數字家庭關鍵技術專利狀況分析

巫曉倩 張倩

工業和信息化部電子知識產權中心

數字家庭是信息化和數字化在家庭生活領域的全面應用，即按照現代家庭生活需求，將各種家用和個人數字化產品組成集視聽娛樂、信息服務和家居控制等功能于一體，并通過有線電視、寬帶通信、無線通信等組成家庭網絡，實現家庭內部設備互聯互通，家庭與外界信息交互的綜合智能系統。

本報告針對我國數字家庭無線組網的關鍵技術和數字版權保護技術進行了專利宏觀態勢分析，并對數字家庭關鍵技術標準IEEE 802.11系列標準進行了重點專利分析。本報告的中國專利數據來源于2011年6月30日前 CNIPR中外專利數據庫服務平臺公開的所有中國專利文獻。本報告的國外專利數據來源于2011年6月30日前Thomson innovation 專利數據庫公開的專利信息。本報告的專利數據由工業和信息化部電子知識產權中心統計整理。

一、數字家庭領域專利宏觀態勢分析

（一）涉及技術領域多，專利部署范圍寬泛

數字家庭集成了網絡接入、家庭網絡、智能終端等多個領域的綜合應用，涉及多種關鍵技術，主要包括組網技術、家庭網絡技術、智能終端技術。

其中，主要的三種無線組網方式Wi-Fi，UWB，Zigbee各有特點。

從技術發展情況看，Wi-Fi技術具有較廣的局域網覆蓋范圍，傳輸速度快，適合高速數據傳輸的業務，得到最為廣泛的應用。ZigBee技術是一種低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通訊技術，主要應用于智能家庭、工業控制等領域。UWB技術具有系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，低截獲能力，定位精度高等優點，適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入。

圖1 數字家庭技術框圖1.引自http://wenku.baidu.com/view/96a16b2f453610661ed9f480.html

圖2 無線組網技術專利申請比例

從專利部署總體情況看，截止到2011年6月30日，在中國專利局公開的專利申請中，涉及Wi-Fi領域的專利申請最多，合計為4955件，占三個領域專利申請總量的51.09%。其次分別為Zigbee，UWB。

另外，由于數字版權管理產業鏈涉及內容所有者、產品制造商、服務提供商、消費者等多個環節，成為國內外競爭者專利部署的熱點領域之一。截止到2011年6月30日，涉及DRM領域的專利申請量合計為2250件，90%以上都是發明專利，發明內容包括數字版權管理保護方法，內容下載管理方法，使用許可的方法，數字水印技術以及DRM認證等方法。

（二）無線組網領域專利申請呈上升趨勢， DRM領域專利申請呈下降趨勢

本報告主要分析了Wi-Fi，ZigBee，UWB這三種無線組網技術以及數字版權保護DRM技術，這四個技術領域的專利申請分別呈現如下趨勢。

在現代市場經濟框架下，雖然并非所有市場行為都受亞當·斯密所稱“看不見的手”操縱，但絕大多數（如果不是全部的話）市場行為都有其內在運行規律，其中包括“懲惡揚善”的自我糾正機制。

1.Wi-Fi起步最早，2002年就出現小幅攀升，2001-2002增速為157.33%。Wi-Fi領域的專利技術發展趨勢與標準的制定進程密切相關。

IEEE 802.11第一個標準版本在1997年頒布，定義了介質訪問接入控制層（MAC層）和物理層，相關專利申請在1996年開始出現。此后歷經a，b，e，g，n等多個標準的制定，從頻譜規范、傳輸速率、傳輸質量、安全等多個方面進行了完善，在2004年前后，Wi-Fi技術領域專利申請出現小幅攀升。IEEE 802.11n引入了MIMOOFDM技術，于2008年上半年正式頒布，在2008年前后，該領域專利申請達到近年來的最高值，合計為719件專利申請。

2.Zigbee起步最晚，08年以后增速最快，達到52.64%。物聯網概念的提出給Zigbee帶來了新的發展空間。

1999年在美國召開的移動計算和網絡國際會議提出物聯網的概念。Zigbee在自動控制、遠程控制及家用設備聯網等領域得到廣泛應用。該領域的相關專利申請在2000年以后出現。近年來，隨著數字家庭等熱點的提出，Zigbee獲得更多的應用空間和發展契機，從2004年開始Zigbee領域的專利技術呈現快速發展趨勢，在2009年達到893件。

3.UWB最為平穩，2005-2009平均增速為9.7%。技術標準的不統一和產業化應用程度有限影響了企業在該領域專利部署的積極性。

UWB技術早期主要用于雷達技術領域。自2002年2月14日，美國FCC（美國聯邦通信委員會）準許該技術進入民用領域后，用戶不必進行申請即可使用該技術。專利申請量的年度變化也反映了這些大企業提前布局的策略。

從2005年左右開始，三星、Intel、摩托羅拉等大公司推出了UWB芯片及應用該芯片相應的產品，在這一階段，UWB領域專利申請出現了略微增幅。

至今，UWB仍然面臨著標準不統一的局面。目前在UWB技術領域存在著兩方陣營，即英特爾、TI等倡導的MBOA和Freescale等倡導的UWB論壇，而原定2005年上半年完成的UWB標準的制定工作也因此停滯不前。這不僅影響了UWB的產業化應用，更影響了相關專利的部署趨勢（詳見圖3）。

圖3 無線組網技術專利申請年度趨勢

圖4 DRM技術專利申請年度趨勢

圖5 無線組網關鍵技術國內外專利申請量對比

4.DRM領域專利申請呈下降趨勢

DRM專利技術起步于1995年。DRM主要在兩大領域得到應用，一類是電子書及電子文檔，如Apabi，EBX，Adobe PDF等；另一類是視頻與音頻流媒體，如Windows Media，Real Network，Quicklime等。相關專利申請在2006年以前呈現增長趨勢。2006年以后，該領域的專利申請呈現一定的下降趨勢（詳見圖4）。

（三）國內外申請人各具專利數量優勢

在無線組網領域，國內外申請人競爭激烈，沒有較大的專利數量差距。其中國外申請人在Wi-Fi領域具有專利數量優勢，國內申請人在UWB、Zigbee領域具有專利數量優勢（詳見圖5）。

在DRM領域，從國內外對比情況看，國外申請人更具專利數量優勢；但是，從國別分布情況看，中國的專利申請人擁有的專利數量仍居首位，所占比例達到32%。美國、日本仍然是主要的競爭國家（詳見圖6）。

（四）重點申請人各具專利技術優勢

總體而言，國外企業在Wi-Fi領域部署專利更具積極性。在Wi-Fi領域，排名前15位的申請人中美國最多，美、中、日三國申請人的比例為5:3:2。排名前5位的公司有華為、中興、高通、美商、三星（詳見圖7）。

在Zigbee領域，排名前15位的申請人中中國最多，其次是美國、韓國，這三國的申請人比例為7:3:2。排名前5位的有LG、皇家飛利浦、三星、中興、高通（詳見圖8）。值得注意的是，除了中興、華為之外，海信公司、北京派瑞根公司在該領域擁有較多專利積累。

圖6 DRM專利申請量國別分布

圖7 Wi-Fi領域申請人及申請量

圖8 ZIGBEE領域申請人及申請量

在UWB領域，排名前15位的申請人中有10家中國申請人。排名前5位的有東南大學、皇家飛利浦、三星、中科院、高通（詳見圖9）。

通過以上的分析可以看出：

（1）從科研院所與企業擁有的專利申請情況看，UWB領域科研院所占比重最大，其擁有的專利申請量占總量的40%，其次是Zigbee。Wi-Fi以企業為主要申請人，90%以上的專利為企業擁有。

（2）從申請人分布的產業鏈情況看，Wi-Fi領域的專利申請人覆蓋產業鏈范圍最廣，包括運營商、制造商；芯片及終端廠商；國內三大電信運營商都在該領域部署了相關專利。其次是Zigbee和UWB。其中，Zigbee領域出現個別公司值得關注，例如：北京派瑞根公司在Zigbee領域部署了較多專利，主要集中在G01S領域，其主營業務為專利授權與轉讓，技術研發等。

（3）從市場因素看，Wi-Fi已經得到規模商業化應用，其專利技術內容覆蓋范圍在通信的方法與裝置制造、定位導航、智能家居、個人消費電子產品等領域。Zigbee由于市場應用范圍廣泛，其專利申請廣泛分布在安全工業生產、智能家居、自動控制等應用領域。UWB由于其市場應用有限，其專利申請主要分布在芯片制造、定位、測距等領域。

綜上，UWB的產業成熟度不高，多數專利技術掌握在“學、研”環節。Wi-Fi產業成熟度較高，企業專利技術競爭激烈。Zigbee產業成熟度介于UWB、Wi-Fi之間。國內專利主要集中在應用領域（詳見表1）。

（五）廣東省在無線組網領域具備專利數量優勢

無線組網關鍵技術中國各省市專利申請量排名前6位的省市為廣東、北京、上海、浙江、江蘇、陜西。

圖9 UWB領域申請人及申請量

表1 無線組網關鍵技術權利人特點比較

廣東省在該領域的專利積累與該省對數字家庭產業的整體規劃與政策支持密切相關。廣東省積極支持數字家庭產業的發展，并陸續出臺《廣東省數字家庭行動計劃》（2005）、《廣東省發改委關于印發進一步推動數字家庭產業發展若干意見的通知》（2009）等相關產業政策。同時，廣東省積極在廣州等地建立國家數字家庭應用示范產業基地，提升數字家庭嶺南模式，示范效果顯著，為數字家庭的發展營造良好的產業環境。

另外值得注意的是，相比于其他兩個領域，山東省在Zigbee領域擁有最多專利積累。在Wi-Fi，Zigbee，UWB三個領域的專利數量比值為 1:10:3。這主要是因為山東省的重點公司和重點院校在Zigbee領域有較多的專利申請。其中，海信公司、海爾公司、山東大學擁有較多地專利積累。

二、數字家庭領域重點專利分析

在數字家庭的無線組網技術領域，Wi-Fi技術是數字家庭服務的基礎。本報告針對IEEE網站802.11協議族中公開披露的270件專利，進行了重點專利分析。到目前為止，IEEE 802.11協議族披露的專利主要涉及以下幾個協議：802.11、802.11a、802.11e、802.11f、802.11g、802.11i、802.11n、802.11r、802.11s、802.11v。

從IEEE 802.11系列標準的發展可以看出：速度、安全、QoS、漫游是無線標準的四大核心。無線速率標準：802.11（2M）、802.11b（11M）、802.11a/g（54M）、802.11n（600M）；無線安全標準：WAPI、802.11i；無線QoS標準：802.11e；無線漫游標準：802.11r。

（一）主要專利權人分析

披露標準中的專利是一種鼓勵政策，并不是強制的，部分公司沒有提供相應的專利申請號，所以以上搜集到的專利并不全部包括802.11協議族中涉及到的全部專利。

1.從申請人國別角度看，主要集中在法國、芬蘭、美國等歐美國家。到目前為止，中國企業沒有在802.11協議族中披露專利。

2.從申請人性質角度看，運營商非常重視在標準中的專利部署。其中，法國電信與法國廣播的合作關系十分密切，兩者共同申請的專利占披露專利總量的11%。

3.從申請人具體情況看，諾基亞公司重視在標準中的專利部署，積極主動地披露標準中的相關專利，其披露的專利數量位居第一位，占披露專利總數的18%。排名前8位的其他公司依次是法國電信（FRANCE TELECOM）&法國廣播（TELEDIFFUSION DE FRANCE）、I N R I A、A T&T（美國電話電報公司）、松下、France ETAT &法國廣播（TELEDIFFUSION DE FRANCE）、思科公司、蘋果公司。

圖10 無線組網關鍵技術中國專利申請量省市分布

圖11 802.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html.11標準制定時間表2.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html

圖12 802.11協議族披露專利的申請人及申請比例

（二）IEEE 802.11專利技術演進脈絡

通過對IEEE 802.11系列標準披露的專利技術演進脈絡的總結，我們可以看出，專利分布最多的領域是802.11，其他依次是802.11a、802.11g、802.11n、802.11e。802.11f、802.11i、802.11r、802.11s、802.11v協議中也有少量專利被披露。披露的專利包括標準中的基礎專利以及與標準實現相關的專利。具體呈現如下幾個特點：

1.80 2.11領域，每年都有相關的專利被披露，呈連續分布態勢。這種態勢一直延續到2007年。其中，主要專利權人是諾基亞公司，該公司的專利占802.11協議披露總量的60%。

2.由于802.11a和802.11g都涉及對物理層的改進，因此許多披露的專利同時覆蓋這兩個領域。它們的特點是：披露時間主要集中在兩個時間段，一個是80年代至90年代初期（即1981年-1992年），以法國電信&法國廣播共同申請為主；另一個時間段是1997年至2001年，以松下公司、諾基亞公司、杰爾系統公司為主。

3.80 2.11n領域披露的專利主要集中在1991至1999年。專利權人以思科和AT&T為主，法國電信&法國廣播、松下等公司也披露了相關專利。

4.80 2.11e領域披露的專利主要集中在80年代至90年代初期（1981-1993），專利權人以INRIA為主。

（三）物理層、MAC層技術布局分析

圖1 3.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html 802.11專利技術演進脈絡

圖14 OSI模型3.引自http://wenku.baidu.com/view/c3a4035c312b3169a451a470.html

圖14是IEEE 802.11與OSI模型的關系，如圖所示，IEEE 802.11系列協議定義了物理層和媒體訪問控制層（MAC）的相關標準。在802.11協議族披露的專利中，根據被引證次數、分布的技術領域等指標，選出26件重點專利，并分別對這26件專利在物理層和媒體訪問控制層的技術框架中進行了標引。其中，有2/3的專利涉及到物理層技術，1/3的專利涉及到MAC層技術。

1.物理層重點專利布局

物理層是OSI模型的第一層，為設備之間的數據通信提供傳輸媒介和各種物理設備，包括信道編解碼、調制解調、MIMO、OFDM等多個技術環節。相關專利的部署情況是：信道編譯碼4件、調制解調4件、MIMO技術5件、資源塊映射2件、OFDM技術1件、信道估計1件、射頻技術1件。

下面，我們分別對上述技術及披露的專利進行具體分析。

（1）信道編譯碼技術

信道編譯碼技術是一種差錯控制技術，IEEE 802.11系列協議標準中主要采用卷積碼作為信道編碼方式，支持多種編碼速率。在該技術環節披露的四件專利，權利保護范圍既涉及到編碼器，同時也涵蓋了對應的譯碼器。其中，專利權人是法國電信&法國廣播、法國ETAT&法國廣播、Cisco公司。

圖15 物理層重點專利技術布局

（2）調制解調技術

802.11 主要用到的調制解調技術有BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等。在該技術環節分布的四件重點專利中，分別涉及到升余弦技術、非線性濾波器技術、PSK調制技術、擴頻調制技術等。值得注意的是，公開號為US5077753A的專利權利要求書中有7項獨立權利要求，其中某些獨立權利要求保護擴頻調制的發送過程，某些獨立權利要求又涵蓋了擴頻通信體統的接收部分，包括解調器、解擴器等接收器件。

（3）空時編解碼技術

為了實現標準中提出的各種目標，802.11n協議引進了一些3.5G和4G的關鍵技術，例如MIMO系統中的空時編解碼技術。在26件重點專利中，有五件專利涉及該技術環節。其中，值得注意的是，公開號為US6891897B1和US6185258B1的專利，其權利要求書中既保護空時編碼又保護了空時譯碼，即這兩件專利的保護范圍同時涉及了發送和接收過程。

（4）信道估計技術

無線信道并不像有線信道固定并可預見，而是具有很大的隨機性，這就對接收機的設計提出了很大的挑戰。在OFDM系統的相干檢測中需要對信道進行估計，信道估計的精度將直接影響整個系統的性能。由Norand公司提出的公開號為US4910794A的專利，通過利用信道估計的技術，設計了一種可以自動調節傳輸速率的無線通信系統，提高了系統的吞吐率，同時優化了無線資源的利用率。

（5）資源映射技術

為了充分利用無線資源，IEEE 802.11系列協議在物理層采用資源塊的方式，為不同的用戶分配包含多個時間和頻率片段的資源塊。AT&T公司提出的兩件專利從資源分配利用率最優化的角度設計了資源分配的方法。

（6）OFDM技術

OFDM技術是一種多載波發射技術，它將可用頻譜劃分為許多載波，每一個載波都用低速數據流進行調制。由Centre National d'Etudes des Telecommunications和Telediffusion de France聯合提出的公開號為US5228025A的專利設計了一種使用正交多載波（OFDM）技術抵抗具有時變特性的多徑效應的數據傳輸方法。該專利權利要求涉及發送和接收兩個過程。

圖16 MAC層重點專利技術布局

（7）功率/變頻放大技術

C i s c o公司提出的公開號為US6452981B1的專利設計了一種空時信號處理系統的數字通信方法，該方法涉及到通過一個或多個天線將數據發送出去，在接收端使用一定數量的天線接收數據。在此過程中，射頻信號處理器將天線陣列的射頻信號下變頻為基帶信號，并進行數字量化。該方法可以應用到任何多輸入多輸出的信道中，并顯著的提高了系統容量。

2、MAC層重點專利布局

802.11 無線局域網的所有工作站和訪問節點都提供介質訪問控制層服務，即MAC層服務。802.11MAC層主要負責客戶端與AP（接入點）之間的通訊。功能包括：掃描、接入、認證、加密、漫游和同步。

重點專利主要分布在掃描、接入、同步技術領域。其主要權利人是諾基亞公司、蘋果公司、Cisco公司、Proxim公司、Telesystems SLW公司。

在掃描和接入環節，共有6件重點專利。主要涉及到接入點選擇的方法、公共無線介質共享接入的方法、自動分配地址的方法等。在同步的環節，共有2件重點專利，主要涉及的技術有：分布式時間同步方法、多個基站的同步/異步通信的無線介質接入方法等。

圖17 重點專利引證關系4.本數據圖通過SOOPAT網站引證關系工具分析得出

值得注意的是，Proxim公司申請的專利US5231634A被引證次數最多，達到了246次。引用該專利有諾基亞、英特爾、3com等多家公司的專利。

（四）重點專利引證關系分析

802.11 n協議主要是結合物理層和M A C層的優化來充分提高W L A N技術的吞吐。其中，物理層關鍵技術涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技術。同時，由于采用了MIMO技術，無線信號將通過多條路徑從發射端到接收端，從而提供了分集效應。在接收端采用一定方法對多個天線收到信號進行處理，就可以明顯改善接收端的信噪比，即使在接收端較遠時，也能獲得較好的信號質量，從而間接提高了信號的覆蓋范圍。

由上述分析可以看出，MIMO技術是802.11n協議中的關鍵技術之一。在該技術領域，Cisco公司提出了一件公開號為US6144711A的專利。

該專利是針對MIMO技術提出的一種將天線陣列信息編碼、傳輸、接收的無線數字通信方法。通過該方法，優化利用系統的空間分集，從而提高了系統的容量和性能，并顯著地降低了系統的復雜度。

該專利的權利要求中覆蓋了相應的接收系統和譯碼技術，包括空間信道的正交化處理、空間信道加權處理等過程。值得注意的是，該專利設計的系統，并不僅僅局限于無線通信，任何帶有多輸入多輸出信道的通信系統都可以通過該專利提高系統的性能和容量。

在802.11n領域，該專利是比較基礎的專利，圖17是該專利的引證關系圖。圖中紅色標簽為該專利，黃色標簽為該專利引用的40篇專利，藍色標簽為引用該專利的311篇專利。引用該專利的公司主要有QUALCOMM公司、AT & T 公司、LUCENT TECHNOLOGIES、愛立信等。

三、小結

近年來，我國在數字家庭領域專利態勢良好，專利申請數量呈上升趨勢，但是也存在著影響專利技術競爭力提升的諸多因素。國外企業近年來在我國數字家庭領域的專利部署趨勢尤為引人關注。同時，技術標準中涉及的知識產權問題也非常突出。

總結我國數字家庭關鍵技術以及重點技術標準的專利布局，主要呈現如下幾個特點：

1.數字家庭涉及技術領域寬泛，專利部署跨度廣、領域重合性高、受標準的影響大。

2.專利部署趨勢與該領域產業發展密切相關。產業發展的成熟度越高，企業專利部署競爭越激烈。

3.國內申請人具有一定的數量積累。國外企業專利部署注重針對性和策略性。

4.廣東省領跑無線組網專利技術。產業政策的引導、產業環境的配套建設、典型企業的示范效應，共同支撐廣東省專利技術實力的積累。

5.國外企業重視核心專利部署以及標準中關鍵技術環節的專利部署。圍繞標準中的技術方案申請專利已經是國外公司常用的部署策略。

6.IEEE 802.11系列協議的專利部署嚴密。披露專利幾乎覆蓋了所有物理層和MAC層的關鍵技術環節。權利要求覆蓋發送和接收過程，成為一些重點專利的部署特點。

綜上，數字家庭領域專利部署范圍廣，覆蓋網絡技術、智能終端等多個領域。我國企業需要知己知彼，審慎面對，在日益激烈的市場競爭中，注重專利態勢的變化趨勢，掌握更多的專利布局熱點，同時注重專利在標準中的作用，進一步加強自身在該技術領域的專利競爭力。