蜂窝物联网专利技术综述

周书玉 涂荣

1. 摘要

蜂窝物联网技术作为未来通信行业的重要内容，对现有通信系统架构都产生一定影响。本文聚焦蜂窝物联网中的常用技术窄带物联网NB-IoT、机器类通信MTC/e-MTC、扩展覆盖EC-GSM，以及蜂窝物联网技术中急需解决的增强覆盖、省电、资源分配等问题，从专利的角度进行统计和分析，并在此基础给出后续的技术走向、产业发展、风险规避方面的预测和建议。

2. 蜂窝物联网概述

2.1 蜂窝物联网的分类

物联网标准的制定是物联网发挥自身价值和优势的基础支撑，对整合不同的碎片化应用场景的共性特征，推动物联网产业的发展具有非常重要的意义。只有统一了标准，不同的网络系统才能互联互通，也只有统一了标准，才能促成大规模的生产，从而降低单业务成本。第三代合作伙伴（3GPP）各工作组分工合作实现对物联网技术的需求、功能、架构、安全、信令流程等的研究和标准制定。目前3GPP主要关注3种基于蜂窝的物联网通信技术，分别是窄带物联网（NB-IoT）、eMTC和EC-GSM。

（1）NB-IoT

NB-IoT是一类构建于蜂窝网络的窄带物联网技术，可直接部署域GSM网络、UMTS网络或LTE网络。NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力;二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度，超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本。由于NB-IoT自身具备的广覆盖、低功耗、低成本等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。

（2）MTC/eMTC

eMTC基于LTE协议演进而来，采用LTE带内部署方式，支持TDD和FDD两种方式，eMTC和LTE在同一频段内协同工作，由基站统一进行资源分配，共用部分控制信道。eMTC的用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率，可以支持丰富、创新的物联应用，主要包括：智能充电桩、侯机宝、电梯卫士、智能公交站牌、公共自行车管理等方面。

（3）EC-GSM

EC-GSM，即延伸覆盖版的GSM，运用此技术，现有已布建的GSM基地台也更适合用于物联网应用，相同的GSM基地台，可以拥有更大的通信覆盖面积，支援更多GSM终端节点的通信。EC-GSM是由于受到来自LoRa等技术的挑战，由3GPP GERAN在GSM的基础上，增加了省电模式、增强型连续接收、覆盖优化等新功能而形成的，而NB-IoT和eMTC则属于全新的RAT模式，可以基于现有的蜂窝移动通信的频谱在带内、带外、保护间隔内进行部署。值得注意的是，以沃达丰、SK电讯等为代表的电信运营商均有准备在未来5至10年将GSM退网，以便将低频段让给NB-IoT和eMTC，从而满足未来物联网无线技术的大范围部署。因此，EC-GSM仅有可能再对网络建设成本、网络演进等特殊考虑的情况下，在无法建设NB-IoT的场景中才会采用。

2.2 蜂窝物联网技术的发展

“物联网”的概念是于1999年由麻省理工学院的Auto-ID 实验室提出的。1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议上提出了传感网（智能尘埃）是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇。同年，麻省理工学院的Gershenfeld Nell教授撰写了“When Things Start to Think”一书，以这些为标志开始了物联网的发展。2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告 2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。进入新世纪后，物联网得到了快速发展，产业界更是提出了万物互联的设想，越来越多的物体将被连接到互联网，并最终实现到主控端、云端的连接。

5G与前四代通信系统不同的是，5G并不是依靠一种新接入方式，而是关注多种应用场景和多种接入技术，这些无线接入技术在后向包容4G技术的同时还有多种新型的无线接入技术。5G不仅仅只考虑人类用户需求的体验速率、时延等需求，还渗透到物联网领域，将大规模物联网作为主要应用场景，移动互联网和物联网成为了推进5G发展的巨大动力，期待解决不同场景下不同终端设备的不同性能需求问题。因此移动蜂窝网与物联网的融合是未来网络发展趋势，在5G网络中，大连接低功耗物联网成为主要场景之一。

2.3蜂窝物联网的亟待解决的问题

2.3.1 定位增强

随着物联网的发展和MTC终端的广泛使用，MTC的定位能力被提上議事进程上。例如在物流应用及作为SENSOR部署的场景中，定位能力逐渐成为运营商和客户的主要需求，在Rel-13的NB-IOT因为带宽的限制，无法直接使用能够保证一定精度的已有LTE版本的定位技术。这也构成蜂窝物联网技术亟待解决的技术问题。另外，传统的LTE的定位技术也无法满足覆盖增强的部署场景。所以，定位增强技术将会成为下一个版本中最重要的组成部分。

2.3.2多播传输增强

针对MTC部署中终端固件、软件升级和组消息发送等应用场景，3GPP决定在Rel-14版本中支持多播传输增强，主要研究将集中在增强Rel-13中SC-PTM技术实现下行的多播传输。在WI进程中将考虑NB-IOT的窄带特性，并在多播传输中继续支持覆盖增强。

2.3.3移动性增强

蜂窝物联网基本针对静止的终端，对移动性的支持有一定的限制。在后续的发展中，将着重研究对连接态移动性的增强以更好支持用户的服务连续性。

2.4蜂窝物联网的未来发展

在5G部署场景研究的文献中，3GPP定义了3种最重要的5G部署场景：

1）增强宽带移动通信;

2）巨量机器类型通信;

3）超可靠性及低时延通信。

由此可见，Massive Machine Type Communication 将是5G重要部署场景之一。对于此，蜂窝物联网的演进方向主要归纳为以下3点

1）连接密度

这是设计增强的主要目标，最终保证支持大约1000000终端/平方千米的密度。如此密度的终端部署，需要解决包括干扰消除、多址和控制优化等一系列的问题。

2）终端功率消耗

进一步考虑降低终端的功率消耗，降低终端的成本。

3）覆盖增强

由于物联网的通信场景广泛应用于较大的场景，因此需要继续支持并拓展覆盖增强，并进一步提高资源利用率。

3. 物联网专利情况分析

3.1 国内外申请量

为了获得蜂窝物联网技术研究的专利申请情况，以CIoT，NB-IOT，eMTC，EC-GSM等关键词在DWPI专利库中共得到1251篇专利文献，排除了一些明显不属于该领域的申请。

根据统计数据发现，伴随着移动通信的发展，自2009年起3G-4G通信的崛起以及物联网的发展，根据智能终端的需要，有关蜂窝物联网技术方面的申请量在2012-2018年得到了快速发展，在2018年达到了最高峰，这一年关于物联网的专利申请量高达533件，简单的从数据中看在2018年后開始出现下降趋势，当然这是由于2019年后专利申请的公开数据不完整，导致总申请量下降，并不能因此判定该领域申请呈现出大幅下降趋势，因此，从时间上看是符合逻辑的。综合判断，关于蜂窝物联网的技术领域是近几年全球专利申请的热点，并且其专利申请量也将继续保持较高的水平。

3.2区域分析

根据上述在DWPI中获得的蜂窝物联网技术相关专利申请为统计基础，对全球专利申请的主要国家及地区情况进行了统计。中国的专利申请量位于第一位，达到了全球专利申请总量的24%，远远领先其他国家。由于国内两大通信设备商华为和中兴迅速崛起，以及中国市场的影响力，使得中国在该领域的专利申请量如此之大。美国的英特尔、高通等行业技术领先的公司，其申请量也非常大，占全球份额的19%，欧洲集合了爱立信、诺西等行业巨头，因而申请量位居前列也是在意料中的，占全部份额的9%。韩国的LG和三星也在该领域投入很多研究，沃达丰与印度电信公司的合并，以及爱立信与印度铁塔携手计划的智慧城市，都促使印度在该领域的高速发展，专利申请量在全球也名列前茅。

3.3 原创国分析

美国是蜂窝物联网相关的原创专利申请最多的国家，占到申请总量的45%，中国在这一领域的申请量略少于美国，占41%，中美两国的申请量之和超过了全球申请总量的90%。韩国和欧洲也分别占据了8%和3%的申请量。由此可以看出，中美两国都非常重视蜂窝物联网技术研究，除了中美两个以为的其他地区，也对此领域相当关注，我们不难欧洲和韩国也致力于蜂窝物联网领域的研究，印度和日本在该领域的努力也是我们不容忽视的。

3.4重点申请人

分析数据发现国内企业研究院所中兴、华为以及电信研究院在蜂窝物联网领域都处于领先地位，三星、爱立信、LG、英特尔、领英、高通等各国巨头公司在该领域的申请量也是不甘示弱。

4 总结

通过对蜂窝物联网的专利申请情况的分析，可以得到华为和中兴的申请量最为突出，而国外的三星和爱立信有徒增的趋势，大学申请也占有较高的比例。在相关的干扰研究方面，大部分企业和高校倾向于在网络特性和用户服务体验上作出改进，而随着基础设施和移动智能设备的普及，传统的移动互联网受到了挑战，物联网正在快速的发展中，核心业务从话音加速向数据更迭，宽带无线从支撑移动互联网创新加速向支撑垂直行业移动物联发展。

蜂窝物联网正呈现着迅猛的发展势头，适用于生活的各个领域。同时，蜂窝物联网也面临一些亟待解决的碎片化问题，譬如说，移动性、多播传输以及定位上的信号增强等技术问题，也还存在一些标准制定的规范需要进一步完善。

通过对蜂窝物联网的专利发展状况的梳理，了解的该领域相关专利国内外的申请情况进行了的分析，对现有技术有了更加深刻的了解，同时也掌握了未来蜂窝物联网的发展趋势，此外，通过大量地阅读申请文件，提高了对相关领域技术的了解，为后期的审查积累了一些专业技术知识。

参考文献：

[1]《新一代蜂窝物联网热点技术对比解析》[J]，电信网技术，2017.5

[2]《面向5G的M2M通信低功耗覆盖增强及资源调度的研究》[M]，北京交通大学硕士学位论文，2017.03

[3]《NB-IoT技术标准化及发展趋势研究》[J]，现代电信科技，2016.46（6）：5-12

[4]《窄带物联网标准（NB-IoT）与关键技术》，人民邮电出版社，2016.12

[5]《5G网络技术架构白皮书》，IMT-2020（5G）推进组，2015.5

[6]《5G概念白皮书》，IMT-2020（5G）推进组，2015.2