基于论文和专利的第五代移动通信技术发展趋势研究

阮 程 刘 娅

(中国科学技术信息研究所,北京 100038)

0 引言

当前移动通信领域已经跨入第五代移动通信时代,不仅网络传输速率更高,而且传输中呈现出低延时、高可靠、低功耗的特点[1],从而可以解决当前信号差、网速慢、通话质量不佳等基本问题。未来还将会在无人驾驶、虚拟现实技术(VR)以及物联网等领域发挥重要作用。国际电信联盟(ITU)于2012年形成了2020年及以后的国际移动通信(IMT)项目,为全球5G研究和发展提供了总体框架[2]。世界各国针对第五代移动通信网络在技术上的可行性研究、标准化以及产品方面进行了大量的投入。我国于2016年1月正式启动5G技术试验[3]。因此,探讨第五代移动通信领域发展现状,探索第五代移动通信领域技术热点以及发展趋势,有助于促进学科发展,确定技术研发方向。

论文是基础研究成果的重要指标,专利是技术创新成果的重要指标。本研究采用陈超美博士基于JAVA语言开发的可视化工具CiteSpace[4]提供的词频探测技术,将对第五代移动通信技术论文和专利进行文献计量分析,全面了解第五代移动通信领域的发展现状,对其技术热点进行深入分析,探索第五代移动通信技术的发展趋势。

1 数据来源与处理

1.1 数据来源

论文选取Web of ScienceTM(简称“WoS”)核心合集数据库,其共收录8000多种世界范围内具有影响力的且经过同行专家评审的高质量期刊。专利选取Derwent Innovation Index(简称“DII”)专利数据库,其收录了来自世界各地包括世界专利组织(WO)、美国专利局(US)、欧洲专利局(EP)在内的超过52家专利授予机构提供的增值专利信息。

1.2 处理程序

1.2.1 数据收集

通过阅读文献资料,咨询相关领域学者,基于关键技术名称以及多种描述方式下的唯一技术指向性原则确定组配检索式的技术关键词。关键词检索式如下：TS=(5G or f-OFDM or MIMO or FBMC or MMW or “mm wave” or “millimeter wave” or C-RAN or Cloud-RAN or “ultradense network” or “carrier aggregation” or “Non-Orthogonal Multiple Access” or SCMA or “Multi-User Shared Access” or “Pattern Division Multiple Access” or SDN or NFV or “cognitive radio spectrum sensing techniques” or D2D not 4G not 3G)。对于专利数据则需要结合国际专利分类号(简称“IPC”)进行精确检索。经查阅资料,移动通信领域专利隶属“H04”大类。基于国际组织以及世界各国对于第五代移动通信领域项目的推进落实情况,本研究选取检索时间段为2013-2017年。检索截止时间为2017年12月17日。

WoS论文检索结果：获得初始文献题录数据21071条。DII专利检索结果：获得初始文献题录数据13392条。

1.2.2 数据处理

获取的初始数据在不同程度上具有噪声数据。对21071条论文数据进行去重处理,最终获得有效数据20100条；对13392条专利数据进行格式转换,最终有效数据为11857条。

将经过预处理后的两类数据源分别按照各自设定的阈值生成关键词共现图谱以及对相关词频进行排序。论文数据的主题词来源选择标题、摘要、作者关键词以及WoS增补关键词,网络节点选择关键词。专利数据的主题词来源选择标题、摘要、作者关键词。专利数据的网络节点分两步进行选择：选择关键词作为节点得到德温特分类代码序列,初步分析第五代移动通信领域技术所属类别；选择类型作为节点得到德温特手工代码序列,进一步分析领域中的具体技术内容。在最终分析过程中专利数据的关键词是其德温特手工代码。

在总体分析中,论文数据和专利数据选定分析时间段为2013—2017年,基于时间切片论文数据设定截取词频排名前50位的关键词,专利数据设定截取词频排名前100位的关键词,掌握领域整体发展情况。在特征关键词趋势分析中,经过多次试验的数据观测结果,最大范围包含年度关键词,两类数据源基于时间切片截取词频排名前300位的关键词,获得历年关键词序列表。在裁剪参数和功能区选择最小树法。其余参数按照默认选项设置。

2 WoS核心合集论文分析

2.1 总体分析

论文数据关键词共现图谱如图1所示,有73个网络节点,151条节点间连线。根据参数值意义,此处节点代表抽取的关键词,出现频次高的关键词节点大。节点之间的连线,代表词与词之间的共现强度。在截取的关键词总排序中,主要包括以“system”“design”“performance”为例的非技术指向性关键词,以“massive mimo”“mimo system”“millimeter wave”为例的信道传输技术关键词, 以“cellular network”“wireless network”“heterogeneous network”为例的网络架构关键词。根据齐普夫定律,关键词在某一研究领域文献中出现的频次高低可以确定该领域的研究点的热冷。因此,出现频次较多的关键词在一定程度上反映了第五代移动通信领域的热点基础研究成果。结合图1中的节点及连线,对论文数据中的关键词共现做进一步分析。

system的节点最大,即出现频次最高,频次为2697。其次是design、mimo、network、performance、channel、capacity等关键词。“system”与多个关键词存在关联,即构成多项关键技术名词。例 如“channel system”“mimo system”“network system”。第五代移动通信领域中存在一个广义的“system”,指代一个3GPP系统,它包含5G接入网(5G Access Network)、5G核心网(5G Core Network)和用户设备(User Equipment)。

包含“design”的关键词多指代某项技术或者架构的设计,例如空口设计(AirInterface Design)。传统单一定制化的空口技术和参数设计无法满足第五代移动通信技术对于高速率和高容量的要求[5],因此需要优化空口设计技术提高传输性能。

关键词“mimo”指代一种无线通信领域的主流技术,多入多出技术(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）[6],亦称为多天线技术。通过在通信链路的收发两端设置多个天线而充分利用空间资源,能提供分集增益以提升系统的可靠性,提供复用增益以增加系统的频谱效率,提供阵列增益以提高系统的功率效率[7]。除此之外,与“mimo”有联系的关键词还有“mimo system”、“massive mimo”。

关键词中包含“network”的网络技术具有明确指向性,种类繁多,除前文提及的接入网、核心网外,包括在2013—2017年呈持续上升趋势的蜂窝网络(Cellular Network)。蜂窝结构是一个异质的结构,它包括宏蜂窝、微蜂窝、小蜂窝和中继等。此外,端到端(D2D)通信、物联网(IOT)也被纳入了5G的蜂窝网络架构[8]。

关键词“performance”指代性能,专业术语包括“performance analysis”“high-performance”等,基于算法或模型对某种技术的性能进行分析,通过性能分析对当前研究成果进行改善和优化。

关键词“channel”指代信道技术,“capacity”指代容量。移动通信是通过无线信道来实现的,第五代移动通信技术为了提高传输速率和频带利用率以及降低传输误码率必须尽量减少噪声、信道干扰等以提高信道的容量。因此对于信道的科学研究,包括前文中分析的系统设计、性能优化,容量在此处作为检测性能的一项指标。

图1 论文关键词共现图谱

2.2 特征关键词趋势分析

本研究选取两类特征关键词：将2013-2017年各年份排名前十位的关键词视为本研究的高频关键词；将2013-2017年各年份最低的一个频次的关键词视为本研究的低频关键词。在设定参数下未提取出的关键词频次默认为0。基于齐普夫定律高频关键词在一定程度上可以反映领域的研究热点。基于研究热度与关键词频次呈现正相关变化,因此在时间范围内具有一定变化趋势的低频关键词可以反映领域的潜在关注点及发展趋势。

(1)论文高频关键词分析

2013-2017年历年高频论文关键词序列如表1所示。“system”“design”“network”作为总体分析中的高频关键词,在历年高频关键词中同样占据重要地位。“system”在历年高频关键词中排名第一,“design”“network”在历年高频关键词中的排名仅次于“system”,位次呈现上升变化。随着第五代移动通信系统以及网络等相关系统设计研究热度的持续上升,其频次逐年提高。“mimo”“performance”“channel”“capacity”对应前文分析结果,“mimo”“performance”“channel” 在历年高频词中的排名呈波动变化,频次伴随研究热度呈现持续上升趋势。作为检测性能的指标“capacity”的排名逐年降低,其频次随着信道技术研究热度上升而上升。“optimization”自2014年出现在TOP 10高频关键词序列,2013年排名第13位,其位次相对稳定,频次逐年上升。“algorithm”即算法,在2014年和2016年进入TOP 10行列,其频次在2015年有所下降,从整体上看呈现上升趋势。在第五代移动通信领域的科学研究中包括各种基于算法对性能进行优化的内容,因此与之有关的关键词频次持续升高。

表1 2013—2017年历年论文高频关键词的前10名排序

(2)论文低频关键词分析

2013-2017年历年低频论文关键词数量不统一,关键词频次变动幅度在一定程度上可以反映研究热度的变化规律。因此,本研究基于历年低频关键词序列,以变动幅度为标准选取变动幅度较大的低频关键词做进一步分析。经比较分析,2015-2017年未出现具有代表性且变动幅度较大的低频关键词。因此,以2013-2014年低频关键词“mimo antenna”与2014年低频关键词“5g”“challenge”为例,相关频次变化如图2所示。

“mimo antenna”,即多输入多输出天线技术。“mimo antenna”多与“system”“design”等前文中分析出的高频关键词同时出现。例如2017年发表于《IET MICROWAVES ANTENNAS & PROPAGATION》期刊的论文《Dielectric resonator based MIMO antenna system enabling millimetre-wave mobile devices》,以及2017年发表于《MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS》期刊的论文《Design of a compact MIMO antenna with pattern diversity for WLAN application》。该关键词是高频关键词“mimo”“system”的拓展形式,关键词的词频流量未发生突变,频次从2013年的9次缓慢上升至2017年的32次。大规模多输入多输出系统通过在基站配备超大规模天线阵列,极大地利用空间自由度来为更多用户提供无线通信服务[9]。因此为提高系统能效,与mimo天线技术设计有关的研究热度呈现上升趋势。

图2 论文低频关键词趋势图

图3 专利关键词共现图谱

“challenge”作为未体现具体技术的2014年的低频关键词,由起初11次上升至2017年的153次。“5g”和“challenge”作为主题词的论文多数是对第五代移动通信技术发展趋势的预测,例如各项网络技术面临的机遇与挑战以及第五代移动通信技术的发展给其他学科领域带来的挑战。

3 Derwent专利分析

3.1 总体分析

专利数据关键词共现图谱如图3所示,有45个网络节点,97条节点间连线。此处,节点代表的关键词是经格式转换后的德温特分类代码。其余参数值意义与论文数据一致。在截取的关键词总排序中,包含以W01、W02为例的隶属于W大类的专利类别,以T01为例的隶属于T大类的专利类别,以及V07、U22等其他频次远远低于前三位的专利类别。因此,结合图3中的节点及连线,对专利数据中的前三位关键词进行总体分析。

W01(telephone and data transmission systems)节点最大,频次最高为5502,表示电话和数据传输系统相关专利。其次是W02(broadcasting_radio and line transmission systems),频次为4344,表示广播、无线传输系统相关专利。T01 (digital computers)排名第三,频次为3688,表示数字计算机相关专利。

上述结果范围较宽泛,本研究选取类型作为节点对数据做进一步分析。此时,专利数据关键词为德温特手工代码,有利于了解专利技术的具体指向。最终结果表明,W01-A06C4频次最高为3232,表示的是数字信息传输子领域下的交换以及交换中的链接(包括局域网)子领域下的以介质为特点的无线电通信线路相关专利。其次是W02-C03A5,频次为2134,表示的是通用传输系统子领域下的无线电通信系统中的以多样性为特点的混合分集方案相关专利。T01-S03排名第三,频次为1483,表示的是软件条目子领域下声明的软件产品。

3.2 特征关键词趋势分析

与研究论文特征关键词方法类似。在总体分析的基础上,基于时间切片中提取的类型关键词作为节点的德温特手工代码,截取2013-2017年各年份关键词进行趋势分析。基于特征关键词的分析结果,考察专利市场中第五代移动通信领域技术热点。由于专利申请公开周期具有不确定性,关键词的频次和位次呈波动变化,缺乏可比性。因此,本研究选择相对值“历年特征关键词频次/历年特征关键词中最高频次”进行特征关键词趋势分析。

表2 2013-2017年历年专利高频关键词POP 10名排序

(1)专利高频关键词分析

2013-2017年历年专利高频关键词TOP 10如表2所示,占比趋势变化如图4所示。结合位次和占比量对专利高频关键词做进一步分析。

专利数据的历年高频关键词一共有12个,分别隶属于W01、W02、T01三类。W01-A06C4、W02-C03A5在2013-2017年的位次保持稳定。W01-A06C4(Radio link)作为历年最高频次关键词,其数量上呈现先上升后下降变化。W02-C03A5(Hybrid diversity schemes) 在位次保持不变的情况下占比量逐年降低。W02-C03G1为资源分配与认知无线电系统子领域下的资源分配相关专利,其占比量和位次均呈现逐年上升趋势。

将现代教育技术引入到高中生物教学课堂当中，有利于高中生物教学的开展，但部分高中生物教师对现代教育技术理解不透彻，无法将其与高中生物教学深度融合在一起，影响了教学效果。高中生物教师只有加强对现代教育技术的认知，才能改变这种现状。

W01-C01D3C为移动无线电话子领域下的便携式设备相关专利。W01-A03B为多功能传输路径子领域下的数据包传输相关专利。W01-A06G2为网络切换/链接子领域下的存储转发交换相关专利。W01-A06A3为测试监控子领域下的网络使用和运行监控相关专利。W01-A06E1L为接入和路由子领域下的数据网络资源分配相关的专利。W01-C01D3C位次先下降后上升,占比量逐年降低。W01-A03B、W01-A06G2位次降低,W01-A06A3位次上升,三类专利的占比量均先上升后下降。W01-A06E1L位次逐年上升,2017年首次出现在TOP 10行列,其占比量先上升后下降,整体呈现上升趋势。

图4 专利高频关键词占比趋势图

T01-S03(Claimed software products) 在2013-2015年的位次未发生改变,占比量也保持相对稳定状态,2016年位次下降并且保持稳定,连续两年占比量减少。T01-C03C为远程数据交换子领域下的用于接入网络的无线链路相关专利。T01-N01D为用于描述网络通信和网络系统具体应用的文档子领域下的数据转换相关专利。T01-N03为互联网和信息传递子领域下的互联网软件相关专利。T01-C03C占比量和位次都呈现下降趋势,2016年位次跌出TOP 10行列。T01-N01D占比量和位次都呈现波动性变化,2017年位次跌出TOP 10行列。T01-N03占比量变化是先上升后下降,整体上占比量有所提高,2016年起进入TOP 10行列。

综合上述分析,隶属于三大类的专利中只有W01-A06E1L、W02-C03G1、T01-N03的占比量整体上有所上升。W01-A06E1L的专利包括专利公开号为WO 2016187756A1、WO 2016167608A1等在内的与无线电通信中测量网络性能有关的资源分配技术和方法。W02-C03G1的专利包括公开号为WO 2017180040A1、WO 2016184224A1等在内的与信道分配和无线电通信管理有关的方法和装置。这两种专利都与资源分配技术有关,表明在第五代移动通信技术发展过程中,实现高质量通信的关键在于合理分配信息资源,在一定程度上表明这一技术在通信行业的竞争力。T01-N03的专利包括专利公开号为WO 2013036682A1、WO 2016184270A1等在内的与无线通信有关的互联网软件设备。

(2)专利低频关键词分析

与论文数据中低频关键词分析方法类似,基于变动幅度选取低频关键词做进一步分析。本研究以2013年低频关键词W01-C01G8S、W02-C03A5P和2017年未出现的T01-N03B1进行趋势分析。2013-2017年低频关键词占比趋势变化如图5所示。

W01-C01G8S是电话制造子领域下与用户设备有关的特殊电话与智能手机中的智能手机相关专利。该手工代码下的专利包括专利公开号为WO 2017177866A1、WO 2017167140A1等 在 内的多种通信领域的方法和装置,用于与软件和程序控制方面有关的发明。智能手机作为移动互联网时代主导人们生活方式的移动设备,其性能面临着更高的要求。因此,各专利权人需要在完善性能的同时在市场竞争中抢占先机,确保自身生产和销售的安全性。

图5 专利低频关键词占比趋势图

W02-C03A5P是以多样性为特点的混合分集方案子领域下的预编码问题相关专利。根据二次检索结果,该手工代码下的专利包括公开号为CN 107493123A、WO 2017217819A1等 在 内 的多种检测状态的方法和装置,用于均衡意义上的预编码有关的专利。预编码是信号发射端的准备过程,这一过程可以消除信息传输过程中用户间的相互干扰,解决在用户端做均衡处理的高能耗问题。随着5G发展对于信息传输的高质量要求,预编码相关的专利技术呈现持续上升趋势。

T01-N03B1是T01-N互联网和信息传输子领域下的互联网软件中的结构化软件可执行程序相关的专利。该手工代码下的专利包括公开号为CN 105988724A、WO 2016188059A1等在内的多种设备以及设备安装应用方法,例如利用flash查看内容的可执行程序。结构化设备以及相关方法的日益成熟,其应用市场稳定,专利占比量逐年递减。

4 论文与专利的比较分析

前两小节分别对两类数据源进行关键词分析,了解科学研究和技术研发中第五代移动通信技术的热点及发展趋势。现将两类数据源相结合进行比较分析

(1)论文与专利分析之间的共性

两类数据源基于不同种类的关键词共同反映了第五代移动通信领域的研究热点或技术热点。论文数据中与技术发展有关的研究结果表明,第五代移动通信领域的科学研究内容集中于网络架构、信道传输等系统以及基于各类算法对方法和装置的优化设计。例如多入多出天线、蜂窝网络架构、信道预编码设计。通过科学研究中的指标体系,对当前使用的设备或技术进行性能分析,从而提出创新点,深入探讨以实现优化目的推进第五代移动通信领域的技术创新。专利数据的研究结果表明,第五代移动通信领域的技术创新成果集中于无线电通信线路、智能机等设备以及其性能的优化。例如数据资源分配、基于预编码的信道传输设备与技术。通过技术研发实现科研成果的合理转化,推进第五代移动通信领域的技术应用与实践。

(2)论文与专利分析之间的区别

两类数据源在反映第五代移动通信领域侧重点上有所差异。论文数据不仅关注第五代移动通信领域的技术研发,对于领域发展的理论研究也投入了一定的关注度。以“challenge”“performance”为关键词代表的论文研究内容包括第五代移动通信领域关键技术综述、基于通信领域现状对第五代移动通信领域的发展展开预测以及学科领域之间的相互渗透。专利数据反映的是各种基于算法、性能分析之后优化的关键技术应用情况,包括形成的软件产品等专利实体。例如流量控制方法及装置、探测响应方法及装置。因此,相较于专利数据的技术研发侧重点,在科学研究过程中对于第五代移动通信领域的理论探讨更为突出。

5 结语

本文对2013-2017年第五代移动通信技术的20100篇论文和11857件专利进行了文献计量分析,得到如下的分析结果。

(1)对论文数据的关键词的分析表明,第五代移动通信技术的热点在于以优化信道传输为代表的各类型网络架构设计。第五代移动通信的业务需求和以SDN/NFV为代表的新型技术共同驱动新型网络架构发展,从而支持多样化的无线接入场景业务,满足端到端的业务体验需求,实现灵活的网络部署和高效的网络运营,最终与无线空口技术共同推进5G发展[10]。

(2)对专利数据的关键词的分析表明,第五代通信技术的热点为电话和数据传输系统,广播、无线传输系统两大类技术专利,都隶属于W大类,即通信领域。在排名靠前的技术领域中,较为特别的是T大类,即计算和控制技术领域。专利市场中关于第五代移动通信领域下的专利主要包括以信道预编码为代表的各类型数据传输、基于算法优化性能的方法与装置等。

(3)通过对专利信息进行定性或定量分析,获得包括研发技术在内的与第五代移动通信领域发展相关的创新点及启示,形成基础研究成果。将基础研究成果中提出的技术、方法等投入实践,具有新颖性的结果可以申请相关专利,形成技术创新成果。根据上述结果,第五代移动通信技术领域中的基础研究成果与技术创新成果之间存在一种联系。因此,不论是基础研究成果还是技术创新成果,第五代移动通信领域的技术热点在于信道传输设备以及相关技术的设计和优化,以各种资源分配、信道预编码为代表的关键技术的设计研发。从而满足人们日益增长的对于网络通信技术的要求,加速未来5G在无人驾驶、VR以及物联网等领域的应用,实现真正的万物互联时代。

(4)本文将论文关键词和专利手工代码视为同一维度的关键词,结合关键词共现图谱基于词频探索第五代移动通信领域的技术热点,在一定程度上可以反映研究趋势。对热点技术进行了比较浅显的分析,并且加以概念解释。在处理数据时由于阈值的设置,分析结果可能存在细小误差。为了更好地识别第五代移动通信领域的技术热点,下一步可以基于文本挖掘对专利文献的关键词进行深度分析。将研究结果与当前结果进行对照,可能对通信技术领域的发展更具有指导性。