苑朋彬,楊 帥,孫浩林
(中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所,北京 100038)
6G即第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)(6th Generation Mobile Networks),是繼5G后的下一代信息通信技術(shù)。當(dāng)前5G面向垂直行業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)超大規(guī)模鏈接(mMTC)、低時(shí)延高可靠(URLLC)、增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)等多應(yīng)用場(chǎng)景[1],極大地滿足了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信需求。但面向2030年,5G在空間覆蓋范圍、性能指標(biāo)等方面仍存在一定的局限性,不能滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)要求[2]。6G將引入新的愿景、性能指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景,以滿足多種網(wǎng)絡(luò)接入方式和實(shí)現(xiàn)空天地海一體化覆蓋范圍,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性能指標(biāo)的優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新[3]。
6G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)泛在、智能連接愿景,具體可實(shí)現(xiàn)空天地海一體化的網(wǎng)絡(luò)泛在無(wú)縫連接,實(shí)現(xiàn)多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接方式,實(shí)現(xiàn)通信感知計(jì)算一體化等智能連接。(1)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò):將構(gòu)建跨越地面、空域、海域和太空的一體化網(wǎng)絡(luò),即使在極端環(huán)境條件下(如沙漠、深海)也能實(shí)現(xiàn)通訊,真正實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。(2)多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接方式:可通過(guò)移動(dòng)蜂窩、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人機(jī)通信、水聲通信、可見(jiàn)光通信等多種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入。(3)通信感知計(jì)算一體化:AI技術(shù)和區(qū)塊鏈等技術(shù)應(yīng)用于6G網(wǎng)絡(luò),將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化管理,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性[4]。
6G技術(shù)在連接速率、連接密度、時(shí)延、頻譜效率、能量效率等多個(gè)性能指標(biāo)方面均會(huì)有很大的提升[5]:(1)6G用戶體驗(yàn)速率可達(dá)1Gbps,峰值速率最高可達(dá)1Tbps,用戶體驗(yàn)速率指標(biāo)可以提升至5G的10倍以上,峰值速率指標(biāo)可以提升至5G的50倍。(2)6G連接密度可達(dá)107/km2,網(wǎng)絡(luò)連接密度比5G提升10倍。(3)5G網(wǎng)絡(luò)空口時(shí)延為1ms,6G網(wǎng)絡(luò)空口時(shí)延為0.1ms,時(shí)延縮短了90%。(4)頻譜效率比5G提高3~5倍,能量效率提高至100倍以上。
6G關(guān)鍵使能技術(shù)可分為無(wú)線空口使能技術(shù)(例如太赫茲技術(shù)、信道編碼技術(shù)、波形設(shè)計(jì)技術(shù)、多址接入技術(shù)、超大規(guī)模天線技術(shù)、全雙工技術(shù)等)、網(wǎng)絡(luò)使能技術(shù)(例如網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等)[6]、新物理維度使能技術(shù)(例如軌道角動(dòng)量、智能超表面、智能全息無(wú)線電技術(shù)等)[7]等幾大方面。目前6G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,關(guān)鍵技術(shù)尚未形成共識(shí)。
全球6G技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)拉開(kāi)帷幕,6G技術(shù)已經(jīng)成為全球競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)和研發(fā)熱點(diǎn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織和相關(guān)國(guó)家積極制定6G戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃,推進(jìn)6G技術(shù)研發(fā)。如國(guó)際電信聯(lián)盟(以下簡(jiǎn)稱國(guó)際電聯(lián))在瑞士日內(nèi)瓦召開(kāi)的第34次國(guó)際電信聯(lián)盟工作組會(huì)議上,明確了2023年底前國(guó)際電聯(lián)6G早期研究的時(shí)間表[8];第三代合作伙伴項(xiàng)目(3GPP)提出于2023年開(kāi)啟對(duì)于6G的研發(fā),并將在2025年下半年開(kāi)始對(duì)6G技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,在2028年下半年生產(chǎn)6G設(shè)備產(chǎn)品,在2030年正式進(jìn)入6G商用時(shí)代;歐盟委員會(huì)建立智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)合作關(guān)系,實(shí)施6G研究和創(chuàng)新計(jì)劃;美國(guó)政府與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合啟動(dòng)RINGS計(jì)劃[9],面向?qū)W術(shù)界開(kāi)展基礎(chǔ)性項(xiàng)目研究;中國(guó)政府成立IMT-2030推進(jìn)組,推進(jìn)6G研發(fā)工作實(shí)施[10]。
本研究采用專利情報(bào)分析方法對(duì)6G技術(shù)全球發(fā)展態(tài)勢(shì)予以揭示。專利作為技術(shù)知識(shí)的載體,集經(jīng)濟(jì)、法律、技術(shù)信息為一體,通過(guò)對(duì)專利信息進(jìn)行挖掘,可以從定量角度揭示各國(guó)家(地區(qū))、組織機(jī)構(gòu)、技術(shù)研發(fā)的側(cè)重點(diǎn),為技術(shù)發(fā)展提供決策參考。
研究選取Innography數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源;以6G技術(shù)作為主要的檢索對(duì)象,并根據(jù)相關(guān)專家建議補(bǔ)充太赫茲、軌道角動(dòng)量、智能超表面、智能全息無(wú)線電技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),檢索時(shí)間為2021年12月底;檢索范圍為1963 年至今的所有專利數(shù)據(jù);檢索方式利用“關(guān)鍵詞”+“IPC分類號(hào)”進(jìn)行組合限定檢索,將相關(guān)專利限定在國(guó)際分類代碼H04(電通信領(lǐng)域);經(jīng)查重、清洗得到最終有效專利申請(qǐng)公開(kāi)12 259件。
研究采用Python 、Excel等數(shù)據(jù)處理分析工具,采用數(shù)據(jù)挖掘、情報(bào)學(xué)方法對(duì)專利申請(qǐng)公開(kāi)時(shí)間、公開(kāi)國(guó)家、公開(kāi)機(jī)構(gòu)、技術(shù)分類號(hào)等字段進(jìn)行提取、統(tǒng)計(jì)、分析和挖掘,分別從專利申請(qǐng)趨勢(shì)分布、專利申請(qǐng)國(guó)家/機(jī)構(gòu)分布、技術(shù)研究方向和各國(guó)申請(qǐng)熱點(diǎn)幾個(gè)維度揭示6G技術(shù)的發(fā)展全貌。
6G技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù),是5G技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)。
技術(shù)發(fā)展得益于原始技術(shù)的產(chǎn)生、積累、融合與再創(chuàng)新。6G技術(shù)是多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的集合,涵蓋增強(qiáng)型無(wú)線空口技術(shù)、新物理維度無(wú)線傳輸技術(shù)、太赫茲與可見(jiàn)光通信技術(shù)、內(nèi)生智能的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。部分技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間比較早,例如早在2000年初國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)啟了太赫茲技術(shù)的相關(guān)研究[11]。由于6G概念出現(xiàn)時(shí)間較晚,本研究展示了自2010年以來(lái)的6G技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)公開(kāi)趨勢(shì)(如圖1所示)。圖1顯示,2019年前,年均專利申請(qǐng)量均高于500項(xiàng),2020年以后有所回落(考慮到專利從申請(qǐng)到公開(kāi)具有18個(gè)月的滯后期,且2019年后全球受新冠肺炎疫情影響,因此下降趨勢(shì)在合理范圍內(nèi))。
圖1 2010-2021年全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)趨勢(shì)
總體來(lái)看專利申請(qǐng)趨勢(shì)比較平穩(wěn),6G技術(shù)相關(guān)專利并未形成規(guī)模性上漲趨勢(shì),目前仍處于技術(shù)研究的前期階段。目前多國(guó)已經(jīng)發(fā)布相關(guān)白皮書,對(duì)6G技術(shù)愿景進(jìn)行展望,對(duì)關(guān)鍵候選技術(shù)進(jìn)行分析,未來(lái)3~5年是6G技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期。
3.2.1 技術(shù)公開(kāi)國(guó)家
6G技術(shù)是各國(guó)戰(zhàn)略性競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn),各國(guó)均進(jìn)行了大量的專利布局。圖2對(duì)全球6G技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì),最終得出6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前15的國(guó)家??梢悦黠@看出,全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)國(guó)家之間存在明顯的數(shù)量差距,中國(guó)憑借3 528件專利領(lǐng)跑全球。
圖2 全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前15的國(guó)家
從國(guó)家排名可以看出,以中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等為代表的國(guó)家在6G技術(shù)發(fā)展上處于世界領(lǐng)先地位,專利申請(qǐng)量占全球80%,是6G技術(shù)專利申請(qǐng)的主要國(guó)家。(1)中國(guó)6G技術(shù)相關(guān)專利3 528件,專利量排名第1,在全球占比為30%。(2)美國(guó)6G技術(shù)相關(guān)專利2 376件,專利量排名第2,在全球占比為20%。(3)日本6G技術(shù)相關(guān)專利2 356件,其專利申請(qǐng)量與美國(guó)基本持平,專利量排名第3,在全球占比為20%。(4)韓國(guó)6G相關(guān)專利1 154件,專利量排名第4,在全球占比為10%。(5)其他國(guó)家(例如法國(guó)、德國(guó)、加拿大、瑞典、英國(guó)、意大利、荷蘭、芬蘭、印度、匈牙利、澳大利亞)專利申請(qǐng)量均在1 000件以下,專利總量在全球占比為20%。它們是6G技術(shù)的研發(fā)補(bǔ)充力量。
各國(guó)政府重視6G技術(shù)研究,進(jìn)行6G研發(fā)工作頂層設(shè)計(jì)。例如:(1)中國(guó)政府部門從2019年開(kāi)始進(jìn)行6G戰(zhàn)略部署,成立IMT-2030推進(jìn)組,推進(jìn)6G研發(fā)工作實(shí)施。科學(xué)技術(shù)部制定國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“寬帶通信和新型網(wǎng)絡(luò)”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目,支持6G項(xiàng)目研究。(2)2021年美國(guó)政府部門與產(chǎn)業(yè)界共同發(fā)起RINGS計(jì)劃,面向?qū)W術(shù)界開(kāi)展6G基礎(chǔ)研究。2020年美國(guó)電信產(chǎn)業(yè)解決方案聯(lián)盟(ATIS)成立Next G聯(lián)盟,促進(jìn)6G技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和市場(chǎng)化[12]。(3)2020年日本政府部門發(fā)布首個(gè)6G戰(zhàn)略計(jì)劃“6G技術(shù)研發(fā)綜合戰(zhàn)略”,制定詳細(xì)的6G技術(shù)發(fā)展路線。得益于5G技術(shù)的領(lǐng)先,中國(guó)在6G相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)方面具有累積優(yōu)勢(shì)。以美國(guó)、日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家雖然在專利數(shù)量上與中國(guó)存在一定的差距,但其競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力必須得到重視。
3.2.2 技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)
6G技術(shù)是全球研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn),全球相關(guān)組織機(jī)構(gòu)均進(jìn)行了大量的專利布局。圖3展示了全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前20的研發(fā)機(jī)構(gòu),可以看出,中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家的研發(fā)機(jī)構(gòu)處于世界領(lǐng)先地位,華為、中興、LG、三星、諾基亞、日本電氣、日本電報(bào)電話、愛(ài)立信、高通是全球6G技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)者。
圖3 全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前20的研發(fā)機(jī)構(gòu)
全球前20的研發(fā)機(jī)構(gòu)中:(1)中國(guó)企業(yè)實(shí)力靠前,其中華為專利申請(qǐng)量全球第一(共申請(qǐng)6G相關(guān)專利890件),中興排名第二(共申請(qǐng)6G相關(guān)專利721件),二者是全球6G技術(shù)研發(fā)的領(lǐng)軍企業(yè)。(2)日本企業(yè)研發(fā)活動(dòng)活躍,6家企業(yè)排名靠前。其中專利申請(qǐng)以傳統(tǒng)型電信企業(yè)日本電氣和日本電報(bào)電話公司為主(專利申請(qǐng)量均在400件以上)。(3)韓國(guó)企業(yè)研發(fā)實(shí)力雄厚,LG、三星2家公司排名靠前。值得注意的是,韓國(guó)電子通訊研究院是該排名中唯一的政府研發(fā)機(jī)構(gòu)。(4)美國(guó)研發(fā)機(jī)構(gòu)中,研發(fā)水平比較平均,以高通公司、交互數(shù)字通信有限公司、思科公司、美國(guó)電話電報(bào)公司為研發(fā)主體,專利申請(qǐng)數(shù)量均在100~300件之間。(5)歐洲國(guó)家中,以芬蘭的諾基亞公司、瑞典的愛(ài)立信公司為代表的信息通信技術(shù)企業(yè)也是全球6G技術(shù)研發(fā)的主要推動(dòng)者。需要注意的是圖3中韓國(guó)、芬蘭、瑞典、荷蘭等國(guó)家的代表機(jī)構(gòu)專利公開(kāi)數(shù)量多于圖2中該國(guó)的專利申請(qǐng)公開(kāi)總量,原因是代表機(jī)構(gòu)在其他國(guó)家也有相關(guān)專利申請(qǐng)。
全球研發(fā)機(jī)構(gòu)6G技術(shù)研發(fā)行動(dòng)中,成立研發(fā)中心、發(fā)布相關(guān)白皮書、啟動(dòng)相關(guān)合作研發(fā)計(jì)劃是當(dāng)前開(kāi)展研發(fā)的主要做法。例如:(1)華為公司早在2019年8月就在加拿大渥太華成立6G研發(fā)實(shí)驗(yàn)室[13],啟動(dòng)6G研究;并于2020年6月攜手中國(guó)聯(lián)通公司、銀河航天公司達(dá)成空天地一體化戰(zhàn)略合作伙伴協(xié)議,共同發(fā)力6G領(lǐng)域。(2)LG公司在2019年初與韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院(KAIST)合作成立6G研究中心[14],同年三星公司發(fā)布6G白皮書《下一代超連接體驗(yàn)》(The Next Hyper Connected Experience for All)。(3)諾基亞公司牽頭一系列研發(fā)項(xiàng)目,例如芬蘭6Genesis項(xiàng)目和歐洲6G旗艦項(xiàng)目Hexa-X項(xiàng)目[15]等。
3.3.1 技術(shù)研發(fā)方向
6G關(guān)鍵使能技術(shù)主要涵蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層技術(shù),圖4統(tǒng)計(jì)了排名前15的技術(shù)研發(fā)方向(按照IPC分類小組統(tǒng)計(jì)),表1對(duì)技術(shù)研發(fā)方向進(jìn)行釋義??梢钥闯觯?dāng)前技術(shù)研發(fā)方向集中在以H04L(數(shù)字信息的傳輸)、H04B(傳輸)、H04W(無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò))、H04N(圖像通信)、H04Q(選擇裝置)、H04J(多路復(fù)用通信)等小類為代表的技術(shù)分支下。
圖4 全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前15的技術(shù)研發(fā)方向
表1 全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前15的技術(shù)方向釋義
因此,當(dāng)前技術(shù)研發(fā)主要圍繞網(wǎng)絡(luò)層、無(wú)線傳輸層進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。(1)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)方向涉及數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)(H04L-012)、信息傳輸設(shè)備(H04L-001、H04L-29、H04L-009、H04L-005、H04N-005、H04Q-003、H04B-001、H04L-027、H04N-001)、信息傳輸安全(H04L-009)等方面。其中,數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)(H04L-012)技術(shù)方向是當(dāng)前專利申請(qǐng)的主要方向(專利申請(qǐng)量2 799件),網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)或防止接收信息錯(cuò)誤的裝置(H04L-001)也是研發(fā)的重點(diǎn)(專利申請(qǐng)量629件)。(2)無(wú)線傳輸層技術(shù)方向涉及無(wú)線傳輸系統(tǒng)(H04B-007)、無(wú)線傳輸監(jiān)督測(cè)試安排(H04W-024)、無(wú)線傳輸方式(H04B-010)、無(wú)線傳輸資源分配管理(H04W-072)、多路復(fù)用通信(H04J-099)等方面。其中,無(wú)線電傳輸系統(tǒng)(H04B-007)是當(dāng)前專利申請(qǐng)的主要方向(專利申請(qǐng)量1 256件)。
續(xù)表
3.3.2 公開(kāi)國(guó)家研發(fā)熱點(diǎn)
圖5對(duì)比了專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前10的國(guó)家在不同技術(shù)方向上的專利分布,在一定程度上反映出各國(guó)專利申請(qǐng)的側(cè)重點(diǎn)、技術(shù)研發(fā)上的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。
圖5 全球6G技術(shù)專利申請(qǐng)公開(kāi)排名前10的國(guó)家研究熱點(diǎn)分布
可以明顯看出,中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)在6G技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)上進(jìn)行了大量的專利申請(qǐng)布局。其中數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線電傳輸系統(tǒng)是各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn),專利申請(qǐng)量大。除上述兩個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)外,中國(guó)在光傳輸或量子傳輸、檢錯(cuò)裝置、監(jiān)督監(jiān)測(cè)測(cè)試安排、裝置儀器電路系統(tǒng)、保密安全通信等方面具有一定的研發(fā)優(yōu)勢(shì),在無(wú)線信息資源管理方面有待加強(qiáng);美國(guó)在無(wú)線信息資源管理、傳輸路徑多重使用裝置方面已經(jīng)形成了自己的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);日本比較注重系統(tǒng)零部件、監(jiān)督監(jiān)測(cè)測(cè)試安排方面的專利申請(qǐng),但對(duì)于無(wú)線電傳輸系統(tǒng)方面的研發(fā)有待加強(qiáng);韓國(guó)在各技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)上均有涉及。其他國(guó)家在各研發(fā)熱點(diǎn)方向?qū)@暾?qǐng)量少,整體實(shí)力有待加強(qiáng)。
本文從專利時(shí)間分布、專利空間分布、專利內(nèi)容分布三個(gè)維度出發(fā),全面揭示了全球6G技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)公開(kāi)國(guó)家、技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)、技術(shù)研發(fā)方向、公開(kāi)國(guó)家研發(fā)熱點(diǎn)等概況,并得出以下5點(diǎn)結(jié)論,以為當(dāng)前6G技術(shù)發(fā)展提供參考。
(1)全球6G技術(shù)處于技術(shù)研究前期階段,相關(guān)專利申請(qǐng)并未形成規(guī)模性上漲趨勢(shì)。目前6G愿景需求尚不明確,關(guān)鍵技術(shù)尚未形成業(yè)界共識(shí),未來(lái)3~5年是技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期。
(2)中國(guó)是6G技術(shù)研發(fā)大國(guó),其以3 528件專利申請(qǐng)公開(kāi)領(lǐng)跑全球,在全球占比為30%,美國(guó)、日本次之,在全球占比均為20%。各國(guó)政府重視6G研發(fā)開(kāi)展,頂層設(shè)計(jì)并部署6G研發(fā)工作,明確了面向2030年的6G技術(shù)發(fā)展路線。
(3)以華為、中興、LG、三星、諾基亞、日本電氣、日本電報(bào)電話、愛(ài)立信、高通等為代表的研發(fā)機(jī)構(gòu)是全球6G技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)者。各研發(fā)機(jī)構(gòu)紛紛成立研發(fā)中心,發(fā)布相關(guān)白皮書,啟動(dòng)相關(guān)合作研發(fā)計(jì)劃,大力推動(dòng)6G技術(shù)的快速發(fā)展。
(4)當(dāng)前技術(shù)研發(fā)主要圍繞網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳輸?shù)确较蜻M(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。具體涉及交換網(wǎng)絡(luò)、信息傳輸設(shè)備、信息傳輸安全、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、無(wú)線傳輸監(jiān)督測(cè)試安排、無(wú)線傳輸方式、無(wú)線傳輸資源分配管理、多路復(fù)用通信等多方面。
(5)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線電傳輸系統(tǒng)是各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)。中國(guó)在各研發(fā)熱點(diǎn)實(shí)力較強(qiáng);在無(wú)線信息資源管理方面,美國(guó)專利申請(qǐng)量高于中國(guó);日本在系統(tǒng)零部件方面研發(fā)能力較強(qiáng)?!?/p>