全球5G已進入商用部署關鍵期，5G將助力工業互聯網實現從工業數字化階段到全面互聯階段的轉變。5G將從4個方面由淺入深賦能工業互聯網：一是從工業企業（Operation Technology，OT）和信息技術（Information Technology，IT）架構底層向上層逐步延伸；二是從輔助功能向生產過程控制逐步延伸，目前5G 大多聚焦在輔助功能上，并未取代生產過程控制；未來伴隨工廠內部5G網絡的完善部署，將會實現高效率、零停機、低時延和高穩定可靠的生產過程控制；三是從增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）向大規模機器類型通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）和超可靠低延遲通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）逐步延伸，其中eMBB場景包括超高清視頻等大流量移動寬帶業務，mMTC場景包括環境監測、海量連接等大規模物聯網業務，uRLLC場景包括遠程制造、遠程培訓、遠程手術、無人駕駛等低延遲業務；四是從5G無線連接技術向5G網絡技術邊緣計算、網絡切片、時間敏感網絡等逐步延伸。5G 3GPP R15版本中制定了基于NSA和SA的eMBB標準，在3GPP R16和R17規劃中，3GPP已經開始對5G NR支持工業互聯網進行新的研究規劃，旨在更好地集成融合5G網絡與時間敏感網，預計未來5G將會爭取工業標準話語權，并有望顛覆工控及部分裝備產品形態[1]。
1 5G與工業互聯網產業的融合
1.1 全球5G+工業互聯網產業融合情況
2018年，5G產業自動化聯盟（The 5G Alliance for Connected Industries and Automation，5G-ACIA）成立，旨在助力5G在工業領域落地發展，并基于真實業務需求場景開發5G技術。5G-ACIA組織成員匯集了傳統自動化和制造業企業以及信息和通信技術行業領先企業，共同促進5G工業互聯的標準化工作，加速工業自動化的實現。
2019年3月，5G-ACIA聯盟發布《5G for Connected Industries and Automation》 白皮書[2]，闡述5G應用場景貫穿了工業制造的全過程，覆蓋了生產過程的全生態環節。歐盟、美國、韓國等發達國家/地區積極順應工業互聯網領域的良好發展態勢，在汽車制造、電子自動化、機械制造領域通力合作，共同助推標準制定、協力推出應用服務，旨在在5G+工業互聯網領域迅速布局，以搶占5G垂直產業領域技術制高點。
1.2 我國5G+工業互聯網產業融合情況
我國高度重視5G賦能工業互聯網領域的發展情況，多次發布指導性文件，力求助推產業良性高速發展。2019年8月13日，工業和信息化部召開“5G+工業互聯網”全國現場工作會議，強調緊抓新一代信息技術與實體經濟深度融合的重大歷史機遇，積極探索“5G+工業互聯網”領域實踐創新；要求加快推動“5G+工業互聯網”，有力支撐制造業高質量發展。2019年11月，工業和信息化部印發《“5G+工業互聯網”512工程推進方案》[3]，明確到 2022年打造5個產業公共服務平臺，覆蓋10個重點行業，形成至少20大典型工業應用場景。2020年2月，中共中央政治局常務委員會召開會議強調要加快5G網絡、工業互聯網等新基建產業發展。2020年3月，工業和信息化部印發《關于推動工業互聯網加快發展的通知》，詳細制定了2020年“5G+工業互聯網”的推進措施，提出加快工業互聯網發展“二十條”。
從2019年6月工業和信息化部向電信運營商頒發5G商用牌照開始，我國進入5G商用元年。作為制造大國，我國是推動5G和工業互聯網融合發展的重要參與者。我國重點聚焦電力、機械、汽車、石化、化工等工業領域的融合發展，期望以重點領域為突破口，引領融合創新發展，確保政產學研系統全面助力5G與工業互聯網領域的融合發展生態。
2 5G+工業互聯網專利態勢分析
本文檢索專利所用的數據庫包括Derwent數據庫[4]、Innography 數據庫[5]和Innojoy數據庫[6]，檢索范圍涵蓋2012年1月—2019年9月的全球專利申請。
全球范圍是指包括且不限于“七國兩組織”（七國：中國、美國、日本、韓國、德國、法國、瑞士；兩組織：世界知識產權組織、歐洲專利局）的全部公開專利。專利分析在整體趨勢分析部分按照同族統計，屬于一個專利同族的多項專利合并同族后計為1項專利；在具體技術統計時采用單件統計方式，具體根據圖表中單位“項”或者“件”來區分同族統計或者單件統計。由于專利申請公開具有18個月的滯后期，至本文完成日，2018年以及2019年部分專利尚未公開，因此2018—2019年的專利統計數量低于真實申請數量。
2.1 在維持2012—2016年的平穩態勢后，2017年5G+工業互聯網專利集中爆發
自2012年開始，截至2019年9月，在全球范圍內共計申請14 927件5G+工業互聯網專利，合并同族后為10 084項。自2012年國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）提出5G需求，產業界開始嘗試探索5G與工業物聯網融合應用場景與技術，5G+工業互聯網專利在2012—2015年呈現平穩增長態勢，年度申請量維持在400~700 項左右（見圖1）。
受2016年3GPP全面啟動5G標準化研究工作以及2017年12月5G新空口非獨立組網標準的影響，5G面向三大應用場景（eMBB、uRLLC、mMTC）的各項關鍵技術取得了長足發展；同時，自2017年開始全球各國紛紛發布 5G+工業互聯網戰略部署政策，全球產業界成立多個5G產業發展聯盟和創新中心，共同研討5G+工業互聯網融合應用，5G+工業互聯網專利呈現快速增長態勢，并于2017年達到3219 項申請量的峰值。
2018年6月，3GPP發布5G獨立組網標準并啟動5G R16標準預研工作，進一步研究uRLLC增強以滿足諸如“工業制造”“電力控制”等更多的5G工業物聯網應用場景。ICT創新主體和傳統制造業由于持續尋求創新與突破，其2018—2019年的5G+工業互聯網專利申請量相比于2017年有穩步的增長。
圖1 5G+工業互聯網全球專利年度申請趨勢
2.2 中美韓歐是 5G+工業互聯網主要技術來源國家/地區
為分析各個國家/地區的技術研發情況，對自2012年開始，截至2019年9月的5G+工業互聯網專利主要發明人申請量分布情況進行統計，發現中國、美國、韓國、歐洲是5G+工業互聯網融合領域主要技術來源國家/地區，這與這些國家/地區的5G+工業互聯網政策和產業發展較為相關。
我國積極探索傳統制造業轉型升級，高度重視工業互聯網與5G融合發展，并密集發布多項政策實施方案促進產業生態，因此我國相關專利布局活躍，貢獻約45%的5G+工業互聯網專利技術。美國電信運營商和設備商立足自身領先制造業的基礎優勢，借助工業互聯網領域的先發優勢，加快5G在工業互聯網領域的應用布局。以三星和
LG企業為主導的韓國重視5G+工業互聯網產業融合發展，并積極研究探討面向工業互聯網領域的5G技術創新，貢獻約10%的專利技術。以瑞典、德國、芬蘭、加拿大為代表的歐洲地區作為5G+工業互聯網專利技術的主要來源地區，得益于其申請人自身豐厚的5G相關技術儲備，緊跟工業互聯網發展態勢，積極布局相關專利。
2.3 專利布局地域廣泛
自2012年開始，截至2019年9月，5G+工業互聯網融合專利共計在23個國家/地區有專利布局，主要包括世界知識產權組織（World Intellectual Property Organization，WIPO）成員國、中國、美國、韓國和歐洲專利局（European Patent Office，EPO）成員國，其中排名前5的國家/地區專利申請量占比總和高達92%（見圖2）。值得關注的是，WIPO成員國專利以35%的占比位居第一，原因在于多數企業越來越重視國際目標市場，期望在多個國家同時部署5G產業應用，形成全面的專利保護體系。
圖2 5G+工業互聯網全球專利目標國家/地區分布
2.4 2/3專利處于在審狀態
專利法律狀態是指專利申請當前所處的狀態，是專利價值的重要體現形式之一。如圖3所示，自2012年開始，截至2019年9月，在14
927 項5G+工業互聯網相關專利中，19%的專利申請處于失效狀態，其失效原因包括PCT申請進入國家階段、專利申請撤回等；有權專利2385
件，占專利申請總量的16%；65%的專利申請處于在審狀態，這與5G標準制定與技術研發周期密切相關，其中5G面向工業互聯網的融合研究主要集中在5G技術相對成熟之后，而發明專利需要經過實審階段方能授權，其審查周期普遍為3~5年，所以目前大部分專利尚處于審查過程中。
圖3 5G+工業互聯網全球專利法律狀態
來源：中國信息通信研究院知識產權中心和Innography數據庫
圖4 5G+工業互聯網全球專利關鍵技術聚類分析
2.5 重點聚焦支持工業互聯網應用的5G技術和以5G技術為支撐來實現工業互聯網應用
為明晰5G和工業互聯網融合領域重點技術研發方向，對自2012年開始，截至2019年9月的14 927 件專利內容進行聚類分析，以確定目前創新主體在5G和工業互聯網融合技術方面的布局重點。
支持工業互聯網應用的5G技術專利主要涉及無線接入技術（參考信號、控制信道/控制信息/下行鏈路控制、隨機接入、資源分配、信道狀態信息、同步信號等）、網絡技術（網絡切片）。其中，參考信號是專利布局相對密集的技術領域，共有1178 件專利申請與之有關，其作為實現大規模天線技術的關鍵，能夠實現靈活波束賦形，提升工業環境的覆蓋和容量，解決多設備多場景下的接入問題，具體內容涵蓋參考信號的設計、配置、發送/接收等；控制信道/控制信息相關專利共有1400 余件，主要涉及控制信道設計優化、控制信息的配置等；無線資源分配/管理是實現資源調度和優化的重要途徑，包括670 余件相關專利申請；隨機接入方向專利490 余件，其改進方向聚焦于面向工業互聯網場景的接入方法；信道狀態信息相關專利400 余件，主要涵蓋信道狀態信息反饋優化；同步信號相關專利330 余件，其內容側重同步信號設計優化、發送/接收。網絡切片技術可對5G資源和能力按照不同的業務場景和業務模型，實現按需定制，能夠保障工業領域不同業務環節以及工廠內外部的數據安全與獨立，是5G賦能垂直行業的利器，是ICT企業和工業領域創新主體關注的技術熱點，共計申請620 余件專利。
以5G技術作為有力網絡支撐來實現工業互聯網創新方面的專利主要涉及智能業務以及高數據速率業務。其中，智能業務是專利布局最多的方向，共計申請1050 余件專利，結合對智能業務相關專利的人工細化篩選分析，發現其技術創新主要聚焦D2D、機器通信、虛擬現實、數據計算與處理，可見工業互聯網領域重點關注設備互聯互通問題。高數據速率業務是面向高帶寬的應用，如基于視覺的照相檢測、AGV、云化機器人等。為實現工業應用與5G的有機融合，高數據速率業務共布局450 余件專利。
2.6 ICT企業是推動5G賦能工業互聯網融合應用的重要力量
從5G+工業互聯網相關專利的全球申請人來看析，排名靠前的企業主要為通信企業，說明ICT企業是推動5G賦能工業互聯網融合應用的重要力量。全球5G+工業互聯網專利主要申請人有華為、三星、愛立信、諾基亞、OPPO、VIVO、高通、INTEL、中興、LG、AT&T。
3 發展建議
3.1 繼續發揮ICT企業先鋒作用，加大實體經濟企業參與力度
目前，5G+工業互聯網領域的專利申請主要以ICT企業的5G技術創新為主，傳統實體經濟企業積極性不高，其主要解決應用實踐問題，技術創新成果不夠突出，未能在產業發展中起到主導作用。針對目前5G+工業互聯網創新主體不夠多元的問題，一方面應加強通信廠商與工業互聯網企業的溝通融合與跨界合作，合力開展重點行業、重點企業試點示范和協同創新中心建設，在運輸物流、石油化工等重點領域率先開展“5G+工業互聯網”商用應用示范，調動實體企業的積極性；另一方面應鼓勵和推動更多細分工業領域的企業建立和完善技術創新模式，開展面向行業骨干的知識產權戰略與技能培訓，建設制造業知識產權在職人才培養基地，并以行業示范應用帶動融合領域熱點技術創新，加速邊緣智能、網絡切片、時間敏感網絡等核心技術研發，在核心技術領域進行前瞻布局。
3.2 保持核心技術優勢，優化差異化技術布局
一方面，從5G技術本身出發，政府或企業可以進行專利技術分析與預警，以獲得專利布局中的空白點和薄弱點，提早進行專利布局；另一方面，從工業互聯網領域技術創新角度出發，企業可從內外網的5G升級改造入手，提出基于eMBB、mMTC、uRLLC場景的定位、遠程控制、遠程檢測等技術，構建全面覆蓋的技術體系。
4 結束語
工業互聯網作為實體經濟與新興技術融合的產物，是加快5G商用部署的重要突破口之一。世界各國在加快5G+工業互聯網深度融合的產業和應用生態方面積極開展創新研究工作，未來工業互聯網將成為主要工業強國搶占國際制造業競爭制高點的關鍵因素。本文聚焦5G+工業互聯網專利態勢，從專利申請趨勢、專利技術來源國和布局目標國、專利法律狀態、專利主要申請人幾方面深入分析專利布局情況，建議在5G+工業互聯網領域創新主體方面，繼續發揮ICT企業先鋒作用，加大實體經濟企業參與力度；在技術布局方面，保持核心技術優勢，優化差異化技術布局，全面助力5G+工業互聯網的廣泛部署與應用。
