5G通信中的Polar码专利申请分析

杜东振，邹丽

5G通信中的Polar码专利申请分析

杜东振，邹丽＊

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北 武汉 430075）

Polar码是学术界研究热点之一，各大公司对Polar码的潜力有共识，并投入了大量研发力量对其在5G中应用方案进行深入研究、评估和优化，且重视相关专利的布局。对Polar码的相关专利申请进行统计分析，得出该技术的研究趋势并给出相关建议。

第五代移动通信技术；Polar；专利；运营商

第五代移动通信技术（fifth generation，5G）是最新一代的移动通信技术，在全球范围内，5G已经或将要展开商用。在中国，5G已经在部分城市成功布网商用。

在全球移动通信运营商、制造商等公司或组织的参与下，标准制定组织制定了移动通信技术标准。在移动通信技术标准完成后，全球的移动通信运营商、制造商等公司或组织需要在满足移动通信技术标准的前提下提供移动通信相关服务。而移动通信的相关技术在被作为标准采用之前，往往已经被申请为专利。标准和专利的结合，尤其是标准必要专利，使得移动通信标准的后续实施者必须获取专利权人的授权许可。中国通信企业在2G、3G、4G时代的通信技术中，专利权的数量、质量等都不够发达，导致中国通信企业面临着诸多的专利纠纷，并且处于弱势地位。但是，凭借3G时代的TD-SCDMA技术，4G时代的TD-LTE技术，中国通信企业在移动通信技术标准中参与度越来越高。到了5G时 代，以华为为代表的中国通信企业已经成为5G标准的重要引领者。

信道编码是通信系统的基本组成部分，编码解码技术是最关键的无线通信技术之一，被采用到通信技术标准的编码解码技术更是无法规避的基础技术。在3G和4G时代，标准采用了Turbo码作为信道编码方案，而进入5G时代时，标准采用了LDPC码与Polar码作为信道编码方案。5G时代定义了三大应用场景：eMBB，URLLC，mMTC。3GPP在葡萄牙里斯本举行的RAN1#86b会议上，确定了LDPC码作为eMBB场景数据信道长码的编码方案。3GPP在美国内华达州里诺举行的RAN1#87会议上，确定了LDPC码作为eMBB场景数据信道短码的编码方案，Polar码作为eMBB场景控制信道的编码方案。

标准和专利的结合，将使得5G通信技术的授权专利深刻影响5G相关企业的布局、利益和影响力。本文将对Polar码的专利布局作出分析。

1 Polar码概述

土耳其毕尔肯大学ERDAL教授于2008年提出了信道极化理论，于2009年基于信道极化理论提出了Polar码，一种逼近香农极限的编码方法，也称为极化码。3GPP于2016年确定了Polar码作为5G eMBB场景控制信道的编码方案。

由于性能优秀，Polar码受到了广泛的关注，学术界和工业界都开展了深入的研究，针对Polar码应用中遇到的技术问题，相继提出了进一步的解决方案。

Polar码作为信道编码的技术方案时，处理过程为Polar码构建、速率匹配、信道交织调制和译码[1]。本文根据Polar码应用中需要解决的技术问题，将对以下技术细分进行重点关注。

信息位选取：Polar码信道极化，选择信道容量较大的比特信道传输有效信息，称为信息位，而信道容量较小的比特信道传固定信息，称为冻结位。Polar编码的构建主要依赖于生成矩阵的构造和信息位的选取，信息位的选取对编码来说相当重要。

级联结构：级联码是通过两个短码分别作为外码和内码进行连接构造出强有力长码的方法。Polar码常见的级联结构为：集中式CRC校验的Polar码（CA-Polar），奇偶校验（parity check）的CRC联合辅助译码的Polar码（PC-CA-Polar），分布式CRC-Polar 码（DCRC-Polar）。

速率匹配：Polar码的码字的长度是2的幂次，需要对其进行速率匹配才能符合实际系统的要求，各种速率匹配方案在不同码长码率条件下存在性能差异。常见的Polar码速率匹配方案为重复（Repetition）、打孔（Puncturing）或缩短（Shorten）。

信道交织：信道编码与调制的联合设计可获得更好的性能增益，通过在信道编码模块与调制模块中间插入交织器，交织器的随机交织效用可使得码间变得稀疏，提离了码字间的最小距离，从而提高了编码的“分集”作用。

2 全球专利申请态势

专利具有地域性、时间性和独占性三大特点。各个国家地区间的专利权只在本国本地区存在法律效力，绝大部分国家地区的发明专利有效期为最早申请日后的20年。因此，本文将从全球和中国专利局、欧洲专利局、美国专利局近20年接受的专利申请数量进行专利分析。

2.1 全球专利申请趋势

2008年，Polar码被提出后，多家公司投入研究并申请专利，同时3GPP从2016年开始在历次会议上讨论和决定5G信道编码的技术方案。现在以专利申请年份为单位分别统计欧洲专利局、美国专利局和中国专利局受理的Polar码专利申请数量，由表1可知，Polar码专利申请在2016—2018年的申请数量大规模增加（由于2019年的部分专利申请还未公开，所以，2019年的数据仅供参考）。

表1 专利局受理Polar码专利申请量年份统计

年份201120122013201420152016201720182019 欧洲专利局031213425871102 美国专利局1491417429011496 中国专利局081713236321611959 全球统计1828313697267317120

2.2 全球主要申请人

为了获取Polar专利申请的主要申请人，通过对欧洲专利局、美国专利局和中国专利局和全球数据库中的Polar码进行统计，Polar码的专利申请以通信设备制造商为主，尤其是中国华为公司和美国高通公司，二者的Polar专利申请数量遥遥领先其他申请人，分别排在第一和第二。

2.3 全球重点申请人

为了更清晰地研究华为和高通的Polar码专利申请情况，统计全球主要的专利数据库，对华为和高通的Polar码专利申请趋势在图1中示出。华为公司的Polar码专利申请量明显高于高通公司，华为公司对Polar码专利的布局大概早于高通4年的时间。而华为主推的Polar码在2016年被确定为5G eMBB场景控制信道的编码方案，表明华为对于Polar的研究极具前瞻性。

图1 华为高通Polar码专利申请趋势

Polar码从理论提出，到实际工程应用，存在着诸多技术问题需要进一步研究和解决。华为和高通对于Polar码专利申请比较全面，对于Polar码中信息位选取、级联结构、速率适配和信道交织四个技术角度都进行了一定量的专利申请覆盖。四个技术分支相比，由于Polar码与其他码级联时，其他码可以有多种选择，且华为高通专利申请量并未再级联结构方面爆发，可以尝试使用其他级联结构进行专利权规避。如果其他申请人想要在技术上可以进行更多的规避，建议避开上述四个技术分支。

虽然在Polar码专利申请上华为公司与高通公司相比明显占据优势，但结合两家公司在3GPP会议上的表现，华为主推Polar码，而高通主推LDPC码，实际上，高通公司在LDPC码专利申请的积极性明显高于在Polar码专利申请的积极性。

3 中国专利申请态势

中国现在是全球第二大经济体，中国通信市场前景广大，中国的通信运营商比如移动、联通等与中国的通信制造商如华为中兴等都属于全球知名公司，中国将是5G最重要的参与者之一。全球主要的通信设备制造商都进行了Polar码的专利申请，重视中国市场。同时，中国本土的公司和机构在申请量对比国外明显占据优势，其中中国申请人和国外申请人分别占比77.78%和22.22%。另外，除了传统的通信制造商如华为、中兴、大唐等，中国高校在Polar码的专利申请异军突起，在申请量前12名中，中国高校的申请量占据了20.23%。但是，中国高校的相关Polar码专利申请仅限制在了中国专利局，并未在国外专利局进行布局。

4 结论

通过对Polar码专利申请的统计分析可以明显发现，中国华为公司对Polar码的专利申请在数量、覆盖度和前瞻性上都占据了明显优势，将在5G eMBB场景控制信道编码中占据领先地位；高通公司等传统知名通信制造商在Polar码专利申请上稍微落后，但也迅速加大了对Polar码的研究；中国高校在中国专利局的Polar码专利申请上也有一定的积累。对Polar码专利申请统计分析后，本文有以下建议：对新技术的研究要具备敏感性和前瞻性，提前下场加大研究后才能在专利申请中享有领先优势；中国高校除了在国内进行布局外，可以联合其他公司或机构开展国外布局；公司开展专利布局时，可以联合高校共同研发或者购买高校的专利权。

［1］唐成.5G系统Polar码的译码算法研究与实现［J］.中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑，2020（1）：1136-1410.

＊第二作者对本文贡献等同于第一作者

2095－6835（2020）24－0009－02

TN92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.003

杜东振（1988—），男，河南濮阳人，硕士，助理研究员，专利审查员，主要从事无线通信领域专利审查。

邹丽（1986—），女，江西抚州人，硕士，助理研究员，专利审查员，主要从事无线通信领域专利审查。

〔编辑：张思楠〕