中國信通院李立等：5G+智慧城市專利態勢研究
0 引言
5G已成為建設新型智慧城市必備的移動通信技術，在智慧城市領域發揮重大作用。本文對我國5G與智慧城市產業的融合發展現狀進行了分析，從申請趨勢、地域分布、技術領域等維度分析了全球視角下的5G+智慧城市專利態勢，從而對5G+智慧城市產業的融合創新提出了整體建議。
1 5G+智慧城市建設的融合
5G商用賦能新型智慧城市建設發展[1]，是新型智慧城市移動通信網絡的必備技術。作為下一代蜂窩移動通信網絡，5G相比4G在峰值速率、連接密度等網絡性能方面有幾倍到幾十倍的增強[2]，將憑借大帶寬、大連接、低時延的網絡特性，在智慧城市領域發揮重大作用。5G將成為增強城市運行狀態感知能力、提高城市管理和民生服務效率、推動各類基于數據的智能化應用服務模式創新的重要手段，推動城市網絡基礎設施全面升級。
基于大連接5G技術已在推動城市網絡設施泛在升級中發揮重大作用，極大地提高了城市運行狀態感知能力。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）具有低速率、低功耗、深度覆蓋和無連接態切換等特性，被廣泛應用于支持遠程抄表的智能表計、具有車位狀態監控和地下車庫深度覆蓋能力的智能停車、自適應的路燈控制和井蓋防護的市政物聯、定期信息上傳和廣域覆蓋能力的環境監測等領域。基于LTE增強的物聯網技術（LTE Enhanced MTC，eMTC）正以“中速率、移動性、支持語音”等特點，與NB-IoT形成協同互補發展趨勢。eMTC技術可以應用于定位信息需實時監控的物流追蹤、快捷的移動支付、支持車輛定位和狀態監測的行車衛士、具有語音呼叫和定位功能的智能穿戴等領域。
基于高帶寬的5G+視頻監控用于監控交通流量和社區安全，特別是交通的智能疏導、緊急醫療的高效救助、無人機安防巡邏等，從而實現對城市全方位、立體化的智能管理。
2 全球5G+智慧城市專利態勢分析
2.1 全球專利申請趨勢
圖1所示為2012—2019年5G+智慧城市產業融合的全球專利申請趨勢，共計申請10 925 項相關專利，合并同族后為5479 項。2012年，全球主要國家和區域紛紛啟動5G移動通信技術需求和技術研究工作。基于此背景，5G+智慧城市產業融合領域從2012年前后就開始出現了少量的專利申請。2012—2014年，5G+智慧城市產業融合的專利申請呈較小增速平穩增長，這與全球的5G進程尚處于預研階段有關。2015年及2016年，5G+智慧城市產業融合的專利申請數量均出現了大幅度上漲，漲幅均為2倍左右，這與5G技術研發及標準化的步伐大幅加快、全球主要公司紛紛投入5G研究、5G+智慧城市專利布局增速等因素有關。2017年及2018年，5G+智慧城市產業融合的專利申請量達到高峰，分別為1879 項和1854 項，這與3GPP發布早期版本的5G標準有一定關系。2019年和2020年的5G+智慧城市產業融合專利數據受專利公開的限制，數量較少。但可預計，隨著全球范圍內5G商用的全面開花，5G+智慧城市產業融合領域的專利申請量會保持快速增長的勢頭。
圖1 5G+智慧城市產業融合的全球專利申請趨勢
2.2 全球專利地域分布
全球參與5G+智慧城市專利發明的國家中，研發熱度最高的是中國、美國和韓國，這與這些國家一直重視信息通信技術的研發和發展，且具有諸多研發實力強勁的企業有很直接的關系。全球共計超過20個國家和地區參與了5G+智慧城市產業融合的研究，這說明全球對5G+智慧城市產業融合的關注熱度不低。中國是全球5G+智慧城市專利的最大技術來源國。隨著中國通信企業的崛起，中國成為了通信行業的重要力量，有力推動了5G技術和標準的發展。作為5G率先落地的應用之一，智慧城市產業引起了國家和企業的廣泛重視，產業相關企業積極順應主流趨勢，努力占領5G+智慧城市的技術高地。
美國對5G+智慧城市的研發熱度僅次于中國，排在專利技術來源國的第二位。短期來看，美國得益于在5G產業和智慧城市產業兼具的豐厚技術儲備，其在該領域將繼續保持領先地位。韓國、歐洲和日本等國家和地區在5G+智慧城市領域也有較高的研究熱度。
2.3 全球專利技術領域分布
由于智慧城市建設是一個巨大的復雜系統，涵蓋的行業非常廣泛，包括基礎設施、油氣、水電、交通、物流、政務、安防等，不同行業應用領域關注的5G特性不盡相同，同一行業具體應用場景關注的5G特性也有所差異。從5G+智慧城市全球專利主要技術領域來看，支持智慧城市的5G改進技術和利用5G實現智慧城市的應用技術是5G+智慧城市專利技術的兩大布局方向。
如圖2所示，目前智慧城市產業普遍更專注5G的大連接能力，同時在控制信道和參考信號的設計等5G接入網技術領域有較多專利涉及。物聯網技術相關的專利為2099 項，說明萬物互聯在5G+智慧城市產業領域得到了廣泛應用。控制信道設計和參考信號設計的專利均達到800 余項，說明全球專利申請人更關注這兩個技術方向在支持智慧城市應用時的改進。
圖2 5G+智慧城市產業融合全球專利主要技術領域
基于5G技術，5G+智慧城市產業創新的技術領域主要包括智慧汽車、智慧建筑、智慧家庭、智慧零售以及安防監控服務等智慧服務的應用。其中，智慧汽車、智慧建筑、智慧家庭相關領域的專利申請量均超過了1500 項，是5G+智慧城市產業創新的重點領域。同時，智慧零售、安防監控服務等領域也是5G+智慧城市的重要應用場景，這兩個領域均有超過700 項的專利申請量。
2.4 全球專利主要申請人
智慧城市的發展得到政府、產業上下游以及學界的普遍關注和支持。從全球5G+智慧城市的主要申請人來看，一是以華為、高通、三星、愛立信公司為代表的ICT芯片、終端、設備供應商，為智慧城市建設提供基礎的硬件設備；二是以日本NTT、美國AT&T、中國三大運營商為代表的電信運營商，利用自身網絡優勢，積極拓展智慧城市應用領域；三是以葡萄牙VENIAM、美國Afero等為代表的初創車聯網或初創物聯網公司，以智慧應用為突破，為智慧城市細分市場提供個性化的解決方案；四是以北京郵電大學、東南大學、重慶郵電大學等為代表的高校，從學術研究和理論創新的角度，積極參與到5G+智慧城市融合領域。
3 我國5G+智慧城市專利態勢分析
3.1 專利申請趨勢
我國5G+智慧城市產業融合領域共計申請1694 項相關專利，合并同族后為1643 項。我國5G+智慧城市產業融合領域專利申請趨勢和全球專利申請趨勢類似，2012—2018年，5G+智慧城市產業融合領域的專利申請量快速增長，在2017年達到峰值697 項（見圖3）。可以預計的是，隨著5G商用的快速發展，我國在5G+智慧城市產業融合領域的專利申請量會保持快速增長勢頭。
圖3 5G+智慧城市產業融合的在華專利申請趨勢
3.2 專利地域分布情況
我國5G+智慧城市產業融合領域專利申請的發明人中超過70%來自中國，說明中國發明人對國內的5G+智慧城市產業融合專利申請的貢獻較大。國內通信企業、運營商、高校、科研院所和互聯網企業均投入了很大的創新熱情，共同推動中國5G+智慧城市創新融合的快速發展，共同打造擁有自主知識產權的5G+智慧城市產業鏈。
全球共15 個國家的發明人在我國申請5G+智慧城市產業融合領域專利，說明了全球對中國5G+智慧城市產業市場的廣泛關注。其中，來自美國、韓國、歐洲的發明人申請專利的數量分列第二、第三、第四位，說明了這些國家和地區對我國5G+智慧城市市場的重視程度。
3.3 專利技術領域分布
如圖4所示，目前智慧城市產業更關注5G的低時延特性,對實時通信要求比較高，同時在參考信號和控制信道的設計、隨機接入控制等5G接入網技術領域有較多專利涉及。其中，低時延的實時通信技術相關專利為 115 項，參考信號技術專利為83 項，控制信道和隨機接入技術專利均超過40 項。基于5G技術，我國5G+智慧城市產業創新的技術領域主要包括智慧建筑、智慧汽車、智慧家庭、智慧路燈等智慧服務的應用。其中，智慧家庭領域專利為118 項，智慧建筑、智慧汽車和智慧路燈領域均有幾十項專利分布。值得注意的是，使用或加裝具有5G通信能力的模塊是一些公司進行5G+智慧城市融合的常用技術手段，這方面的專利有110 余項。
圖4 5G+智慧城市產業融合在華專利主要技術領域
3.4 專利主要申請人
我國專利申請人和全球專利主要申請人基本相同。華為、三星、高通、中興等公司為代表的ICT芯片、終端、設備供應商，為智慧城市建設提供基礎的硬件設備和技術解決方案。中國的三大運營商利用自身網絡優勢，積極拓展智慧城市應用領域。以小米和OPPO等為代表的手機制造商，研發5G技術方案和智慧應用的結合，側重于5G的用戶設備接入、調度、反饋等基礎通信技術與機器通信、智能穿戴等應用技術的融合。以北京郵電大學等為代表的高校，從學術研究和理論創新的角度，積極參與到5G+智慧城市融合領域的研究，均有少量的專利申請。智慧城市細分行業的從業公司在5G+智慧城市融合領域也申請了少量專利，涉及路燈、家具家電、車輛和電網等行業應用。中國的5G+智慧城市的融合發展得到了產業鏈上下游的普遍關注和支持。
4 5G+智慧城市產業專利發展建議
基于對5G+智慧城市產業和專利的分析，下面對我國的5G+智慧城市專利發展提出幾方面建議。
4.1 順應新型智慧城市建設浪潮，統籌集約推進專利發展
2016年以后，我國提出“新型智慧城市”概念，我國的智慧城市建設進入第三次發展浪潮[3]。在新型智慧城市的專利發展上，應以推進新型智慧城市發展為出發點，以解決新型智慧城市建設中遇到的難點和痛點問題為落腳點，以政府指導、市場主導的方式，統籌集約地提高我國5G+智慧城市的專利申請量和專利質量。同時，應注重健全專利質量體系，進一步加強對專利的科學評估和獎勵，提高我國專利申請主體的創新質量。
4.2 以技術演進和市場需求為導向，優化專利技術領域布局
我國應繼續加大5G技術和5G+智慧城市融合的研發投入，以5G技術演進的規律和5G+智慧城市產業及市場的發展需求為導向，在5G+智慧城市的重點技術領域均衡發展的同時，重視發展自身優勢領域。在5G技術研發方面，我國應重視5G三大應用場景中海量機器通信（Massive Machine Type Communication，mMTC） 場景和高可靠低延遲通信（Ultra Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）場景的核心技術的研發和專利布局，滿足大連接和低延遲特性的技術同樣是5G+智慧城市融合的核心技術。在新型智慧城市應用上應做到全面開花，即基礎設施、油氣、水電、交通、物流、政務、安防等領域均與5G技術做到全面融合發展，在加強目前涉及的智慧交通、智慧抄表、智慧停車等應用專利申請的基礎上，拓展各個應用領域的專利申請。
4.3 加強5G+智慧城市專利的融合特性
目前，我國的5G+智慧城市專利普遍存在融合度低的問題，一方面傳統ICT巨頭公司申請了大量5G基礎技術相關的專利，但在這些專利中沒有明確地給出如何應用到智慧城市建設的具體技術方案；另一方面智慧城市的各個行業在進行5G融合專利申請時，其技術方案往往是通過簡單地使用或者加裝5G無線通信模塊來實現基礎的融合。目前，低融合度的5G+智慧城市專利申請無法滿足新型智慧城市高質量發展的需要。我國應注重5G+智慧城市產業融合的專利發展，做到“產業5G融合深”和“5G產業融合廣”，既要重視跨部門、跨行業的融合統籌力度，又要重視業務融合、技術融合、數據融合的全面發展。
5 結束語
隨著我國對5G等新型基礎設施建設的大力推進，5G+智慧城市的建設已成為政府提升數字化治理水平的關鍵手段。本文從專利的角度對全球的5G+智慧城市專利態勢進行了分析，提出面向未來的5G+智慧城市的高質量發展將更加需要以需求為導向、具有深度融合特性的高價值專利的保駕護航。
