蜂窩物聯網專利技術綜述

周書玉 涂榮

1. 摘要

蜂窩物聯網技術作為未來通信行業的重要內容，對現有通信系統架構都產生一定影響。本文聚焦蜂窩物聯網中的常用技術窄帶物聯網NB-IoT、機器類通信MTC/e-MTC、擴展覆蓋EC-GSM，以及蜂窩物聯網技術中急需解決的增強覆蓋、省電、資源分配等問題，從專利的角度進行統計和分析，并在此基礎給出后續的技術走向、產業發展、風險規避方面的預測和建議。

2. 蜂窩物聯網概述

2.1 蜂窩物聯網的分類

物聯網標準的制定是物聯網發揮自身價值和優勢的基礎支撐，對整合不同的碎片化應用場景的共性特征，推動物聯網產業的發展具有非常重要的意義。只有統一了標準，不同的網絡系統才能互聯互通，也只有統一了標準，才能促成大規模的生產，從而降低單業務成本。第三代合作伙伴（3GPP）各工作組分工合作實現對物聯網技術的需求、功能、架構、安全、信令流程等的研究和標準制定。目前3GPP主要關注3種基于蜂窩的物聯網通信技術，分別是窄帶物聯網（NB-IoT）、eMTC和EC-GSM。

（1）NB-IoT

NB-IoT是一類構建于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術，可直接部署域GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡。NB-IoT具備四大特點：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有網絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力;二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度，超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構;三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年;四是更低的模塊成本。由于NB-IoT自身具備的廣覆蓋、低功耗、低成本等優勢，使其可以廣泛應用于多種垂直行業，如遠程抄表、資產跟蹤、智能停車、智慧農業等。

（2）MTC/eMTC

eMTC基于LTE協議演進而來，采用LTE帶內部署方式，支持TDD和FDD兩種方式，eMTC和LTE在同一頻段內協同工作，由基站統一進行資源分配，共用部分控制信道。eMTC的用戶設備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現有的LTE網絡。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率，可以支持豐富、創新的物聯應用，主要包括：智能充電樁、侯機寶、電梯衛士、智能公交站牌、公共自行車管理等方面。

（3）EC-GSM

EC-GSM，即延伸覆蓋版的GSM，運用此技術，現有已布建的GSM基地臺也更適合用于物聯網應用，相同的GSM基地臺，可以擁有更大的通信覆蓋面積，支援更多GSM終端節點的通信。EC-GSM是由于受到來自LoRa等技術的挑戰，由3GPP GERAN在GSM的基礎上，增加了省電模式、增強型連續接收、覆蓋優化等新功能而形成的，而NB-IoT和eMTC則屬于全新的RAT模式，可以基于現有的蜂窩移動通信的頻譜在帶內、帶外、保護間隔內進行部署。值得注意的是，以沃達豐、SK電訊等為代表的電信運營商均有準備在未來5至10年將GSM退網，以便將低頻段讓給NB-IoT和eMTC，從而滿足未來物聯網無線技術的大范圍部署。因此，EC-GSM僅有可能再對網絡建設成本、網絡演進等特殊考慮的情況下，在無法建設NB-IoT的場景中才會采用。

2.2 蜂窩物聯網技術的發展

“物聯網”的概念是于1999年由麻省理工學院的Auto-ID 實驗室提出的。1999年在美國召開的移動計算和網絡國際會議上提出了傳感網（智能塵埃）是下一個世紀人類面臨的又一個發展機遇。同年，麻省理工學院的Gershenfeld Nell教授撰寫了“When Things Start to Think”一書，以這些為標志開始了物聯網的發展。2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯盟發布了《ITU互聯網報告 2005：物聯網》，正式提出了“物聯網”的概念。進入新世紀后，物聯網得到了快速發展，產業界更是提出了萬物互聯的設想，越來越多的物體將被連接到互聯網，并最終實現到主控端、云端的連接。

5G與前四代通信系統不同的是，5G并不是依靠一種新接入方式，而是關注多種應用場景和多種接入技術，這些無線接入技術在后向包容4G技術的同時還有多種新型的無線接入技術。5G不僅僅只考慮人類用戶需求的體驗速率、時延等需求，還滲透到物聯網領域，將大規模物聯網作為主要應用場景，移動互聯網和物聯網成為了推進5G發展的巨大動力，期待解決不同場景下不同終端設備的不同性能需求問題。因此移動蜂窩網與物聯網的融合是未來網絡發展趨勢，在5G網絡中，大連接低功耗物聯網成為主要場景之一。

2.3蜂窩物聯網的亟待解決的問題

2.3.1 定位增強

隨著物聯網的發展和MTC終端的廣泛使用，MTC的定位能力被提上議事進程上。例如在物流應用及作為SENSOR部署的場景中，定位能力逐漸成為運營商和客戶的主要需求，在Rel-13的NB-IOT因為帶寬的限制，無法直接使用能夠保證一定精度的已有LTE版本的定位技術。這也構成蜂窩物聯網技術亟待解決的技術問題。另外，傳統的LTE的定位技術也無法滿足覆蓋增強的部署場景。所以，定位增強技術將會成為下一個版本中最重要的組成部分。

2.3.2多播傳輸增強

針對MTC部署中終端固件、軟件升級和組消息發送等應用場景，3GPP決定在Rel-14版本中支持多播傳輸增強，主要研究將集中在增強Rel-13中SC-PTM技術實現下行的多播傳輸。在WI進程中將考慮NB-IOT的窄帶特性，并在多播傳輸中繼續支持覆蓋增強。

2.3.3移動性增強

蜂窩物聯網基本針對靜止的終端，對移動性的支持有一定的限制。在后續的發展中，將著重研究對連接態移動性的增強以更好支持用戶的服務連續性。

2.4蜂窩物聯網的未來發展

在5G部署場景研究的文獻中，3GPP定義了3種最重要的5G部署場景：

1）增強寬帶移動通信;

2）巨量機器類型通信;

3）超可靠性及低時延通信。

由此可見，Massive Machine Type Communication 將是5G重要部署場景之一。對于此，蜂窩物聯網的演進方向主要歸納為以下3點

1）連接密度

這是設計增強的主要目標，最終保證支持大約1000000終端/平方千米的密度。如此密度的終端部署，需要解決包括干擾消除、多址和控制優化等一系列的問題。

2）終端功率消耗

進一步考慮降低終端的功率消耗，降低終端的成本。

3）覆蓋增強

由于物聯網的通信場景廣泛應用于較大的場景，因此需要繼續支持并拓展覆蓋增強，并進一步提高資源利用率。

3. 物聯網專利情況分析

3.1 國內外申請量

為了獲得蜂窩物聯網技術研究的專利申請情況，以CIoT，NB-IOT，eMTC，EC-GSM等關鍵詞在DWPI專利庫中共得到1251篇專利文獻，排除了一些明顯不屬于該領域的申請。

根據統計數據發現，伴隨著移動通信的發展，自2009年起3G-4G通信的崛起以及物聯網的發展，根據智能終端的需要，有關蜂窩物聯網技術方面的申請量在2012-2018年得到了快速發展，在2018年達到了最高峰，這一年關于物聯網的專利申請量高達533件，簡單的從數據中看在2018年后開始出現下降趨勢，當然這是由于2019年后專利申請的公開數據不完整，導致總申請量下降，并不能因此判定該領域申請呈現出大幅下降趨勢，因此，從時間上看是符合邏輯的。綜合判斷，關于蜂窩物聯網的技術領域是近幾年全球專利申請的熱點，并且其專利申請量也將繼續保持較高的水平。

3.2區域分析

根據上述在DWPI中獲得的蜂窩物聯網技術相關專利申請為統計基礎，對全球專利申請的主要國家及地區情況進行了統計。中國的專利申請量位于第一位，達到了全球專利申請總量的24%，遠遠領先其他國家。由于國內兩大通信設備商華為和中興迅速崛起，以及中國市場的影響力，使得中國在該領域的專利申請量如此之大。美國的英特爾、高通等行業技術領先的公司，其申請量也非常大，占全球份額的19%，歐洲集合了愛立信、諾西等行業巨頭，因而申請量位居前列也是在意料中的，占全部份額的9%。韓國的LG和三星也在該領域投入很多研究，沃達豐與印度電信公司的合并，以及愛立信與印度鐵塔攜手計劃的智慧城市，都促使印度在該領域的高速發展，專利申請量在全球也名列前茅。

3.3 原創國分析

美國是蜂窩物聯網相關的原創專利申請最多的國家，占到申請總量的45%，中國在這一領域的申請量略少于美國，占41%，中美兩國的申請量之和超過了全球申請總量的90%。韓國和歐洲也分別占據了8%和3%的申請量。由此可以看出，中美兩國都非常重視蜂窩物聯網技術研究，除了中美兩個以為的其他地區，也對此領域相當關注，我們不難歐洲和韓國也致力于蜂窩物聯網領域的研究，印度和日本在該領域的努力也是我們不容忽視的。

3.4重點申請人

分析數據發現國內企業研究院所中興、華為以及電信研究院在蜂窩物聯網領域都處于領先地位，三星、愛立信、LG、英特爾、領英、高通等各國巨頭公司在該領域的申請量也是不甘示弱。

4 總結

通過對蜂窩物聯網的專利申請情況的分析，可以得到華為和中興的申請量最為突出，而國外的三星和愛立信有徒增的趨勢，大學申請也占有較高的比例。在相關的干擾研究方面，大部分企業和高校傾向于在網絡特性和用戶服務體驗上作出改進，而隨著基礎設施和移動智能設備的普及，傳統的移動互聯網受到了挑戰，物聯網正在快速的發展中，核心業務從話音加速向數據更迭，寬帶無線從支撐移動互聯網創新加速向支撐垂直行業移動物聯發展。

蜂窩物聯網正呈現著迅猛的發展勢頭，適用于生活的各個領域。同時，蜂窩物聯網也面臨一些亟待解決的碎片化問題，譬如說，移動性、多播傳輸以及定位上的信號增強等技術問題，也還存在一些標準制定的規范需要進一步完善。

通過對蜂窩物聯網的專利發展狀況的梳理，了解的該領域相關專利國內外的申請情況進行了的分析，對現有技術有了更加深刻的了解，同時也掌握了未來蜂窩物聯網的發展趨勢，此外，通過大量地閱讀申請文件，提高了對相關領域技術的了解，為后期的審查積累了一些專業技術知識。

參考文獻：

[1]《新一代蜂窩物聯網熱點技術對比解析》[J]，電信網技術，2017.5

[2]《面向5G的M2M通信低功耗覆蓋增強及資源調度的研究》[M]，北京交通大學碩士學位論文，2017.03

[3]《NB-IoT技術標準化及發展趨勢研究》[J]，現代電信科技，2016.46（6）：5-12

[4]《窄帶物聯網標準（NB-IoT）與關鍵技術》，人民郵電出版社，2016.12

[5]《5G網絡技術架構白皮書》，IMT-2020（5G）推進組，2015.5

[6]《5G概念白皮書》，IMT-2020（5G）推進組，2015.2