下一代互联网互联设备关键技术专利导航研究综述

　　摘要 下一代互联网是全球各国推动科技产业革命和重塑国家长期竞争力的基础设施和先导领域, 同样也是高科技密布、专利密集的战略性新兴产业领域, 技术研发与创新竞争异常激烈. 本文运用专利导航方法对全球下一代互联网互联设备相关技术进行了分析, 通过对本导航领域多位技术专家的访谈,澄清和界定了下一代互联网互联设备关键技术的基本定义与范畴, 从总体趋势、地域、核心申请人、核心发明人、专利强度、我国向国外申请专利, 以及技术分支等方面分析了全球及我国下一代互联网互联设备关键技术的专利布局现状、竞争前沿和未来趋势, 结合本导航领域国内外典型案例的总结, 对研发创新和专利运用提出了相应的导航建议.

　　关键词 下一代互联网, 未来网络, 互联技术, 专利导航

　　1 引言

　　最近的 20 年间, 数字经济和创新经济的发展前景驱使全球各国政府纷纷将发展下一代互联网纳入国家战略范畴, 积极组织实施大规模的技术研发和创新应用. 时至今日, 围绕革命式 (clean-slate) 和渐进式 (evolution) 两类技术路线 [1] 对未来网络体系架构的创新和应用迅速增长, 面向全球各类网络、各类应用场景互联的下一代互联网, 正在成为培育国家核心竞争力、塑造未来网络社会和智能社会经济发展优势的泛在、先进的基础设施. 作为战略新兴产业的重要发展方向, 未来网络预计在 2030 年将支撑人机物、全时空、安全、智能的万亿级连接与服务 [2].

　　在此背景下, 下一代互联网互联设备的技术研发和创新应用渐趋与移动通信网络、物联网、海底互联网、卫星互联网、无线传感器网络, 以及特定专用网络融合发展.围绕下一代互联网互联设备的技术研发和创新应用, 正在形成一个边界不断变化的多学科交叉研究领域. 同时期, 全球知识产权保护浪潮下各国信息通信技术专利的密集增长, 加大了对下一代互联网互联设备的技术研发和创新应用态势与方向的研判难度.

　　为此, 本文以下一代互联网互联设备关键技术为专利导航领域 (简称 “本导航领域”), 着眼于全球视野, 综合运用专利数据、综述性学术论文、技术标准、行业研究报告, 以及相关产业规划和政策等信息展开分析, 旨在为深化专利制度运用、促进专利工作深度融合并支撑技术研发与创新、探索专利导航研究方法并丰富理论内涵做出贡献.

　　2 技术与理论背景

　　2.1 技术背景

　　随着互联网应用规模的不断扩大以及用户需求的不断增长, IPv4 地址空间面临耗尽威胁, 互联网工程任务组 (IETF) 自 20 世纪 90 年代开始规划下一代协议 IPv6, 并在最近的 10 年间开始实施从IPv4 到 IPv6 的大规模平滑过渡. 简要梳理了 1993∼2020 年全球 IPv6 技术规划和产业政策的主要发展脉络.尽管全球各国不断升级和改造互联网基础设施, 基于 IP 架构的传统互联网仍然在面临日益严峻的安全性、移动性、可扩展性、管控性、绿色节能等问题 [3].

　　为此, 在最近的 20 余年间, 美国政府先后资助并实施了一系列项目。 数百所大学和研究机构以及难以计数的企业参与了具体项目的研究开发和工程建设工作当中, 如: GENI, FIND, FIA, FIA-NP 等. 同时期, 日本、韩国等发达国家和欧洲地区以及我国也分别开展下一代互联网的实验部署和技术研发工作, 如欧洲的 FIRE, 4WARD和 SAIL, 日本的 AKARI, JGN-X, RISE, 韩国的 KREONET, 以及中国的 CNGI (下一代互联网示范工程). 2012 年, 我国政府将下一代信息网络产业正式列入国家战略性新兴产业. 2013 年,《国家重大科技基础设施中长期规划 (2012∼2030 年)》明确提出建设未来网络试验设施 (CENI), 以突破未来网络基础理论和支撑新一代互联网实验.

　　2.2 理论背景

　　自 2014 年以来, 国家专利导航试点工程深入推进. 专利导航正在克服和超越传统专利分析研究的局限, 坚持客观、中立的第三方视角, 以发现问题、提出对策、支撑决策为主导方向, 为深化专利制度运用、促进专利相关活动全面融入科技创新做出积极的贡献. 近年来, 对以高校作为创新主体开展的专利导航实践进行总结后发现: 专利导航是着眼于全球科技创新前沿和趋势、积极贯彻国家战略部署, 从科技创新的宏观布局、中观组织和微观实施 3 个层面引导和支撑相关主体开展高质量创新的机制性工具.

　　早期提出的下一代互联网以及当下的未来网络、新一代互联网等, 总体上属于信息与通信技术领域. 从宏观来看, 全球各国于 2001∼2020 年间申请的信息与通信技术 (ICT) 发明专利总量超过 120 万组专利族 [4], ICT 领域的研发与创新呈现出了显著的不确定性 (uncertainty)、网络效应 (network externality)和交叉融合 (crossing and integration) 等特点, 基于专利导航视角的研究, 能够为本导航领域的研发创新带来新的启示.

　　从专利导航的视角看, 不确定性主要体现在对下一代互联网的含义、下一代互联网互联设备关键技术的范畴以及对不同技术路线、方案及其应用前景的认识上. 无论是作者们的讨论, 还是对本导航领域多位专家的访谈, 均不同程度地表现出了观点上的分歧. 综合各种意见, 关于本导航领域的基本理解是: 新问题、新需求的应对始终不断地丰富和扩展下一代互联网互联设备关键技术的内涵, 尽管短时期内技术边界相对稳定, 但始终以开放和变化为主. 当前的人工智能、大数据、5G 移动通信、车联网、智慧传感网络、工业互联网等新兴网络中的互联设备都会在未来的互联网络当中应用.

　　下一代互联网互联设备既包括硬件, 也包括软件, 具体涉及以设备、装置、系统、方法、协议、算法、芯片和架构为主题、具有互联功能的专利技术. 但是, 不涉及互联设备及零部件的原材料生产、加工制造, 不涉及设备运行所需的基础软件以及设备之上搭载的应用程序等专利技术.

　　这种界定主要考虑了专利导航的研究目标、访谈专家意见、文献综述, 以及专利的初步检索结果等因素.网络外部性研究认为 [5], 通过互联网消费的商品和服务往往需要和其他商品或服务共同使用, 否则其价值将减少, 甚至没有价值. 并且, 这些商品和服务的消费者越多, 它们就越有价值. 这给互联设备的技术研发与创新带来了重要启示. 首先, 互联设备的技术研发与创新无法孤立存在, 既要遵循有关政策法规、技术标准与通信规范的规定, 也要与网络体系架构和现有网络设备相兼容, 并避免侵犯第三方的合法专利权.

　　其次, 本导航领域的 “先下手为强” 和 “赢者通吃” 现象对技术研发和创新的速度、方向和技术路线选择提出了非常高的要求, 表明了技术竞争的激烈程度. 此外, 稳定的、经济的、成规模的互联分别代表了技术、产业和应用层面的基本需求, 是衡量技术研发与创新成功与否的关键要素.

　　交叉融合代表了下一代互联网科技和工程创新所要解决的技术问题的综合性、复杂性和系统性.学科方面, 本导航领域涉及计算机科学与技术、信息与通信工程、集成电路科学与工程 3 个一级学科的交叉, 集成电路科学与工程于 2021 年新近成为交叉学科 (学科门类代码为 14) 下的一级学科. 应用方面, 本导航领域涉及在未来网络、5G 移动通信网络、移动互联网、工业互联网、卫星互联网、水下互联网、物联网、传感器网络、自组织网络等网络中的融合应用. 传输介质方面, 本导航领域涉及通过有线介质 (光纤、同轴电缆、双绞线等) 和无线介质 (微波、无线电波和红外线) 的传输.

　　此外, 技术分支专利申请态势的相对趋同也说明了本导航领域相关技术研发和创新应用呈现出了交叉融合特征,这将在本文 4.1 小节详细描述.交叉融合也是专利导航研究的一般特征. 从研究团队成员的知识结构来看, 涉及管理学、法学、工学、经济学等学科门类, 背景经历涉及行业管理、科研管理、产业规划及政策研究、标准化、技术研发、专利审查、法律实务、情报分析等, 基于成员间的有效协同, 充分发挥了不同学科、不同领域的知识融合与交叉优势.

　　从信息来源和分析方法看, 专利导航基于专家访谈意见, 以专利数据分析为核心,结合来自于政府、企业、高校、科研机构、标准化组织, 以及技术中介服务机构等多种渠道的信息, 综合运用调查、文献研究、信息研究、描述性研究、定性分析、案例研究和实证经验总结等多种研究方法开展研究.

　　3 下一代互联网互联设备关键技术

　　专利导航的实施专利导航研究中的专利检索属于基于技术调查目的的检索, 有别于自由实施检索、侵权检索、无效检索和可专利性检索等, 是专利导航分析的基石 [6]. 为了确保专利检索的查准率 (precision) 和召回率 (recall), 需要划分技术分支、制定专利检索策略并采取一些必要的数据处理措施.

　　3.1 技术分支划分综合信息分析和专家访谈结果, 本导航领域的技术分支涉及对新型网络架构的支持、关键机理的应用和关键性能的实现. 其中, 新型网络架构既包含对 TCP/IP 网络架构的改进, 也包含与 TCP/IP架构有显著区别的新型网络架构. 关键机理是指目前正在应用以及未来具有良好应用前景的热点技术. 关键性能是指满足未来网络关键功能需求的重要技术.

　　3.2 关键词及专利检索策略根据文献研究、专家访谈、研究团队讨论, 以及专利试检结果, 经多轮调整后最终确定关键词. 部分关键词由中文译为英文, 考虑并增加了部分英文关键词的下位词、同义词、缩略词、别称词等. 分支检索式的构建, 除了关键词之外, 还利用专利著录项 (名称、摘要、权利要求书等)、国际专利分类号(IPC 大组或小组层面)、联合专利分类号 (CPC 大组或小组层面) 和检索日期等要素的逻辑运算关系进行了补充或限定, 尽力克服关键词无法准确穷尽的缺陷. 最后构建分支检索式之间的逻辑运算, 形成本导航领导的最后专利检索式. 逻辑运算符根据专利检索规则和检索要素之间的实际关系选定.

　　3.3 关于数据处理及统计分析的说明下一代互联网最早由美国克林顿政府于 1996 年正式提出。因此, 本文选用 Innography 全球专利数据库, 检索时段为 1996 年 1 月 1 日 ∼ 2020 年 10 月 31 日. 下文数据统计分析口径中出现的 “我国” 和 “国内”、“中国” 均不包含中国香港、中国澳门和中国台湾地区的数据. 对部分专利申请人/专利权人的名称变更、并购、分立等情形进行了归一化处理. 对我国部分核心发明人的专利申请数量进行了归并 (例如, 合并了 Li Ming, Ming Li 的专利) 或拆分 (区分了李明与李铭的同音不同字情形。

　　或李明在 A 单位和 B 单位的同名情形), 通过抽检和清洗对数据进行了降噪处理.鉴于专利从申请到公开会存在的 18 个月左右的审查期限, 以及实践中还会出现的一些延长专利公开时间的情形, 涉及的近三年专利数量统计会少于实际申请量. 统计年份越接近当下的,专利申请公开的数量下降的越为明显.4 专利数据分析本导航领域最终检索得到 40510 组专利族, 其中一半以上已经处于失效状态, 有效专利和审中专利的申请数量也较大, 反映了本导航领域技术研发和创新迭代速度快、专利密集的特点.

　　4.1 总体趋势分析

　　全球专利申请数量自 2000 年以来开始显著增加, 中间经过 2006∼2009 年的平台型调整后继续增长, 直至 2015∼2016 年前后达到颠峰, 2017 年以后有所下降.2003 年, 我国申请的专利数量占比全球专利申请数量的 10%, 并在此后持续上升至 2011 年. 2015 年以后, 不同于全球专利申请数量的稳中有降, 我国专利申请数量占比全球专利申请数量持续增长, 2018 年首次占比超过全球专利申请数量的 50%. 从已公布的专利申请数量来看, 中国专利申请数量占比全球专利申请数量仍在持续上升.

　　此外, 1996∼2003 年期间, 我国在本报告技术领域的技术创新总体追随全球大势, 最早申请中国专利的时间比全球约晚 2 年左右. 2004∼2013 年是本导航领域我国专利申请数量迅速增长, 且在全球专利申请活动中影响力不断提升的 10 年. 最近 5 年, 我国的专利申请数量已经超过全球其他国家, 并保持增长态势.本导航领域技术分支的专利申请趋势.

　　从时间维度的连续变化来看, 3 个技术分支的专利申请数量的变化趋势总体上相近, 一方面体现了新型网络架构、技术机理和关键性能在技术研发和创新方面的多重关联; 另一方面, 也体现了互联网技术你中有我、我中有你的独特属性, 难以简单地将某件专利明确地单独归属于某一技术分支. 具体到特定年份来看, 2000 年以前, 关键机理技术专利的申请活动最早出现, 且数量优势相对明显. 随后新型网络架构和关键性能技术的研发与创新渐趋活跃, 专利数量开始增长.

　　5 专利运用典型案例

　　专利运用既是对专利质量和价值的检验, 也是高价值专利培育的最终目标. 国外创新主体的专利运用往往通过技术型企业之间的收购、许可和诉讼, 以及设立创新企业来实现, 国内创新主体的专利运用除企业间的市场行为之外, 本部分侧重于介绍高校与科研院所的专利运用实践.

　　5.1 国外案例

　　(1) 思科公司. 思科早在 1986 年就在市场上推出了第 1 台多协议路由器, 并开发了繁杂的路由器私有协议, 如内部网关路由协议 (interior gateway routing protocol, IGRP)、思科交换链路内部协议和动态 ISL 协议 (inter-switch linking protocol and dynamic ISL protocol, ISL&DISL)、思科发现协议(Cisco discovery protocol, CDP) 等. 基于这些私有协议的部分机制申请的专利, 导致全球其他网络设备制造商都无法未经其许可而制造和销售符合这些包含私有协议的产品.

　　2003 年 1 月, 思科在美国德州马歇尔联邦地区法院向我国华为公司及其在美国的两家子公司Huawei America, Inc. 和 FutureWei Technologies, Inc. 提起诉讼, 成为中美 ICT 领域知识产权的第一案. 思科指控华为侵犯了至少 5 项与思科路由器 “私有协议” 相关的专利权以及版权、商业秘密和不正当竞争等. 双方围绕是否构成知识产权各持一词, 未进行专利是否侵权和滥用的审查, 最终该案以和解告终, 和解内容至今保密. 该案影响深远, 2003 年 3 月, 华为与美国 3COM 公司合资成立了华三(H3C) 公司, 正式打开了美国市场的大门.

　　此后至今, 思科与华为的交锋一直没有停止过.(2) 交互数字通信公司. 交互数字通信公司 (Interdigital Communication, IDC) 创立于 1972 年,是一家以专利许可为经营模式的公司. IDC 为全球的移动设备、网络和服务提供无线和视频技术, 以及安全技术、传感器技术和其他相关领域的技术开发, 拥有无线通信技术领域中 2G, 3G, 4G 标准下的大量必要专利和专利申请, 它持有的 34000 余项专利广泛用于手机、平板、笔记本等电子终端设备,以及包括基站在内的无线基础设施设备、无线设备的组件、加密狗和模块, 以及物联网设备和软件平台等.IDC 在发展过程中通过专利收购和频繁发起专利诉讼来获取巨额利润.

　　比如, 2003 年与爱立信和解了专利侵权诉讼; 2014 年与三星电子公司签署了专利许可协议; 2016 年与苹果和华为签署了许可协议, 收购了传感器处理技术的先驱企业 Hillcrest Labs; 2017 年与 LG 签署专利许可协议; 2018 年收购了特艺 (Technicolor) 的专利许可业务; 2019 年收购了特亿公司的技术研发与创新业务.(3) VirnetX. VirnetX 是一家创立于 2005 年、总部位于美国内华达州的互联网安全软件和技术公司. 该公司对外宣称开发了安全域名注册和 Gabriel 技术, 使用了加密认证域名、计算机网络地址和公钥的独特组合, 允许跨网络安全验证. 与 Gabriel 技术相比, VirnetX 的主要盈利模式并非是依靠科技上的重大突破, 而是其根据对科技巨头技术方向的研究, 抢先注册专利, 为市场上的龙头企业提供专利许可来获利.

　　6 结论与建议

　　专利导航研究强调从专利数据分析到专利运用效益的实现, 研究结论定位于从国家、行业、地方、创新主体及发明人团队等不同层面为技术研发与创新活动提供启示和建议. 我国在本导航领域是全球持有专利数量最多的国家, 但并非技术研发与创新水平最高的国家. 根据专利导航分析结果来看, 我国要想实现在本导航领域的既定目标, 应当采取一些必要的措施.首先, 我国在本导航领域的专利强度整体不高, 跨国企业数量较少、全球专利布局能力较弱. 互联网中的互联设备是典型的跨国界应用, 即使在具体场景下的特定应用, 也极其容易在境外被复制和应用, 只有具备强大的专利储备和运用能力的国际化企业才能让高价值专利通过国外专利布局发挥更大作用.

　　因此, 应当以国际视野和格局深刻认识本导航领域的技术研发和创新对于我国新型基础设施建设和未来经济社会发展的战略意义, 将培育高价值专利同培育国际化企业的目标结合起来. 建议有关部门继续强化政策支持和产业扶持力度, 引导财政预算和社会资本投向本导航领域的关键性能相关技术的研发和创新、高价值专利培育, 以及国外专利布局, 扶持高技术企业孵化和高技术创业企业发展,培育少数高潜力企业成长为跨国企业.

　　其次, 我国高校和科研机构在本导航领域拥有大量专利, 但实现对外许可和转让的专利所占比例总体低于 5% [7], 相比美国顶尖大学和科研机构 40% 以上的专利转让和许可, 面向产业转化应用的潜力巨大. 建议进一步加强高校和科研机构的专利转移转化工作. 一是坚持技术研发和创新的专利成果运用导向和价值实现目标. 创新优化高校和科研机构与本导航领域龙头企业和高科技企业的合作研发机制, 提高合作研发的专利布局, 尤其与本土国际化企业的合作, 让专利在跨国应用中发挥更大的价值; 根据 ICT 领域全球互联互通、技术领域细分和专利密布等特点, 发挥专利组合效应, 提高国外专利布局质量和能力, 促进专利组合的整体实施和转化.

　　二是提升高校和科研机构创新管理水平. 严格落实国家关于高校和科研机构知识产权工作的规范要求, 将专利检索与分析、专利挖掘、专利布局、专利管理和运营等工作贯穿于技术研发和创新活动实施的全流程中, 针对存量专利开展分级管理, 对增量专利申请施行前置评估. 三是提升高校和科研机构的专利转化实施效果. 一方面, 支持掌握高新技术的教师和毕业生创新创业, 依托学校产业资源孵化科技创新企业, 让实验室里的专利成果直接得到实施应用. 另一方面, 利用好市场上的专业服务机构和技术交易平台等需求对接渠道, 促进高校和科研机构的技术优势与企业市场需求有效结合, 引导专利成果的跨界应用.再次, 我国在 SDN、NFV、边缘计算等影响下一代互联网互联设备创新方向和技术研发的领域存在技术引领和专利产出上的劣势.

　　一是建议在国家级规划和相关产业发展规划中统筹考虑本导航领域的长期发展需求, 引导相关企业、高校和科研机构的优势资源进行整合, 围绕未来网络实验研究与规模部署、IPv6 网络过渡与部署、SDN 和 NFV 等与互联设备形态与功能等密切相关的关键机理类技术在特定场景应用涉及的基础科学和技术问题组织开展专项研发, 推动规模部署. 二是关注相关技术发展对下一代互联网互联设备形态和性能的突破性影响, 如 6G 技术、卫星互联网技术、网络切片技术、自组织网络技术、分段路由技术、流量工程技术、可编程技术等, 预判可能出现的颠覆性技术对下一代互联网发展趋势的重大改变, 提早介入并应对.

　　最后, 相比发达国家的跨国企业, 我国绝大多数创新主体的专利运用手段相对匮乏, 缺乏与跨国企业直接交锋的经验, 专利运用能力不足. 建议考虑采取以下举措:

　　一是探索高校、科研机构与企业和中介服务机构相关人员的双向交流与流动机制, 依托技术转移转化项目培养一批熟悉知识产权、法律、商业和技术标准化的复合型高端人才. 二是强化专利信息深度运用. 持续跟踪本导航领域创新主体的专利布局动向, 建立研发级别的专利信息数据库, 为需求分析、技术路线、标准化、专利运营、产品和服务研发以及风险预警等提供支撑. 三是跟踪和分析最新的标准化需求和趋势分析, 将专利挖掘、布局、许可转化等工作与标准化深度融合, 实施专利标准化战略.综合来看, 下一代互联网互联设备的技术研发与创新是一项系统工程, 不单纯是技术方案的选择,更是涉及各国战略和产业政策层面的角逐, 涉及市场规模和商业竞争环境等. 专利导航研究不仅是方向的引领, 更是以创新应用为目标、推动补足相应短板的决策支撑工具. 为了最大程度地理解和把握技术研发与创新过程中存在的机会和不确定性, 专利导航作为一种有效途径, 已经成为跨学科、跨领域的交叉研究的范例, 今后将在更多的领域得到应用和发展.

　　参考文献

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　　吴超, 张尧学, 周悦芝, 等. 信息中心网络发展研究综述. 计算机学报, 2015, 38: 455–471]

　　2 Huang T, Huo R, Liu J, et al. Development trends and prospects of future networks. Sci Sin Inform, 2019, 49: 941–948

　　黄韬, 霍如, 刘江, 等. 未来网络发展趋势与展望. 中国科学: 信息科学, 2019, 49: 941–948]

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　　Geng J Z, Zhao S K, Ju G H. A review of network externalities in the process of technology standardization andtechnology innovation. Economic Perspect, 2012, 5: 91–94

　　赓金洲, 赵树宽, 鞠国华. 技术标准化与技术创新过程中的网络外部性研究综述. 经济学动态, 2012, 5: 91–94]

　　作者：贾宏君1, 周静2,3*, 乔开文4, 张丹5, 谢祥3, 刘杰6, 娄颖7, 张铭8, 马跃2,张柏秋9, 何笑冬10, 张凌宇2,3, 郑晔晴2,3, 邹昊7, 刘科3