我國高速鐵路通信技術專利分析

李艷君 韓鮮萍

【摘要】通信是高速鐵路的關鍵技術，本文在對中國專利文獻進行定量統計分析的基礎上，從專利申請量，主要申請人的狀況，逐年專利申請狀況以及相關的核心技術對高速鐵路通信技術的專利發展動態進行了分析研究，展示了整個高速鐵路通信技術的專利戰略和競爭態勢，為國內的相關企業和研究人員提供參考。

【關鍵詞】高速鐵路 高鐵 通信 專利

1引言

高速鐵路是我國交通運輸體系中的重要組成部分，目前已成為調整我國交通運輸體系結構的有效方式。隨著高速鐵路的發展，出行的旅客也需要在列車上與他人進行語音、數據、圖像、視頻等信息交流，還要接入互聯網絡，享受數字化、寬帶化、智能化、高速化以及個性化的通信服務；為了保障列車的行車安全，實現有效的人機控制和提高運輸效率，也需要建立一個功能更加完善、技術構成更加先進的鐵路通信網。高速鐵路對通信系統的要求可以概括為高可靠性、低誤碼率及實時性；具有高質量的服務；以及適應高速鐵路特殊的應用環境等。高速鐵路通信有別于普通的有線通信或無線通信，高速運動中的列車會頻繁改變與基站之間的距離，多普勒頻移現象非常嚴重，這將導致通信系統的解調性能下降；另一方面，因列車快速移動導致信號快速衰落，對用戶的小區切換以及功率控制提出了更高要求。此外，由于高速鐵路列車采用全封閉式車體結構，信號衰減很大，為了克服車體穿透損耗，需要保證鐵路沿線的無線信號功率足夠厚強，這給高速列車的通信網絡覆蓋帶來了很大的難度。

隨著高速鐵路的迅速發展，將通信技術應用于高速鐵路逐漸成為研究者所關注的重要課題，近年來，高速鐵路通信一直是專利申請的一個熱點，其申請的數量較大，技術含量很高，并且申請量呈逐年增加的趨勢。為了全面了解我國高速鐵路通信專利技術的狀況，本文將對向我國國家知識產權局申請的有關高速鐵路通信的專利申請進行系統深入的分析。

2專利申請的總體分布狀況及態勢分析

截至本文的統計時間，作者檢索到的國家知識產權局已公開的、直接或者明確涉及高速鐵路通信的專利申請共計945件。圖1給出了已經公開的各國涉及高速鐵路通信技術的專利申請所占比例的情況，其中中國申請有853件，占89%，日本申請46件，占5%，美國申請15件，占2%，歐洲申請26件，占3%，其他地區的申請占1%。從數量上看，國內的申請占了全部申請總數的絕大多數，占有絕對的優勢。這說明目前我國在該領域的研發呈現蓬勃發展的勢態。

圖2給出了國內的高速鐵路通信專利的申請人的結構情況。從圖中可以看出，在國內的專利申請中，企業申請的專利數量最多，占大約三分之二，高校申請占16%，科研院所的申請占8%，個人申請占11%。另外，作者還發現，在我國，有眾多的小公司和個人也申請了有關高速鐵路通信領域的專利申請。作為單個個體，他們的申請量并不大，但是作為一個總體，他們的申請數量非常龐大。這些小公司和個人的專利申請星羅棋布地分布在高鐵通信領域的方方面面，包括系統傳輸、小區切換控制、多普勒補償、終端設備、增值服務，元器件，等等。其中，有一些專利申請的質量很高，技術創新性居于同領域的領先地位。這也充分說明了我國的科技發展水平進步很快，中小企業和個人的技術研發充滿了活力。這同時也說明，隨著國家知識產權戰略的推進，全民的知識產權保護意識正逐步增強，知識產權保護的環境很好，企業、高校、科研院所以及個人申請專利的熱情很高。（如圖3）

圖3給出了申請量較多的主要申請人的情況，其中斜線表示的為中國申請人，實條表示的為國外申請人。從圖中可知，申請數量多的中國的申請人明顯比國外的申請人多。北京交通大學（原北方交通大學）申請量最大、北車集團和南車集團緊隨其后，通信領域的知名企業華為和中興也有一定數量的專利申請；而國外的申請人中，日本的東芝和日立最多，之后是歐洲的西門子、美國的通用電氣等，但國外申請人的申請量都不大，最多也不過十幾件。有別于其他通信領域的專利申請的情況，我國高校在高速鐵路通信領域的專利申請比重很大，特別是北京交通大學，不僅在高鐵通信領域的專利申請數量很多，而且質量也相當高，很多申請中的專利技術在該領域都屬于前瞻性的。北車集團和南車集團雖然申請數量較多，但北車集團的專利申請主要集中在網關設備，而南車集團的專利申請則集中在總線控制裝置，各有側重。

圖4給出了在高速鐵路通信領域，1990～2012年國內和國外專利申請的逐年變化情況，從圖中可以看出，國內和外國的申請在1990年至2000年間數量基本持平，相差不大，這說明在該領域我國與國外的發展保持同步。從1996年開始一直到2010年，國外申請人在華申請有關高速鐵路通信方面的專利申請，其數量并不多，總體都穩定在每年十幾篇左右。而國內從2000～2011年專利申請的數量呈現一個快速增長的勢頭。這一方面表明隨著2000年以來國內外對知識產權的重視程度日益增加，國內申請人專利申請的意識有了快速增強；另一方面也說明了中國的技術創新和研發能力逐漸提高，這與我國的科技水平的發展狀況是十分吻合的。特別是在2003、2004年開始，國內在高速鐵路通信領域的申請數量呈現一個急劇增長的趨勢，事實上，也正是從這一時期開始，中國開始大規模建設高速鐵路，因此，圖3可以看成是我國高速鐵路發展的一個佐證，它從一個側面反映了近幾年來我國高速鐵路從無到有的崛起以及飛速發展的現狀。

需要指出是，由于專利技術公開的滯后性，在作者進行統計時，2011年和2012年申請的很多專利尚未公開或公告，因此在圖4中顯示的2011、2012年的專利申請量并不完整，實際上這兩年的國內、國外的專利申請量仍然應該是一個上升或者是一個持平的趨勢。

3核心技術分析

經過分析，作者認為，高速鐵路通信的核心技術，也是由以2G（第二代移動通信技術）為代表的GSM-R（GSM forrailways，專用于鐵路的GSM）技術向3G（第三代移動通信技術）過渡，并且3G寬帶通信技術與以WiMax（“WordInteroperabilityforMicrowave”，全球微波接入互操作性）技術為代表的寬帶無線接入技術呈現逐漸融合的趨勢，由此催生了以LTE為代表的3G演進型系統，如圖5所示，這與現有的移動通信技術的發展方向是一致的。

從目前已公開的有關高速鐵路通信的專利文獻來看，三分之二以上的專利技術都是與GSM-R直接或間接相關的。GSM-R是為滿足鐵路應用而開發的數字無線通信系統，其專門對鐵路的各種不同需求開發了許多專用功能，它能提供無線列調、編組調車通信、應急通信、養護維護通信能語音通信功能。利用GSM-R平臺的數字傳輸能力，能傳輸列車診斷數據，提供貨運信息、車載旅客信息服務和其他增值服務。GSM-R是目前實際應用地最多的鐵路通信系統，已開通的青藏線、大秦線、膠濟線、武廣線、鄭西線、石太線、合寧線、合武線、京津城際線以及京滬高鐵，采用的均是GSM-R系統。

對于高速鐵路GSM通信系統，其存在著兩大難題——小區的快速重選與切換以及多普勒頻移補償。由于高速列車時速高達350km，這將導致頻繁的小區切換和重選，頻繁的小區重選和切換將會導致電話經常掉線或者不通。另外，列車在高速運動時，由多普勒效應所引起的頻移，也將會大大降低通信的質量。只有解決小區切換和解決多普勒頻移問題，才能提供優質、穩定的語音通信，這也是提供數據傳輸下載等其他高端數據通信服務的基礎。作者發現，占據GSM-R主要市場的中興以及華為，其涉及高速鐵路通信的大部分專利，都是和解決小區重選切換和多普勒頻移估計和補償問題有關。這也不難看出中興和華為在高速鐵路通信技術中的專利戰略和專利布局，他們都不約而同地將解決小區切換和解決多普勒頻移問題，作為是高鐵通信的重中之重。

另外以LTE為代表的3G演進型系統實現了移動通信在3G之后的一次階段性變革，以OFDM技術為基礎的全新理念和系統設計大幅度地提高了系統的通信能力，滿足了人們對未來移動通信的需求。高速鐵路采用LTE可以大幅度提高頻譜利用率，減少切換次數和切換時延，還可提供區分服務并保證服務質量。作者發現，高通、中興、北京交通大學等已申請有這方面的專利并已經公開。有報道稱，華為公司已于2010年12月推出了基于LTE技術的高鐵寬帶通信HRC方案，據稱可以在350km/h甚至更高的時速下提供速率高達30Mbit/s的帶寬，并支持多制式（2G/3G/Wi-Fi）用戶設備接入、視頻監控、設備維護、閉路電視、電子票務等寬帶業務。但作者并未檢索到華為公司有相關的專利，作者推測，極有可能相關的專利申請還未公開。

為了滿足高速鐵路高端用戶的視頻業務、高速數據業務等需求，新一代的3G技術是解決高速鐵路通信業務的必然選擇。許多商務人士經常由于商務履行的原因，需要在高速鐵路上使用各種語音、視頻、還有高速數據上下行業務，這些都是3G時代顯著的業務特點，快速發展的高速鐵路已經成為了3G業務的新熱點。高速鐵路將是3G業務應用的一個重要場景，高速鐵路的覆蓋是整個3G覆蓋不能或缺的重要部分。此外，WiMax寬帶無線接入與目前的其他接入方式相比，具有部署速度更快、擴展能力更強、靈活性高、傳輸速率高、覆蓋范圍大等特點，因此，在高鐵上引進WiMax技術，對促進鐵路信息化建設具有很大的推動作用。作者發現，從2006年底開始，已經有將3G和WiMax技術用于高速鐵路通信的專利申請出現，并且呈現出逐年增加的趨勢，毫無疑問，這將是今后專利申請的熱點。

需要特別注意的是，國外的申請人雖然專利申請的數量較少，但是，國外的申請人如高通公司等，他們在3G、WiMax、LTE這些前沿的領域都較早或者率先提出了申請。對此，我國的通信企業應引起足夠的重視，及早應對，避免在未來市場競爭中處于不利的被動局面。

4結語

中國高鐵技術通過引進、消化、吸收、再創新，已完全掌握了高速列車的關鍵技術，擁有了自主的知識產權。本文對我國高速鐵路通信技術進行了分析，通信技術是作為整個高速鐵路中的重要核心技術，在這方面目前我國已達到了國際先進水平，在專利方面，我國的高鐵通信技術具有較大的優勢。但是應該看到，我國的高鐵事業方興未艾，并且通信技術更新很快，其發展日新月異，目前新一輪的競爭已經開始，我國企業面臨的巨大的機遇和挑戰，我們應該加大研發力度，提高創新能力，全面提高專利申請的質量。同時，我們還要不斷提高知識產權保護意識，讓更多的具有自主知識產權的專利技術走出國門，走向海外，以科學有效地方式積極應對專利競爭，力爭在未來的市場競爭中占得先機。