大規(guī)模多輸入多輸出技術專利態(tài)勢分析

田珊

（國家知識產權局專利局，北京 100088）

1 大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術簡介

移動互聯(lián)網正在快速發(fā)展，物聯(lián)網、車聯(lián)網、智慧城市、工業(yè)智能化、移動多媒體等各種新的業(yè)務類型不斷涌現(xiàn)，全球移動通信網絡的數據流量需求呈指數增長態(tài)勢，網絡吞吐量增長千倍被視為未來第五代移動通信網絡（5G）的關鍵性能指標。

隨著移動數據業(yè)務量的不斷增長，傳統(tǒng)MIMO技術帶來的性能提升明顯不足以滿足未來用戶對通信系統(tǒng)容量、效率等方面的需求。2010年貝爾實驗室的科學家Thomas L.Marzetta首先提出了大規(guī)模MIMO（Large-scale MIMO，也稱Massive MIMO）的概念。大規(guī)模MIMO技術，指在基站配置規(guī)模較大的天線陣列，通過陣列增益來提高有用信號的發(fā)射功率，從而有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率。根據概率統(tǒng)計學原理，基站發(fā)射天線數量趨于無窮時，傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中嚴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，各用戶對應的信道接近正交，可視為用戶間沒有干擾，同時服務多個用戶，更充分地利用空間資源。

圖1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)結構示意圖

如圖1所示，大規(guī)模MIMO技術的基本特征是，在基站布置數十根甚至上百根收發(fā)天線，相較于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中布置4根或8根天線增加一個數量級以上，這些天線以大規(guī)模陣列的方式集中放置，分布在同一小區(qū)內的多個用戶，在同一時頻資源上利用基站配置大規(guī)模天線陣列所提供的空間自由度與基站同時進行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力，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，由于基站配置大規(guī)模天線陣列提供了分集增益和陣列增益，每個用戶與基站間通信的功率效率也得到顯著提升。

與傳統(tǒng)MIMO技術相比，大規(guī)模MIMO技術的主要特點在于基站端的天線數大幅度增加。在系統(tǒng)總的傳輸功率一定的情況下，由于天線數的增加使分配到每一根天線上的功率變小，而利用波束賦形等操作可以將傳輸數據準確地指向待發(fā)送的用戶區(qū)域，從而降低了能量損耗。同時，基站端采用分集發(fā)送技術將相同數據利用多個天線向同一用戶發(fā)送，目標用戶將接收到的多個天線的數據流信號進行相干疊加得到強度更高的期望信號，而其他用戶接收到不同數據流的干擾信號可以相互抵消從而降低了干擾。因此，大規(guī)模MIMO技術能夠顯著提高系統(tǒng)的能量效率。

基站端天線數目增加使系統(tǒng)降低了對單根天線精確度的要求。此外，當天線數目增加，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中單根天線上的功率相較于傳統(tǒng)MIMO大大降低，因此可以使用廉價的功率放大器代替價格昂貴的高功率放大器，從而顯著降低設備的成本。同時，大規(guī)模MIMO下行的發(fā)射功率較小，可以滿足5G的綠色節(jié)能需求。

傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)對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)故障可能導致整個系統(tǒng)崩潰。而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中天線單元眾多，部分模塊出現(xiàn)問題往往不會影響整個系統(tǒng)的正常運行，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，大規(guī)模MIMO技術受到了業(yè)界的廣泛關注，并成為5G中可行性較高的關鍵技術。

2 大規(guī)模MIMO技術專利申請狀況分析

本文對全球范圍內有關大規(guī)模MIMO的專利申請進行分析，以反映目前的大規(guī)模MIMO技術領域的專利分布情況。通過中英文關鍵詞和分類號，在CNABS、VEN、SIPOABS數據庫中進行檢索，數據采集范圍覆蓋2010—2017年申請的專利。由于未申請?zhí)崆肮_的發(fā)明專利申請通常自申請日起滿18個月公開，同時數據庫更新存在一定時間的滯后，因此截至本文數據檢索日（2018-03-20），2016年和2017年的部分專利申請未被上述檢索使用的數據庫收錄。2016年和2017年的統(tǒng)計數據不完全，在以下的分析中僅作為參考。具有共同優(yōu)先權的在不同國家或全球專利組織多次申請、多次公布或批準的內容相同或基本相同的一組專利文獻稱為專利族，本文的分析將專利族中的各專利單獨統(tǒng)計。

2.1 相關專利歷年申請量

圖2顯示了大規(guī)模MIMO技術相關專利在全球的申請量和在我國的申請量的年度分布?？梢钥闯?，由于大規(guī)模MIMO技術于2010年正式提出，2010年和2011年，大規(guī)模MIMO技術在全球和我國均出現(xiàn)了少量申請，處于萌芽期。隨著技術研究的深入，從2012年開始，相關專利的全球申請量顯著上升，2012—2015年的全球申請量幾乎呈指數增長，進入快速增長期。相關專利的中國申請量則從2013年開始逐年快速上升，中國申請量的快速增長期相比全球申請量的快速增長期滯后了約一年時間。由于2016、2017年的部分專利申請未被公開，因此2016、2017年的實際申請量大于本文的統(tǒng)計數據，但仍然可以看出從2015年開始，我國申請量在全球申請量中的占比逐年上升。根據上述統(tǒng)計分析可以得知，近年來大規(guī)模MIMO技術在全球和我國均處于迅速發(fā)展時期，我國對該技術的早期研究略滯后于全球研究進展，自2013年開始我國對該技術的研究進展加快，專利申請人自2015年以來對在中國進行專利布局的重視程度逐步增強。

圖2 大規(guī)模MIMO技術專利申請量年度分布

圖3 專利申請國家/地區(qū)分布

2.2 專利申請國家/地區(qū)分布

圖3顯示了大規(guī)模MIMO技術相關專利申請的國家/地區(qū)分布情況，該圖在很大程度上反映了該技術在各個國家/地區(qū)的市場占有以及研發(fā)力度的大小。從圖3中可以看出，我國的專利申請量居首位，占比為30%，其次是美國，占比為22%，PCT（專利合作條約）專利申請量的占比為20%，排名第三，然后是歐洲和韓國，分別占比為10%和9%?？梢娭袊⒚绹W洲、韓國是相關專利申請的主要國家和地區(qū)，上述國家和地區(qū)對該技術的重視程度較高，也是申請人搶占市場的重要目標國家和地區(qū)。同時該技術領域的申請人較為重視PCT專利的申請，由于PCT專利申請便于申請人向多個國家申請專利，可見在該技術領域，申請人對全球專利布局較為重視。通常，重視PCT申請的申請人較大概率為研發(fā)實力雄厚、在業(yè)界處于領先地位的企業(yè)，一個技術領域的PCT申請量的占比高低側面反映出該領域在業(yè)界的受重視程度，從而可知大規(guī)模MIMO技術已成為相關領域的關鍵技術，具有較高的關注度。

圖4 大規(guī)模MIMO技術相關專利全球申請主要申請人

2.3 主要專利申請人分析

圖4示出了大規(guī)模MIMO技術相關專利在2010—2017年間全球申請量排名前10位的申請人?？梢钥闯?，三星電子公司在全球的申請量處于絕對的領頭羊地位，全球申請量逾600件。接下來LG、阿爾卡特朗訊、東南大學、華為分居第2～5位，全球申請量介于100～200件之間。索尼、英特爾、英特爾IP、中興、NTT DOCOMO排在第6～10位，全球申請量介于40～90件之間。在全球申請量排名前10位的申請人中，韓國申請人有2位，中國申請人有3位，日本申請人有2位，美國申請人有2位，美法跨國公司申請人有1位?？梢姡覈暾埲嗽诖笠?guī)模MIMO技術領域的技術實力較強，在全球專利競爭中占據著一席之地。同時也清楚地看到，其中排名前兩位的申請人均為韓國公司，尤其是穩(wěn)居首位的三星電子公司，其全球申請量近乎相當于排名第3～10位的申請人的申請量的總和，可見三星電子公司在該領域占據著主導地位，其在該領域的研發(fā)實力以及對知識產權的重視程度均遠超其他申請人。

2.4 主要申請人的專利地域布局分析

圖5 主要申請人的目標國專利申請量

圖5示出了大規(guī)模MIMO技術相關專利全球申請量排名前10位的申請人在各個目標國家/地區(qū)的專利申請量，反映了上述申請人的專利地域布局情況。從圖5中可以看出，排名前兩位的申請人三星電子公司和LG電子公司以及排名第6位的申請人索尼公司，其專利申請量最多的國家均為美國，分別占其在該領域專利全球申請總量的30.2%、29.6%和25.6%，而上述三家公司分為韓國和日本的公司，均不是美國的公司，但卻均把美國作為占比最重的目標國，可能的原因是美國在該領域的消費能力較強，并且美國的知識產權法律保障制度較為完善，能夠給申請人的專利權以充分和有力的保障。其余的企業(yè)申請人申請量最多的均為PCT申請，PCT申請使得申請人可以任意選擇想要獲得專利權的國家，可見企業(yè)申請人在該領域的全球專利布局意識較強，該領域的國際競爭較為激烈。唯一的非企業(yè)申請人是我國的一所高?！獤|南大學，其在該領域的專利全球申請量排名第四位，是我國在該領域申請量最多的申請人，但其專利申請量最多的國家是中國，在其他國家的申請量僅占其全部申請量的8.9%，可見對于我國的高校申請人，雖然專利申請的總量較多，但其專利主要布局在國內，這對其在該領域的國際競爭較為不利。我國的另外兩位申請人，華為和中興，在該領域的重點目標國家/地區(qū)，如美國、歐洲都有專利布局，且PCT專利申請量占比均較高，分別為33.7%和38.6%，為其在該領域進行有利的全球專利布局打下了基礎。

3 結語

從以上分析可以看出，大規(guī)模MIMO技術的發(fā)展勢頭迅猛，我國的申請人跟上了該技術發(fā)展的步伐。雖然我國的部分企業(yè)和高校在該領域具有相當的研發(fā)實力，但與國際領先的企業(yè)相比還存在一定差距。我國企業(yè)可以向該領域內占據優(yōu)勢地位的企業(yè)如三星電子公司學習，研究其技術發(fā)展路線和專利布局思路，為自身的技術創(chuàng)新和專利保護提供參考。我國高校應注重提升專利布局意識，學習相關企業(yè)的專利布局方法，使自身的知識產權得到更好的保護。

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