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摘要：Polar码作为逼近香农极限的编码方法，其编译码方法得到了广泛的关注和研究，与此同时，各大企业也加大了研究力度，专利中加快布局，争取在5G通信时代能够掌握主动权和主导地位。本文主要对Polar码相关技术的专利申请进行分析，研究了其发展趋势并给出相关建议。
关键词：专利分析；polar码；5G
1 引言
由于移动通信中存在干扰和衰落，在信号传输过程中将出现差错，因此需要对数字信号采用纠错技术，即对数据进行纠错编码，提高数据在信道传输中的抗干扰能力，提高信号传输的可靠性。由此衍生了众多的编码技术，例如3G通信技术中采用的Turbo码，4G通信技术中主要采用的LDPC码，以及在5G通信技术中登场的Polar码。信道编码是通信系统的基本组成部分，编解码技术是最关键的无线通信技术之一，中国通信企业虽然凭借着TD-SCDMA技术，TD-LTE技术提高了在国际通信技术标准中的参与度，然而却并不能占据优势地位。而后，在3GPP在美国内华达州里诺矩形的RAM1#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，而由华为主导的Polar码方案作为eMBB场景控制信道的编码方案，这是我国企业在通信领域中的一次重大突破。
在移动通信领域，移动通信的相关技术在被作为标准采纳之前，通常会申请专利保护，专利和标准的结合，尤其是标准必要专利，往往能够在被标准采纳后，为专利权利人带来巨大收益。一个众所周知的案例，高通在CDMA技术中的专利布局造就了其在通信领域中的绝对优势地位，在圣地亚哥公司总部里，高通竖起了一面 "专利墙"，悬挂了公司近 2000 件专利。这仅仅是高通公司持有专利的约 1/10，仅专利许可就让其获益良多，为其带来了高速发展的机遇。因此，在通信领域中的专利布局，尤其是与基础技术相关的专利布局，能够帮助企业掌握话语权，提高市场竞争力。
2 Polar码概述
相较于较成熟的LDPC码，Polar码是由土耳其比尔肯大学教授Erdal Arikan于2008年首次提出，局限于实现方式，2009年才引起通信领域的关注，被理论证明达到香农极限。Polar码的编译码相对来说比较简单，编码长度如果为D，那么复杂度仅为O（DlogD）。Polar码研究方向主要集中于码字的构建，速率匹配和译码方法中。
Polar码中选择信道容量较大的比特信道传输有效信息，称为信息位，信道容量较小的信道传输固定信息，称为冻结位，由此，信道的选取，即信息位和冻结位的选取是编码中提高传输效率的主要研究方向。现有技术中常见的有巴氏参数法，密度进化法，高斯近似法等。而5G标准采用的是华为公司提出的极化权重法。
Polar码中码字的长度为2的幂次，需要继续速率匹配才能够在实际传输过程中使用，由此，不同的速率匹配方式也导致了不同的传输性能，常见的速率匹配方式有重复（repetition），穿孔（puncturing）和缩短（shorten）。
对于纠错码来说，译码和编码同样重要，好的译码方法能够更快速地解码出正确的传输数据。Arikan在首次此处Polar时便给出了SC译码方法，但是在有限码长下效果却并不理想。于是相继有SCL译码算法，以及借鉴于LDPC译码思想的BP译码算法等方法提出。
3 Polar相关专利分析
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图1 2011-2021年5月全球申请量
作为5G通信技术中的数据信道编码方案，LDPC码有较长的发展时间。LDPC码与20世纪60年代被提出，我国最早的相关申请始于1987年，虽然年度申请量在2005年之后有大幅提高，但是起步较晚，在LDPC编解码领域中的专利布局仍落后于高通、三星等大公司。而Polar码作为一种新兴的编解码方法，我国能够较早地参与研究，并开始专利布局，对Polar码的研究有助于突破国外基础专利的封锁。因此，接下两将主要分析Polar相关专利申请，梳理发展趋势。（专利申请数据主要来源于Incopat中polar码相关关键字和分类号的检索，数据截止至2021年5月31日。）
图1表示Polar码编译码相关技术专利全球申请量，此前2009年由韩国申请人申请的polar编码方法是第一篇polar码相关专利，但是该专利采用Erdal Arikan提出的基本思想，并未有实质性地贡献，因此，本文未考虑该篇专利申请。从图1中可以看出，Polar专利申请量2012-2016年缓慢增长，2017年快速增长，虽然2019年-2021年较2018年申请量减少，但是考虑到纠错码领域专利公开一般相对较晚，因此，2019-2021年专利申请实际上并不会很少。
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图2 Polar码专利申请的全球分布
图2表示专利申请人的全球分布，从图2中可以看出，整体来说，中国大陆地区申请人的申请量远多于其他地区，其次是美国和韩国，由此可见，Polar码相关技术中仍然是中国和美国的较量。
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图3 主要申请人专利申请量（件）排名
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图4 华为与高通全球申请量（件）对比
图3为全球主要申请人分布。由于Polar码研究的专业性，在专利申请中，大公司占主导地位，并且具体地，主要由华为和高通为代表的企业主导。结合全球申请人地域分布以及相关企业排名，华为作为中国通信领域的旗帜型企业，不出意外地，其申请量位于第一位，之后分别为高通和三星。值得注意的是，中国大学申请量同样不少，其中东南大学和北航申请量都大于10篇，这说明中国高校对纠错码的研究同样处于领先地位，并且专利保护意识逐渐增强。
为了更清晰地研究华为和高通的Polar码研究情况，对华为和高通的专利申请趋势进行了统计。图中，华为的申请量明显高于高通，并且早于高通4年。这同样印证了华为主推Polar码，而高通则延续已经在LDPC码相关技术中建立的优势，其在LDPC码相关技术中的申请积极性要高于华为公司。
4 结论
通信标准的竞争代表了国家经济、科技实力，2019年6月6日，我国工信部正式向中国移动，中国电信，中国联通和中国广电发放了5G商用牌照，标示着我国正式进入5G商用元年，我国在第五代移动通信领域中的发展处于相对优势的地位。从信道编码布局来看，中国企业在Polar码技术积累中同样处于优势地位。而在此之前，3G通信技术中的Turbo码，中国却处于落后第一，全球前10的申请人中，并无中国相关企业，随后，在4G时代，中国企业逐渐参于到了标准研究和制定中，但是对于较为基础的信道编码仍然不具有优势，LDPC码作为4G和5G通信技术中的数据信道编码方案，有较长的发展时间，高通和三星在此的技术积累占据了领先地位。因此，在5G通信时代，我们仍需要保持如今研究速度，积极参与5G必要专利布局，参与到5G标准的制定中，发挥产业优势，加强高校和企业合作，整合优势，促进我国通信产业的发展。