数字家庭关键技术专利状况分析

巫晓倩 张倩

工业和信息化部电子知识产权中心

数字家庭是信息化和数字化在家庭生活领域的全面应用，即按照现代家庭生活需求，将各种家用和个人数字化产品组成集视听娱乐、信息服务和家居控制等功能于一体，并通过有线电视、宽带通信、无线通信等组成家庭网络，实现家庭内部设备互联互通，家庭与外界信息交互的综合智能系统。

本报告针对我国数字家庭无线组网的关键技术和数字版权保护技术进行了专利宏观态势分析，并对数字家庭关键技术标准IEEE 802.11系列标准进行了重点专利分析。本报告的中国专利数据来源于2011年6月30日前 CNIPR中外专利数据库服务平台公开的所有中国专利文献。本报告的国外专利数据来源于2011年6月30日前Thomson innovation 专利数据库公开的专利信息。本报告的专利数据由工业和信息化部电子知识产权中心统计整理。

一、数字家庭领域专利宏观态势分析

（一）涉及技术领域多，专利部署范围宽泛

数字家庭集成了网络接入、家庭网络、智能终端等多个领域的综合应用，涉及多种关键技术，主要包括组网技术、家庭网络技术、智能终端技术。

其中，主要的三种无线组网方式Wi-Fi，UWB，Zigbee各有特点。

从技术发展情况看，Wi-Fi技术具有较广的局域网覆盖范围，传输速度快，适合高速数据传输的业务，得到最为广泛的应用。ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术，主要应用于智能家庭、工业控制等领域。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

图1 数字家庭技术框图1.引自http://wenku.baidu.com/view/96a16b2f453610661ed9f480.html

图2 无线组网技术专利申请比例

从专利部署总体情况看，截止到2011年6月30日，在中国专利局公开的专利申请中，涉及Wi-Fi领域的专利申请最多，合计为4955件，占三个领域专利申请总量的51.09%。其次分别为Zigbee，UWB。

另外，由于数字版权管理产业链涉及内容所有者、产品制造商、服务提供商、消费者等多个环节，成为国内外竞争者专利部署的热点领域之一。截止到2011年6月30日，涉及DRM领域的专利申请量合计为2250件，90%以上都是发明专利，发明内容包括数字版权管理保护方法，内容下载管理方法，使用许可的方法，数字水印技术以及DRM认证等方法。

（二）无线组网领域专利申请呈上升趋势， DRM领域专利申请呈下降趋势

本报告主要分析了Wi-Fi，ZigBee，UWB这三种无线组网技术以及数字版权保护DRM技术，这四个技术领域的专利申请分别呈现如下趋势。

在现代市场经济框架下，虽然并非所有市场行为都受亚当·斯密所称“看不见的手”操纵，但绝大多数（如果不是全部的话）市场行为都有其内在运行规律，其中包括“惩恶扬善”的自我纠正机制。

1.Wi-Fi起步最早，2002年就出现小幅攀升，2001-2002增速为157.33%。Wi-Fi领域的专利技术发展趋势与标准的制定进程密切相关。

IEEE 802.11第一个标准版本在1997年颁布，定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层，相关专利申请在1996年开始出现。此后历经a，b，e，g，n等多个标准的制定，从频谱规范、传输速率、传输质量、安全等多个方面进行了完善，在2004年前后，Wi-Fi技术领域专利申请出现小幅攀升。IEEE 802.11n引入了MIMOOFDM技术，于2008年上半年正式颁布，在2008年前后，该领域专利申请达到近年来的最高值，合计为719件专利申请。

2.Zigbee起步最晚，08年以后增速最快，达到52.64%。物联网概念的提出给Zigbee带来了新的发展空间。

1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议提出物联网的概念。Zigbee在自动控制、远程控制及家用设备联网等领域得到广泛应用。该领域的相关专利申请在2000年以后出现。近年来，随着数字家庭等热点的提出，Zigbee获得更多的应用空间和发展契机，从2004年开始Zigbee领域的专利技术呈现快速发展趋势，在2009年达到893件。

3.UWB最为平稳，2005-2009平均增速为9.7%。技术标准的不统一和产业化应用程度有限影响了企业在该领域专利部署的积极性。

UWB技术早期主要用于雷达技术领域。自2002年2月14日，美国FCC（美国联邦通信委员会）准许该技术进入民用领域后，用户不必进行申请即可使用该技术。专利申请量的年度变化也反映了这些大企业提前布局的策略。

从2005年左右开始，三星、Intel、摩托罗拉等大公司推出了UWB芯片及应用该芯片相应的产品，在这一阶段，UWB领域专利申请出现了略微增幅。

至今，UWB仍然面临着标准不统一的局面。目前在UWB技术领域存在着两方阵营，即英特尔、TI等倡导的MBOA和Freescale等倡导的UWB论坛，而原定2005年上半年完成的UWB标准的制定工作也因此停滞不前。这不仅影响了UWB的产业化应用，更影响了相关专利的部署趋势（详见图3）。

图3 无线组网技术专利申请年度趋势

图4 DRM技术专利申请年度趋势

图5 无线组网关键技术国内外专利申请量对比

4.DRM领域专利申请呈下降趋势

DRM专利技术起步于1995年。DRM主要在两大领域得到应用，一类是电子书及电子文档，如Apabi，EBX，Adobe PDF等；另一类是视频与音频流媒体，如Windows Media，Real Network，Quicklime等。相关专利申请在2006年以前呈现增长趋势。2006年以后，该领域的专利申请呈现一定的下降趋势（详见图4）。

（三）国内外申请人各具专利数量优势

在无线组网领域，国内外申请人竞争激烈，没有较大的专利数量差距。其中国外申请人在Wi-Fi领域具有专利数量优势，国内申请人在UWB、Zigbee领域具有专利数量优势（详见图5）。

在DRM领域，从国内外对比情况看，国外申请人更具专利数量优势；但是，从国别分布情况看，中国的专利申请人拥有的专利数量仍居首位，所占比例达到32%。美国、日本仍然是主要的竞争国家（详见图6）。

（四）重点申请人各具专利技术优势

总体而言，国外企业在Wi-Fi领域部署专利更具积极性。在Wi-Fi领域，排名前15位的申请人中美国最多，美、中、日三国申请人的比例为5:3:2。排名前5位的公司有华为、中兴、高通、美商、三星（详见图7）。

在Zigbee领域，排名前15位的申请人中中国最多，其次是美国、韩国，这三国的申请人比例为7:3:2。排名前5位的有LG、皇家飞利浦、三星、中兴、高通（详见图8）。值得注意的是，除了中兴、华为之外，海信公司、北京派瑞根公司在该领域拥有较多专利积累。

图6 DRM专利申请量国别分布

图7 Wi-Fi领域申请人及申请量

图8 ZIGBEE领域申请人及申请量

在UWB领域，排名前15位的申请人中有10家中国申请人。排名前5位的有东南大学、皇家飞利浦、三星、中科院、高通（详见图9）。

通过以上的分析可以看出：

（1）从科研院所与企业拥有的专利申请情况看，UWB领域科研院所占比重最大，其拥有的专利申请量占总量的40%，其次是Zigbee。Wi-Fi以企业为主要申请人，90%以上的专利为企业拥有。

（2）从申请人分布的产业链情况看，Wi-Fi领域的专利申请人覆盖产业链范围最广，包括运营商、制造商；芯片及终端厂商；国内三大电信运营商都在该领域部署了相关专利。其次是Zigbee和UWB。其中，Zigbee领域出现个别公司值得关注，例如：北京派瑞根公司在Zigbee领域部署了较多专利，主要集中在G01S领域，其主营业务为专利授权与转让，技术研发等。

（3）从市场因素看，Wi-Fi已经得到规模商业化应用，其专利技术内容覆盖范围在通信的方法与装置制造、定位导航、智能家居、个人消费电子产品等领域。Zigbee由于市场应用范围广泛，其专利申请广泛分布在安全工业生产、智能家居、自动控制等应用领域。UWB由于其市场应用有限，其专利申请主要分布在芯片制造、定位、测距等领域。

综上，UWB的产业成熟度不高，多数专利技术掌握在“学、研”环节。Wi-Fi产业成熟度较高，企业专利技术竞争激烈。Zigbee产业成熟度介于UWB、Wi-Fi之间。国内专利主要集中在应用领域（详见表1）。

（五）广东省在无线组网领域具备专利数量优势

无线组网关键技术中国各省市专利申请量排名前6位的省市为广东、北京、上海、浙江、江苏、陕西。

图9 UWB领域申请人及申请量

表1 无线组网关键技术权利人特点比较

广东省在该领域的专利积累与该省对数字家庭产业的整体规划与政策支持密切相关。广东省积极支持数字家庭产业的发展，并陆续出台《广东省数字家庭行动计划》（2005）、《广东省发改委关于印发进一步推动数字家庭产业发展若干意见的通知》（2009）等相关产业政策。同时，广东省积极在广州等地建立国家数字家庭应用示范产业基地，提升数字家庭岭南模式，示范效果显著，为数字家庭的发展营造良好的产业环境。

另外值得注意的是，相比于其他两个领域，山东省在Zigbee领域拥有最多专利积累。在Wi-Fi，Zigbee，UWB三个领域的专利数量比值为 1:10:3。这主要是因为山东省的重点公司和重点院校在Zigbee领域有较多的专利申请。其中，海信公司、海尔公司、山东大学拥有较多地专利积累。

二、数字家庭领域重点专利分析

在数字家庭的无线组网技术领域，Wi-Fi技术是数字家庭服务的基础。本报告针对IEEE网站802.11协议族中公开披露的270件专利，进行了重点专利分析。到目前为止，IEEE 802.11协议族披露的专利主要涉及以下几个协议：802.11、802.11a、802.11e、802.11f、802.11g、802.11i、802.11n、802.11r、802.11s、802.11v。

从IEEE 802.11系列标准的发展可以看出：速度、安全、QoS、漫游是无线标准的四大核心。无线速率标准：802.11（2M）、802.11b（11M）、802.11a/g（54M）、802.11n（600M）；无线安全标准：WAPI、802.11i；无线QoS标准：802.11e；无线漫游标准：802.11r。

（一）主要专利权人分析

披露标准中的专利是一种鼓励政策，并不是强制的，部分公司没有提供相应的专利申请号，所以以上搜集到的专利并不全部包括802.11协议族中涉及到的全部专利。

1.从申请人国别角度看，主要集中在法国、芬兰、美国等欧美国家。到目前为止，中国企业没有在802.11协议族中披露专利。

2.从申请人性质角度看，运营商非常重视在标准中的专利部署。其中，法国电信与法国广播的合作关系十分密切，两者共同申请的专利占披露专利总量的11%。

3.从申请人具体情况看，诺基亚公司重视在标准中的专利部署，积极主动地披露标准中的相关专利，其披露的专利数量位居第一位，占披露专利总数的18%。排名前8位的其他公司依次是法国电信（FRANCE TELECOM）&法国广播（TELEDIFFUSION DE FRANCE）、I N R I A、A T&T（美国电话电报公司）、松下、France ETAT &法国广播（TELEDIFFUSION DE FRANCE）、思科公司、苹果公司。

图10 无线组网关键技术中国专利申请量省市分布

图11 802.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html.11标准制定时间表2.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html

图12 802.11协议族披露专利的申请人及申请比例

（二）IEEE 802.11专利技术演进脉络

通过对IEEE 802.11系列标准披露的专利技术演进脉络的总结，我们可以看出，专利分布最多的领域是802.11，其他依次是802.11a、802.11g、802.11n、802.11e。802.11f、802.11i、802.11r、802.11s、802.11v协议中也有少量专利被披露。披露的专利包括标准中的基础专利以及与标准实现相关的专利。具体呈现如下几个特点：

1.80 2.11领域，每年都有相关的专利被披露，呈连续分布态势。这种态势一直延续到2007年。其中，主要专利权人是诺基亚公司，该公司的专利占802.11协议披露总量的60%。

2.由于802.11a和802.11g都涉及对物理层的改进，因此许多披露的专利同时覆盖这两个领域。它们的特点是：披露时间主要集中在两个时间段，一个是80年代至90年代初期（即1981年-1992年），以法国电信&法国广播共同申请为主；另一个时间段是1997年至2001年，以松下公司、诺基亚公司、杰尔系统公司为主。

3.80 2.11n领域披露的专利主要集中在1991至1999年。专利权人以思科和AT&T为主，法国电信&法国广播、松下等公司也披露了相关专利。

4.80 2.11e领域披露的专利主要集中在80年代至90年代初期（1981-1993），专利权人以INRIA为主。

（三）物理层、MAC层技术布局分析

图1 3.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html 802.11专利技术演进脉络

图14 OSI模型3.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html

图14是IEEE 802.11与OSI模型的关系，如图所示，IEEE 802.11系列协议定义了物理层和媒体访问控制层（MAC）的相关标准。在802.11协议族披露的专利中，根据被引证次数、分布的技术领域等指标，选出26件重点专利，并分别对这26件专利在物理层和媒体访问控制层的技术框架中进行了标引。其中，有2/3的专利涉及到物理层技术，1/3的专利涉及到MAC层技术。

1.物理层重点专利布局

物理层是OSI模型的第一层，为设备之间的数据通信提供传输媒介和各种物理设备，包括信道编解码、调制解调、MIMO、OFDM等多个技术环节。相关专利的部署情况是：信道编译码4件、调制解调4件、MIMO技术5件、资源块映射2件、OFDM技术1件、信道估计1件、射频技术1件。

下面，我们分别对上述技术及披露的专利进行具体分析。

（1）信道编译码技术

信道编译码技术是一种差错控制技术，IEEE 802.11系列协议标准中主要采用卷积码作为信道编码方式，支持多种编码速率。在该技术环节披露的四件专利，权利保护范围既涉及到编码器，同时也涵盖了对应的译码器。其中，专利权人是法国电信&法国广播、法国ETAT&法国广播、Cisco公司。

图15 物理层重点专利技术布局

（2）调制解调技术

802.11 主要用到的调制解调技术有BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等。在该技术环节分布的四件重点专利中，分别涉及到升余弦技术、非线性滤波器技术、PSK调制技术、扩频调制技术等。值得注意的是，公开号为US5077753A的专利权利要求书中有7项独立权利要求，其中某些独立权利要求保护扩频调制的发送过程，某些独立权利要求又涵盖了扩频通信体统的接收部分，包括解调器、解扩器等接收器件。

（3）空时编解码技术

为了实现标准中提出的各种目标，802.11n协议引进了一些3.5G和4G的关键技术，例如MIMO系统中的空时编解码技术。在26件重点专利中，有五件专利涉及该技术环节。其中，值得注意的是，公开号为US6891897B1和US6185258B1的专利，其权利要求书中既保护空时编码又保护了空时译码，即这两件专利的保护范围同时涉及了发送和接收过程。

（4）信道估计技术

无线信道并不像有线信道固定并可预见，而是具有很大的随机性，这就对接收机的设计提出了很大的挑战。在OFDM系统的相干检测中需要对信道进行估计，信道估计的精度将直接影响整个系统的性能。由Norand公司提出的公开号为US4910794A的专利，通过利用信道估计的技术，设计了一种可以自动调节传输速率的无线通信系统，提高了系统的吞吐率，同时优化了无线资源的利用率。

（5）资源映射技术

为了充分利用无线资源，IEEE 802.11系列协议在物理层采用资源块的方式，为不同的用户分配包含多个时间和频率片段的资源块。AT&T公司提出的两件专利从资源分配利用率最优化的角度设计了资源分配的方法。

（6）OFDM技术

OFDM技术是一种多载波发射技术，它将可用频谱划分为许多载波，每一个载波都用低速数据流进行调制。由Centre National d'Etudes des Telecommunications和Telediffusion de France联合提出的公开号为US5228025A的专利设计了一种使用正交多载波（OFDM）技术抵抗具有时变特性的多径效应的数据传输方法。该专利权利要求涉及发送和接收两个过程。

图16 MAC层重点专利技术布局

（7）功率/变频放大技术

C i s c o公司提出的公开号为US6452981B1的专利设计了一种空时信号处理系统的数字通信方法，该方法涉及到通过一个或多个天线将数据发送出去，在接收端使用一定数量的天线接收数据。在此过程中，射频信号处理器将天线阵列的射频信号下变频为基带信号，并进行数字量化。该方法可以应用到任何多输入多输出的信道中，并显著的提高了系统容量。

2、MAC层重点专利布局

802.11 无线局域网的所有工作站和访问节点都提供介质访问控制层服务，即MAC层服务。802.11MAC层主要负责客户端与AP（接入点）之间的通讯。功能包括：扫描、接入、认证、加密、漫游和同步。

重点专利主要分布在扫描、接入、同步技术领域。其主要权利人是诺基亚公司、苹果公司、Cisco公司、Proxim公司、Telesystems SLW公司。

在扫描和接入环节，共有6件重点专利。主要涉及到接入点选择的方法、公共无线介质共享接入的方法、自动分配地址的方法等。在同步的环节，共有2件重点专利，主要涉及的技术有：分布式时间同步方法、多个基站的同步/异步通信的无线介质接入方法等。

图17 重点专利引证关系4.本数据图通过SOOPAT网站引证关系工具分析得出

值得注意的是，Proxim公司申请的专利US5231634A被引证次数最多，达到了246次。引用该专利有诺基亚、英特尔、3com等多家公司的专利。

（四）重点专利引证关系分析

802.11 n协议主要是结合物理层和M A C层的优化来充分提高W L A N技术的吞吐。其中，物理层关键技术涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技术。同时，由于采用了MIMO技术，无线信号将通过多条路径从发射端到接收端，从而提供了分集效应。在接收端采用一定方法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比，即使在接收端较远时，也能获得较好的信号质量，从而间接提高了信号的覆盖范围。

由上述分析可以看出，MIMO技术是802.11n协议中的关键技术之一。在该技术领域，Cisco公司提出了一件公开号为US6144711A的专利。

该专利是针对MIMO技术提出的一种将天线阵列信息编码、传输、接收的无线数字通信方法。通过该方法，优化利用系统的空间分集，从而提高了系统的容量和性能，并显著地降低了系统的复杂度。

该专利的权利要求中覆盖了相应的接收系统和译码技术，包括空间信道的正交化处理、空间信道加权处理等过程。值得注意的是，该专利设计的系统，并不仅仅局限于无线通信，任何带有多输入多输出信道的通信系统都可以通过该专利提高系统的性能和容量。

在802.11n领域，该专利是比较基础的专利，图17是该专利的引证关系图。图中红色标签为该专利，黄色标签为该专利引用的40篇专利，蓝色标签为引用该专利的311篇专利。引用该专利的公司主要有QUALCOMM公司、AT & T 公司、LUCENT TECHNOLOGIES、爱立信等。

三、小结

近年来，我国在数字家庭领域专利态势良好，专利申请数量呈上升趋势，但是也存在着影响专利技术竞争力提升的诸多因素。国外企业近年来在我国数字家庭领域的专利部署趋势尤为引人关注。同时，技术标准中涉及的知识产权问题也非常突出。

总结我国数字家庭关键技术以及重点技术标准的专利布局，主要呈现如下几个特点：

1.数字家庭涉及技术领域宽泛，专利部署跨度广、领域重合性高、受标准的影响大。

2.专利部署趋势与该领域产业发展密切相关。产业发展的成熟度越高，企业专利部署竞争越激烈。

3.国内申请人具有一定的数量积累。国外企业专利部署注重针对性和策略性。

4.广东省领跑无线组网专利技术。产业政策的引导、产业环境的配套建设、典型企业的示范效应，共同支撑广东省专利技术实力的积累。

5.国外企业重视核心专利部署以及标准中关键技术环节的专利部署。围绕标准中的技术方案申请专利已经是国外公司常用的部署策略。

6.IEEE 802.11系列协议的专利部署严密。披露专利几乎覆盖了所有物理层和MAC层的关键技术环节。权利要求覆盖发送和接收过程，成为一些重点专利的部署特点。

综上，数字家庭领域专利部署范围广，覆盖网络技术、智能终端等多个领域。我国企业需要知己知彼，审慎面对，在日益激烈的市场竞争中，注重专利态势的变化趋势，掌握更多的专利布局热点，同时注重专利在标准中的作用，进一步加强自身在该技术领域的专利竞争力。