边缘计算领域核心专利挖掘——基于专利引证视角

商 琦，陈洪梅

（1.苏州工业园区服务外包职业学院信息工程学院，江苏苏州 215123；2.苏州大学计算机科学与技术学院，江苏苏州 215006；3.苏州市科技情报研究所，江苏苏州 215021）

1 研究背景

国际数据公司（IDC）预测，2020 年全球互联网数据量将超过40 ZB，45%的数据将在网络边缘被处理［1］。为解决传统云计算架构无法有效处理网络边缘产生或转发的数据，在网络边缘处执行计算任务的网络模型应运而生。美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL) 于2013年在一份内部报告中首次提出“边缘计算”（edge computing）概念［2］，从数据源到云端中心路径之间的任意计算节点和网络设备执行任务计算或调度的过程都属于边缘计算范畴。2015 年9 月，欧洲电信标准化协会（ETSI）发布移动边缘计算白皮书以更好地满足技术标准制定及产业落地需求［3］；2015 年11 月，由思科公司（CISCO）、微软公司（Microsoft）和普林斯顿大学组成的开放雾计算联盟正式开启雾计算协议架构设计［4］；2016 年，美国自然科学基金委将边缘计算划入重点强调领域，并于2016 年10月举办会议研讨边缘计算的未来与挑战［5］；2016 年11 月，由华为技术有限公司（以下简称“华为”）牵头成立了国内边缘计算产业联盟，旨在推动边缘计算产业整合［6］；2019 年1 月，在第二届欧洲边缘计算论坛上，由International Business Machine（sIBM）、Integrated Electronics Corporation（Intel）等多家企业达成意向建立欧洲边缘计算产业联盟，旨在为该技术领域合作提供交流平台，以推动边缘计算产业快速发展。

目前边缘计算技术的文献研究集中在网络架构、小朵云、移动边缘、负载迁移等方面。例如，施巍松等［7］从边缘网络的计算模型、系统平台和典型应用等方面对边缘计算技术进行详实阐述，是国内外边缘计算研究的引领者；Verbelen 等［8］首次提出“小朵云”概念，将云服务器负载部分迁移到移动终端边缘侧，并以动态方式接入网络中任意设备以减轻云服务器负荷；Malandrino 等［9］将边缘计算技术应用到移动蜂窝网络，并对提高带宽利用率和降低网络延迟给出较好的解决方案；赵梓铭等［10］比较了3个具有代表性的边缘计算平台，通过应用实例阐述边缘计算在移动应用和物联网领域的优势及挑战；田辉等［11］从细粒度任务卸载算法、高可靠任务卸载与预测算法以及服务器联合资源管理策略等方面，研究了边缘计算在5G 领域应用。

世界知识产权组织（WIPO）统计数据显示，专利文献占世界科技信息量的90%以上［12］，专利引证分析正是基于专利文献的引证关系所构建的行之有效的分析方法。很多学者对专利引证分析研究主要集中在知识继承与技术演化、专利引证机理与规律、专利引证应用等方面。在知识继承与技术演化方面，Kuusi 等［13］通过专利引证关系分析被引技术与施引技术之间的知识流动和技术继承，从而挖掘被引技术演化发展趋势；Verspagen［14］证实SPLC 和SPNP 算法在专利引证拓扑中的可行性，并将其用于燃料电池技术主路径的识别与提取；许琦等［15］基于专利引证拓扑对知识流动过程建模，并分析论证了知识流的聚合原理。在专利引证机理与规律方面；Blind 等［16］从动机视角实证了专利申请动机与专利引证频次呈高度正相关；赵阳等［17］通过分析专利申请主体和审查主体引证专利文献的行为过程，以揭示不同引证动机对专利引证行为和结果迥异；林德明等［18］通过研究专利文献在不同国际分类体系的统计和分布特征，从而揭示出专利被引频次的概率分布呈现幂律规律。从专利引证应用方面，Sharma等［19］通过专利引证网络和数据分析了印度信息通信技术（ICT）产业竞争态势；李伟等［20］通过专利引证方法研究全球混合动力汽车产业竞争优势主体，以揭示核心技术和外围技术迁移路径；赵蓉英等［21］通过专利引证挖掘出人工智能领域核心专利及其引证主体竞争关系，从而揭示针对核心技术的专利布局策略。

上述研究虽然都是基于专利引证作理论或实证研究与创新，但均未涉及对边缘计算领域相关专利分析（截至2019 年12 月从中国知网未检索到相关文献），也未有从专利引证视角对边缘计算基础性技术和核心专利文献的相关研究，更未发现边缘计算技术继承与演化、核心专利挖掘的相关研究；其次，专利分析过程缺乏必要的检索策略，仅通过简单的技术分词构建的标题式检索策略既无法满足查全率，也无法满足查准率，检索结果往往不尽如人意，即便提供了简单的检索策略，也未有详细阐述检索依据和思路。

本文基于IncoPat 创新情报数据源构建全面且准确的检索策略，从专利引证视角对检索获取的目标专利进行分析，挖掘出全球边缘计算领域核心专利，并对挖掘出的核心专利作向后引证和向前引证分析，包括被引年份分布、专利权利人分布、技术分布和文本聚类分析，从而揭示出边缘计算的知识继承和技术演化路线、研究热点以及创新主体竞争情报和发展态势，围绕核心专利有针对性地制定专利布局策略，为国内边缘计算产业发展提供参考。

2 数据来源与检索策略

2.1 数据来源

利用IncoPat 创新平台对全球边缘计算领域相关专利进行检索、分析和挖掘，并对检索结果进行人工干预，筛选出目标专利进行定量分析和深度挖掘。

2.2 检索策略

以专利文献公开日期、技术分类号、标题、标题摘要、权利要求等作为检索要素，综合运用逻辑算符、截词算符和位置算法构建检索式如表1 所示，检索日期为2019 年11 月26 日，检索出截至检索日公开的4 303 篇专利文献。为提升专利查准率，过滤掉诸如云台控制、边缘图像计算、图像边缘等与边缘计算领域无关的噪声专利文献，经扩展同族合并最终获得与边缘计算领域高度相关的目标专利文献2 314 篇，作为全球边缘计算领域专利分析样本。

表1 全球边缘计算领域专利检索策略及结果

3 边缘计算专利引证分析

专利被引频次是用于评估专利技术地位或影响力的有效指标之一［22］，包括总被引频次、历年被引频次和年均被引频次等细分指标。总被引频次是仅从目标专利被后续专利引证数量层面的统计；历年被引频次是从目标专利被后续专利引证数量年份分布层面的统计；年均被引频次可以看作历年被引频次的平均统计值，能较好地修正因年份差异导致的误差，统计数据更具科学性和说服力。

将2 314 件目标专利按年均被引频次降序排列，得到年均被引频次排名前十的专利（见表2）。由表2可知，这10件专利文献的总被引频次都超过200次，多数在400 次以上，远超边缘计算领域专利的平均总被引频次，本文将其定义为边缘计算领域基础核心专利，或定义为泛边缘计算领域的核心专利（以下简称“核心专利”）。核心专利的公开日普遍在2010 年之前，年均被引频次和总被引频次高，持续时间长，从公开之日起便得到业内广泛关注，处于技术创新研发的基础地位和核心地位。

2 314 件目标专利中，年均被引频次排名前十的专利文献主要涉及内容分发和内容存储两个方面，即通过在网络拓扑中的节点服务器互联构成虚拟网，根据流量规则和网络负载状况将用户请求定向到距离用户最近的节点处理，以解决网络拥挤和访问变慢的技术问题。可以看出，边缘计算网络的产业应用缘起于内容分发网络的边缘缓存数据分发与传输的思想，并进一步发展到在网络边缘处提供数据计算分类，从而在内容分发与存储的基础上实现强大的边缘算力。高被引专利的公开日期普遍较早，其边缘缓存技术与内容分发传输技术已经成为边缘计算领域专利引用的核心技术，是边缘计算领域无法轻易规避的共性基础技术。高被引专利的公开国别均为美国，可以看出，拥有边缘计算领域领先技术的申请人非常重视美国，纷纷将核心技术专利布局在美国，也反映出美国是当前全球边缘计算领域核心技术应用国，是边缘计算领域全球核心技术高地。此外，高被引专利的申请人（专利权人）均为美国创新机构或个人，揭示出美国不仅是全球边缘计算领域核心技术的应用国，也是最重要的来源国。

表2 全球边缘计算领域年均被引频次排名前十的专利统计

表2 中，标题为“Providing services at a communication network edge”（在通信网络边缘提供业务）的美国专利US20110075675A1 的年均被引频次（60.6 次）和总被引频次（525 次）等指标均处于高被引状态，专利技术涉及移动边缘网关，可以提供一个或多个呼叫本地化、业务的卸载、会话管理和内容流服务，在边缘计算领域处于基础性核心地位；年均被引频次排名第二和第三的分别是Akamai 技术有限公司（Akamai）关于CDN 网络请求处理机制的美国专利US7240100B1 和MIT 关于使用网络边缘服务器提供内容分发的美国专利US6553413B1，这两件专利总被引频次分别为755 次和600 次，总被引频次指标分别排名第一和第二，但年均被引频次与排名第一的US20110075675A1 相比仍存在一定差距。

4 核心专利分析

核心专利是在技术演化路线中处于基础性地位或关键性地位，对领域内技术的后续发展具有引领作用和绝对贡献，对外延技术具有较高参考价值的专利文献［23-24］。基于IncoPat 数据源对边缘计算领域核心专利US20110075675A1 作深入分析发现，其向后引证专利数为83 件，即该核心专利引证了83篇专利文献作为现有技术；前向引证专利数为525件，即该核心专利被525 篇专利文献引证。

4.1 向后引证分析

对专利US20110075675A1 的83 件向后引证专利文献进行分析和挖掘可知，申请年份跨度较大，从1995—2010 年均有引证，但引证量排名前五的分 别 为2009 年（16.87%）、2008 年（16.87%）、2007 年（15.66%）、2006 年（10.84%）和2005 年（9.64%），表明专利US20110075675A1 引证的大多数是5 年以内的技术，继承了全球边缘计算最新创新研发成果，并进行技术突破与创新。其中，IPC 分类号小类排名前三的技术分支分别为H04L（53.01%）、H04W（48.19%）和G06F（16.87%），表明边缘计算领域创新研发主体在技术生命周期刚开始就关注边缘网络拓扑结构及其边缘数据传输和处理等技术领域，而专利US20110075675A1 正是在吸收上述技术基础上，在边缘网关桥接并维护本地会话管理、识别流量并将其卸载到Internet 或其他网络，以缓解核心网络负载；专利权人分布较广，引证数量排名前五的创新机构分别为CISCO（13.25%）、Starent Networks（6.02%）、3COM（4.82%）、Qualcomm（3.61%）和AT&T（2.41%），由于排名第二的Starent Networks 已于2009 年10 月被CISCO收购，专利US20110075675A1 引证技术主要继承自CISCO 分组交换、协议卸载、无线信号覆盖、会话管理等领域，并在此基础上对边缘计算进行技术研发与创新，进而成为边缘计算领域的核心技术。

4.2 向前引证分析

4.2.1 被引年份分布

对专利US20110075675A1 的525 件前向引证专利按公开日统计，被引专利数量排名前五的年份分 别 为2015 年（17.14%）、2014 年（16.76%）、2017 年（13.9%）、2018 年（13.33%） 和2016 年（12.38%）。由核心专利US20110075675A1 的申请日为2010 年9 月27 日、公开日为2011 年3 月31 日可以看出，核心专利公开后的2 年～3 年，即2014—2015 年，前引的专利文献最多，其次是公开后的4～6 年，即2016—2018 年，在2012 年以前引证的专利大多数是审查员在审查过程的专利文献引证。与2014—2015 年相比，2016—2018 年的引证数量并未明显下降，表明US20110075675A1 创新技术并未随着技术演化而被迅速淘汰或取代，依然是边缘计算高被引技术，在领域内基础性地位还无法被轻易撼动和更替。可以预见未来几年，该专利技术仍将作为基础性核心技术被大量引证。

4.2.2 专利权（申请）人分布

专利US20110075675A1 的525 件前向被引专利按总被引频次统计，排名前十的创新机构如表3 所示，可以看出，IBM、CISCO、华为、Nippon Electronic Company（NEC）、三星电子有限公司（三星电子）、Sprint Communications Company（Sprint）、Telefonaktiebolaget LM Ericsson（ERICSSON）、BlackBerry Limited（BlackBerry）、Lucky Goldstar Company(LG)、Nippon Telegraph & Telephone（NTT）均为US20110075675A1 的高被引创新机构。其中：IBM 总引证频次最多，共66 次，引证占比达12.57%，表明IBM 极为重视US20110075675A1 专利技术，在其基础上做了大量的外围创新，确保IBM在边缘计算领域始终保持领先地位；CISCO 是老牌网络设备供应商，在分组交换和路由技术领域占据半壁江山，引证频次排名第二，引证占比为9.14%，表明CISCO 在传统技术市场份额逐渐缩小的情况下积极谋求涉足边缘计算领域，将传统设备研发资源优势用于新兴网络架构并确保其核心竞争优势；华为的引证频次排名第三，共引证41 次，引证占比7.81%，与排名第二的CISCO 引证差距较小。

从表3 可见，华为是专利US20110075675A1 总被引频次排名前十创新机构中唯一一家中国的技术研发创新企业，也是国内为数不多的在通信技术领域国际竞争中的领导者和参与者。近年来，华为积极拓展国际市场，加大研发产品国际市场投放力度，并参与国际技术联盟制定技术产业标准，2016 年11月由华为、Intel、Advanced RISC Machines（ARM）等企业联合发起边缘计算产业联盟（ECC），会员已超过200 家；2018 年年底第二届欧洲边缘计算论坛上，华为与IBM、Intel、ARM 等企业达成意向联合建立欧洲边缘计算产业联盟（ECCE），打造边缘计算产业合作平台以推动产业发展。此外，源自日本的NEC、韩国的三星电子、美国的Sprint 和瑞典的ERICSSON 等创新机构也都高频引证US20110075675A1 专利技术，构建自身的专利保护网，从而最大化该技术领域的市场竞争优势。

从表3 可见，专利US20110075675A1 总被引频次排名前十创新机构中，美国、日本企业数量分别为3 家、2 家，其他国家企业数量为1 家。可以看出，美国虽然是全球边缘计算技术最大的来源国和应用国，但其他国家创新机构也积极谋划自身在边缘计算产业链中的地位，主动做好创新技术竞争布局以最大化自身利益。US20110075675A1 总被引频次排名前十的创新机构所示。

表3 专利US20110075675A1 总被引排名前十的创新机构

4.2.3 技术分布

专利US20110075675A1 的525 件前向被引专利中，IPC 分类号小类中最多的是H04W（无线通信网络，包括网络拓扑结构、移动边缘、数据卸载、无线网络的数据传输等），在分类号中占比为81.52%，远远超过排名第二的小类H04L（数字信息的传输，如内容分发与传输等）的43.05%和排名第三的小类G06F（电数字数据处理，如边缘数据计算和存储等）的8.38%，表明绝大多数引证US20110075675A1 技术的专利文献都是有关无线边缘网络领域，是将边缘计算技术迁移到无线通信系统从而实现在移动接入的边缘位置进行数据分发、缓存或其他特定处理等操作。可以预见未来几年，边缘计算领域还将更多关注移动边缘的网络拓扑和数据传输，并与5G 和物联网技术互融互通，以实现更强大的数据传输与计算能力。

4.2.4 文本聚类

文本聚类是依照专利主题之间的聚合关联性进行归类的过程，反映出技术主题的研究关注度和集中度。将专利US20110075675A1 被引证的525 件专利文献作文本聚类分析如表4 所示，可以发现边缘计算领域的研究热点集中于移动数据（49.3%）、无线中继（23.0%）、移动性管理（14.9%）和电路交换（12.0%）等一级技术子类，每个分类又细分为若干二级技术子类。

表4 专利US20110075675A1 被引证专利技术文本聚类分析

4.2.5 自引证

自引证分析是专利引证中比较特殊的研究分支。与外部引证相比，自引证更能反映专利权利人对核心技术积淀程度、技术继承和演化脉络状况，体现出创新机构在核心技术领域的技术布局和竞争优势。Hall 等［25］研究发现，创新机构的发明创造自引证频次与其产品市场价值呈正相关，每自引一次，产品市场价值增幅为10%。自引率作为专利引证评价指标之一，是指某专利文献权利人向前引证其自身专利文献数量在所有向前引证专利中的占比。自引率越高，表明专利权人的专利价值较高，对其后续研发布局影响越大。

专利US20110075675A1 在申请日之后的自引证专利（含同族专利）共有15 件，自引率为2.86%，从表5 专利 US20110075675A1 技术自引证演化路线可见：专利US20110075675A1 分别享有2009 年9月26 日申请的公开号为US61246118、2009 年11 月3 日申请的公开号为 US61257712 的美国专利的优先权，提供一种移动边缘网关用于识别网络流量并将其卸载到Internet 或其他网络，以缓解诸如呼叫业务和会话管理对核心网络的负载压力；2009 年11月，在移动边缘网关中添加了卸载逻辑，用于确定将接收到的控制面数据卸载所对应的合格性和标准性；2010 年3 月，应用到无线接入网络边缘，通过ECGIs 标识检测由同一个eNodeB 节点覆盖下的多个移动终端之间的分组数据流，从而实现边缘侧呼叫；2010 年8 月，在原有技术基础上提出一种将所选数据卸载到备选通信网络的系统和方法，卸载操作为所选分组业务提供另一条路由，以减轻移动运营商核心网络负担；2010 年12 月，提出一种用于在通信系统中自适应的路由数据分组系统和方法，以适应增加的数据流量并向终端用户提供高质量数据通信服务；2014 年5 月，将卸载网络ECGIs 标识范围扩大到与所述分组相关联的无线承载类型，和与所述分组相关联的无线承载标识中的至少一个，网关被配置为剥离与经由卸载网络从无线基站接收的分组相关联的路由信息，并且进一步被配置为封装分组的有效负载，以使分组被路由到无线网络；到2017年2 月，提出一种通信系统自适应路由，根据路由器策略监视移动设备是否与分组网络通信，以及与所述移动设备相关联的呼叫事件和数据流事件，生成分析数据并发送到网络接入服务器，从而更加有效地利用网络资源。

值得注意的是，本研究中目标专利自引证主路径上的专利US20110075675A1、US8693367B2、US9532293B2、US8743696B2、US9565117B2、US10165487B2 和US10291529B2 均发生过专利权转让，且受让方均为CISCO，可以看出CISCO 迫切需要拥有移动边缘服务和路由策略等技术以维持其在边缘计算领域领导地位。此外，US20110075675A1的专利权人于2010 年12 月申请美国专利US9565117B2 的同时，还就相同技术申请了欧洲和中国的PCT 同族专利，以获得该核心技术在欧盟和中国市场的布局，以抢占移动边缘计算领域的欧洲和中国市场份额。

表5 专利US20110075675A1 技术自引证演化路线

5 结论与建议

5.1 结论

（1）按年均被引频次指标挖掘出全球边缘计算领域核心专利为US20110075675A1，该核心专利以年均被引60.6 次高居高被引专利首位，在边缘计算领域处于基础性核心地位，技术涉及移动边缘网关，可以提供呼叫本地化、业务的卸载、会话管理和内容流等服务。

（2）边缘计算由CDN 技术发展演化而成，产业规模化尚需时日，按年均被引频次排名前十的边缘计算专利公开国别均为美国，申请人也均为美国机构或个人，如CISCO、MIT、Akamai、CloudShield、Level3 等，揭示出美国是当前全球边缘计算领域核心技术的主要应用国和来源国，是该领域核心技术的竞争高地。

（3）核心专利US20110075675A1 后向引证技术在时间上大多分布在5 年以内，引证最多的3 个IPC 小类分别为H04L（53.01%）、H04W（48.19%）和G06F（16.87%），引证的专利权利人排名前五的分别为CISCO（13.25%）、Starent Networks（6.02%）、3COM（4.82%）、QUALCOMM（3.61%） 和AT&T（2.41%），表明其继承了边缘网络拓扑和内容传输处理方面的最新创新成果，技术先进性和前沿性都极高。

（4）核心专利US20110075675A1 截至2019 年依然是高被引专利，被引频次排名前十的全球创新机构分别为IBM、CISCO、华为、NEC、三星电子、Sprint、ERICSSON、BlackBerry、LG 和NTT，其中，华为是唯一一家中国的技术研发创新企业，也是国内为数不多的在通信技术领域国际竞争中的领导者和参与者，反映出国内相关领域研发机构对于核心技术继承和创新与美国相比还存在较大差距。

（5）核心专利US20110075675A1 自引证分析揭示其技术演化路线由早期的边缘网络呼叫和会话管理技术，发展演化到数据卸载、卸载网关和移动性管理技术的研发创新，再扩展到无线接入、呼叫定位等技术创新，并逐步发展到分组路由、无线承载标识、虚拟链路技术研发，最终形成智能路由、无线设备监控策略等创新研发。

5.2 建议

（1）寻求基础性技术突破。国内相关研发机构应当加强基础性技术和底层框架技术的创新研发，寻求某个技术点的基础性技术突破，并以此为突破口进一步攻克底层关键性技术，以摆脱对国外边缘计算领域核心专利技术的完全依赖，或为技术交叉许可或技术受让提升谈判筹码。

（2）实施积极有效的专利布局策略。针对国外竞争主体拥有的核心专利技术，国内相关创新机构应当构建并实施积极有效的专利布局策略，如围栏式布局策略，即在深入挖掘国外核心专利的技术主题基础上布局尽可能多的外围技术专利，以形成对该技术主体的包围圈，既增加竞争主体规避难度，又有效保护自身核心技术，为技术交叉许可或技术合作提升谈判砝码。

（3）重视核心技术“走出去”。在企业“走出去”政策驱动下，国内创新机构研发的关键性技术成果应当结合企业经营战略进行全方位、跨区域、多层次专利布局，以拓宽专利保护地域限制，积极谋划海外专利布局，形成国内市场和海外重点市场协同布局的知识产权新体系参与全球竞争，占据全球领先技术制高点。

（4）加快构建和完善产业联盟。华为是目前国内边缘计算产业联盟组织创始成员，国内相关创新研发机构应当积极参与并逐渐壮大产业联盟，联合制定边缘计算国际标准或行业标准，以提升国内企业在边缘计算国际标准上的话语权和影响力，进一步推动国内边缘计算产业的国际化可持续发展。