發佈日期:2017-01-03

毫米波專利技術觀察: 全球科技大廠強勢布局,毫米波通訊指日可待

作者:鄭凱仁

專利資訊毫米波millimeter wave communication

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隨著網路、報章雜誌的強力報導,國際間對於毫米波(Millimeter Wave)的未來市場前景抱予想當高的期望。尤其透過觀察國際標準與科技大廠的動態可以發現,相關技術在近年發展相當快速。已經從理論研發階段,逐漸邁向商用階段。而這股趨勢將在2020年以後,商轉下世代通訊系統之際,達到最高峰。

不過,檢索美國專利局資料庫發現,其實毫米波技術發展時間相當長,並不是一個完全新興的領域。早在1989年便有核准的毫米波專利,除此之外,毫米波頻段在其他領域,如衛星、光譜影像與感測器,都可以發現其應用。然而,在無線通訊領域卻是相當陌生,一般無線通訊頻段操作於300MHz~3GHz之間,主要因素是在這頻段所產生的波具備較佳的物理性質,相對來說,對廠商而言能採用較符合成本效益的方式解決因外界干擾所造成的損失,達到最佳的通訊品質。反之,使用毫米波頻段(3GHz~100GHz)反而會增加裝置製成上的成本,並不適合無線通訊使用。

但隨著技術發展,讓無線電通訊領域在毫米波頻段發展的門檻大幅度降低。目前毫米波領域發展焦點有兩個趨勢,分別是頻譜管理與先進天線設計。頻譜管理方面是期望透過優化資源管理的技術讓授權頻段(licensed bands)與非授權頻段(unlicensed bands)能夠共存,相關技術包含LTE-U (LTE in Unlicensed band)、授權共享接取(Licensed Shared Access, LSA)與授權輔助接取LTE (Licensed Assisted Access, LAA),這個部分相關技術介紹與專利分析可以參考作者於2015年發表的次世代通訊技術(5G)專利佈局與研發策略-次世代頻譜優化技術報告。在先進天線設計方面,便是著重於MIMO(多輸入多輸出),尤其是Massive MIMO及波束成形技術。本篇專利技術分析將聚焦於毫米波大型陣列天線技術現況的討論。

首先,針對毫米波領域的專利檢索策略,我們先將此技術分解為四群以便做檢索,分別是物理層(包含天線設計)、裝置接取控制(包含Medium access control)、訊息處理(包含調變與通道編碼)與硬體設計。檢索範圍涵蓋專利申請時間自2004年起至2015年間,以美國專利資料庫為檢索標的。而專利檢索結果共有專利數量1525筆(去除家族)。

結果顯示在毫米波領域中的主要競爭者,前五名分別是高通(Qualcomm)、英特爾、三星、博通(Broadcom)和LG,專利數量都超過百筆以上。後續為愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)、韓國電子通信研究所(ETRI)、華為(Huawei)、邁威爾(Marvell),台灣廠商專利數量最多為聯發科(MediaTek)。

觀察各國對於毫米波領域的投入程度,將以國家為單位,各別統計發明人數、專利權人數與專利數,結果如圖1所示(X軸代表活躍度、Y軸代表關注度、泡泡大小代表專利數)。美國是屬強勢專利權國家,投入的專利權人數約94位,包含2587位發明人參與,遠遠領先全球其它各國(由於差異較大,圖中並未呈現美國)。圖1中亞洲國家主要分布於圖中上半部,也表示亞洲國家投入此領域的專利權人數相對是比較多的,包含台灣、中國、日本與韓國。但韓國專利佈局表現更為積極,在資源包含研發人才與專利產出的投入卻是遠遠超過其他國家,明顯韓國在亞洲區域是毫米波領域的主要競爭者。左下角的區域是屬於快速追趕的國家,包含瑞典、加拿大與芬蘭。

圖1 毫米波領域各國關注與投入趨勢(國家別,專利數量)

進一步,透過圖2觀察各國專利權人的平均表現(X軸平均參與發明人數、Y軸平均申請專利數)。雖然瑞典與芬蘭在圖1結果呈現擁有較少的專利權人投入,但在圖2的平均表現上與韓國專利權人相似,這表示歐洲國家的技術研發,相對來說集中於幾個主要企業當中,而韓國也有類似的情況。至於其他國家此現象較不明顯,如圖2左下角的國家日本、中國與加拿大,平均參與的發明人數約在20名左右,平均產出專利約在7篇左右。而台灣雖然專利權人數與中國、日本差不多,但由於產出專利數不多,平均落後於圖2更左下角的位置。

圖2 毫米波領域各國專利權人平均研發表現(國家別、X軸數值、Y軸數值)

至於技術的表現將藉由專利合作分類號(Cooperative Patent Classification,CPC) ,提供我們快速了解市場技術發展的趨勢。在此我們統計三階主要CPC分類,結果顯示屬於H04電子通訊技術(Electric Communication Technique)占多數,其中包含數位訊號傳輸(Transmission of Digital Information)H04L分類,傳輸(Transmission)技術的H04B分類與無線通訊技術相關(Wireless Communications Networks)的H04W分類。其它也包含基礎電子元件(Basic Electric Elements)下的天線H01Q分類。

以下將以時間因素與專利權人因素觀察技術發展趨勢。首先,圖3是考慮專利申請的時間與家族專利最早申請的時間,即X軸的最早優先權年代表技術最早出現的時點;Y軸的申請年是取專利申請數量最多的時點,也是最受到關注的時點;泡泡大小代表特定CPC的專利數量。大致而言,毫米波領域技術申請的高峰期發生在2011年到2015年間,而個別技術如H04W與H04L技術申請的高峰期分別落在2012與2014年,不過專利技術最早申請時間發在2000年,所以這兩類技術發展時程已超過十年的發酵。雖H01Q與H04J(多工通訊)分類專利的相對數量較少,但在下圖4中呈現是下一波新興且受注目的技術領域。

圖4的泡泡大小表示屬於特定三階CPC專利的數量,X軸代表特定每篇專利的平均發明人數量,用以表示發明人投入研究數量,即數字越大表示技術越受關注;Y軸代表除了特定主要CPC分類外,每篇專利的平均CPC數,用來表示技術的發散狀況,即數字越多技術越發散。結果顯示投入研發意願最高的技術類別為H04W與H04J,圖中標出投入前五名專利權人,包含高通、英特爾、三星與LG都是此領域競爭者,其中H04W的專利最多約761件專利,但其技術發散度與H04B、H04L與H01Q差不多,較為集中。相對來說,H04J技術較為發散,以目前觀察,其專利數量雖少,偏向屬於初期技術摸索階段,但憑藉多工技術在通訊領域的成熟性,未來將逐漸吸引許多研發能量進入發展毫米波頻段多工技術。

圖3 主CPC技術分類歷年表現(主CPC分類,專利數)

圖4 主CPC技術分類與相關專利權人表現(主CPC分類,專利數)

台灣專利權人競爭力分析。台灣專利權人申請毫米波領域專利的CPC分類號,共有18類,如表1所示。圖5中是透過比較台灣與前十名主要專利權人之CPC分類差異與專利數量差異(比較台灣22篇專利,包含18類CPC),希望了解全球主要專利權人技術研發方向與台灣專利權人的技術發展的競合關係,即與台灣在研發方向與領域的競爭對手有那些。圖5中左邊Y軸線越往下表示相似度越高;反之,相似度越低。結果顯示,高通與LG的專利申請領域與台灣專利權人最相近,而ETRI、華為與Marvell相似度最低。可做為台灣廠商在國際間與其他廠的競合策略的參考。

表1 台灣專利權人主要CPC

1H04B07/0413H04W36/165H04W72/042
2H04L05/0023H04W36/30H04W74/002
3H04W04/02H04W36/32H04W74/4
4H04W16/14H04W52/243H04W74/833
5H04W24/02H04W56/0005H04W74/841
6H04W36/0072H04W72/0406H04W36/088

圖5 台灣專利權人與其它專利權人比較

在此研究發現,毫米波領域的專利發展,已經來到快速增長階段。全球有超過24個國家的專利權人/企業加入布局行列,其中最為積極的專利權人/企業主要來自亞洲國家居多,而在觀察中,台灣專利權企業或學研單位,也未缺席,積極布局,但投入的發明能量仍有限,更需透過鼓勵措施或是政府基金投入,提升其發展強度。不過在各國強力的推廣下,可以發現技術的發展趨勢也從初期集中特定技術發展模式,現在也慢慢朝向發散技術發展趨勢,也顯示特定技術(蛋黃區)的專利佈局已相當密集,技術可能逐漸步入成熟或是整合階段。因此,其他競爭者為避免侵權,也朝向蛋白區布局,如毫米波H04J分類技術。而毫米波領域技術成熟現象或許對於整體未來通訊發展有正面的影響,因為透過毫米波技術優勢更可以為未來其它興新應用領域,如物聯網、智慧車、智慧工廠等,帶來更好的通訊品質,未來將持續觀測毫米波在其它技術領域的影響效益。