苑朋彬，杨 帅，孙浩林
（中国科学技术信息研究所，北京 100038）
6G即第六代移动通信系统（6th Generation Mobile Networks），是继5G后的下一代信息通信技术。当前5G面向垂直行业应用开发超大规模链接（mMTC）、低时延高可靠（URLLC）、增强型移动宽带（eMBB）等多应用场景[1]，极大地满足了当前网络通信需求。但面向2030年，5G在空间覆盖范围、性能指标等方面仍存在一定的局限性，不能满足未来网络要求[2]。6G将引入新的愿景、性能指标、关键技术和应用场景，以满足多种网络接入方式和实现空天地海一体化覆盖范围，实现关键性能指标的优化和相关技术的创新[3]。
6G网络将实现泛在、智能连接愿景，具体可实现空天地海一体化的网络泛在无缝连接，实现多样化的网络连接方式，实现通信感知计算一体化等智能连接。（1）空天地海一体化网络：将构建跨越地面、空域、海域和太空的一体化网络，即使在极端环境条件下（如沙漠、深海）也能实现通讯，真正实现全球覆盖。（2）多样化的网络连接方式：可通过移动蜂窝、卫星网络、无人机通信、水声通信、可见光通信等多种方式进行网络接入。（3）通信感知计算一体化：AI技术和区块链等技术应用于6G网络，将实现网络智能化管理，增强网络的安全性[4]。
6G技术在连接速率、连接密度、时延、频谱效率、能量效率等多个性能指标方面均会有很大的提升[5]：（1）6G用户体验速率可达1Gbps，峰值速率最高可达1Tbps，用户体验速率指标可以提升至5G的10倍以上，峰值速率指标可以提升至5G的50倍。（2）6G连接密度可达107/km2，网络连接密度比5G提升10倍。（3）5G网络空口时延为1ms，6G网络空口时延为0.1ms，时延缩短了90%。（4）频谱效率比5G提高3～5倍，能量效率提高至100倍以上。
6G关键使能技术可分为无线空口使能技术（例如太赫兹技术、信道编码技术、波形设计技术、多址接入技术、超大规模天线技术、全双工技术等）、网络使能技术（例如网络安全技术、确定性网络技术、分布式异构网络技术、空天地海一体化网络技术等）[6]、新物理维度使能技术（例如轨道角动量、智能超表面、智能全息无线电技术等）[7]等几大方面。目前6G技术标准尚未统一，关键技术尚未形成共识。
全球6G技术竞争已经拉开帷幕，6G技术已经成为全球竞争焦点和研发热点。国际标准组织和相关国家积极制定6G战略发展规划，推进6G技术研发。如国际电信联盟（以下简称国际电联）在瑞士日内瓦召开的第34次国际电信联盟工作组会议上，明确了2023年底前国际电联6G早期研究的时间表[8]；
第三代合作伙伴项目（3GPP）提出于2023年开启对于6G的研发，并将在2025年下半年开始对6G技术进行标准化，在2028年下半年生产6G设备产品，在2030年正式进入6G商用时代；
欧盟委员会建立智能网络服务合作关系，实施6G研究和创新计划；
美国政府与产业界联合启动RINGS计划[9]，面向学术界开展基础性项目研究；
中国政府成立IMT-2030推进组，推进6G研发工作实施[10]。
本研究采用专利情报分析方法对6G技术全球发展态势予以揭示。专利作为技术知识的载体，集经济、法律、技术信息为一体，通过对专利信息进行挖掘，可以从定量角度揭示各国家（地区）、组织机构、技术研发的侧重点，为技术发展提供决策参考。
研究选取Innography数据库作为数据来源；
以6G技术作为主要的检索对象，并根据相关专家建议补充太赫兹、轨道角动量、智能超表面、智能全息无线电技术等关键技术，检索时间为2021年12月底；
检索范围为1963 年至今的所有专利数据；
检索方式利用“关键词”+“IPC分类号”进行组合限定检索，将相关专利限定在国际分类代码H04（电通信领域）；
经查重、清洗得到最终有效专利申请公开12 259件。
研究采用Python 、Excel等数据处理分析工具，采用数据挖掘、情报学方法对专利申请公开时间、公开国家、公开机构、技术分类号等字段进行提取、统计、分析和挖掘，分别从专利申请趋势分布、专利申请国家/机构分布、技术研究方向和各国申请热点几个维度揭示6G技术的发展全貌。
3.1 专利时间分布
6G技术是一项综合性技术，是5G技术的继续演进。
技术发展得益于原始技术的产生、积累、融合与再创新。6G技术是多项关键技术的集合，涵盖增强型无线空口技术、新物理维度无线传输技术、太赫兹与可见光通信技术、内生智能的新型网络技术等多项关键技术。部分技术出现时间比较早，例如早在2000年初国外就已经开启了太赫兹技术的相关研究[11]。由于6G概念出现时间较晚，本研究展示了自2010年以来的6G技术相关专利申请公开趋势（如图1所示）。图1显示，2019年前，年均专利申请量均高于500项，2020年以后有所回落（考虑到专利从申请到公开具有18个月的滞后期，且2019年后全球受新冠肺炎疫情影响，因此下降趋势在合理范围内）。
图1 2010-2021年全球6G技术专利申请公开趋势
总体来看专利申请趋势比较平稳，6G技术相关专利并未形成规模性上涨趋势，目前仍处于技术研究的前期阶段。目前多国已经发布相关白皮书，对6G技术愿景进行展望，对关键候选技术进行分析，未来3～5年是6G技术研发的关键时期。
3.2 专利空间分布
3.2.1 技术公开国家
6G技术是各国战略性竞争的焦点，各国均进行了大量的专利布局。图2对全球6G技术相关专利进行统计，最终得出6G技术专利申请公开排名前15的国家。可以明显看出，全球6G技术专利申请公开国家之间存在明显的数量差距，中国凭借3 528件专利领跑全球。
图2 全球6G技术专利申请公开排名前15的国家
从国家排名可以看出，以中国、美国、日本、韩国等为代表的国家在6G技术发展上处于世界领先地位，专利申请量占全球80%，是6G技术专利申请的主要国家。（1）中国6G技术相关专利3 528件，专利量排名第1，在全球占比为30%。（2）美国6G技术相关专利2 376件，专利量排名第2，在全球占比为20%。（3）日本6G技术相关专利2 356件，其专利申请量与美国基本持平，专利量排名第3，在全球占比为20%。（4）韩国6G相关专利1 154件，专利量排名第4，在全球占比为10%。（5）其他国家（例如法国、德国、加拿大、瑞典、英国、意大利、荷兰、芬兰、印度、匈牙利、澳大利亚）专利申请量均在1 000件以下，专利总量在全球占比为20%。它们是6G技术的研发补充力量。
各国政府重视6G技术研究，进行6G研发工作顶层设计。例如：（1）中国政府部门从2019年开始进行6G战略部署，成立IMT-2030推进组，推进6G研发工作实施。科学技术部制定国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项项目，支持6G项目研究。（2）2021年美国政府部门与产业界共同发起RINGS计划，面向学术界开展6G基础研究。2020年美国电信产业解决方案联盟（ATIS）成立Next G联盟，促进6G技术研发、标准化和市场化[12]。（3）2020年日本政府部门发布首个6G战略计划“6G技术研发综合战略”，制定详细的6G技术发展路线。得益于5G技术的领先，中国在6G相关技术专利申请方面具有累积优势。以美国、日本为代表的发达国家虽然在专利数量上与中国存在一定的差距，但其竞争实力必须得到重视。
3.2.2 技术研发机构
6G技术是全球研发竞争的热点，全球相关组织机构均进行了大量的专利布局。图3展示了全球6G技术专利申请公开排名前20的研发机构，可以看出，中国、美国、日本、韩国等国家的研发机构处于世界领先地位，华为、中兴、LG、三星、诺基亚、日本电气、日本电报电话、爱立信、高通是全球6G技术发展的主要推动者。
图3 全球6G技术专利申请公开排名前20的研发机构
全球前20的研发机构中：（1）中国企业实力靠前，其中华为专利申请量全球第一（共申请6G相关专利890件），中兴排名第二（共申请6G相关专利721件），二者是全球6G技术研发的领军企业。（2）日本企业研发活动活跃，6家企业排名靠前。其中专利申请以传统型电信企业日本电气和日本电报电话公司为主（专利申请量均在400件以上）。（3）韩国企业研发实力雄厚，LG、三星2家公司排名靠前。值得注意的是，韩国电子通讯研究院是该排名中唯一的政府研发机构。（4）美国研发机构中，研发水平比较平均，以高通公司、交互数字通信有限公司、思科公司、美国电话电报公司为研发主体，专利申请数量均在100～300件之间。（5）欧洲国家中，以芬兰的诺基亚公司、瑞典的爱立信公司为代表的信息通信技术企业也是全球6G技术研发的主要推动者。需要注意的是图3中韩国、芬兰、瑞典、荷兰等国家的代表机构专利公开数量多于图2中该国的专利申请公开总量，原因是代表机构在其他国家也有相关专利申请。
全球研发机构6G技术研发行动中，成立研发中心、发布相关白皮书、启动相关合作研发计划是当前开展研发的主要做法。例如：（1）华为公司早在2019年8月就在加拿大渥太华成立6G研发实验室[13]，启动6G研究；
并于2020年6月携手中国联通公司、银河航天公司达成空天地一体化战略合作伙伴协议，共同发力6G领域。（2）LG公司在2019年初与韩国先进科学技术研究院（KAIST）合作成立6G研究中心[14]，同年三星公司发布6G白皮书《下一代超连接体验》（The Next Hyper Connected Experience for All）。（3）诺基亚公司牵头一系列研发项目，例如芬兰6Genesis项目和欧洲6G旗舰项目Hexa-X项目[15]等。
3.3 专利内容分布
3.3.1 技术研发方向
6G关键使能技术主要涵盖无线网络空口技术和网络层技术，图4统计了排名前15的技术研发方向（按照IPC分类小组统计），表1对技术研发方向进行释义。可以看出，当前技术研发方向集中在以H04L（数字信息的传输）、H04B（传输）、H04W（无线通讯网络）、H04N（图像通信）、H04Q（选择装置）、H04J（多路复用通信）等小类为代表的技术分支下。
图4 全球6G技术专利申请公开排名前15的技术研发方向
表1 全球6G技术专利申请公开排名前15的技术方向释义
因此，当前技术研发主要围绕网络层、无线传输层进行技术创新。（1）网络层技术方向涉及数据交换网络（H04L-012）、信息传输设备（H04L-001、H04L-29、H04L-009、H04L-005、H04N-005、H04Q-003、H04B-001、H04L-027、H04N-001）、信息传输安全（H04L-009）等方面。其中，数据交换网络（H04L-012）技术方向是当前专利申请的主要方向（专利申请量2 799件），网络检测或防止接收信息错误的装置（H04L-001）也是研发的重点（专利申请量629件）。（2）无线传输层技术方向涉及无线传输系统（H04B-007）、无线传输监督测试安排（H04W-024）、无线传输方式（H04B-010）、无线传输资源分配管理（H04W-072）、多路复用通信（H04J-099）等方面。其中，无线电传输系统（H04B-007）是当前专利申请的主要方向（专利申请量1 256件）。
续表
3.3.2 公开国家研发热点
图5对比了专利申请公开排名前10的国家在不同技术方向上的专利分布，在一定程度上反映出各国专利申请的侧重点、技术研发上的优势与劣势。
图5 全球6G技术专利申请公开排名前10的国家研究热点分布
可以明显看出，中国、美国、日本、韩国在6G技术研发热点上进行了大量的专利申请布局。其中数据交换网络、无线电传输系统是各国研发的重点，专利申请量大。除上述两个研发热点外，中国在光传输或量子传输、检错装置、监督监测测试安排、装置仪器电路系统、保密安全通信等方面具有一定的研发优势，在无线信息资源管理方面有待加强；
美国在无线信息资源管理、传输路径多重使用装置方面已经形成了自己的竞争优势；
日本比较注重系统零部件、监督监测测试安排方面的专利申请，但对于无线电传输系统方面的研发有待加强；
韩国在各技术研发热点上均有涉及。其他国家在各研发热点方向专利申请量少，整体实力有待加强。
本文从专利时间分布、专利空间分布、专利内容分布三个维度出发，全面揭示了全球6G技术发展趋势、技术公开国家、技术研发机构、技术研发方向、公开国家研发热点等概况，并得出以下5点结论，以为当前6G技术发展提供参考。
（1）全球6G技术处于技术研究前期阶段，相关专利申请并未形成规模性上涨趋势。目前6G愿景需求尚不明确，关键技术尚未形成业界共识，未来3～5年是技术研发的关键时期。
（2）中国是6G技术研发大国，其以3 528件专利申请公开领跑全球，在全球占比为30%，美国、日本次之，在全球占比均为20%。各国政府重视6G研发开展，顶层设计并部署6G研发工作，明确了面向2030年的6G技术发展路线。
（3）以华为、中兴、LG、三星、诺基亚、日本电气、日本电报电话、爱立信、高通等为代表的研发机构是全球6G技术发展的主要推动者。各研发机构纷纷成立研发中心，发布相关白皮书，启动相关合作研发计划，大力推动6G技术的快速发展。
（4）当前技术研发主要围绕网络、无线传输等方向进行技术创新。具体涉及交换网络、信息传输设备、信息传输安全、无线传输系统、无线传输监督测试安排、无线传输方式、无线传输资源分配管理、多路复用通信等多方面。
（5）数据交换网络、无线电传输系统是各国研发的重点。中国在各研发热点实力较强；
在无线信息资源管理方面，美国专利申请量高于中国；
日本在系统零部件方面研发能力较强。■