4G关键技术及其在中国的专利申请量分析

2014-12-03陈少蓓

科技资讯 2014年26期

陈少蓓

摘要：本文首先介绍了4G的三种关键技术，随后分析在中国申请的三种关键技术对应的专利申请量、以及申请量的国别统计，由此得到，虽然在我国的专利申请中，国内申请人占多数，但其他国家申请人在外国申请专利的现象非常普遍，旨在鼓励广大科技工作者提高自身的知识产权保护意识，将自己的劳动成果转化为能够创造价值的知识产权，进而促进我国的科技创新和社会进步。

关键词：4G OFDM 智能天线 MIMO 专利

中图分类号：G306 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0030-03

2013年12月4日下午，中华人民共和国工业和信息化部（下称“工信部”）向中国移动、中国电信、中国联通等三家运营商正式发放了第四代移动通信业务牌照（即4G牌照）。一时间，人们对4G的讨论也进入了顶峰。时隔半年多，2014年6月27日，工信部在其官方网站上发布消息，正式批准了中国联通和中国电信在重庆、上海等16个城市开展TD-LTE/FDD-LTE混合组网测试。这意味着，中国联通和中国电信也会加大对于4G网络的投入，努力争夺4G市场。4G网络能够给终端用户带来了高速率、高质量、高灵活性等用户体验，人们不禁会问究竟何为4G？

4G，指的是第四代移动通信技术，国际电信联盟（ITU）定义的4G标准为达到100M传输数据的速率，即只要达到这个标准的通信技术，理论上都可以称为4G。由于带宽的限制，目前的运营商很难达到上述速率要求，现有的4G主要指LTE（Long Term Evoluttion）技术，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，由于其没有达到ITU对4G通信技术的速率要求，因此也可以说目前的4G还只是3.5G。

现有的4G系统是集合了多种先进的技术的系统，究竟4G系统的关键技术有哪些？其在中国的专利申请量如何？申请的国别分布如何？下面笔者就对上述几个问题进行简单的分析。

1 4G的关键技术

1.1 OFDM

OFDM技术可以看成是由传统的频分复用技术（FDM）发展而来的。OFDM最核心的思想是采用并行传输技术降低子路上传输的信号速率，使得OFDM符号长度比系统采用间隔长很多，从而极大地降低了时间弥散信道引入的符号间干扰（ISI）对信号的影响。OFDM系统将宽带信道转化为许多并行的正交子信道，从而将频率选择性信道转化为一系列频率平坦衰落信道，在频域内仅需简单的一阶均衡器。OFDM系统的子载波间隔已达最小，所选择的子载波间隔使得不同子载波上的波形在时域上相互正交且在频域上相互重叠，不同子载波间不需要保护间隔，最大化了系统频谱效率。

1.2 智能天线

智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初应用于雷达、声纳等军事等方面。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内有用的信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

智能天线的工作方式主要有两种，全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。正是在这一背景下，提出了基于预多波束的切换波束工作方式。此时全空域（各种可能的入射角）被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个（也有可能是几个，但需合并后再输出）作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现[1]。

1.3 MIMO

多入多出（MIMO）技术，即利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术。由于电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰的存在，使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道传输难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。但对于MIMO系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用，因 MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道，多输入和多输出针对多径无线信道而言的。MIMO系统的原理图如图1 所示，其传输信息流S（k）经过空时编码形成N个信息子流CN（k），这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收利用先进的空时编码处理就能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是这N个子流同时发送到信道时，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射和接收天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，在不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用MIMO技术可以成倍地提高系统传输容量，大大提高了频谱利用率[2]。

2 4G关键技术在中国的专利申请量分析

我国对4G技术研究可以追溯到2001年“国家863计划”启动了面向后三代/四代的移动通信发展研究技术即未来通用无线环境研究计划（简称FuTURE计划）开始。经过14年的发展，4G从技术向产品转化，经过系统集成，产品开发等环节，终于迎来了商用阶段。作为技术发展的方向标的专利申请文件，也体现了业界对于最新技术的研究方向。因此，笔者分析了2001年以来4G关键技术在我国的专利申请量，也希望通过对上述专利申请量的分析，提示广大研发人员和相关企业提高专利保护的意识，通过知识产权的武器来提高自身的国际竞争力。当然，4G网络中还有很多其他关键技术，由于篇幅所限笔者在本文中的分析也只是起到抛砖引玉的作用，对于其他关键技术不再一一进行分析。

2.1 OFDM

（1）OFDM技术2001-2014年6月专利申请（已公开）申请量（见图2）。endprint

从上述申请量图可以看出，最初的4年基本没有专利申请量，随着4G技术研究的深入，申请人从2005年开始逐渐在我国申请专利，到2009年达到顶峰。由于2013年和2014年的专利大部分还没有满足18个月公开的期限，因此2013年和2014年的专利申请量数据只作为参考。

（2）OFDM技术2001-2014年6月专利申请（已公开）申请量国别统计（见图3）。

从上述国别统计图可以看到，就OFDM技术而言，国内申请人还是占多数达到54%，紧随其后的专利申请量美国占13%，日本占11%，韩国7%，瑞典5%，其他国家和地区的仅占总量的10%。上述统计图反映了国内申请人占大多数外，还反映了世界通信行业企业也大多分布在美国、日本、韩国、瑞典等国家。

2.2 智能天线

（1）智能天线技术2001-2014年6月专利申请（已公开）申请量（见图4）。

从上述申请量图可以看出，与OFDM技术不同，智能天线技术在中国的专利申请从2006年才开始，总量不是很多，在2011年达到顶峰。同OFDM技术相同，由于2013年和2014年的专利大部分还没有满足18个月公开的期限，因此2013年和2014年的专利申请量数据只作为参考。

（2）智能天线技术2001-2014年6月专利申请（已公开）申请量国别统计（见图5）。

从上述国别统计图可以看到，与OFDM技术相同，智能天线技术仍然是国内申请人提交的申请量占绝大多数，达到总量的66%，其他国家和地区的前3位分别是美国占13%，日本占8%，韩国占3%。

2.3 MIMO

（1）MIMO技术2001-2014年6月专利申请（已公开）申请量（见图6）。

从上述申请量图可以看出，MIMO技术在中国的专利申请量2005年之前为0，从2005年才开始有相关MIMO技术的专利申请，之后逐渐增加，到2010年达到高峰。同样的，由于2013年和2014年的专利大部分还没有满足18个月公开的期限，因此2013年和2014年的专利申请量数据只作为参考。

（2）MIMO技术2001-2014年6月专利申请（已公开）申请量国别统计（见图7）。

从上述国别统计图可以看到，与其他两种技术相同，国内申请人的专利申请量仍然占了总量的43%，高居榜首，紧随其后仍然是美国，占了总量20%，日本也占了总量的13%，韩国占总量的7%，瑞典占总量的6%。

3 结语

从上述统计数据来看，我国的专利申请的大部分都是由国内申请人提交的，而且就通信行业而言，美国、日本、韩国、瑞典等世界通信行业的领先国仍然属于专利申请大国，其发明人在外国申请专利的意识也很强。就4G技术而言，从开始研究到有专利申请也经历了3～4年的时间，因此广大科技行业的工作者也需要提高自身的知识产权保护意识，提前将自己的劳动成果转化成有自主知识产权的技术，才能促进科技进步，提高我国的知识创新能力。

参考文献

[1] 周恩.下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术[M].人民邮电出版社，2008，5.

[2] 王洪.移动通信中MIMO-OFDM技术概述[J].中国新通信，2013（18）.

注：本文中的数据均来自中华人民共和国国家知识产权局专利局的专利检索与服务系统中的《中国专利文摘数据库》（简称CNABS数据库），该数据库时有更新，本文中的数据统计截止至2014年6月30日，而本文中引用上述数据只是用来说明宏观问题，因此望读者能