5G非正交多址接入技术专利布局分析

5G非正交多址接入技术专利布局分析

胡芹艳

摘 要

5G是各大通信企业必争之地，随着近期OPPO和诺基亚、苹果和爱立信许可费率纠纷诉讼大战开启，5G专利诉讼之战已经全面拉开。随着智能终端普及应用及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，业内提出采用新型多址接入复用方式，即非正交多址接入(NOMA)，可将一个资源分配给多个用户，既能满足移动业务速率需求又能提高频谱效率。本文从5G非正交多址接入技术专利分析的角度，介绍了目前在该领域专利申请分布情况，拟从专利的角度观察行业动态。

关键词：5G，非正交多址接入，NOMA，专利分析

1 概述

1.1 非正交多址接入技术发展背景

5G 技术将会在广覆盖、高容量、低时延、高可靠、低功耗、大连接等方面为未来移动通信系统的应用，开创出日新月异和空前繁荣的新型移动通信时代。5G 将是一个全球标准，其覆盖的广域性、传输的高速性、连接的海量性和应用的多样性，使得空口技术必须具有相当的灵活性和应变能力。空中接口承载用户信息的无线资源主要有，频域、时域、空域、码域和功率域，前3 种有子载波正交、接入循环前缀和适当空间距离等成熟技术保证多用户多址接入的独立性，后两种在多用户信息区分方面只能通过 串 行 干 扰 消 除（SIC，Successive Interference Cancellation）技术保证。由于码域和功率域无法保证叠加用户的正交，在移动通信系统中大凡用到后两种资源的都叫非正交多址接入技术¹。

目前，全球多家公司正在积极研发面向5G 的非正交多址接入技术，虽然它们的重点各有不同，但目标只有一个，都想占据5G 技术的制高点，掌控5G 技术的专利权，在未来移动通信领域谋得一席之地。

1.2 非正交多址接入技术介绍

非正交多址技术（NOMA）的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）接收机实现正确解调。虽然，采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好地提高频谱效率。用提高接收机的复杂度来换取频谱效率，这就是NOMA技术的本质。

NOMA的子信道传输依然采用正交频分复用（OFDM）技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是一个子信道上不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干扰问题，这也就是在接收端要采用SIC技术进行多用户检测的目的。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收机再根据不同户用信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。

2非正交多址接入中的关键技术

2.1串行干扰删除（SIC）

作为一项多用户检测技术，SIC早在第三代移动通信技术（CDMA）中被采用。SIC在性能上与传统检测器相比有较大提高，而且在硬件上改动不大，从而易于实现。串行干扰删除（SIC）的基本原理是逐步减去最大信号功率用户的干扰，SIC 检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰（MAI），按照信号功率大小的顺序来进行操作，功率较大信号先进行操作。这样一直进行循环操作，直至消除所有的多址干扰为止。

SIC 检测器的每一级只检测一个信号，因此 K 个用户就需要 K 级判决。各用户的操作顺序是根据其功率值排列进行的，功率越大的信号越先处理，因为最强的用户越容易捕获。每级输出的是功率最大用户的数据判决和去除该用户造成的 MAI 以后的接收信号，这样可以将多址干扰降到最低，并且信号越弱获益越大，大大增加了检测的可靠性。多级结构将上一级的输出信号作为下一级的输入信号，重复“检测、估计、检测……”的循环操作，逐步消除接收信号中的多址干扰。

虽然，SIC技术有很好的信号检测性能，但要在NOMA中采用，有3个问题。首先，相对于传统的SIC接收机，NOMA中采用的SIC接收机要更复杂，要求具备更强的信号处理能力；其次，从上述过程可知，根据信号功率排的用户顺序决定了最佳的接收效果，而在实际过程中，用户的功率是不断变化的，这就要求SIC接收机不断地对用户功率进行排序；再次，SIC每一级处理都会产生一定的时延，在现实多级处理过程中，产生的时延很大。前一个问题的解决有赖于未来芯片处理能力的提升，而后两个问题则需要对相关的处理算法进行进一步的研究。

2.2功率复用

SIC在接收端消除多址干扰（MAI），需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。

2.3非正交多址接入技术主要分支

5G 必须在频域、时域和空域等已用信号承载资源的基础上，开辟或叠用其他资源，使得空中接口的无线信道具有足够的信息传输承载能力。由日本DoCoMo 公司提出的基于功率的非正交多址接入（PD-NOMA，power pision based NOMA）、中兴公司提出的多用户共享接入（MUSA，Multi User Shared Access）、华为公司提出的稀疏码多址接入（SCMA，Sparse Code Multiple Access），大唐公司提出的图样分割多址接入（PDMA， Pattern pision Multiple Access）等是典型的非正交多址接入技术，通过开发功率域、码域等用户信息承载资源的方法，极大地拓展了无线传输带宽，使之成为5G 多址接入技术的重要候选方案²。

3 非正交多址接入技术的专利布局

本文采用incoPat平台³，在全球专利数据库中，全文检索关键词：非正交多址or NOMA，申请日2014-2020年，分类号位于H04W和H04L，按照申请号合并结果，得到15820篇结果。现基于该检索结果进行分析。

该领域相关申请集中在2015-2019年，2018年为最高峰（未公布专利暂未统计），这也正是5G相关技术发展的关键时间点。我国在2013年的时候组建面向5G移动通信研究与发展的IMT-2020推进组，研究5G主要技术发展方向，形成5G移动通信技术框架。2015年，ITU启动国际5G标准化工作，各大通信企业和研究机构积极开展专利布局，专利申请量爆发式增长。

该领域专利受理量最大的国家是美国、中国、韩国，美中韩也是5G通信技术竞争最为激烈的国家。很大比例的专利都向世界知识产权局提交了PCT申请。通过PCT提交一件国际专利申请，申请人可以同时在全世界大多数国家寻求对其发明的保护。由此可见，专利申请人非常重视在该领域进行全球性的专利布局。因为该技术涉及5G通信标准必要专利，兵家必争。掌握专利的制高点，在5G的发展过程中才拥有话语权。

从价值分析角度看，该领域全球主要申请人为三星、LG、华为等通信巨头。尤其是三星，申请量远高于其他通信企业。incoPat的专利合享价值评分系统，从技术稳定性、技术先进性、引用关系、许可转让、保护范围等多维度，对申请人的专利价值进行评分。本文中将评分为10的专利标引为高价值专利。高通在该领域申请总数量虽不算高，但其高价值专利占比高达42%，LG高达39%，可见申请人非常注重专利质量，标准必要专利占比较高。三星高价值专利在其申请的专利总数中占比为16%，可见三星公司在注重其专利质量的同时，更关注布局的广度。我国的通信企业华为，在该领域专利申请数量和质量也名列前茅；OPPO专利申请量较高，但高价值专利占比相对较低，在提升专利质量方面还有较大的提升空间。

目前，全球多家公司正在积极研发面向5G 的非正交多址接入技术，虽然它们的重点各有不同，但目标只有一个，都想占据5G 技术的制高点，掌控5G 技术的专利权，在未来移动通信领域谋得一席之地。实际上，在5G万物互融时代，5G领域的通信标准专利应用的范围就更加广泛，不但应用在终端领域，也会用在任何需要5G网络通信的万物中，因此5G通信标准专利，在万物互融时代的价值就越显重要。

近期OPPO和诺基亚的诉讼、苹果和爱立信的诉讼，将5G标准必要专利的许可费率问题推向风口浪尖。究竟谁能在5G大战中胜出，让我们拭目以待。

参考文献

1.面向5G的非正交多址接入技术[J]. 毕奇,梁林,杨姗,陈鹏. 电信科学. 2015(05)

2.非正交多址关键技术研究，邵宣博，北京邮电大学，2019年硕士论文。

3.IncoPat专利价值分析平台：https://www.incopat.com/。

1 面向5G的非正交多址接入技术[J]. 毕奇,梁林,杨姗,陈鹏. 电信科学. 2015(05)

2 非正交多址关键技术研究，邵宣博，北京邮电大学，2019年硕士论文。

3 IncoPat专利价值分析平台：https://www.incopat.com/。

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