4G和5G通訊專利布局全面啟動。無線通訊網路頻寬隨著物聯網需求爆發愈顯不足，通訊技術邁向5G已勢在必行，科技大廠皆已提前布局毫米波技術專利，包含高通、英特爾、三星、博通和LG等廠商，期能在5G通訊市場奪得先機。
第五代(5G)通訊技術研發在全球電信營運商及通訊大廠中已成為重要工作項目，可以預期的下世代通訊技術仍會以目前的通訊系統架構為基礎繼續發展與演進。
因此，以第四代通訊系統中的長期演進技術(LTE)為例，為符合未來無線通訊的應用需求，第三代合作夥伴計畫(3GPP)將繼續提升現有的無線通訊系統，規劃未來標準制定工作，將大致分為兩個軸線，一是繼續發展與提升現存的LTE系統；二是建構新的長期演進技術稱LTE-A Pro，致力於滿足未來5G新的服務模式。3GPP預計在接下來的十四、十五與十六標準版本中依序完成各階段5G標準制定工作，並於2017年第四季向ITU-R遞交提案(如圖1)。
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| 圖1 各國際標準組織之5G規劃進程 |
3GPP技術報告文件草案TR 22.891參考ITU的下世代通訊系統(IMT-2020)的需求，包含加強型行動寬頻(enhanced Mobile BroadBand, eMBB)、大量型機械式通訊(massive Machine Type Communications, mMTC)，以及高可靠低延遲式通訊(Ultra-Reliable and Low Latency Communications, UR/LL)，額外提出另外三個高階情境項目，如增強型車載通訊(eV2X)、緊急通訊(Critical Communication)以及網路運作(Network Operation)。圖1中5G Study Phase階段將會以這些高階情境為藍圖，定義更多需要被下世代LTE系統滿足的使用情境，並依據其特性進行區分與分類，以方便接下來的標準制定工作依照不同使用情境，制訂不同的技術規格，加速標準制定工作順利進行。
大致標準制定方向如圖2，3GPP在接下來的規劃將仍然繼續發展與提升現存的LTE系統(LTE Evolution軸)，滿足極密集網路架構(Ultra Density Network, UDN)與大量連結(Massive Connections)的情境，並向後相容(Backward Compatible)既有LTE系統。
另外一個方向是建構新的長期演進無線接取技術(5G New RAT)，根據無線擷取網路工作技術規範組(Technical Specification Group-Radio Access Network, TSG RAN)主席Dino Flore於2015年9月會議中強調，這階段將透過兩步驟完成5G標準規格制定工作，向前相容(Forward Compatible)下世代通訊系統，區隔現在的4G系統。
兩個步驟的發展特點如下，可參考圖2。
從圖2的技術演化中，可以看出新的頻譜規劃/重整將是接下來的重點，根據ITU對於IMT-2020未來頻譜的需求預估(ITU-R M.2290模型)，結果顯示為滿足2020年服務需求，需額外增加800∼900MHz頻寬。
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| 圖2 3GPP 5G規劃 |
ITU-R去年九月舉辦的World Radiocommunication Conferences-2015(WRC-15)會議中新增8個頻段(470∼608、614∼698、1,427∼1,452、1,452∼1,492、1,492∼1,518、3,300∼3,400、3,600∼3,700、4,800∼4,990MHz)，頻寬總共是703MHz。
累計目前IMT系統的頻段共有15個，共1,880MHz，皆是屬於6GHz以下頻段。會中也提案加入研究新的6GHz以上高頻段候選頻段(圖3)，皆位於30GHz∼300GHz頻段，因其波長約在10到1毫米(mm)間，又稱為毫米波頻段。將成為未來頻譜分配(WRC-19)時考慮。
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| 圖3 6GHz以上候選頻段 |
台灣頻譜規劃情況，根據103年度交通部委託研究報告預估台灣在2020年的頻譜需求約1,625MHz(M.2290模型)，盤點我國2015年釋出商用頻段約有625MHz，如果要在2020年額外釋出1,000MHz是有困難的，報告中建議可以藉由頻譜整併、法規鬆綁與技術改良方式提升頻譜使用效率。
台灣除了量的不足，另一個問題便是釋出頻段多樣性不夠，目前台灣LTE系統有四種頻段700、900、1,800及2,600MHz，台灣電信商利用2∼3種不同頻段提供LTE服務；日本釋出8種頻段，電信商可利用5∼6種不同頻段提供LTE服務；韓國釋出5種頻段，電信商可利用3種不同頻段提供LTE服務。
擁有多種頻段的優勢是電信商可以利用頻率物理特性提升覆蓋率(在於室內、市區及郊區應用)，或是提升載波聚合技術的效益。
對於頻段釋出的規劃，必須考慮短期、中長期規劃。在短中期釋出方案可以考慮國際間已商轉頻段(如2,300MHz，1,900MHz)或針對既有頻段做清頻、移頻與回收之處理。
長期釋出方案可以考慮圖3提案頻段並追蹤其可行性。簡言之，政府在頻譜政策，需因應未來頻譜使用需求，國際標準趨勢及技術的演進發展作更彈性與前瞻的規劃。
毫米波應用/市場
根據市場觀察報告指出，2020年毫米波頻段的市場產值預估約有17億美金，複合年均增長率(2015∼2020年CAGR%)約42.7%。深入分析發現57∼86GHz頻段2020年市場產值最大約占14億美金，主因是此頻段的授權機制是屬於申請程序簡便與申購費用低廉的低度管制授權頻段(Light Licensed)如70GHz與80GHz(E-Band)甚至是免執照頻段(License-exempt)如60GHz(V-Band)。
此頻段的應用受到廣泛的使用在健康醫療、工廠自動化、大眾安全、交通運輸與國防航太以及無線通訊等領域。
整體而言，主流的應用仍是以無線通訊市場為主。區域市場分析，北美市場(美國、加拿大與墨西哥)2020年產值預估為0.78億美金占全球市場將近5成左右，目前北美市場應用在商用電子、健康醫療、軍事用途與交通運輸發展最快速。
亞太地區市場於歐洲之後位居第三，卻是市場發展最快速的區域(2015∼2020年CAGR為43.13%)，此市場包含日本、韓國、印度與中國。預估中國市場2020年產值將達到0.19億美元，主要是以軍事用途與交通運輸發展帶動市場成長動能。
全球毫米波產業供應鏈逐漸成熟，調查全球產業鏈相關企業，並依照晶片&半導體、電子零組件與電信設備商三個分類列於表1中。
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| 表1 毫米波產業鏈 |
產業鏈分布包含美國、韓國、英國、瑞士、日本與以色列企業，其中屬於美國企業占多數。目前毫米波產品的特點包括具備如光線電纜般的傳輸速率、搭配小型基地台(Small Cells)具備易安裝/彈性高特性、提供點對點/點對多點通訊(Point-to-point/Point-to-multipoint)、產品使用在無需授權頻段(E-Band/V-Band)、低延遲的行動回程網路(Mobile Backhaul)。美國的主要競爭者Bridgewave提供如光纖電纜般的毫米波回程網路解決方案，其優勢便是依據用戶的特性和地區差異而有所不同，提供6GHz∼80GHz的無線通訊解決方案與產品，是目前市場中的重要Key Player。
甩Intel/三星 高通毫米波專利數居冠
目前的毫米波市場產品主要是使用指向性天線，但為達到1,000x的傳輸速率，大型陣列天線(M-MIMO)的設計議題是目前最為熱門的研究議題，尤其使用在毫米波頻段，以下將針對毫米波大型陣列天線的專利趨勢做進一步探討。本文專利檢索方式是建立技術特點架構，再對於各技術分支做專利檢索，如表2。
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| 表2 M-MIMO-mmWave分解 |
專利申請時間從2004年起至2015年，以美國專利為檢索標的，專利結果專利數量1725筆，相較2014年本中心所作的專利分析增長了將近十倍的專利數，當時檢索的結果專利權人布局數量依序是英特爾(Intel)、博通(Broadcom)與三星(Samsung)為前三名。
經過兩年的發展，2016年毫米波專利權人的前五名分別是，高通(Qualcomm)、英特爾、三星、博通和LG，專利數量都超過百筆以上，高通更在專利數上已領先各競爭者。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)，並觀察台灣廠商專利數量最多的聯發科(MediaTek)。觀察圖4歷年專利布局趨勢目前毫米波正是處於快速發展的階段，投入的研發資源與專利技術開始朝向多元發展與不同應用需求方向發展。國家布局部分單美國與韓國布局數量便已超過6成，是主要毫米波技術發展國。
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| 圖4 毫米波歷年專利布局趨勢 |
我們分別從已獲證和早期公開的專利(目前仍在審查當中)來觀察市場上競爭者的專利實質有效性見圖5，專利數量最多的高通，在數量上大幅領先其他競爭者，可以看出對毫米波相關技術專利布局的企圖心，但在實際區分之後可以發現，高通的專利數量在審查中的專利遠遠多於已獲證的專利數量；反而是第二名的Intel在已獲證的專利數量是優於高通，雖是專利數量次多的企業，其專利實際的權利是優於高通的。
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| 圖5 專利權人布局趨勢 |
主要因素是英特爾很早便投入Wi-Fi 60GHz頻段(802.11ad)的技術研發，不過近期的其他毫米波技術研發方向比較偏向使用在蜂巢式系統(LTE)的架構。
歐洲企業愛立信、諾基亞和邁威爾等三家公司在上獲證的專利數量來分析，已具有了毫米波技術的基礎，但在審查中的專利數量有明顯減少的狀況，未來的專利數量將有可能呈現衰退的現象。
韓國投入研發的企業至少有15家以上，不過主要競爭者仍是以三星、LG與ETRI為主，其專利無論是獲證或在審查當中的，數量都非常多，可以看出韓國在此領域積極專利布局的態勢。中國投入申請的公司主要是華為、中興與展訊，其他專利權人屬於學研單位居多。
中國企業在獲證的專利數量不多，但在審查中的專利數量的比率卻相當高，專利申請約在2012年後，技術發展屬於快速追趕的角色。根據資料顯示，台灣專利權人擁有專利共有52件，主要擁有者為聯發科、華碩(Innovative Sonic)與宏碁，申請時間集中在2014年左右，台灣算是在此技術的初期發展階段。
專利技術發展趨勢分析，見圖6，第一圈分為專利重點區、專利分散區、專利集中區三類。第二圈分為技術六大類型，分別為無線電場傳輸系統、網路規劃、監控或測試裝置、切換或重新選擇裝置、區域資源管理、傳輸通道提供多用途裝置等。
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| 圖6 毫米波專利重點區、專利集中區、專利分散區 |
毫米波應用的發展需要仰賴先進天線的設計技術，尤其在NLoS(Non Line of Sight)的環境下工作時，毫米波的波束形成(Beam Forming)之類的天線技術就變得相當重要。
因此，在專利重點區內416筆專利數量，以「無線電場傳輸系統」占全部專利24%，技術熱區落於在多重輸入多重輸出(MIMO)系統技術、反饋系統、多用戶MIMO系統、陣列天線、接受端反饋等6種技術藉由毫米波的微型天線提升系統傳輸效率。其中陣列天線技術的專利集中度最高，在陣列天線的技術中又以功率限制、天線映射、編碼結構、頻段排程等技術皆為專利競爭者申請的重要區域。其次為MIMO系統和波束成形技術。
專利集中度相當高的兩項技術，區域資源管理集中在無線資源配置技術；傳輸通道提供多用途裝置集中在分配傳輸路徑的子通道的技術。
為有效率地運用有限的資源，多使用者多輸入多輸出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output, MU-MIMO)技術，它可以讓無線基地台同時和多個無線網路設備進行通訊，相較先前使用的SU-MIMO更能滿足未來需求，相關專利技術包含Codebook Design，Feedback Overhead、用戶排程序與干擾管理等議題。
專利數量較為分散的，以切換或重新選擇裝置、重選蜂巢層和切換區控制兩項技術為主；網路規劃以頻譜分享、強化波束技術；監控或測試裝置則為操作最佳化、量測排程等技術。
隨著毫米波技術的發展，在系統層面已經開始思考授權與未授權頻段共用與管理的議題，如授權頻帶輔助存取技術(LTE Licensed-Assisted Access, LAA)或是ITU-U技術。因此，技術發展已經逐漸向熱區以外的技術開始發展。
競爭者的技術差異分析見表3，無線電場傳輸系統為各競爭者專利申請的重要區域，專利又集中在MIMO系統的陣列天線和波束成形技術，專利數量以英特爾和三星為最多，此項技術可說是這兩家公司的主要申請的保護區域。
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| 表3 重要專利權人技術布局 |
網路規劃以頻譜分享、強化波束技術；在監控或測試裝置則為操作最佳化、量測排程等技術，皆以高通的專利數量最多，獨占性強。
高通在未授權頻段與授權頻段共用/共享技術發展相當早，高通所提到的CSAT(Carrier Sensing Adaptive Trasmission)技術便是藉由觀測鄰近授權頻段使用狀態(ON/OFF)，按照觀察結果安排未授權頻段用戶使用的時機。
在2015年2月高通與愛立信與三家電信公司Verizon、T-Mobile與韓國電信(SK Telecom)合作測試LAA技術，宣稱峰值速率已可以達到450Mbit/s。然而發展頻段共享技術仍有許多挑戰必須面對，如非授權頻段的選擇(考慮各國間政策因素)、裝置選擇接取Wi-Fi或LTE系統的機制(Fairness Metric)、非授權頻段避免干擾授權頻段、LAA使用情境與機制的建立等需克服。
區域資源管理為專利數量次多的技術群，專利集中在無線資源配置技術；傳輸通道提供多用途裝置，專利則集中在分配傳輸路徑的子通道的技術，皆以高通為主要的技術者，三星和LG的布局數量亦不少，但此為聯發科較少著墨之處。切換或重新選擇裝置中，以重選蜂巢層和切換區控制兩項技術為主，競爭者則三星和LG為主。
從專利技術發展的角度觀察毫米波技術發展，先進天線設計是主要的專利布局熱區，尤其是集中於實現大型陣列天線的相關技術，並滿足MU-MIMO應用；因此，簡化系統的複雜度、優化系統耗能與提升接取速度是專利技術中希望改善的重點。不過，隨著市場需求如極密集網路架設，小型基地台搭配毫米波技術運用在室內、街道、高鐵等情境的專利技術也越來越多，所以技術發展也逐漸從物理層天線設計往媒體存取控制層(MAC)方向發展，如Initial Access/Connection、Handover Management、Mobility Management、Resource Allocation、Interference Management等，都是值得未來繼續觀察的方向。
(本文作者皆為國研院研究員)