guān)鍵詞和分類(lèi)號(hào)，在CNABS、VEN、SIPOABS數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索，數(shù)據(jù)采集范圍覆蓋2010—2017年申請(qǐng)的專(zhuān)利。由于未申請(qǐng)?zhí)崆肮_(kāi)的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)通常自申請(qǐng)日起滿(mǎn)18個(gè)月公開(kāi)，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)更新存在一定時(shí)間的滯后，因此截至本文數(shù)據(jù)檢索日（2018-03-20），2016年和2017年的部分專(zhuān)利申請(qǐng)未被上述檢索使用的數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。2016年和2017年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不完全，在以下的分析中僅作為參考。具有共同優(yōu)先權(quán)的在不同國(guó)家或全球?qū)＠M織多次申請(qǐng)、多次公布或批準(zhǔn)的內(nèi)容相同或基本相同的一組專(zhuān)利文獻(xiàn)稱(chēng)為專(zhuān)利族，本文的分析將專(zhuān)利族中的各專(zhuān)利單獨(dú)統(tǒng)計(jì)。

2.1 相關(guān)專(zhuān)利歷年申請(qǐng)量

圖2顯示了大規(guī)模MIMO技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利在全球的申請(qǐng)量和在我國(guó)的申請(qǐng)量的年度分布。可以看出，由于大規(guī)模MIMO技術(shù)于2010年正式提出，2010年和2011年，大規(guī)模MIMO技術(shù)在全球和我國(guó)均出現(xiàn)了少量申請(qǐng)，處于萌芽期。隨著技術(shù)研究的深入，從2012年開(kāi)始，相關(guān)專(zhuān)利的全球申請(qǐng)量顯著上升，2012—2015年的全球申請(qǐng)量幾乎呈指數(shù)增長(zhǎng)，進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。相關(guān)專(zhuān)利的中國(guó)申請(qǐng)量則從2013年開(kāi)始逐年快速上升，中國(guó)申請(qǐng)量的快速增長(zhǎng)期相比全球申請(qǐng)量的快速增長(zhǎng)期滯后了約一年時(shí)間。由于2016、2017年的部分專(zhuān)利申請(qǐng)未被公開(kāi)，因此2016、2017年的實(shí)際申請(qǐng)量大于本文的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但仍然可以看出從2015年開(kāi)始，我國(guó)申請(qǐng)量在全球申請(qǐng)量中的占比逐年上升。根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析可以得知，近年來(lái)大規(guī)模MIMO技術(shù)在全球和我國(guó)均處于迅速發(fā)展時(shí)期，我國(guó)對(duì)該技術(shù)的早期研究略滯后于全球研究進(jìn)展，自2013年開(kāi)始我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究進(jìn)展加快，專(zhuān)利申請(qǐng)人自2015年以來(lái)對(duì)在中國(guó)進(jìn)行專(zhuān)利布局的重視程度逐步增強(qiáng)。

圖2 大規(guī)模MIMO技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量年度分布

圖3 專(zhuān)利申請(qǐng)國(guó)家/地區(qū)分布

2.2 專(zhuān)利申請(qǐng)國(guó)家/地區(qū)分布

圖3顯示了大規(guī)模MIMO技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的國(guó)家/地區(qū)分布情況，該圖在很大程度上反映了該技術(shù)在各個(gè)國(guó)家/地區(qū)的市場(chǎng)占有以及研發(fā)力度的大小。從圖3中可以看出，我國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量居首位，占比為30%，其次是美國(guó)，占比為22%，PCT（專(zhuān)利合作條約）專(zhuān)利申請(qǐng)量的占比為20%，排名第三，然后是歐洲和韓國(guó)，分別占比為10%和9%?？梢?jiàn)中國(guó)、美國(guó)、歐洲、韓國(guó)是相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的主要國(guó)家和地區(qū)，上述國(guó)家和地區(qū)對(duì)該技術(shù)的重視程度較高，也是申請(qǐng)人搶占市場(chǎng)的重要目標(biāo)國(guó)家和地區(qū)。同時(shí)該技術(shù)領(lǐng)域的申請(qǐng)人較為重視PCT專(zhuān)利的申請(qǐng)，由于PCT專(zhuān)利申請(qǐng)便于申請(qǐng)人向多個(gè)國(guó)家申請(qǐng)專(zhuān)利，可見(jiàn)在該技術(shù)領(lǐng)域，申請(qǐng)人對(duì)全球?qū)＠季州^為重視。通常，重視PCT申請(qǐng)的申請(qǐng)人較大概率為研發(fā)實(shí)力雄厚、在業(yè)界處于領(lǐng)先地位的企業(yè)，一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的PCT申請(qǐng)量的占比高低側(cè)面反映出該領(lǐng)域在業(yè)界的受重視程度，從而可知大規(guī)模MIMO技術(shù)已成為相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，具有較高的關(guān)注度。

圖4 大規(guī)模MIMO技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利全球申請(qǐng)主要申請(qǐng)人

2.3 主要專(zhuān)利申請(qǐng)人分析

圖4示出了大規(guī)模MIMO技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利在2010—2017年間全球申請(qǐng)量排名前10位的申請(qǐng)人?？梢钥闯?，三星電子公司在全球的申請(qǐng)量處于絕對(duì)的領(lǐng)頭羊地位，全球申請(qǐng)量逾600件。接下來(lái)LG、阿爾卡特朗訊、東南大學(xué)、華為分居第2～5位，全球申請(qǐng)量介于100～200件之間。索尼、英特爾、英特爾IP、中興、NTT DOCOMO排在第6～10位，全球申請(qǐng)量介于40～90件之間。在全球申請(qǐng)量排名前10位的申請(qǐng)人中，韓國(guó)申請(qǐng)人有2位，中國(guó)申請(qǐng)人有3位，日本申請(qǐng)人有2位，美國(guó)申請(qǐng)人有2位，美法跨國(guó)公司申請(qǐng)人有1位。可見(jiàn)，我國(guó)申請(qǐng)人在大規(guī)模MIMO技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，在全球?qū)＠?jìng)爭(zhēng)中占據(jù)著一席之地。同時(shí)也清楚地看到，其中排名前兩位的申請(qǐng)人均為韓國(guó)公司，尤其是穩(wěn)居首位的三星電子公司，其全球申請(qǐng)量近乎相當(dāng)于排名第3～10位的申請(qǐng)人的申請(qǐng)量的總和，可見(jiàn)三星電子公司在該領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位，其在該領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力以及對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視程度均遠(yuǎn)超其他申請(qǐng)人。

2.4 主要申請(qǐng)人的專(zhuān)利地域布局分析

圖5 主要申請(qǐng)人的目標(biāo)國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量

圖5示出了大規(guī)模MIMO技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利全球申請(qǐng)量排名前10位的申請(qǐng)人在各個(gè)目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)的專(zhuān)利申請(qǐng)量，反映了上述申請(qǐng)人的專(zhuān)利地域布局情況。從圖5中可以看出，排名前兩位的申請(qǐng)人三星電子公司和LG電子公司以及排名第6位的申請(qǐng)人索尼公司，其專(zhuān)利申請(qǐng)量最多的國(guó)家均為美國(guó)，分別占其在該領(lǐng)域?qū)＠蛏暾?qǐng)總量的30.2%、29.6%和25.6%，而上述三家公司分為韓國(guó)和日本的公司，均不是美國(guó)的公司，但卻均把美國(guó)作為占比最重的目標(biāo)國(guó)，可能的原因是美國(guó)在該領(lǐng)域的消費(fèi)能力較強(qiáng)，并且美國(guó)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)法律保障制度較為完善，能夠給申請(qǐng)人的專(zhuān)利權(quán)以充分和有力的保障。其余的企業(yè)申請(qǐng)人申請(qǐng)量最多的均為PCT申請(qǐng)，PCT申請(qǐng)使得申請(qǐng)人可以任意選擇想要獲得專(zhuān)利權(quán)的國(guó)家，可見(jiàn)企業(yè)申請(qǐng)人在該領(lǐng)域的全球?qū)＠季忠庾R(shí)較強(qiáng)，該領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。唯一的非企業(yè)申請(qǐng)人是我國(guó)的一所高校——東南大學(xué)，其在該領(lǐng)域的專(zhuān)利全球申請(qǐng)量排名第四位，是我國(guó)在該領(lǐng)域申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)人，但其專(zhuān)利申請(qǐng)量最多的國(guó)家是中國(guó)，在其他國(guó)家的申請(qǐng)量?jī)H占其全部申請(qǐng)量的8.9%，可見(jiàn)對(duì)于我國(guó)的高校申請(qǐng)人，雖然專(zhuān)利申請(qǐng)的總量較多，但其專(zhuān)利主要布局在國(guó)內(nèi)，這對(duì)其在該領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)較為不利。我國(guó)的另外兩位申請(qǐng)人，華為和中興，在該領(lǐng)域的重點(diǎn)目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)，如美國(guó)、歐洲都有專(zhuān)利布局，且PCT專(zhuān)利申請(qǐng)量占比均較高，分別為33.7%和38.6%，為其在該領(lǐng)域進(jìn)行有利的全球?qū)＠季执蛳铝嘶A(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

從以上分析可以看出，大規(guī)模MIMO技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，我國(guó)的申請(qǐng)人跟上了該技術(shù)發(fā)展的步伐。雖然我國(guó)的部分企業(yè)和高校在該領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)實(shí)力，但與國(guó)際領(lǐng)先的企業(yè)相比還存在一定差距。我國(guó)企業(yè)可以向該領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的企業(yè)如三星電子公司學(xué)習(xí)，研究其技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)和專(zhuān)利布局思路，為自身的技術(shù)創(chuàng)新和專(zhuān)利保護(hù)提供參考。我國(guó)高校應(yīng)注重提升專(zhuān)利布局意識(shí)，學(xué)習(xí)相關(guān)企業(yè)的專(zhuān)利布局方法，使自身的知識(shí)產(chǎn)權(quán)得到更好的保護(hù)。

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