【摘 要】 通信是高速铁路的关键技术，本文在对中国专利文献进行定量统计分析的基础上，从专利申请量，主要申请人的状况，逐年专利申请状况以及相关的核心技术对高速铁路通信技术的专利发展动态进行了分析研究，展示了整个高速铁路通信技术的专利战略和竞争态势，为国内的相关企业和研究人员提供参考。
【关键词】 高速铁路 高铁 通信 专利
1 引言
高速铁路是我国交通运输体系中的重要组成部分，目前已成为调整我国交通运输体系结构的有效方式。随着高速铁路的发展，出行的旅客也需要在列车上与他人进行语音、数据、图像、视频等信息交流，还要接入互联网络，享受数字化、宽带化、智能化、高速化以及个性化的通信服务；为了保障列车的行车安全，实现有效的人机控制和提高运输效率，也需要建立一个功能更加完善、技术构成更加先进的铁路通信网。高速铁路对通信系统的要求可以概括为高可靠性、低误码率及实时性；具有高质量的服务；以及适应高速铁路特殊的应用环境等。高速铁路通信有别于普通的有线通信或无线通信，高速运动中的列车会频繁改变与基站之间的距离，多普勒频移现象非常严重，这将导致通信系统的解调性能下降；另一方面，因列车快速移动导致信号快速衰落，对用户的小区切换以及功率控制提出了更高要求。此外，由于高速铁路列车采用全封闭式车体结构，信号衰减很大，为了克服车体穿透损耗，需要保证铁路沿线的无线信号功率足够厚强，这给高速列车的通信网络覆盖带来了很大的难度。
随着高速铁路的迅速发展，将通信技术应用于高速铁路逐渐成为研究者所关注的重要课题，近年来，高速铁路通信一直是专利申请的一个热点，其申请的数量较大，技术含量很高，并且申请量呈逐年增加的趋势。为了全面了解我国高速铁路通信专利技术的状况，本文将对向我国国家知识产权局申请的有关高速铁路通信的专利申请进行系统深入的分析。
2 专利申请的总体分布状况及态势分析
截至本文的统计时间，作者检索到的国家知识产权局已公开的、直接或者明确涉及高速铁路通信的专利申请共计945件。图1给出了已经公开的各国涉及高速铁路通信技术的专利申请所占比例的情况，其中中国申请有853件，占89%，日本申请46件，占5%，美国申请15件，占2%，欧洲申请26件，占3%，其他地区的申请占1%。从数量上看，国内的申请占了全部申请总数的绝大多数，占有绝对的优势。这说明目前我国在该领域的研发呈现蓬勃发展的势态。
图2给出了国内的高速铁路通信专利的申请人的结构情况。从图中可以看出，在国内的专利申请中，企业申请的专利数量最多，占大约三分之二，高校申请占16%，科研院所的申请占8%，个人申请占11%。另外，作者还发现，在我国，有众多的小公司和个人也申请了有关高速铁路通信领域的专利申请。作为单个个体，他们的申请量并不大，但是作为一个总体，他们的申请数量非常庞大。这些小公司和个人的专利申请星罗棋布地分布在高铁通信领域的方方面面，包括系统传输、小区切换控制、多普勒补偿、终端设备、增值服务，元器件，等等。其中，有一些专利申请的质量很高，技术创新性居于同领域的领先地位。这也充分说明了我国的科技发展水平进步很快，中小企业和个人的技术研发充满了活力。这同时也说明，随着国家知识产权战略的推进，全民的知识产权保护意识正逐步增强，知识产权保护的环境很好，企业、高校、科研院所以及个人申请专利的热情很高。（如图3）
图3给出了申请量较多的主要申请人的情况，其中斜线表示的为中国申请人，实条表示的为国外申请人。从图中可知，申请数量多的中国的申请人明显比国外的申请人多。北京交通大学（原北方交通大学）申请量最大、北车集团和南车集团紧随其后，通信领域的知名企业华为和中兴也有一定数量的专利申请；而国外的申请人中，日本的东芝和日立最多，之后是欧洲的西门子、美国的通用电气等，但国外申请人的申请量都不大，最多也不过十几件。有别于其他通信领域的专利申请的情况，我国高校在高速铁路通信领域的专利申请比重很大，特别是北京交通大学，不仅在高铁通信领域的专利申请数量很多，而且质量也相当高，很多申请中的专利技术在该领域都属于前瞻性的。北车集团和南车集团虽然申请数量较多，但北车集团的专利申请主要集中在网关设备，而南车集团的专利申请则集中在总线控制装置，各有侧重。
图4给出了在高速铁路通信领域，1990～2012年国内和国外专利申请的逐年变化情况，从图中可以看出，国内和外国的申请在1990年至2000年间数量基本持平，相差不大，这说明在该领域我国与国外的发展保持同步。从1996年开始一直到2010年，国外申请人在华申请有关高速铁路通信方面的专利申请，其数量并不多，总体都稳定在每年十几篇左右。而国内从2000～2011年专利申请的数量呈现一个快速增长的势头。这一方面表明随着2000年以来国内外对知识产权的重视程度日益增加，国内申请人专利申请的意识有了快速增强；另一方面也说明了中国的技术创新和研发能力逐渐提高，这与我国的科技水平的发展状况是十分吻合的。特别是在2003、2004年开始，国内在高速铁路通信领域的申请数量呈现一个急剧增长的趋势，事实上，也正是从这一时期开始，中国开始大规模建设高速铁路，因此，图3可以看成是我国高速铁路发展的一个佐证，它从一个侧面反映了近几年来我国高速铁路从无到有的崛起以及飞速发展的现状。
需要指出是，由于专利技术公开的滞后性，在作者进行统计时，2011年和2012年申请的很多专利尚未公开或公告，因此在图4中显示的2011、2012年的专利申请量并不完整，实际上这两年的国内、国外的专利申请量仍然应该是一个上升或者是一个持平的趋势。
3 核心技术分析
经过分析，作者认为，高速铁路通信的核心技术，也是由以2G（第二代移动通信技术）为代表的GSM-R（GSM for railways，专用于铁路的GSM）技术向3G（第三代移动通信技术）过渡，并且3G宽带通信技术与以WiMax（“Word Interoperability for Microwave”，全球微波接入互操作性）技术为代表的宽带无线接入技术呈现逐渐融合的趋势，由此催生了以LTE为代表的3G演进型系统，如图5所示，这与现有的移动通信技术的发展方向是一致的。
从目前已公开的有关高速铁路通信的专利文献来看，三分之二以上的专利技术都是与GSM-R直接或间接相关的。GSM-R是为满足铁路应用而开发的数字无线通信系统，其专门对铁路的各种不同需求开发了许多专用功能，它能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维护通信能语音通信功能。利用GSM-R平台的数字传输能力，能传输列车诊断数据，提供货运信息、车载旅客信息服务和其他增值服务。GSM-R是目前实际应用地最多的铁路通信系统，已开通的青藏线、大秦线、胶济线、武广线、郑西线、石太线、合宁线、合武线、京津城际线以及京沪高铁，采用的均是GSM-R系统。
对于高速铁路GSM通信系统，其存在着两大难题——小区的快速重选与切换以及多普勒频移补偿。由于高速列车时速高达350km，这将导致频繁的小区切换和重选，频繁的小区重选和切换将会导致电话经常掉线或者不通。另外，列车在高速运动时，由多普勒效应所引起的频移，也将会大大降低通信的质量。只有解决小区切换和解决多普勒频移问题，才能提供优质、稳定的语音通信，这也是提供数据传输下载等其他高端数据通信服务的基础。作者发现，占据GSM-R主要市场的中兴以及华为，其涉及高速铁路通信的大部分专利，都是和解决小区重选切换和多普勒频移估计和补偿问题有关。这也不难看出中兴和华为在高速铁路通信技术中的专利战略和专利布局，他们都不约而同地将解决小区切换和解决多普勒频移问题，作为是高铁通信的重中之重。
另外以LTE为代表的3G演进型系统实现了移动通信在3G之后的一次阶段性变革，以OFDM技术为基础的全新理念和系统设计大幅度地提高了系统的通信能力，满足了人们对未来移动通信的需求。高速铁路采用LTE可以大幅度提高频谱利用率，减少切换次数和切换时延，还可提供区分服务并保证服务质量。作者发现，高通、中兴、北京交通大学等已申请有这方面的专利并已经公开。有报道称，华为公司已于2010年12月推出了基于LTE技术的高铁宽带通信HRC方案，据称可以在350km/h甚至更高的时速下提供速率高达30Mbit/s的带宽，并支持多制式（2G/3G/Wi-Fi）用户设备接入、视频监控、设备维护、闭路电视、电子票务等宽带业务。但作者并未检索到华为公司有相关的专利，作者推测，极有可能相关的专利申请还未公开。
为了满足高速铁路高端用户的视频业务、高速数据业务等需求，新一代的3G技术是解决高速铁路通信业务的必然选择。许多商务人士经常由于商务履行的原因，需要在高速铁路上使用各种语音、视频、还有高速数据上下行业务，这些都是3G时代显著的业务特点，快速发展的高速铁路已经成为了3G业务的新热点。高速铁路将是3G业务应用的一个重要场景，高速铁路的覆盖是整个3G覆盖不能或缺的重要部分。此外，WiMax宽带无线接入与目前的其他接入方式相比，具有部署速度更快、扩展能力更强、灵活性高、传输速率高、覆盖范围大等特点，因此，在高铁上引进WiMax技术，对促进铁路信息化建设具有很大的推动作用。作者发现，从2006年底开始，已经有将3G和WiMax技术用于高速铁路通信的专利申请出现，并且呈现出逐年增加的趋势，毫无疑问，这将是今后专利申请的热点。
需要特别注意的是，国外的申请人虽然专利申请的数量较少，但是，国外的申请人如高通公司等，他们在3G、WiMax、LTE这些前沿的领域都较早或者率先提出了申请。对此，我国的通信企业应引起足够的重视，及早应对，避免在未来市场竞争中处于不利的被动局面。
4 结语
中国高铁技术通过引进、消化、吸收、再创新，已完全掌握了高速列车的关键技术，拥有了自主的知识产权。本文对我国高速铁路通信技术进行了分析，通信技术是作为整个高速铁路中的重要核心技术，在这方面目前我国已达到了国际先进水平，在专利方面，我国的高铁通信技术具有较大的优势。但是应该看到，我国的高铁事业方兴未艾，并且通信技术更新很快，其发展日新月异，目前新一轮的竞争已经开始，我国企业面临的巨大的机遇和挑战，我们应该加大研发力度，提高创新能力，全面提高专利申请的质量。同时，我们还要不断提高知识产权保护意识，让更多的具有自主知识产权的专利技术走出国门，走向海外，以科学有效地方式积极应对专利竞争，力争在未来的市场竞争中占得先机。