邊緣計算領域核心專利挖掘
——基于專利引證視角

商 琦，陳洪梅

（1.蘇州工業園區服務外包職業學院信息工程學院，江蘇蘇州 215123；2.蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州 215006；3.蘇州市科技情報研究所，江蘇蘇州 215021）

1 研究背景

國際數據公司（IDC）預測，2020 年全球互聯網數據量將超過40 ZB，45%的數據將在網絡邊緣被處理［1］。為解決傳統云計算架構無法有效處理網絡邊緣產生或轉發的數據，在網絡邊緣處執行計算任務的網絡模型應運而生。美國太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL) 于2013年在一份內部報告中首次提出“邊緣計算”（edge computing）概念［2］，從數據源到云端中心路徑之間的任意計算節點和網絡設備執行任務計算或調度的過程都屬于邊緣計算范疇。2015 年9 月，歐洲電信標準化協會（ETSI）發布移動邊緣計算白皮書以更好地滿足技術標準制定及產業落地需求［3］；2015 年11 月，由思科公司（CISCO）、微軟公司（Microsoft）和普林斯頓大學組成的開放霧計算聯盟正式開啟霧計算協議架構設計［4］；2016 年，美國自然科學基金委將邊緣計算劃入重點強調領域，并于2016 年10月舉辦會議研討邊緣計算的未來與挑戰［5］；2016 年11 月，由華為技術有限公司（以下簡稱“華為”）牽頭成立了國內邊緣計算產業聯盟，旨在推動邊緣計算產業整合［6］；2019 年1 月，在第二屆歐洲邊緣計算論壇上，由International Business Machine（sIBM）、Integrated Electronics Corporation（Intel）等多家企業達成意向建立歐洲邊緣計算產業聯盟，旨在為該技術領域合作提供交流平臺，以推動邊緣計算產業快速發展。

目前邊緣計算技術的文獻研究集中在網絡架構、小朵云、移動邊緣、負載遷移等方面。例如，施巍松等［7］從邊緣網絡的計算模型、系統平臺和典型應用等方面對邊緣計算技術進行詳實闡述，是國內外邊緣計算研究的引領者；Verbelen 等［8］首次提出“小朵云”概念，將云服務器負載部分遷移到移動終端邊緣側，并以動態方式接入網絡中任意設備以減輕云服務器負荷；Malandrino 等［9］將邊緣計算技術應用到移動蜂窩網絡，并對提高帶寬利用率和降低網絡延遲給出較好的解決方案；趙梓銘等［10］比較了3個具有代表性的邊緣計算平臺，通過應用實例闡述邊緣計算在移動應用和物聯網領域的優勢及挑戰；田輝等［11］從細粒度任務卸載算法、高可靠任務卸載與預測算法以及服務器聯合資源管理策略等方面，研究了邊緣計算在5G 領域應用。

世界知識產權組織（WIPO）統計數據顯示，專利文獻占世界科技信息量的90%以上［12］，專利引證分析正是基于專利文獻的引證關系所構建的行之有效的分析方法。很多學者對專利引證分析研究主要集中在知識繼承與技術演化、專利引證機理與規律、專利引證應用等方面。在知識繼承與技術演化方面，Kuusi 等［13］通過專利引證關系分析被引技術與施引技術之間的知識流動和技術繼承，從而挖掘被引技術演化發展趨勢；Verspagen［14］證實SPLC 和SPNP 算法在專利引證拓撲中的可行性，并將其用于燃料電池技術主路徑的識別與提取；許琦等［15］基于專利引證拓撲對知識流動過程建模，并分析論證了知識流的聚合原理。在專利引證機理與規律方面；Blind 等［16］從動機視角實證了專利申請動機與專利引證頻次呈高度正相關；趙陽等［17］通過分析專利申請主體和審查主體引證專利文獻的行為過程，以揭示不同引證動機對專利引證行為和結果迥異；林德明等［18］通過研究專利文獻在不同國際分類體系的統計和分布特征，從而揭示出專利被引頻次的概率分布呈現冪律規律。從專利引證應用方面，Sharma等［19］通過專利引證網絡和數據分析了印度信息通信技術（ICT）產業競爭態勢；李偉等［20］通過專利引證方法研究全球混合動力汽車產業競爭優勢主體，以揭示核心技術和外圍技術遷移路徑；趙蓉英等［21］通過專利引證挖掘出人工智能領域核心專利及其引證主體競爭關系，從而揭示針對核心技術的專利布局策略。

上述研究雖然都是基于專利引證作理論或實證研究與創新，但均未涉及對邊緣計算領域相關專利分析（截至2019 年12 月從中國知網未檢索到相關文獻），也未有從專利引證視角對邊緣計算基礎性技術和核心專利文獻的相關研究，更未發現邊緣計算技術繼承與演化、核心專利挖掘的相關研究；其次，專利分析過程缺乏必要的檢索策略，僅通過簡單的技術分詞構建的標題式檢索策略既無法滿足查全率，也無法滿足查準率，檢索結果往往不盡如人意，即便提供了簡單的檢索策略，也未有詳細闡述檢索依據和思路。

本文基于IncoPat 創新情報數據源構建全面且準確的檢索策略，從專利引證視角對檢索獲取的目標專利進行分析，挖掘出全球邊緣計算領域核心專利，并對挖掘出的核心專利作向后引證和向前引證分析，包括被引年份分布、專利權利人分布、技術分布和文本聚類分析，從而揭示出邊緣計算的知識繼承和技術演化路線、研究熱點以及創新主體競爭情報和發展態勢，圍繞核心專利有針對性地制定專利布局策略，為國內邊緣計算產業發展提供參考。

2 數據來源與檢索策略

2.1 數據來源

利用IncoPat 創新平臺對全球邊緣計算領域相關專利進行檢索、分析和挖掘，并對檢索結果進行人工干預，篩選出目標專利進行定量分析和深度挖掘。

2.2 檢索策略

以專利文獻公開日期、技術分類號、標題、標題摘要、權利要求等作為檢索要素，綜合運用邏輯算符、截詞算符和位置算法構建檢索式如表1 所示，檢索日期為2019 年11 月26 日，檢索出截至檢索日公開的4 303 篇專利文獻。為提升專利查準率，過濾掉諸如云臺控制、邊緣圖像計算、圖像邊緣等與邊緣計算領域無關的噪聲專利文獻，經擴展同族合并最終獲得與邊緣計算領域高度相關的目標專利文獻2 314 篇，作為全球邊緣計算領域專利分析樣本。

表1 全球邊緣計算領域專利檢索策略及結果

3 邊緣計算專利引證分析

專利被引頻次是用于評估專利技術地位或影響力的有效指標之一［22］，包括總被引頻次、歷年被引頻次和年均被引頻次等細分指標。總被引頻次是僅從目標專利被后續專利引證數量層面的統計；歷年被引頻次是從目標專利被后續專利引證數量年份分布層面的統計；年均被引頻次可以看作歷年被引頻次的平均統計值，能較好地修正因年份差異導致的誤差，統計數據更具科學性和說服力。

將2 314 件目標專利按年均被引頻次降序排列，得到年均被引頻次排名前十的專利（見表2）。由表2可知，這10件專利文獻的總被引頻次都超過200次，多數在400 次以上，遠超邊緣計算領域專利的平均總被引頻次，本文將其定義為邊緣計算領域基礎核心專利，或定義為泛邊緣計算領域的核心專利（以下簡稱“核心專利”）。核心專利的公開日普遍在2010 年之前，年均被引頻次和總被引頻次高，持續時間長，從公開之日起便得到業內廣泛關注，處于技術創新研發的基礎地位和核心地位。

2 314 件目標專利中，年均被引頻次排名前十的專利文獻主要涉及內容分發和內容存儲兩個方面，即通過在網絡拓撲中的節點服務器互聯構成虛擬網，根據流量規則和網絡負載狀況將用戶請求定向到距離用戶最近的節點處理，以解決網絡擁擠和訪問變慢的技術問題。可以看出，邊緣計算網絡的產業應用緣起于內容分發網絡的邊緣緩存數據分發與傳輸的思想，并進一步發展到在網絡邊緣處提供數據計算分類，從而在內容分發與存儲的基礎上實現強大的邊緣算力。高被引專利的公開日期普遍較早，其邊緣緩存技術與內容分發傳輸技術已經成為邊緣計算領域專利引用的核心技術，是邊緣計算領域無法輕易規避的共性基礎技術。高被引專利的公開國別均為美國，可以看出，擁有邊緣計算領域領先技術的申請人非常重視美國，紛紛將核心技術專利布局在美國，也反映出美國是當前全球邊緣計算領域核心技術應用國，是邊緣計算領域全球核心技術高地。此外，高被引專利的申請人（專利權人）均為美國創新機構或個人，揭示出美國不僅是全球邊緣計算領域核心技術的應用國，也是最重要的來源國。

表2 全球邊緣計算領域年均被引頻次排名前十的專利統計

表2 中，標題為“Providing services at a communication network edge”（在通信網絡邊緣提供業務）的美國專利US20110075675A1 的年均被引頻次（60.6 次）和總被引頻次（525 次）等指標均處于高被引狀態，專利技術涉及移動邊緣網關，可以提供一個或多個呼叫本地化、業務的卸載、會話管理和內容流服務，在邊緣計算領域處于基礎性核心地位；年均被引頻次排名第二和第三的分別是Akamai 技術有限公司（Akamai）關于CDN 網絡請求處理機制的美國專利US7240100B1 和MIT 關于使用網絡邊緣服務器提供內容分發的美國專利US6553413B1，這兩件專利總被引頻次分別為755 次和600 次，總被引頻次指標分別排名第一和第二，但年均被引頻次與排名第一的US20110075675A1 相比仍存在一定差距。

4 核心專利分析

核心專利是在技術演化路線中處于基礎性地位或關鍵性地位，對領域內技術的后續發展具有引領作用和絕對貢獻，對外延技術具有較高參考價值的專利文獻［23-24］。基于IncoPat 數據源對邊緣計算領域核心專利US20110075675A1 作深入分析發現，其向后引證專利數為83 件，即該核心專利引證了83篇專利文獻作為現有技術；前向引證專利數為525件，即該核心專利被525 篇專利文獻引證。

4.1 向后引證分析

對專利US20110075675A1 的83 件向后引證專利文獻進行分析和挖掘可知，申請年份跨度較大，從1995—2010 年均有引證，但引證量排名前五的分 別 為2009 年（16.87%）、2008 年（16.87%）、2007 年（15.66%）、2006 年（10.84%）和2005 年（9.64%），表明專利US20110075675A1 引證的大多數是5 年以內的技術，繼承了全球邊緣計算最新創新研發成果，并進行技術突破與創新。其中，IPC 分類號小類排名前三的技術分支分別為H04L（53.01%）、H04W（48.19%）和G06F（16.87%），表明邊緣計算領域創新研發主體在技術生命周期剛開始就關注邊緣網絡拓撲結構及其邊緣數據傳輸和處理等技術領域，而專利US20110075675A1 正是在吸收上述技術基礎上，在邊緣網關橋接并維護本地會話管理、識別流量并將其卸載到Internet 或其他網絡，以緩解核心網絡負載；專利權人分布較廣，引證數量排名前五的創新機構分別為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收購，專利US20110075675A1 引證技術主要繼承自CISCO 分組交換、協議卸載、無線信號覆蓋、會話管理等領域，并在此基礎上對邊緣計算進行技術研發與創新，進而成為邊緣計算領域的核心技術。

4.2 向前引證分析

4.2.1 被引年份分布

對專利US20110075675A1 的525 件前向引證專利按公開日統計，被引專利數量排名前五的年份分 別 為2015 年（17.14%）、2014 年（16.76%）、2017 年（13.9%）、2018 年（13.33%） 和2016 年（12.38%）。由核心專利US20110075675A1 的申請日為2010 年9 月27 日、公開日為2011 年3 月31 日可以看出，核心專利公開后的2 年～3 年，即2014—2015 年，前引的專利文獻最多，其次是公開后的4～6 年，即2016—2018 年，在2012 年以前引證的專利大多數是審查員在審查過程的專利文獻引證。與2014—2015 年相比，2016—2018 年的引證數量并未明顯下降，表明US20110075675A1 創新技術并未隨著技術演化而被迅速淘汰或取代，依然是邊緣計算高被引技術，在領域內基礎性地位還無法被輕易撼動和更替。可以預見未來幾年，該專利技術仍將作為基礎性核心技術被大量引證。

4.2.2 專利權（申請）人分布

專利US20110075675A1 的525 件前向被引專利按總被引頻次統計，排名前十的創新機構如表3 所示，可以看出，IBM、CISCO、華為、Nippon Electronic Company（NEC）、三星電子有限公司（三星電子）、Sprint Communications Company（Sprint）、Telefonaktiebolaget LM Ericsson（ERICSSON）、BlackBerry Limited（BlackBerry）、Lucky Goldstar Company(LG)、Nippon Telegraph & Telephone（NTT）均為US20110075675A1 的高被引創新機構。其中：IBM 總引證頻次最多，共66 次，引證占比達12.57%，表明IBM 極為重視US20110075675A1 專利技術，在其基礎上做了大量的外圍創新，確保IBM在邊緣計算領域始終保持領先地位；CISCO 是老牌網絡設備供應商，在分組交換和路由技術領域占據半壁江山，引證頻次排名第二，引證占比為9.14%，表明CISCO 在傳統技術市場份額逐漸縮小的情況下積極謀求涉足邊緣計算領域，將傳統設備研發資源優勢用于新興網絡架構并確保其核心競爭優勢；華為的引證頻次排名第三，共引證41 次，引證占比7.81%，與排名第二的CISCO 引證差距較小。

從表3 可見，華為是專利US20110075675A1 總被引頻次排名前十創新機構中唯一一家中國的技術研發創新企業，也是國內為數不多的在通信技術領域國際競爭中的領導者和參與者。近年來，華為積極拓展國際市場，加大研發產品國際市場投放力度，并參與國際技術聯盟制定技術產業標準，2016 年11月由華為、Intel、Advanced RISC Machines（ARM）等企業聯合發起邊緣計算產業聯盟（ECC），會員已超過200 家；2018 年年底第二屆歐洲邊緣計算論壇上，華為與IBM、Intel、ARM 等企業達成意向聯合建立歐洲邊緣計算產業聯盟（ECCE），打造邊緣計算產業合作平臺以推動產業發展。此外，源自日本的NEC、韓國的三星電子、美國的Sprint 和瑞典的ERICSSON 等創新機構也都高頻引證US20110075675A1 專利技術，構建自身的專利保護網，從而最大化該技術領域的市場競爭優勢。

從表3 可見，專利US20110075675A1 總被引頻次排名前十創新機構中，美國、日本企業數量分別為3 家、2 家，其他國家企業數量為1 家。可以看出，美國雖然是全球邊緣計算技術最大的來源國和應用國，但其他國家創新機構也積極謀劃自身在邊緣計算產業鏈中的地位，主動做好創新技術競爭布局以最大化自身利益。US20110075675A1 總被引頻次排名前十的創新機構所示。

表3 專利US20110075675A1 總被引排名前十的創新機構

4.2.3 技術分布

專利US20110075675A1 的525 件前向被引專利中，IPC 分類號小類中最多的是H04W（無線通信網絡，包括網絡拓撲結構、移動邊緣、數據卸載、無線網絡的數據傳輸等），在分類號中占比為81.52%，遠遠超過排名第二的小類H04L（數字信息的傳輸，如內容分發與傳輸等）的43.05%和排名第三的小類G06F（電數字數據處理，如邊緣數據計算和存儲等）的8.38%，表明絕大多數引證US20110075675A1 技術的專利文獻都是有關無線邊緣網絡領域，是將邊緣計算技術遷移到無線通信系統從而實現在移動接入的邊緣位置進行數據分發、緩存或其他特定處理等操作。可以預見未來幾年，邊緣計算領域還將更多關注移動邊緣的網絡拓撲和數據傳輸，并與5G 和物聯網技術互融互通，以實現更強大的數據傳輸與計算能力。

4.2.4 文本聚類

文本聚類是依照專利主題之間的聚合關聯性進行歸類的過程，反映出技術主題的研究關注度和集中度。將專利US20110075675A1 被引證的525 件專利文獻作文本聚類分析如表4 所示，可以發現邊緣計算領域的研究熱點集中于移動數據（49.3%）、無線中繼（23.0%）、移動性管理（14.9%）和電路交換（12.0%）等一級技術子類，每個分類又細分為若干二級技術子類。

表4 專利US20110075675A1 被引證專利技術文本聚類分析

4.2.5 自引證

自引證分析是專利引證中比較特殊的研究分支。與外部引證相比，自引證更能反映專利權利人對核心技術積淀程度、技術繼承和演化脈絡狀況，體現出創新機構在核心技術領域的技術布局和競爭優勢。Hall 等［25］研究發現，創新機構的發明創造自引證頻次與其產品市場價值呈正相關，每自引一次，產品市場價值增幅為10%。自引率作為專利引證評價指標之一，是指某專利文獻權利人向前引證其自身專利文獻數量在所有向前引證專利中的占比。自引率越高，表明專利權人的專利價值較高，對其后續研發布局影響越大。

專利US20110075675A1 在申請日之后的自引證專利（含同族專利）共有15 件，自引率為2.86%，從表5 專利 US20110075675A1 技術自引證演化路線可見：專利US20110075675A1 分別享有2009 年9月26 日申請的公開號為US61246118、2009 年11 月3 日申請的公開號為 US61257712 的美國專利的優先權，提供一種移動邊緣網關用于識別網絡流量并將其卸載到Internet 或其他網絡，以緩解諸如呼叫業務和會話管理對核心網絡的負載壓力；2009 年11月，在移動邊緣網關中添加了卸載邏輯，用于確定將接收到的控制面數據卸載所對應的合格性和標準性；2010 年3 月，應用到無線接入網絡邊緣，通過ECGIs 標識檢測由同一個eNodeB 節點覆蓋下的多個移動終端之間的分組數據流，從而實現邊緣側呼叫；2010 年8 月，在原有技術基礎上提出一種將所選數據卸載到備選通信網絡的系統和方法，卸載操作為所選分組業務提供另一條路由，以減輕移動運營商核心網絡負擔；2010 年12 月，提出一種用于在通信系統中自適應的路由數據分組系統和方法，以適應增加的數據流量并向終端用戶提供高質量數據通信服務；2014 年5 月，將卸載網絡ECGIs 標識范圍擴大到與所述分組相關聯的無線承載類型，和與所述分組相關聯的無線承載標識中的至少一個，網關被配置為剝離與經由卸載網絡從無線基站接收的分組相關聯的路由信息，并且進一步被配置為封裝分組的有效負載，以使分組被路由到無線網絡；到2017年2 月，提出一種通信系統自適應路由，根據路由器策略監視移動設備是否與分組網絡通信，以及與所述移動設備相關聯的呼叫事件和數據流事件，生成分析數據并發送到網絡接入服務器，從而更加有效地利用網絡資源。

值得注意的是，本研究中目標專利自引證主路徑上的專利US20110075675A1、US8693367B2、US9532293B2、US8743696B2、US9565117B2、US10165487B2 和US10291529B2 均發生過專利權轉讓，且受讓方均為CISCO，可以看出CISCO 迫切需要擁有移動邊緣服務和路由策略等技術以維持其在邊緣計算領域領導地位。此外，US20110075675A1的專利權人于2010 年12 月申請美國專利US9565117B2 的同時，還就相同技術申請了歐洲和中國的PCT 同族專利，以獲得該核心技術在歐盟和中國市場的布局，以搶占移動邊緣計算領域的歐洲和中國市場份額。

表5 專利US20110075675A1 技術自引證演化路線

5 結論與建議

5.1 結論

（1）按年均被引頻次指標挖掘出全球邊緣計算領域核心專利為US20110075675A1，該核心專利以年均被引60.6 次高居高被引專利首位，在邊緣計算領域處于基礎性核心地位，技術涉及移動邊緣網關，可以提供呼叫本地化、業務的卸載、會話管理和內容流等服務。

（2）邊緣計算由CDN 技術發展演化而成，產業規模化尚需時日，按年均被引頻次排名前十的邊緣計算專利公開國別均為美國，申請人也均為美國機構或個人，如CISCO、MIT、Akamai、CloudShield、Level3 等，揭示出美國是當前全球邊緣計算領域核心技術的主要應用國和來源國，是該領域核心技術的競爭高地。

（3）核心專利US20110075675A1 后向引證技術在時間上大多分布在5 年以內，引證最多的3 個IPC 小類分別為H04L（53.01%）、H04W（48.19%）和G06F（16.87%），引證的專利權利人排名前五的分別為CISCO（13.25%）、Starent Networks（6.02%）、3COM（4.82%）、QUALCOMM（3.61%） 和AT&T（2.41%），表明其繼承了邊緣網絡拓撲和內容傳輸處理方面的最新創新成果，技術先進性和前沿性都極高。

（4）核心專利US20110075675A1 截至2019 年依然是高被引專利，被引頻次排名前十的全球創新機構分別為IBM、CISCO、華為、NEC、三星電子、Sprint、ERICSSON、BlackBerry、LG 和NTT，其中，華為是唯一一家中國的技術研發創新企業，也是國內為數不多的在通信技術領域國際競爭中的領導者和參與者，反映出國內相關領域研發機構對于核心技術繼承和創新與美國相比還存在較大差距。

（5）核心專利US20110075675A1 自引證分析揭示其技術演化路線由早期的邊緣網絡呼叫和會話管理技術，發展演化到數據卸載、卸載網關和移動性管理技術的研發創新，再擴展到無線接入、呼叫定位等技術創新，并逐步發展到分組路由、無線承載標識、虛擬鏈路技術研發，最終形成智能路由、無線設備監控策略等創新研發。

5.2 建議

（1）尋求基礎性技術突破。國內相關研發機構應當加強基礎性技術和底層框架技術的創新研發，尋求某個技術點的基礎性技術突破，并以此為突破口進一步攻克底層關鍵性技術，以擺脫對國外邊緣計算領域核心專利技術的完全依賴，或為技術交叉許可或技術受讓提升談判籌碼。

（2）實施積極有效的專利布局策略。針對國外競爭主體擁有的核心專利技術，國內相關創新機構應當構建并實施積極有效的專利布局策略，如圍欄式布局策略，即在深入挖掘國外核心專利的技術主題基礎上布局盡可能多的外圍技術專利，以形成對該技術主體的包圍圈，既增加競爭主體規避難度，又有效保護自身核心技術，為技術交叉許可或技術合作提升談判砝碼。

（3）重視核心技術“走出去”。在企業“走出去”政策驅動下，國內創新機構研發的關鍵性技術成果應當結合企業經營戰略進行全方位、跨區域、多層次專利布局，以拓寬專利保護地域限制，積極謀劃海外專利布局，形成國內市場和海外重點市場協同布局的知識產權新體系參與全球競爭，占據全球領先技術制高點。

（4）加快構建和完善產業聯盟。華為是目前國內邊緣計算產業聯盟組織創始成員，國內相關創新研發機構應當積極參與并逐漸壯大產業聯盟，聯合制定邊緣計算國際標準或行業標準，以提升國內企業在邊緣計算國際標準上的話語權和影響力，進一步推動國內邊緣計算產業的國際化可持續發展。