中国信通院张会丽等:5G+工业互联网专利态势研究
作者 | 中国信通院2022-05-09
5G作为新一代信息通信技术,具有大带宽、低时延、高可靠特性,是推动数字化产业链上下游企业转型的强大动力,是数字经济发展的重要引擎。工业互联网作为实体经济与新兴技术融合的产物,是加快5G商用部署的重要突破口之一,两者相辅相成,推进制造业高质量发展。

全球5G已进入商用部署关键期,5G将助力工业互联网实现从工业数字化阶段到全面互联阶段的转变。5G将从4个方面由浅入深赋能工业互联网:一是从工业企业(Operation Technology,OT)和信息技术(Information Technology,IT)架构底层向上层逐步延伸;二是从辅助功能向生产过程控制逐步延伸,目前5G 大多聚焦在辅助功能上,并未取代生产过程控制;未来伴随工厂内部5G网络的完善部署,将会实现高效率、零停机、低时延和高稳定可靠的生产过程控制;三是从增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)向大规模机器类型通信(Massive Machine Type Communication,mMTC)和超可靠低延迟通信(Ultra Reliable Low Latency Communication,uRLLC)逐步延伸,其中eMBB场景包括超高清视频等大流量移动宽带业务,mMTC场景包括环境监测、海量连接等大规模物联网业务,uRLLC场景包括远程制造、远程培训、远程手术、无人驾驶等低延迟业务;四是从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算、网络切片、时间敏感网络等逐步延伸。5G 3GPP R15版本中制定了基于NSA和SA的eMBB标准,在3GPP R16和R17规划中,3GPP已经开始对5G NR支持工业互联网进行新的研究规划,旨在更好地集成融合5G网络与时间敏感网,预计未来5G将会争取工业标准话语权,并有望颠覆工控及部分装备产品形态[1]。

1  5G与工业互联网产业的融合

1.1  全球5G+工业互联网产业融合情况

2018年,5G产业自动化联盟(The 5G Alliance for Connected Industries and Automation,5G-ACIA)成立,旨在助力5G在工业领域落地发展,并基于真实业务需求场景开发5G技术。5G-ACIA组织成员汇集了传统自动化和制造业企业以及信息和通信技术行业领先企业,共同促进5G工业互联的标准化工作,加速工业自动化的实现。

2019年3月,5G-ACIA联盟发布《5G for Connected Industries and Automation》 白皮书[2],阐述5G应用场景贯穿了工业制造的全过程,覆盖了生产过程的全生态环节。欧盟、美国、韩国等发达国家/地区积极顺应工业互联网领域的良好发展态势,在汽车制造、电子自动化、机械制造领域通力合作,共同助推标准制定、协力推出应用服务,旨在在5G+工业互联网领域迅速布局,以抢占5G垂直产业领域技术制高点。

1.2  我国5G+工业互联网产业融合情况

我国高度重视5G赋能工业互联网领域的发展情况,多次发布指导性文件,力求助推产业良性高速发展。2019年8月13日,工业和信息化部召开“5G+工业互联网”全国现场工作会议,强调紧抓新一代信息技术与实体经济深度融合的重大历史机遇,积极探索“5G+工业互联网”领域实践创新;要求加快推动“5G+工业互联网”,有力支撑制造业高质量发展。2019年11月,工业和信息化部印发《“5G+工业互联网”512工程推进方案》[3],明确到 2022年打造5个产业公共服务平台,覆盖10个重点行业,形成至少20大典型工业应用场景。2020年2月,中共中央政治局常务委员会召开会议强调要加快5G网络、工业互联网等新基建产业发展。2020年3月,工业和信息化部印发《关于推动工业互联网加快发展的通知》,详细制定了2020年“5G+工业互联网”的推进措施,提出加快工业互联网发展“二十条”。

从2019年6月工业和信息化部向电信运营商颁发5G商用牌照开始,我国进入5G商用元年。作为制造大国,我国是推动5G和工业互联网融合发展的重要参与者。我国重点聚焦电力、机械、汽车、石化、化工等工业领域的融合发展,期望以重点领域为突破口,引领融合创新发展,确保政产学研系统全面助力5G与工业互联网领域的融合发展生态。

2  5G+工业互联网专利态势分析

本文检索专利所用的数据库包括Derwent数据库[4]、Innography 数据库[5]和Innojoy数据库[6],检索范围涵盖2012年1月—2019年9月的全球专利申请。

全球范围是指包括且不限于“七国两组织”(七国:中国、美国、日本、韩国、德国、法国、瑞士;两组织:世界知识产权组织、欧洲专利局)的全部公开专利。专利分析在整体趋势分析部分按照同族统计,属于一个专利同族的多项专利合并同族后计为1项专利;在具体技术统计时采用单件统计方式,具体根据图表中单位“项”或者“件”来区分同族统计或者单件统计。由于专利申请公开具有18个月的滞后期,至本文完成日,2018年以及2019年部分专利尚未公开,因此2018—2019年的专利统计数量低于真实申请数量。

2.1  在维持2012—2016年的平稳态势后,2017年5G+工业互联网专利集中爆发

自2012年开始,截至2019年9月,在全球范围内共计申请14 927件5G+工业互联网专利,合并同族后为10 084项。自2012年国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)提出5G需求,产业界开始尝试探索5G与工业物联网融合应用场景与技术,5G+工业互联网专利在2012—2015年呈现平稳增长态势,年度申请量维持在400~700 项左右(见图1)。

受2016年3GPP全面启动5G标准化研究工作以及2017年12月5G新空口非独立组网标准的影响,5G面向三大应用场景(eMBB、uRLLC、mMTC)的各项关键技术取得了长足发展;同时,自2017年开始全球各国纷纷发布 5G+工业互联网战略部署政策,全球产业界成立多个5G产业发展联盟和创新中心,共同研讨5G+工业互联网融合应用,5G+工业互联网专利呈现快速增长态势,并于2017年达到3219 项申请量的峰值。

2018年6月,3GPP发布5G独立组网标准并启动5G R16标准预研工作,进一步研究uRLLC增强以满足诸如“工业制造”“电力控制”等更多的5G工业物联网应用场景。ICT创新主体和传统制造业由于持续寻求创新与突破,其2018—2019年的5G+工业互联网专利申请量相比于2017年有稳步的增长。

5G+工业互联网全球专利年度申请趋势

图1  5G+工业互联网全球专利年度申请趋势

2.2  中美韩欧是 5G+工业互联网主要技术来源国家/地区

为分析各个国家/地区的技术研发情况,对自2012年开始,截至2019年9月的5G+工业互联网专利主要发明人申请量分布情况进行统计,发现中国、美国、韩国、欧洲是5G+工业互联网融合领域主要技术来源国家/地区,这与这些国家/地区的5G+工业互联网政策和产业发展较为相关。

我国积极探索传统制造业转型升级,高度重视工业互联网与5G融合发展,并密集发布多项政策实施方案促进产业生态,因此我国相关专利布局活跃,贡献约45%的5G+工业互联网专利技术。美国电信运营商和设备商立足自身领先制造业的基础优势,借助工业互联网领域的先发优势,加快5G在工业互联网领域的应用布局。以三星和 LG企业为主导的韩国重视5G+工业互联网产业融合发展,并积极研究探讨面向工业互联网领域的5G技术创新,贡献约10%的专利技术。以瑞典、德国、芬兰、加拿大为代表的欧洲地区作为5G+工业互联网专利技术的主要来源地区,得益于其申请人自身丰厚的5G相关技术储备,紧跟工业互联网发展态势,积极布局相关专利。

2.3  专利布局地域广泛

自2012年开始,截至2019年9月,5G+工业互联网融合专利共计在23个国家/地区有专利布局,主要包括世界知识产权组织(World Intellectual Property Organization,WIPO)成员国、中国、美国、韩国和欧洲专利局(European Patent Office,EPO)成员国,其中排名前5的国家/地区专利申请量占比总和高达92%(见图2)。值得关注的是,WIPO成员国专利以35%的占比位居第一,原因在于多数企业越来越重视国际目标市场,期望在多个国家同时部署5G产业应用,形成全面的专利保护体系。

5G+工业互联网全球专利目标国家/地区分布

图2  5G+工业互联网全球专利目标国家/地区分布

2.4  2/3专利处于在审状态

专利法律状态是指专利申请当前所处的状态,是专利价值的重要体现形式之一。如图3所示,自2012年开始,截至2019年9月,在14 927 项5G+工业互联网相关专利中,19%的专利申请处于失效状态,其失效原因包括PCT申请进入国家阶段、专利申请撤回等;有权专利2385 件,占专利申请总量的16%;65%的专利申请处于在审状态,这与5G标准制定与技术研发周期密切相关,其中5G面向工业互联网的融合研究主要集中在5G技术相对成熟之后,而发明专利需要经过实审阶段方能授权,其审查周期普遍为3~5年,所以目前大部分专利尚处于审查过程中。

5G+工业互联网全球专利法律状态

图3  5G+工业互联网全球专利法律状态

5G+工业互联网全球专利关键技术聚类分析

来源:中国信息通信研究院知识产权中心和Innography数据库

图4  5G+工业互联网全球专利关键技术聚类分析

2.5  重点聚焦支持工业互联网应用的5G技术和以5G技术为支撑来实现工业互联网应用

为明晰5G和工业互联网融合领域重点技术研发方向,对自2012年开始,截至2019年9月的14 927 件专利内容进行聚类分析,以确定目前创新主体在5G和工业互联网融合技术方面的布局重点。

支持工业互联网应用的5G技术专利主要涉及无线接入技术(参考信号、控制信道/控制信息/下行链路控制、随机接入、资源分配、信道状态信息、同步信号等)、网络技术(网络切片)。其中,参考信号是专利布局相对密集的技术领域,共有1178 件专利申请与之有关,其作为实现大规模天线技术的关键,能够实现灵活波束赋形,提升工业环境的覆盖和容量,解决多设备多场景下的接入问题,具体内容涵盖参考信号的设计、配置、发送/接收等;控制信道/控制信息相关专利共有1400 余件,主要涉及控制信道设计优化、控制信息的配置等;无线资源分配/管理是实现资源调度和优化的重要途径,包括670 余件相关专利申请;随机接入方向专利490 余件,其改进方向聚焦于面向工业互联网场景的接入方法;信道状态信息相关专利400 余件,主要涵盖信道状态信息反馈优化;同步信号相关专利330 余件,其内容侧重同步信号设计优化、发送/接收。网络切片技术可对5G资源和能力按照不同的业务场景和业务模型,实现按需定制,能够保障工业领域不同业务环节以及工厂内外部的数据安全与独立,是5G赋能垂直行业的利器,是ICT企业和工业领域创新主体关注的技术热点,共计申请620 余件专利。

以5G技术作为有力网络支撑来实现工业互联网创新方面的专利主要涉及智能业务以及高数据速率业务。其中,智能业务是专利布局最多的方向,共计申请1050 余件专利,结合对智能业务相关专利的人工细化筛选分析,发现其技术创新主要聚焦D2D、机器通信、虚拟现实、数据计算与处理,可见工业互联网领域重点关注设备互联互通问题。高数据速率业务是面向高带宽的应用,如基于视觉的照相检测、AGV、云化机器人等。为实现工业应用与5G的有机融合,高数据速率业务共布局450 余件专利。

2.6  ICT企业是推动5G赋能工业互联网融合应用的重要力量

从5G+工业互联网相关专利的全球申请人来看析,排名靠前的企业主要为通信企业,说明ICT企业是推动5G赋能工业互联网融合应用的重要力量。全球5G+工业互联网专利主要申请人有华为、三星、爱立信、诺基亚、OPPO、VIVO、高通、INTEL、中兴、LG、AT&T。

3  发展建议

3.1  继续发挥ICT企业先锋作用,加大实体经济企业参与力度

目前,5G+工业互联网领域的专利申请主要以ICT企业的5G技术创新为主,传统实体经济企业积极性不高,其主要解决应用实践问题,技术创新成果不够突出,未能在产业发展中起到主导作用。针对目前5G+工业互联网创新主体不够多元的问题,一方面应加强通信厂商与工业互联网企业的沟通融合与跨界合作,合力开展重点行业、重点企业试点示范和协同创新中心建设,在运输物流、石油化工等重点领域率先开展“5G+工业互联网”商用应用示范,调动实体企业的积极性;另一方面应鼓励和推动更多细分工业领域的企业建立和完善技术创新模式,开展面向行业骨干的知识产权战略与技能培训,建设制造业知识产权在职人才培养基地,并以行业示范应用带动融合领域热点技术创新,加速边缘智能、网络切片、时间敏感网络等核心技术研发,在核心技术领域进行前瞻布局。

3.2  保持核心技术优势,优化差异化技术布局

一方面,从5G技术本身出发,政府或企业可以进行专利技术分析与预警,以获得专利布局中的空白点和薄弱点,提早进行专利布局;另一方面,从工业互联网领域技术创新角度出发,企业可从内外网的5G升级改造入手,提出基于eMBB、mMTC、uRLLC场景的定位、远程控制、远程检测等技术,构建全面覆盖的技术体系。

4  结束语

工业互联网作为实体经济与新兴技术融合的产物,是加快5G商用部署的重要突破口之一。世界各国在加快5G+工业互联网深度融合的产业和应用生态方面积极开展创新研究工作,未来工业互联网将成为主要工业强国抢占国际制造业竞争制高点的关键因素。本文聚焦5G+工业互联网专利态势,从专利申请趋势、专利技术来源国和布局目标国、专利法律状态、专利主要申请人几方面深入分析专利布局情况,建议在5G+工业互联网领域创新主体方面,继续发挥ICT企业先锋作用,加大实体经济企业参与力度;在技术布局方面,保持核心技术优势,优化差异化技术布局,全面助力5G+工业互联网的广泛部署与应用。

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