大规模多输入多输出技术专利态势分析

田珊

（国家知识产权局专利局，北京 100088）

1 大规模多输入多输出（MIMO）技术简介

移动互联网正在快速发展，物联网、车联网、智慧城市、工业智能化、移动多媒体等各种新的业务类型不断涌现，全球移动通信网络的数据流量需求呈指数增长态势，网络吞吐量增长千倍被视为未来第五代移动通信网络（5G）的关键性能指标。

随着移动数据业务量的不断增长，传统MIMO技术带来的性能提升明显不足以满足未来用户对通信系统容量、效率等方面的需求。2010年贝尔实验室的科学家Thomas L.Marzetta首先提出了大规模MIMO（Large-scale MIMO，也称Massive MIMO）的概念。大规模MIMO技术，指在基站配置规模较大的天线阵列，通过阵列增益来提高有用信号的发射功率，从而有效地提高系统的频谱效率。根据概率统计学原理，基站发射天线数量趋于无穷时，传统MIMO系统中严重影响通信性能的热噪声以及非相干小区的干扰将可以忽略不计，各用户对应的信道接近正交，可视为用户间没有干扰，同时服务多个用户，更充分地利用空间资源。

图1 大规模MIMO系统结构示意图

如图1所示，大规模MIMO技术的基本特征是，在基站布置数十根甚至上百根收发天线，相较于传统MIMO系统中布置4根或8根天线增加一个数量级以上，这些天线以大规模阵列的方式集中放置，分布在同一小区内的多个用户，在同一时频资源上利用基站配置大规模天线阵列所提供的空间自由度与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，因此，大规模MIMO系统频谱资源的整体利用率得到大幅提升。同时，由于基站配置大规模天线阵列提供了分集增益和阵列增益，每个用户与基站间通信的功率效率也得到显著提升。

与传统MIMO技术相比，大规模MIMO技术的主要特点在于基站端的天线数大幅度增加。在系统总的传输功率一定的情况下，由于天线数的增加使分配到每一根天线上的功率变小，而利用波束赋形等操作可以将传输数据准确地指向待发送的用户区域，从而降低了能量损耗。同时，基站端采用分集发送技术将相同数据利用多个天线向同一用户发送，目标用户将接收到的多个天线的数据流信号进行相干叠加得到强度更高的期望信号，而其他用户接收到不同数据流的干扰信号可以相互抵消从而降低了干扰。因此，大规模MIMO技术能够显著提高系统的能量效率。

基站端天线数目增加使系统降低了对单根天线精确度的要求。此外，当天线数目增加，大规模MIMO系统中单根天线上的功率相较于传统MIMO大大降低，因此可以使用廉价的功率放大器代替价格昂贵的高功率放大器，从而显著降低设备的成本。同时，大规模MIMO下行的发射功率较小，可以满足5G的绿色节能需求。

传统的MIMO系统对功率放大器以及射频链路的要求很高，系统的某一模块出现故障可能导致整个系统崩溃。而大规模MIMO系统中天线单元众多，部分模块出现问题往往不会影响整个系统的正常运行，从而提高了系统的鲁棒性。由于其低能耗和高性能的优势，大规模MIMO技术受到了业界的广泛关注，并成为5G中可行性较高的关键技术。

2 大规模MIMO技术专利申请状况分析

本文对全球范围内有关大规模MIMO的专利申请进行分析，以反映目前的大规模MIMO技术领域的专利分布情况。通过中英文关键词和分类号，在CNABS、VEN、SIPOABS数据库中进行检索，数据采集范围覆盖2010—2017年申请的专利。由于未申请提前公开的发明专利申请通常自申请日起满18个月公开，同时数据库更新存在一定时间的滞后，因此截至本文数据检索日（2018-03-20），2016年和2017年的部分专利申请未被上述检索使用的数据库收录。2016年和2017年的统计数据不完全，在以下的分析中仅作为参考。具有共同优先权的在不同国家或全球专利组织多次申请、多次公布或批准的内容相同或基本相同的一组专利文献称为专利族，本文的分析将专利族中的各专利单独统计。

2.1 相关专利历年申请量

图2显示了大规模MIMO技术相关专利在全球的申请量和在我国的申请量的年度分布。可以看出，由于大规模MIMO技术于2010年正式提出，2010年和2011年，大规模MIMO技术在全球和我国均出现了少量申请，处于萌芽期。随着技术研究的深入，从2012年开始，相关专利的全球申请量显著上升，2012—2015年的全球申请量几乎呈指数增长，进入快速增长期。相关专利的中国申请量则从2013年开始逐年快速上升，中国申请量的快速增长期相比全球申请量的快速增长期滞后了约一年时间。由于2016、2017年的部分专利申请未被公开，因此2016、2017年的实际申请量大于本文的统计数据，但仍然可以看出从2015年开始，我国申请量在全球申请量中的占比逐年上升。根据上述统计分析可以得知，近年来大规模MIMO技术在全球和我国均处于迅速发展时期，我国对该技术的早期研究略滞后于全球研究进展，自2013年开始我国对该技术的研究进展加快，专利申请人自2015年以来对在中国进行专利布局的重视程度逐步增强。

图2 大规模MIMO技术专利申请量年度分布

图3 专利申请国家/地区分布

2.2 专利申请国家/地区分布

图3显示了大规模MIMO技术相关专利申请的国家/地区分布情况，该图在很大程度上反映了该技术在各个国家/地区的市场占有以及研发力度的大小。从图3中可以看出，我国的专利申请量居首位，占比为30%，其次是美国，占比为22%，PCT（专利合作条约）专利申请量的占比为20%，排名第三，然后是欧洲和韩国，分别占比为10%和9%。可见中国、美国、欧洲、韩国是相关专利申请的主要国家和地区，上述国家和地区对该技术的重视程度较高，也是申请人抢占市场的重要目标国家和地区。同时该技术领域的申请人较为重视PCT专利的申请，由于PCT专利申请便于申请人向多个国家申请专利，可见在该技术领域，申请人对全球专利布局较为重视。通常，重视PCT申请的申请人较大概率为研发实力雄厚、在业界处于领先地位的企业，一个技术领域的PCT申请量的占比高低侧面反映出该领域在业界的受重视程度，从而可知大规模MIMO技术已成为相关领域的关键技术，具有较高的关注度。

图4 大规模MIMO技术相关专利全球申请主要申请人

2.3 主要专利申请人分析

图4示出了大规模MIMO技术相关专利在2010—2017年间全球申请量排名前10位的申请人。可以看出，三星电子公司在全球的申请量处于绝对的领头羊地位，全球申请量逾600件。接下来LG、阿尔卡特朗讯、东南大学、华为分居第2～5位，全球申请量介于100～200件之间。索尼、英特尔、英特尔IP、中兴、NTT DOCOMO排在第6～10位，全球申请量介于40～90件之间。在全球申请量排名前10位的申请人中，韩国申请人有2位，中国申请人有3位，日本申请人有2位，美国申请人有2位，美法跨国公司申请人有1位。可见，我国申请人在大规模MIMO技术领域的技术实力较强，在全球专利竞争中占据着一席之地。同时也清楚地看到，其中排名前两位的申请人均为韩国公司，尤其是稳居首位的三星电子公司，其全球申请量近乎相当于排名第3～10位的申请人的申请量的总和，可见三星电子公司在该领域占据着主导地位，其在该领域的研发实力以及对知识产权的重视程度均远超其他申请人。

2.4 主要申请人的专利地域布局分析

图5 主要申请人的目标国专利申请量

图5示出了大规模MIMO技术相关专利全球申请量排名前10位的申请人在各个目标国家/地区的专利申请量，反映了上述申请人的专利地域布局情况。从图5中可以看出，排名前两位的申请人三星电子公司和LG电子公司以及排名第6位的申请人索尼公司，其专利申请量最多的国家均为美国，分别占其在该领域专利全球申请总量的30.2%、29.6%和25.6%，而上述三家公司分为韩国和日本的公司，均不是美国的公司，但却均把美国作为占比最重的目标国，可能的原因是美国在该领域的消费能力较强，并且美国的知识产权法律保障制度较为完善，能够给申请人的专利权以充分和有力的保障。其余的企业申请人申请量最多的均为PCT申请，PCT申请使得申请人可以任意选择想要获得专利权的国家，可见企业申请人在该领域的全球专利布局意识较强，该领域的国际竞争较为激烈。唯一的非企业申请人是我国的一所高校——东南大学，其在该领域的专利全球申请量排名第四位，是我国在该领域申请量最多的申请人，但其专利申请量最多的国家是中国，在其他国家的申请量仅占其全部申请量的8.9%，可见对于我国的高校申请人，虽然专利申请的总量较多，但其专利主要布局在国内，这对其在该领域的国际竞争较为不利。我国的另外两位申请人，华为和中兴，在该领域的重点目标国家/地区，如美国、欧洲都有专利布局，且PCT专利申请量占比均较高，分别为33.7%和38.6%，为其在该领域进行有利的全球专利布局打下了基础。

3 结语

从以上分析可以看出，大规模MIMO技术的发展势头迅猛，我国的申请人跟上了该技术发展的步伐。虽然我国的部分企业和高校在该领域具有相当的研发实力，但与国际领先的企业相比还存在一定差距。我国企业可以向该领域内占据优势地位的企业如三星电子公司学习，研究其技术发展路线和专利布局思路，为自身的技术创新和专利保护提供参考。我国高校应注重提升专利布局意识，学习相关企业的专利布局方法，使自身的知识产权得到更好的保护。

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［3］刘俊辉.大规模MIMO无线通信关键技术研究［J］.通讯世界，2016（12）：77-78.

［4］苏昕，孙韶辉，康绍莉，等.面向IMT-2020的大规模天线技术［J］.电信网技术，2016（11）：14-21.