5G通信中的Polar碼專利申請分析

杜東振，鄒麗

5G通信中的Polar碼專利申請分析

杜東振，鄒麗＊

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北 武漢 430075）

Polar碼是學術界研究熱點之一，各大公司對Polar碼的潛力有共識，并投入了大量研發力量對其在5G中應用方案進行深入研究、評估和優化，且重視相關專利的布局。對Polar碼的相關專利申請進行統計分析，得出該技術的研究趨勢并給出相關建議。

第五代移動通信技術；Polar；專利；運營商

第五代移動通信技術（fifth generation，5G）是最新一代的移動通信技術，在全球范圍內，5G已經或將要展開商用。在中國，5G已經在部分城市成功布網商用。

在全球移動通信運營商、制造商等公司或組織的參與下，標準制定組織制定了移動通信技術標準。在移動通信技術標準完成后，全球的移動通信運營商、制造商等公司或組織需要在滿足移動通信技術標準的前提下提供移動通信相關服務。而移動通信的相關技術在被作為標準采用之前，往往已經被申請為專利。標準和專利的結合，尤其是標準必要專利，使得移動通信標準的后續實施者必須獲取專利權人的授權許可。中國通信企業在2G、3G、4G時代的通信技術中，專利權的數量、質量等都不夠發達，導致中國通信企業面臨著諸多的專利糾紛，并且處于弱勢地位。但是，憑借3G時代的TD-SCDMA技術，4G時代的TD-LTE技術，中國通信企業在移動通信技術標準中參與度越來越高。到了5G時 代，以華為為代表的中國通信企業已經成為5G標準的重要引領者。

信道編碼是通信系統的基本組成部分，編碼解碼技術是最關鍵的無線通信技術之一，被采用到通信技術標準的編碼解碼技術更是無法規避的基礎技術。在3G和4G時代，標準采用了Turbo碼作為信道編碼方案，而進入5G時代時，標準采用了LDPC碼與Polar碼作為信道編碼方案。5G時代定義了三大應用場景：eMBB，URLLC，mMTC。3GPP在葡萄牙里斯本舉行的RAN1#86b會議上，確定了LDPC碼作為eMBB場景數據信道長碼的編碼方案。3GPP在美國內華達州里諾舉行的RAN1#87會議上，確定了LDPC碼作為eMBB場景數據信道短碼的編碼方案，Polar碼作為eMBB場景控制信道的編碼方案。

標準和專利的結合，將使得5G通信技術的授權專利深刻影響5G相關企業的布局、利益和影響力。本文將對Polar碼的專利布局作出分析。

1 Polar碼概述

土耳其畢爾肯大學ERDAL教授于2008年提出了信道極化理論，于2009年基于信道極化理論提出了Polar碼，一種逼近香農極限的編碼方法，也稱為極化碼。3GPP于2016年確定了Polar碼作為5G eMBB場景控制信道的編碼方案。

由于性能優秀，Polar碼受到了廣泛的關注，學術界和工業界都開展了深入的研究，針對Polar碼應用中遇到的技術問題，相繼提出了進一步的解決方案。

Polar碼作為信道編碼的技術方案時，處理過程為Polar碼構建、速率匹配、信道交織調制和譯碼[1]。本文根據Polar碼應用中需要解決的技術問題，將對以下技術細分進行重點關注。

信息位選取：Polar碼信道極化，選擇信道容量較大的比特信道傳輸有效信息，稱為信息位，而信道容量較小的比特信道傳固定信息，稱為凍結位。Polar編碼的構建主要依賴于生成矩陣的構造和信息位的選取，信息位的選取對編碼來說相當重要。

級聯結構：級聯碼是通過兩個短碼分別作為外碼和內碼進行連接構造出強有力長碼的方法。Polar碼常見的級聯結構為：集中式CRC校驗的Polar碼（CA-Polar），奇偶校驗（parity check）的CRC聯合輔助譯碼的Polar碼（PC-CA-Polar），分布式CRC-Polar 碼（DCRC-Polar）。

速率匹配：Polar碼的碼字的長度是2的冪次，需要對其進行速率匹配才能符合實際系統的要求，各種速率匹配方案在不同碼長碼率條件下存在性能差異。常見的Polar碼速率匹配方案為重復（Repetition）、打孔（Puncturing）或縮短（Shorten）。

信道交織：信道編碼與調制的聯合設計可獲得更好的性能增益，通過在信道編碼模塊與調制模塊中間插入交織器，交織器的隨機交織效用可使得碼間變得稀疏，提離了碼字間的最小距離，從而提高了編碼的“分集”作用。

2 全球專利申請態勢

專利具有地域性、時間性和獨占性三大特點。各個國家地區間的專利權只在本國本地區存在法律效力，絕大部分國家地區的發明專利有效期為最早申請日后的20年。因此，本文將從全球和中國專利局、歐洲專利局、美國專利局近20年接受的專利申請數量進行專利分析。

2.1 全球專利申請趨勢

2008年，Polar碼被提出后，多家公司投入研究并申請專利，同時3GPP從2016年開始在歷次會議上討論和決定5G信道編碼的技術方案。現在以專利申請年份為單位分別統計歐洲專利局、美國專利局和中國專利局受理的Polar碼專利申請數量，由表1可知，Polar碼專利申請在2016—2018年的申請數量大規模增加（由于2019年的部分專利申請還未公開，所以，2019年的數據僅供參考）。

表1 專利局受理Polar碼專利申請量年份統計

年份201120122013201420152016201720182019 歐洲專利局031213425871102 美國專利局1491417429011496 中國專利局081713236321611959 全球統計1828313697267317120

2.2 全球主要申請人

為了獲取Polar專利申請的主要申請人，通過對歐洲專利局、美國專利局和中國專利局和全球數據庫中的Polar碼進行統計，Polar碼的專利申請以通信設備制造商為主，尤其是中國華為公司和美國高通公司，二者的Polar專利申請數量遙遙領先其他申請人，分別排在第一和第二。

2.3 全球重點申請人

為了更清晰地研究華為和高通的Polar碼專利申請情況，統計全球主要的專利數據庫，對華為和高通的Polar碼專利申請趨勢在圖1中示出。華為公司的Polar碼專利申請量明顯高于高通公司，華為公司對Polar碼專利的布局大概早于高通4年的時間。而華為主推的Polar碼在2016年被確定為5G eMBB場景控制信道的編碼方案，表明華為對于Polar的研究極具前瞻性。

圖1 華為高通Polar碼專利申請趨勢

Polar碼從理論提出，到實際工程應用，存在著諸多技術問題需要進一步研究和解決。華為和高通對于Polar碼專利申請比較全面，對于Polar碼中信息位選取、級聯結構、速率適配和信道交織四個技術角度都進行了一定量的專利申請覆蓋。四個技術分支相比，由于Polar碼與其他碼級聯時，其他碼可以有多種選擇，且華為高通專利申請量并未再級聯結構方面爆發，可以嘗試使用其他級聯結構進行專利權規避。如果其他申請人想要在技術上可以進行更多的規避，建議避開上述四個技術分支。

雖然在Polar碼專利申請上華為公司與高通公司相比明顯占據優勢，但結合兩家公司在3GPP會議上的表現，華為主推Polar碼，而高通主推LDPC碼，實際上，高通公司在LDPC碼專利申請的積極性明顯高于在Polar碼專利申請的積極性。

3 中國專利申請態勢

中國現在是全球第二大經濟體，中國通信市場前景廣大，中國的通信運營商比如移動、聯通等與中國的通信制造商如華為中興等都屬于全球知名公司，中國將是5G最重要的參與者之一。全球主要的通信設備制造商都進行了Polar碼的專利申請，重視中國市場。同時，中國本土的公司和機構在申請量對比國外明顯占據優勢，其中中國申請人和國外申請人分別占比77.78%和22.22%。另外，除了傳統的通信制造商如華為、中興、大唐等，中國高校在Polar碼的專利申請異軍突起，在申請量前12名中，中國高校的申請量占據了20.23%。但是，中國高校的相關Polar碼專利申請僅限制在了中國專利局，并未在國外專利局進行布局。

4 結論

通過對Polar碼專利申請的統計分析可以明顯發現，中國華為公司對Polar碼的專利申請在數量、覆蓋度和前瞻性上都占據了明顯優勢，將在5G eMBB場景控制信道編碼中占據領先地位；高通公司等傳統知名通信制造商在Polar碼專利申請上稍微落后，但也迅速加大了對Polar碼的研究；中國高校在中國專利局的Polar碼專利申請上也有一定的積累。對Polar碼專利申請統計分析后，本文有以下建議：對新技術的研究要具備敏感性和前瞻性，提前下場加大研究后才能在專利申請中享有領先優勢；中國高校除了在國內進行布局外，可以聯合其他公司或機構開展國外布局；公司開展專利布局時，可以聯合高校共同研發或者購買高校的專利權。

［1］唐成.5G系統Polar碼的譯碼算法研究與實現［J］.中國優秀碩士學位論文全文數據庫信息科技輯，2020（1）：1136-1410.

＊第二作者對本文貢獻等同于第一作者

2095－6835（2020）24－0009－02

TN92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.003

杜東振（1988—），男，河南濮陽人，碩士，助理研究員，專利審查員，主要從事無線通信領域專利審查。

鄒麗（1986—），女，江西撫州人，碩士，助理研究員，專利審查員，主要從事無線通信領域專利審查。

〔編輯：張思楠〕