5G通信中的Polar碼專利申請分析

杜東振，鄒麗

5G通信中的Polar碼專利申請分析

杜東振，鄒麗＊

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430075）

Polar碼是學術(shù)界研究熱點之一，各大公司對Polar碼的潛力有共識，并投入了大量研發(fā)力量對其在5G中應用方案進行深入研究、評估和優(yōu)化，且重視相關(guān)專利的布局。對Polar碼的相關(guān)專利申請進行統(tǒng)計分析，得出該技術(shù)的研究趨勢并給出相關(guān)建議。

第五代移動通信技術(shù)；Polar；專利；運營商

第五代移動通信技術(shù)（fifth generation，5G）是最新一代的移動通信技術(shù)，在全球范圍內(nèi)，5G已經(jīng)或?qū)⒁归_商用。在中國，5G已經(jīng)在部分城市成功布網(wǎng)商用。

在全球移動通信運營商、制造商等公司或組織的參與下，標準制定組織制定了移動通信技術(shù)標準。在移動通信技術(shù)標準完成后，全球的移動通信運營商、制造商等公司或組織需要在滿足移動通信技術(shù)標準的前提下提供移動通信相關(guān)服務。而移動通信的相關(guān)技術(shù)在被作為標準采用之前，往往已經(jīng)被申請為專利。標準和專利的結(jié)合，尤其是標準必要專利，使得移動通信標準的后續(xù)實施者必須獲取專利權(quán)人的授權(quán)許可。中國通信企業(yè)在2G、3G、4G時代的通信技術(shù)中，專利權(quán)的數(shù)量、質(zhì)量等都不夠發(fā)達，導致中國通信企業(yè)面臨著諸多的專利糾紛，并且處于弱勢地位。但是，憑借3G時代的TD-SCDMA技術(shù)，4G時代的TD-LTE技術(shù)，中國通信企業(yè)在移動通信技術(shù)標準中參與度越來越高。到了5G時 代，以華為為代表的中國通信企業(yè)已經(jīng)成為5G標準的重要引領(lǐng)者。

信道編碼是通信系統(tǒng)的基本組成部分，編碼解碼技術(shù)是最關(guān)鍵的無線通信技術(shù)之一，被采用到通信技術(shù)標準的編碼解碼技術(shù)更是無法規(guī)避的基礎(chǔ)技術(shù)。在3G和4G時代，標準采用了Turbo碼作為信道編碼方案，而進入5G時代時，標準采用了LDPC碼與Polar碼作為信道編碼方案。5G時代定義了三大應用場景：eMBB，URLLC，mMTC。3GPP在葡萄牙里斯本舉行的RAN1#86b會議上，確定了LDPC碼作為eMBB場景數(shù)據(jù)信道長碼的編碼方案。3GPP在美國內(nèi)華達州里諾舉行的RAN1#87會議上，確定了LDPC碼作為eMBB場景數(shù)據(jù)信道短碼的編碼方案，Polar碼作為eMBB場景控制信道的編碼方案。

標準和專利的結(jié)合，將使得5G通信技術(shù)的授權(quán)專利深刻影響5G相關(guān)企業(yè)的布局、利益和影響力。本文將對Polar碼的專利布局作出分析。

1 Polar碼概述

土耳其畢爾肯大學ERDAL教授于2008年提出了信道極化理論，于2009年基于信道極化理論提出了Polar碼，一種逼近香農(nóng)極限的編碼方法，也稱為極化碼。3GPP于2016年確定了Polar碼作為5G eMBB場景控制信道的編碼方案。

由于性能優(yōu)秀，Polar碼受到了廣泛的關(guān)注，學術(shù)界和工業(yè)界都開展了深入的研究，針對Polar碼應用中遇到的技術(shù)問題，相繼提出了進一步的解決方案。

Polar碼作為信道編碼的技術(shù)方案時，處理過程為Polar碼構(gòu)建、速率匹配、信道交織調(diào)制和譯碼[1]。本文根據(jù)Polar碼應用中需要解決的技術(shù)問題，將對以下技術(shù)細分進行重點關(guān)注。

信息位選?。篜olar碼信道極化，選擇信道容量較大的比特信道傳輸有效信息，稱為信息位，而信道容量較小的比特信道傳固定信息，稱為凍結(jié)位。Polar編碼的構(gòu)建主要依賴于生成矩陣的構(gòu)造和信息位的選取，信息位的選取對編碼來說相當重要。

級聯(lián)結(jié)構(gòu)：級聯(lián)碼是通過兩個短碼分別作為外碼和內(nèi)碼進行連接構(gòu)造出強有力長碼的方法。Polar碼常見的級聯(lián)結(jié)構(gòu)為：集中式CRC校驗的Polar碼（CA-Polar），奇偶校驗（parity check）的CRC聯(lián)合輔助譯碼的Polar碼（PC-CA-Polar），分布式CRC-Polar 碼（DCRC-Polar）。

速率匹配：Polar碼的碼字的長度是2的冪次，需要對其進行速率匹配才能符合實際系統(tǒng)的要求，各種速率匹配方案在不同碼長碼率條件下存在性能差異。常見的Polar碼速率匹配方案為重復（Repetition）、打孔（Puncturing）或縮短（Shorten）。

信道交織：信道編碼與調(diào)制的聯(lián)合設計可獲得更好的性能增益，通過在信道編碼模塊與調(diào)制模塊中間插入交織器，交織器的隨機交織效用可使得碼間變得稀疏，提離了碼字間的最小距離，從而提高了編碼的“分集”作用。

2 全球?qū)＠暾垜B(tài)勢

專利具有地域性、時間性和獨占性三大特點。各個國家地區(qū)間的專利權(quán)只在本國本地區(qū)存在法律效力，絕大部分國家地區(qū)的發(fā)明專利有效期為最早申請日后的20年。因此，本文將從全球和中國專利局、歐洲專利局、美國專利局近20年接受的專利申請數(shù)量進行專利分析。

2.1 全球?qū)＠暾堏厔?/h3>

2008年，Polar碼被提出后，多家公司投入研究并申請專利，同時3GPP從2016年開始在歷次會議上討論和決定5G信道編碼的技術(shù)方案?，F(xiàn)在以專利申請年份為單位分別統(tǒng)計歐洲專利局、美國專利局和中國專利局受理的Polar碼專利申請數(shù)量，由表1可知，Polar碼專利申請在2016—2018年的申請數(shù)量大規(guī)模增加（由于2019年的部分專利申請還未公開，所以，2019年的數(shù)據(jù)僅供參考）。

表1 專利局受理Polar碼專利申請量年份統(tǒng)計

年份201120122013201420152016201720182019 歐洲專利局031213425871102 美國專利局1491417429011496 中國專利局081713236321611959 全球統(tǒng)計1828313697267317120

2.2 全球主要申請人

為了獲取Polar專利申請的主要申請人，通過對歐洲專利局、美國專利局和中國專利局和全球數(shù)據(jù)庫中的Polar碼進行統(tǒng)計，Polar碼的專利申請以通信設備制造商為主，尤其是中國華為公司和美國高通公司，二者的Polar專利申請數(shù)量遙遙領(lǐng)先其他申請人，分別排在第一和第二。

2.3 全球重點申請人

為了更清晰地研究華為和高通的Polar碼專利申請情況，統(tǒng)計全球主要的專利數(shù)據(jù)庫，對華為和高通的Polar碼專利申請趨勢在圖1中示出。華為公司的Polar碼專利申請量明顯高于高通公司，華為公司對Polar碼專利的布局大概早于高通4年的時間。而華為主推的Polar碼在2016年被確定為5G eMBB場景控制信道的編碼方案，表明華為對于Polar的研究極具前瞻性。

圖1 華為高通Polar碼專利申請趨勢

Polar碼從理論提出，到實際工程應用，存在著諸多技術(shù)問題需要進一步研究和解決。華為和高通對于Polar碼專利申請比較全面，對于Polar碼中信息位選取、級聯(lián)結(jié)構(gòu)、速率適配和信道交織四個技術(shù)角度都進行了一定量的專利申請覆蓋。四個技術(shù)分支相比，由于Polar碼與其他碼級聯(lián)時，其他碼可以有多種選擇，且華為高通專利申請量并未再級聯(lián)結(jié)構(gòu)方面爆發(fā)，可以嘗試使用其他級聯(lián)結(jié)構(gòu)進行專利權(quán)規(guī)避。如果其他申請人想要在技術(shù)上可以進行更多的規(guī)避，建議避開上述四個技術(shù)分支。

雖然在Polar碼專利申請上華為公司與高通公司相比明顯占據(jù)優(yōu)勢，但結(jié)合兩家公司在3GPP會議上的表現(xiàn)，華為主推Polar碼，而高通主推LDPC碼，實際上，高通公司在LDPC碼專利申請的積極性明顯高于在Polar碼專利申請的積極性。

3 中國專利申請態(tài)勢

中國現(xiàn)在是全球第二大經(jīng)濟體，中國通信市場前景廣大，中國的通信運營商比如移動、聯(lián)通等與中國的通信制造商如華為中興等都屬于全球知名公司，中國將是5G最重要的參與者之一。全球主要的通信設備制造商都進行了Polar碼的專利申請，重視中國市場。同時，中國本土的公司和機構(gòu)在申請量對比國外明顯占據(jù)優(yōu)勢，其中中國申請人和國外申請人分別占比77.78%和22.22%。另外，除了傳統(tǒng)的通信制造商如華為、中興、大唐等，中國高校在Polar碼的專利申請異軍突起，在申請量前12名中，中國高校的申請量占據(jù)了20.23%。但是，中國高校的相關(guān)Polar碼專利申請僅限制在了中國專利局，并未在國外專利局進行布局。

4 結(jié)論

通過對Polar碼專利申請的統(tǒng)計分析可以明顯發(fā)現(xiàn)，中國華為公司對Polar碼的專利申請在數(shù)量、覆蓋度和前瞻性上都占據(jù)了明顯優(yōu)勢，將在5G eMBB場景控制信道編碼中占據(jù)領(lǐng)先地位；高通公司等傳統(tǒng)知名通信制造商在Polar碼專利申請上稍微落后，但也迅速加大了對Polar碼的研究；中國高校在中國專利局的Polar碼專利申請上也有一定的積累。對Polar碼專利申請統(tǒng)計分析后，本文有以下建議：對新技術(shù)的研究要具備敏感性和前瞻性，提前下場加大研究后才能在專利申請中享有領(lǐng)先優(yōu)勢；中國高校除了在國內(nèi)進行布局外，可以聯(lián)合其他公司或機構(gòu)開展國外布局；公司開展專利布局時，可以聯(lián)合高校共同研發(fā)或者購買高校的專利權(quán)。

［1］唐成.5G系統(tǒng)Polar碼的譯碼算法研究與實現(xiàn)［J］.中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫信息科技輯，2020（1）：1136-1410.

＊第二作者對本文貢獻等同于第一作者

2095－6835（2020）24－0009－02

TN92

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.003

杜東振（1988—），男，河南濮陽人，碩士，助理研究員，專利審查員，主要從事無線通信領(lǐng)域?qū)＠麑彶椤?/p>

鄒麗（1986—），女，江西撫州人，碩士，助理研究員，專利審查員，主要從事無線通信領(lǐng)域?qū)＠麑彶椤?/p>

〔編輯：張思楠〕