我國(guó)高速鐵路通信技術(shù)專(zhuān)利分析

李艷君 韓鮮萍

【摘要】通信是高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)，本文在對(duì)中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，從專(zhuān)利申請(qǐng)量，主要申請(qǐng)人的狀況，逐年專(zhuān)利申請(qǐng)狀況以及相關(guān)的核心技術(shù)對(duì)高速鐵路通信技術(shù)的專(zhuān)利發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析研究，展示了整個(gè)高速鐵路通信技術(shù)的專(zhuān)利戰(zhàn)略和競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，為國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)和研究人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路 高鐵 通信 專(zhuān)利

1引言

高速鐵路是我國(guó)交通運(yùn)輸體系中的重要組成部分，目前已成為調(diào)整我國(guó)交通運(yùn)輸體系結(jié)構(gòu)的有效方式。隨著高速鐵路的發(fā)展，出行的旅客也需要在列車(chē)上與他人進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息交流，還要接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，享受數(shù)字化、寬帶化、智能化、高速化以及個(gè)性化的通信服務(wù)；為了保障列車(chē)的行車(chē)安全，實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)控制和提高運(yùn)輸效率，也需要建立一個(gè)功能更加完善、技術(shù)構(gòu)成更加先進(jìn)的鐵路通信網(wǎng)。高速鐵路對(duì)通信系統(tǒng)的要求可以概括為高可靠性、低誤碼率及實(shí)時(shí)性；具有高質(zhì)量的服務(wù)；以及適應(yīng)高速鐵路特殊的應(yīng)用環(huán)境等。高速鐵路通信有別于普通的有線通信或無(wú)線通信，高速運(yùn)動(dòng)中的列車(chē)會(huì)頻繁改變與基站之間的距離，多普勒頻移現(xiàn)象非常嚴(yán)重，這將導(dǎo)致通信系統(tǒng)的解調(diào)性能下降；另一方面，因列車(chē)快速移動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)快速衰落，對(duì)用戶(hù)的小區(qū)切換以及功率控制提出了更高要求。此外，由于高速鐵路列車(chē)采用全封閉式車(chē)體結(jié)構(gòu)，信號(hào)衰減很大，為了克服車(chē)體穿透損耗，需要保證鐵路沿線的無(wú)線信號(hào)功率足夠厚強(qiáng)，這給高速列車(chē)的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋帶來(lái)了很大的難度。

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，將通信技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路逐漸成為研究者所關(guān)注的重要課題，近年來(lái)，高速鐵路通信一直是專(zhuān)利申請(qǐng)的一個(gè)熱點(diǎn)，其申請(qǐng)的數(shù)量較大，技術(shù)含量很高，并且申請(qǐng)量呈逐年增加的趨勢(shì)。為了全面了解我國(guó)高速鐵路通信專(zhuān)利技術(shù)的狀況，本文將對(duì)向我國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)的有關(guān)高速鐵路通信的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析。

2專(zhuān)利申請(qǐng)的總體分布狀況及態(tài)勢(shì)分析

截至本文的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，作者檢索到的國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局已公開(kāi)的、直接或者明確涉及高速鐵路通信的專(zhuān)利申請(qǐng)共計(jì)945件。圖1給出了已經(jīng)公開(kāi)的各國(guó)涉及高速鐵路通信技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)所占比例的情況，其中中國(guó)申請(qǐng)有853件，占89%，日本申請(qǐng)46件，占5%，美國(guó)申請(qǐng)15件，占2%，歐洲申請(qǐng)26件，占3%，其他地區(qū)的申請(qǐng)占1%。從數(shù)量上看，國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)占了全部申請(qǐng)總數(shù)的絕大多數(shù)，占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。這說(shuō)明目前我國(guó)在該領(lǐng)域的研發(fā)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢(shì)態(tài)。

圖2給出了國(guó)內(nèi)的高速鐵路通信專(zhuān)利的申請(qǐng)人的結(jié)構(gòu)情況。從圖中可以看出，在國(guó)內(nèi)的專(zhuān)利申請(qǐng)中，企業(yè)申請(qǐng)的專(zhuān)利數(shù)量最多，占大約三分之二，高校申請(qǐng)占16%，科研院所的申請(qǐng)占8%，個(gè)人申請(qǐng)占11%。另外，作者還發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)，有眾多的小公司和個(gè)人也申請(qǐng)了有關(guān)高速鐵路通信領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)。作為單個(gè)個(gè)體，他們的申請(qǐng)量并不大，但是作為一個(gè)總體，他們的申請(qǐng)數(shù)量非常龐大。這些小公司和個(gè)人的專(zhuān)利申請(qǐng)星羅棋布地分布在高鐵通信領(lǐng)域的方方面面，包括系統(tǒng)傳輸、小區(qū)切換控制、多普勒補(bǔ)償、終端設(shè)備、增值服務(wù)，元器件，等等。其中，有一些專(zhuān)利申請(qǐng)的質(zhì)量很高，技術(shù)創(chuàng)新性居于同領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。這也充分說(shuō)明了我國(guó)的科技發(fā)展水平進(jìn)步很快，中小企業(yè)和個(gè)人的技術(shù)研發(fā)充滿(mǎn)了活力。這同時(shí)也說(shuō)明，隨著國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略的推進(jìn)，全民的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)正逐步增強(qiáng)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的環(huán)境很好，企業(yè)、高校、科研院所以及個(gè)人申請(qǐng)專(zhuān)利的熱情很高。（如圖3）

圖3給出了申請(qǐng)量較多的主要申請(qǐng)人的情況，其中斜線表示的為中國(guó)申請(qǐng)人，實(shí)條表示的為國(guó)外申請(qǐng)人。從圖中可知，申請(qǐng)數(shù)量多的中國(guó)的申請(qǐng)人明顯比國(guó)外的申請(qǐng)人多。北京交通大學(xué)（原北方交通大學(xué)）申請(qǐng)量最大、北車(chē)集團(tuán)和南車(chē)集團(tuán)緊隨其后，通信領(lǐng)域的知名企業(yè)華為和中興也有一定數(shù)量的專(zhuān)利申請(qǐng)；而國(guó)外的申請(qǐng)人中，日本的東芝和日立最多，之后是歐洲的西門(mén)子、美國(guó)的通用電氣等，但國(guó)外申請(qǐng)人的申請(qǐng)量都不大，最多也不過(guò)十幾件。有別于其他通信領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)的情況，我國(guó)高校在高速鐵路通信領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)比重很大，特別是北京交通大學(xué)，不僅在高鐵通信領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量很多，而且質(zhì)量也相當(dāng)高，很多申請(qǐng)中的專(zhuān)利技術(shù)在該領(lǐng)域都屬于前瞻性的。北車(chē)集團(tuán)和南車(chē)集團(tuán)雖然申請(qǐng)數(shù)量較多，但北車(chē)集團(tuán)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而南車(chē)集團(tuán)的專(zhuān)利申請(qǐng)則集中在總線控制裝置，各有側(cè)重。

圖4給出了在高速鐵路通信領(lǐng)域，1990～2012年國(guó)內(nèi)和國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)的逐年變化情況，從圖中可以看出，國(guó)內(nèi)和外國(guó)的申請(qǐng)?jiān)?990年至2000年間數(shù)量基本持平，相差不大，這說(shuō)明在該領(lǐng)域我國(guó)與國(guó)外的發(fā)展保持同步。從1996年開(kāi)始一直到2010年，國(guó)外申請(qǐng)人在華申請(qǐng)有關(guān)高速鐵路通信方面的專(zhuān)利申請(qǐng)，其數(shù)量并不多，總體都穩(wěn)定在每年十幾篇左右。而國(guó)內(nèi)從2000～2011年專(zhuān)利申請(qǐng)的數(shù)量呈現(xiàn)一個(gè)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。這一方面表明隨著2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視程度日益增加，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)的意識(shí)有了快速增強(qiáng)；另一方面也說(shuō)明了中國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)能力逐漸提高，這與我國(guó)的科技水平的發(fā)展?fàn)顩r是十分吻合的。特別是在2003、2004年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)在高速鐵路通信領(lǐng)域的申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)一個(gè)急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)，事實(shí)上，也正是從這一時(shí)期開(kāi)始，中國(guó)開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)高速鐵路，因此，圖3可以看成是我國(guó)高速鐵路發(fā)展的一個(gè)佐證，它從一個(gè)側(cè)面反映了近幾年來(lái)我國(guó)高速鐵路從無(wú)到有的崛起以及飛速發(fā)展的現(xiàn)狀。

需要指出是，由于專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)的滯后性，在作者進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，2011年和2012年申請(qǐng)的很多專(zhuān)利尚未公開(kāi)或公告，因此在圖4中顯示的2011、2012年的專(zhuān)利申請(qǐng)量并不完整，實(shí)際上這兩年的國(guó)內(nèi)、國(guó)外的專(zhuān)利申請(qǐng)量仍然應(yīng)該是一個(gè)上升或者是一個(gè)持平的趨勢(shì)。

3核心技術(shù)分析

經(jīng)過(guò)分析，作者認(rèn)為，高速鐵路通信的核心技術(shù)，也是由以2G（第二代移動(dòng)通信技術(shù)）為代表的GSM-R（GSM forrailways，專(zhuān)用于鐵路的GSM）技術(shù)向3G（第三代移動(dòng)通信技術(shù)）過(guò)渡，并且3G寬帶通信技術(shù)與以WiMax（“WordInteroperabilityforMicrowave”，全球微波接入互操作性）技術(shù)為代表的寬帶無(wú)線接入技術(shù)呈現(xiàn)逐漸融合的趨勢(shì)，由此催生了以LTE為代表的3G演進(jìn)型系統(tǒng)，如圖5所示，這與現(xiàn)有的移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展方向是一致的。

從目前已公開(kāi)的有關(guān)高速鐵路通信的專(zhuān)利文獻(xiàn)來(lái)看，三分之二以上的專(zhuān)利技術(shù)都是與GSM-R直接或間接相關(guān)的。GSM-R是為滿(mǎn)足鐵路應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)，其專(zhuān)門(mén)對(duì)鐵路的各種不同需求開(kāi)發(fā)了許多專(zhuān)用功能，它能提供無(wú)線列調(diào)、編組調(diào)車(chē)通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護(hù)維護(hù)通信能語(yǔ)音通信功能。利用GSM-R平臺(tái)的數(shù)字傳輸能力，能傳輸列車(chē)診斷數(shù)據(jù)，提供貨運(yùn)信息、車(chē)載旅客信息服務(wù)和其他增值服務(wù)。GSM-R是目前實(shí)際應(yīng)用地最多的鐵路通信系統(tǒng)，已開(kāi)通的青藏線、大秦線、膠濟(jì)線、武廣線、鄭西線、石太線、合寧線、合武線、京津城際線以及京滬高鐵，采用的均是GSM-R系統(tǒng)。

對(duì)于高速鐵路GSM通信系統(tǒng)，其存在著兩大難題——小區(qū)的快速重選與切換以及多普勒頻移補(bǔ)償。由于高速列車(chē)時(shí)速高達(dá)350km，這將導(dǎo)致頻繁的小區(qū)切換和重選，頻繁的小區(qū)重選和切換將會(huì)導(dǎo)致電話經(jīng)常掉線或者不通。另外，列車(chē)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由多普勒效應(yīng)所引起的頻移，也將會(huì)大大降低通信的質(zhì)量。只有解決小區(qū)切換和解決多普勒頻移問(wèn)題，才能提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的語(yǔ)音通信，這也是提供數(shù)據(jù)傳輸下載等其他高端數(shù)據(jù)通信服務(wù)的基礎(chǔ)。作者發(fā)現(xiàn)，占據(jù)GSM-R主要市場(chǎng)的中興以及華為，其涉及高速鐵路通信的大部分專(zhuān)利，都是和解決小區(qū)重選切換和多普勒頻移估計(jì)和補(bǔ)償問(wèn)題有關(guān)。這也不難看出中興和華為在高速鐵路通信技術(shù)中的專(zhuān)利戰(zhàn)略和專(zhuān)利布局，他們都不約而同地將解決小區(qū)切換和解決多普勒頻移問(wèn)題，作為是高鐵通信的重中之重。

另外以LTE為代表的3G演進(jìn)型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信在3G之后的一次階段性變革，以O(shè)FDM技術(shù)為基礎(chǔ)的全新理念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)大幅度地提高了系統(tǒng)的通信能力，滿(mǎn)足了人們對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信的需求。高速鐵路采用LTE可以大幅度提高頻譜利用率，減少切換次數(shù)和切換時(shí)延，還可提供區(qū)分服務(wù)并保證服務(wù)質(zhì)量。作者發(fā)現(xiàn)，高通、中興、北京交通大學(xué)等已申請(qǐng)有這方面的專(zhuān)利并已經(jīng)公開(kāi)。有報(bào)道稱(chēng)，華為公司已于2010年12月推出了基于LTE技術(shù)的高鐵寬帶通信HRC方案，據(jù)稱(chēng)可以在350km/h甚至更高的時(shí)速下提供速率高達(dá)30Mbit/s的帶寬，并支持多制式（2G/3G/Wi-Fi）用戶(hù)設(shè)備接入、視頻監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)、閉路電視、電子票務(wù)等寬帶業(yè)務(wù)。但作者并未檢索到華為公司有相關(guān)的專(zhuān)利，作者推測(cè)，極有可能相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)還未公開(kāi)。

為了滿(mǎn)足高速鐵路高端用戶(hù)的視頻業(yè)務(wù)、高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等需求，新一代的3G技術(shù)是解決高速鐵路通信業(yè)務(wù)的必然選擇。許多商務(wù)人士經(jīng)常由于商務(wù)履行的原因，需要在高速鐵路上使用各種語(yǔ)音、視頻、還有高速數(shù)據(jù)上下行業(yè)務(wù)，這些都是3G時(shí)代顯著的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，快速發(fā)展的高速鐵路已經(jīng)成為了3G業(yè)務(wù)的新熱點(diǎn)。高速鐵路將是3G業(yè)務(wù)應(yīng)用的一個(gè)重要場(chǎng)景，高速鐵路的覆蓋是整個(gè)3G覆蓋不能或缺的重要部分。此外，WiMax寬帶無(wú)線接入與目前的其他接入方式相比，具有部署速度更快、擴(kuò)展能力更強(qiáng)、靈活性高、傳輸速率高、覆蓋范圍大等特點(diǎn)，因此，在高鐵上引進(jìn)WiMax技術(shù)，對(duì)促進(jìn)鐵路信息化建設(shè)具有很大的推動(dòng)作用。作者發(fā)現(xiàn)，從2006年底開(kāi)始，已經(jīng)有將3G和WiMax技術(shù)用于高速鐵路通信的專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)，并且呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)，毫無(wú)疑問(wèn)，這將是今后專(zhuān)利申請(qǐng)的熱點(diǎn)。

需要特別注意的是，國(guó)外的申請(qǐng)人雖然專(zhuān)利申請(qǐng)的數(shù)量較少，但是，國(guó)外的申請(qǐng)人如高通公司等，他們?cè)?G、WiMax、LTE這些前沿的領(lǐng)域都較早或者率先提出了申請(qǐng)。對(duì)此，我國(guó)的通信企業(yè)應(yīng)引起足夠的重視，及早應(yīng)對(duì)，避免在未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于不利的被動(dòng)局面。

4結(jié)語(yǔ)

中國(guó)高鐵技術(shù)通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，已完全掌握了高速列車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)，擁有了自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本文對(duì)我國(guó)高速鐵路通信技術(shù)進(jìn)行了分析，通信技術(shù)是作為整個(gè)高速鐵路中的重要核心技術(shù)，在這方面目前我國(guó)已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，在專(zhuān)利方面，我國(guó)的高鐵通信技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)。但是應(yīng)該看到，我國(guó)的高鐵事業(yè)方興未艾，并且通信技術(shù)更新很快，其發(fā)展日新月異，目前新一輪的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開(kāi)始，我國(guó)企業(yè)面臨的巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該加大研發(fā)力度，提高創(chuàng)新能力，全面提高專(zhuān)利申請(qǐng)的質(zhì)量。同時(shí)，我們還要不斷提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，讓更多的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利技術(shù)走出國(guó)門(mén)，走向海外，以科學(xué)有效地方式積極應(yīng)對(duì)專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)，力爭(zhēng)在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。