3GPP LTE移动通信技术专利分析
2013-06-26 10:53:59   来源:张 倞 肖丽华 赵 剑 陈文静   评论:0 点击:

LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(第三代合作伙伴计划组织)制定的移动通信体系最新标准。LTE是3G与4G之间的一个过渡,俗...

LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(第三代合作伙伴计划组织)制定的移动通信体系最新标准。LTE是3G与4G之间的一个过渡,俗称3.9G或者超3G。它以OFDM(正交频分复用)、MIMO(多进多出)等先进的物理层技术为核心,改进并增强了3G空中接口技术,在2×2MIMO、20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的理论峰值速率,能够更好地利用频谱,以更低的成本提供良好的覆盖和信道容量,极大地提高系统带宽,改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量,降低系统延迟。LTE将是今后全球最主要的广域宽带移动通信系统,未来所有的2G/3G/3.5G技术都将殊途同归,统一演进到LTE/LTE-A阶段。全球已有超过119家运营商明确了LTE网络发展和演进的时间表。从TD-SCDMA向LTE演进,是中国移动通信集团公司特定的演进思路,目前其已明确了要积极推动TD-LTE产业发展的大思路。
2010年,国外电信运营商已开始启动首轮商用,北美的Verizon、欧洲的TMO、日本的DoCOMO等运营商均已开始进行LTE商用网的部署。欧洲的FT、Telefonica、VDF等运营商也已宣布2011年将启动第二轮商用。相对而言,我国的LTE尚处于技术启动阶段,离百万用户以上的大规模商用还需5年左右。LTE规模布局在即,意味着LTE的专利暗战也在悄然升级。
本文使用了3GPP数据库检索全球范围内的LTE专利申请,检索数据截至2012年10月。文中对LTE的全球专利申请状况和中国专利申请状况进行了分析,以帮助业界了解未来一段时间LTE领域的技术与市场生存状况。
LTE技术全球专利申请状况分析


1.历年申请量
LTE基本专利的申请与LTE标准的制定密切相关。纵观LTE标准的制定,3GPP的LTE项目于2004年11月份启动,2005年3月到2006年9月完成可行性研究报告,随后开始核心技术的规范工作,2008年底宣布LTE标准R8版本冻结,并于2009年3月完成R8版本的标准制定。
图1显示了LTE技术全球专利申请量的年度分布情况。从图1可以看出,从1990年开始,LTE领域才有相关专利申请,这与1990年4G技术开始提出有关。之后,该技术迅速发展,在1993~1998年间申请量持续上升,1999~2004年申请量略有下降,这可能是由于在新技术出现初期,经过一段时间的发展,又处于技术再升级的酝酿阶段。2005年之后,直到2008年,LTE领域开始有大量专利申请,每年都在300件以上,此段时间是LTE技术的繁荣发展时期。2008年达到顶峰,申请量在489件左右,之后呈直线下降趋势,这一方面是由于专利申请从申请到公开的周期性延迟,另一方面也与LTE主题版本R8的冻结时间相一致。上述发展趋势与LTE的标准进展历程基本吻合。
2.IPC分布
图2显示了LTE技术全球专利申请的IPC分布情况。从图2可以看出,LTE技术专利申请主要分布在H04W领域,该领域占有22%的比例,考虑到2009年1月H04Q变更为H04W,实际上H04W领域占有34%的比例,可见,H04W是LTE技术的重要领域。另外,H04L领域占有21%的比例,H04B领域占有19%的比例,H04J领域占有12%的比例,这些领域也是LTE技术的主要领域。据统计,其中主要涉及的大组有:H04W72(本地资源管理,如无线资源的选择或分配或无线业务量调度);H04L1(检测或防止收到信息中的差错),H04L27(调制载波系统),H04L12(数据交换网络);H04B7以及H04B1(无线电传输系统);H04J99(多路复用通信),H04J11(正交多路复用系统)。可见LTE技术的改进涉及多个技术主题及范畴。

3.主要技术主题分布
移动通信领域技术的发展经历了2G、2.5G、3G、LTE等技术的演进过程,移动通信各个阶段采用的关键技术大多是在之前所用技术基础上进行改进和增强。LTE技术纷繁复杂,涉及技术点很多,关键技术包括OFDM、更高阶调制、HARQ(混合自动重复请求)、先进的多天线技术、快速同步技术、灵活的控制信道设计、自适应资源分配、干扰抑制技术等。有关LTE-Advanced考虑的技术主要包括聚合多载波、高阶MIMO、智能中继、异构网络、协调多点发送和先进的干扰管理。这里重点关注LTE在3G技术基础上的改进所涉及的底层关键技术:MIMO、OFDM、HARQ。
图3显示了LTE领域主要技术主题的分布情况。从图3可知,OFDM是LTE的主要技术分支,其专利申请量在436件;HARQ、MIMO也是LTE的主要技术分支,申请量分别为91件和188件。
4.主要技术产出国家/地区分布
图4显示了LTE领域主要技术产出国家/地区分布情况,该分布情况可以在很大程度上反映LTE技术在各个国家/地区的技术研发情况与市场发展情况。从图4可以看出,美国一家独大,是LTE技术的最主要技术产出国,其专利申请产出量所占比例达到42%,其他国家/地区与美国相比还有一定距离。日本、韩国和中国的专利申请产出量各占11%、11%、8%,可见中日韩三国作为第二梯队的技术产出国,在LTE技术发展上已成为中坚力量。
5.主要目标市场分布
图5显示了LTE技术全球专利申请目标国家/地区分布情况,即各申请人在哪些国家/地区部署了专利申请。从图5可以看出,美国、国际局、欧洲、中国占10%~14%的比例,是LTE技术专利申请的重要部署区域。上述国家和地区是LTE技术发展和应用的热点区域。另外,在韩国和日本部署的专利申请分别占9%和8%。各国申请人在上述国家/地区部署专利,为以后在该区域应用LTE技术设置专利保障。

6.主要申请人
(1)主要申请人排名
表1列出了LTE技术专利申请全球排名前7位的申请人,这些公司都是通信、电信行业的巨头公司,可见LTE领域是各国企业争相占领的技术热点领域。这7家公司按申请量可分为3个层次:第一层次为美国的高通股份有限公司,该公司申请量达到1200件以上,遥遥领先,其技术面宽,技术点繁多,保护了很多关键技术;第二层次为三星电子株式会社、爱立信通信有限公司,申请量在600件以上;第三层次为株式会社NTT都科摩、松下电器产业株式会社、西门子公司、中兴通讯股份有限公司,申请量在160~260件之间。
中兴通讯位居第7位,可见中国企业在LTE领域具备一定实力,在国际前沿技术的激烈竞争中占据了一席之地。
(2)主要申请人的技术主题分布
图6显示了LTE技术全球专利申请主要申请人的技术主题分布情况。从图6可以看出,各公司都最为重视OFDM技术,在MIMO和HARQ方面的专利申请量要少于在OFDM方面。底层OFDM专利为多方拥有,MIMO、HARQ技术也在蓬勃发展。在MIMO和HARQ两个技术方向,高通更重视MIMO,三星和爱立信在两方面重视程度相当,松下更重视HARQ。

LTE技术中国专利申请状况分析
1.历年申请量
虽然3GPP的LTE项目从2004年才开始启动,但由于LTE是基于3G技术演进而来的,存在一些通信基本技术的专利申请,因此,有关LTE技术的中国专利申请在1990年前就有(参见图7),进入20世纪90年代后发展迅速,相关中国专利申请量持续上涨,但在1998~2004年间出现了下降,这可能与技术发展过程中的探索有关。2004年之后,相关中国专利申请量迅速增长。由于受到专利申请公开滞后的影响,图7中2009年和2010年的申请量数据不完整,预计这两年的申请量很可能超过2008年,持续增长势头。
2.IPC分布
由图8可见,LTE领域中国专利申请涉及的分类号十分繁杂,但主要集中在H04W(无线通信网络)、H04L(数字信息的传输,例如电报通信)和H04B(传输)等方面,这些都是与通信技术密切相关的分类号。H04Q(选择)和H04J(多路复用通信)方面的申请量也占了一定比例,其他分类号方面的申请量均低于5%。可见LTE技术虽然涉及领域较多,但主要的技术方向还是较为集中的。
3.主要技术主题分布
OFDM、MIMO和HARQ是LTE领域的关键技术,对保证LTE技术的服务质量至关重要。根据图9可知,涉及OFDM的中国专利申请量最多,可见该技术在我国发展很快,受到较多关注;而涉及MIMO和HARQ的中国专利申请量略少,一方面是因为技术本身已经发展到一定程度,另一方面可能是因为该技术改进较为困难。
4.主要申请人
(1)主要申请人排名
从表2可以看出,在LTE领域中国专利申请量最多的是高通股份有限公司,排名前5位的均为外国公司。可见,在该领域有大量的国外知名企业参与到国内的市场竞争中,国内相关企业面临一定的专利风险,应当密切关注这些企业的动向,以便合理地调整市场策略。排在第6位的是中兴通讯股份有限公司,作为本土公司,中兴通讯很注重国内市场的开发,且其一向在通信领域占有优势。
(2)主要申请人的技术主题分布
由图10可以看出,对于LTE领域重要的底层技术,各公司均在OFDM方面的中国专利申请量最多。在OFDM和MIMO方面,高通处于领先地位,其中国专利申请量明显大于其他公司;而在HARQ方面,三星电子领先。中兴通讯的相关中国专利申请量不少,但是关键技术的申请量较少。
(3)主要申请人的历年申请量
由图11可以看出,在LTE领域中国专利申请的主要申请人中,高通起步最早,其次是爱立信,在20世纪 90年代就有许多申请(尽管LTE采用了全新的OFDMA接入技术,但在很多技术领域对前期的移动通信技术仍然有继承和发展,因而这些中国专利申请可能都是通信领域基本相通的专利申请,不是LTE特有的技术)。其他公司的相关中国专利申请也都在20世纪90年代出现,进入2004年后开始迅速增长。而高通的相关中国专利申请量一直领先。
5.典型申请举例
在LTE领域存在许多重要专利,尤其是在OFDM、MIMO和HARQ这3个重要技术分支上,这些专利推进了技术进步,对企业运用LTE技术有一定借鉴意义。下面列举3个LTE领域的中国专利申请进行简要介绍。
华为技术有限公司在申请号为03825976的中国专利申请中提供了一种可优化OFDM系统的分集性能的OFDM交织方法,提供更高的频率分集而不需要增加带宽,且调制分集不向数据流增加任何冗余,并且在保持数据速率的同时能够因此获得分集性能增益。
华为技术有限公司在申请号为200580050150的中国专利申请中提供了一种在多用户蜂窝通信系统中用于分配通信资源的方法,其中所述通信资源在时域和频域分别被划分成多个时段和子带,一部分通信资源用于频率集中信道,另一部通信资源则用于频率离散信道,解决现有无线通信系统通信资源分配的方法中链路分集受到限制的问题,可随时根据使系统吞吐量最优的方式来划分通信资源,可不使用信令而告知接收机复杂的通信资源分配方案,可增加频率离散信道的分集增益。
摩托罗拉公司在申请号为02804680的中国专利申请中提供了一种无线通信系统中接收数据的方法,该方法使用HARQ错误控制方法来进行检错和纠错,通过解码共享信道和共享控制信道接收的数据,判断共享控制信道接收的数据是否不同于先前接收的数据并进行丢弃。其能够避免用不恰当或不正确接收到的当前数据破坏先前接收到的数据。

结 语
在LTE标准的启动阶段,全球通信企业的知识产权保护意识较2G和3G标准制定阶段已大大增强,加之LTE从一开始就被认为是下一代移动宽带发展的主流技术,从而导致参与LTE相关技术研发及专利申请的企业空前广泛,相关专利申请量节节攀升,在全球呈现出分散分布、相互制衡的状态。这有利于LTE标准和技术在全球的推广及LTE网络在全球的部署,但也决定了在随后的产业发展中涉及LTE技术的专利纠纷不可避免。专利交叉许可或许会成为唯一的解决办法,但其复杂度将远远高于3G时代。
美国高通公司依然领跑全球LTE技术发展,其专利数量和质量都相对较高,其对技术演进的前瞻性意识和专利保护意识值得重视。韩国三星公司近年来在通信领域崭露头角,发展势头迅猛,值得关注。我国企业中,中兴、华为近年来在通信领域,尤其是LTE领域的技术研发及专利申请发展迅速,由2G和3G时代的被动追随转向LTE时代的主动赶超,但在专利质量上还有待进一步提高,应加大LTE领域OFDM、MIMO等核心技术的研发力度。相信随着我国国家知识产权战略的深入实施,越来越多的国内通信企业将在专利战略方面有更好的表现。
为了保证我国在未来移动通信领域的竞争力和话语权,我国相关企业和科研机构需要加强对LTE技术,特别是TD-LTE技术的研发力度,避免我国主导提倡的标准成为他人的嫁衣,应加快其标准化和产业化进程,最终实现TD-LTE的战略目标。(作者单位:国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心通信部)

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