引言
多输入多输出（MIMO）技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，在第四代移动通信技术标准中被广泛采用，例如IEEE 802.16e (Wimax)，长期演进(LTE)。在新一代无线局域网(WLAN)标准中，通常用于 IEEE
802.11n，但也可以用于其他 802.11 技术。
因此在近些年，无论在国际上还是在国内，MIMO技术都是学术研究和专利申请的热点领域。本文将通过一系列的统计分析，对MIMO技术在中国的专利申请的现状进行解析。
I. MIMO技术简介
1. MIMO的历史
实际上多输入多输出（MIMO）技术由来已久，早在１９０８年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&T Bell实验室学者完成的。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20 bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多输入多输出的研究工作得到了迅速发展。
2. MIMO的概念
一句话，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-Input Multiple-Output）系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）系统。 根据实现方式的不同，MIMO可以分为空间复用、空间分集、波束赋形等类型；根据接收端是否反馈信息状态信息，MIMO可以分为闭环和开环两种类型。
通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图1所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流c
i(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。
图1 多入多出系统原理
特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。
MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多输入多输出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。
可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用ＭＩＭＯ信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用ＭＩＭＯ技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前ＭＩＭＯ技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。
II. MIMO技术中国专利状况分析
1. MIMO技术中国专利申请量趋势分析
根据统计，截止到2012年9月5日，在中国专利数据库中涉及MIMO技术的专利申请共3332篇，图2给出了这些专利申请的逐年申请量分布及申请量的变化趋势曲线。需要说明的是，由于多数专利申请都有长达18个月的准备公布期，因此目前仅能准确统计2011年3月之前的申请数据，所以图2中所给出的数据只截止到2010年，而没有给出2011和2012年的数据。
MIMO技术在中国的专利申请始于1992年，从1992年至今，基本上可以分为两个发展阶段：第一阶段为起步期，时间从1992年至2002年左右，这个阶段的申请量比较少，基本维持在个位数；第二阶段为高速发展期，从2002年开始，一直到目前仍处在这个阶段，可以看出专利申请量在这个阶段出现了迅猛的增长，每年均保持非常高的增长速度，从2002年的35件，到2010年的568件，申请数量在短短8年的时间里就增长了近20倍。另外，MIMO技术仅仅作为未来移动通信的众多关键技术之一，就能达到一年超过500件的申请量，足以看出该技术在目前的研究热度是相当高的。
图2
2. MIMO技术中国专利申请区域分布分析
本节将针对MIMO技术中国专利申请的区域分布情况进行统计分析，首先根据申请人是外国单位或个人还是中国单位或个人，把这些申请分为国外来华申请和国内申请两种，对这两部分申请各占的比重进行统计。然后专门针对国外来华申请，又进一步统计分析了其具体的国别和相应的申请量。
2.1 国外来华与国内申请比重
图3给出了在申请总量上，国外来华申请与国内申请所占的比重。其中国外来华申请总量为1470件，占比为44％；国内申请总量为1862件，占比为56％。虽然国内申请总量超过国外申请12个百分点，但是要说明的是，国内申请人中，还包括一些外国企业在中国设立的分公司，这样的专利申请实际上还是掌握在外国企业的手中，例如上海贝尔、北京三星研究院等。所以从定性的角度来看，国外来华申请与国内申请在数量上应该是平分秋色的。
图3
2.2 国外来华申请区域分布
图4统计了在国外来华申请中各国家或地区所占的比重，由图4可以明显地看出，美国、日本、韩国的国外来华申请占据了整个国外来华申请的绝大部分，它们所占比重分别为36.05％、28.84％、16.05％，加起来共占80.94％。而其他国家所占比重都很小，均未超过5％。但是如果将各欧洲国家作为整体来看待的话（包括意大利、英国、法国、德国、瑞典、荷兰、以色列等），其所占比重则达到了15.37％。
图4
图5列出了来华申请量占前8位的国家的申请量，排名第一的美国达到了530件，其次是日本424件，韩国的申请量相对少一些，为236件。
图5
2.3 MIMO技术中国专利申请主要申请人分析
上面对MIMO技术在中国的专利申请的区域分布做了分析，这可能对一些政府部门制定相应的专利政策会比较有参考价值，但是对于具体的企业或个人，他们可能更加关注在这个领域主要的申请人有哪些，因为这些申请人对于该领域的研究、发展起到了至关重要的作用，他们也会是其他申请人的主要竞争对手或者合作伙伴。本节分别从申请量和授权量两个方面对该领域的主要申请人进行了统计分析。
2.3.1申请人按申请量分析
图6统计了MIMO技术中国专利申请的申请量居前10名的申请人，中兴通讯股份有限公司以451件申请位居第一，该申请数量甚至比第二位的华为技术有限公司高出80％。申请量居第三的是美国的高通公司，其申请数量与华为公司相差并不多。从第四位的松下电器开始，申请量又有明显的减少。在申请量居前10名的申请人中，中国申请人占4位，美国公司占2位，日本公司占2位，韩国公司占2位。
图6
图7单独分析了国内申请人的排名情况，其中除了中兴、华为、大唐三家企业外，还有上海贝尔、北京三星这两家外国公司在华设立的分公司，另外5个申请人则是国内高校。
图7
2.3.2 申请人按授权量分析
仅按申请量来统计，并不能完全体现申请人在该领域的地位，授权量则是更好的一个体现。图8给出了按照授权量排名的前10位申请人。可以看出，首先，前三位的申请人排名并没有变化，仍然是中兴、华为和高通，但是需要注意的是，中兴公司虽然在申请量上明显高出华为80％，但是在授权量上仅比华为公司高17％左右，而高通公司的申请量与华为公司仅相差5％，但是在授权量上比华为公司少了26％。其次，申请量排在第4位的松下电器产业株式会社，其授权量还是较少，仅23件，排名下降到第9位，而三星电子取代松下电器，成为授权量的第4名。另外，申请量前10名中的LG电子、英特尔、NTT和东南大学都没有进入授权量前10名，深圳光启研究院、美国博通、上海交大和清华大学则出现在授权量前10名中。总体上，在授权量前10名的申请人中，中国申请人占6位，美国公司占2位，韩国公司和日本公司各占1位。
图8
2.4 MIMO技术中国专利申请技术主题分析
本节的目的是对MIMO技术中国专利申请在技术主题上进行统计分析，由于中国专利数据库的分类体系仅仅采用IPC分类，而没有更加细化的ECLA、ICO或FI/F-TERM分类，所以这种根据IPC分类对技术主题进行的统计分析只能是比较粗略的。
图9列出了以IPC的小组为单位的逐年申请量统计数据，其中给出了申请量排在前8位的IPC分类号，首先对这些分类号的含义进行解释：
H04L1/06: 应用空间分集接收的检测或防止收到信息中的差错的装置
H04B7/06: 在发射站使用多个空间上分开的独立天线的分集系统
H04B7/04: 使用多个空间上分开的独立天线的分集系统
H04L27/26: 应用多频码的调制载波系统
H04L1/00: 检测或防止收到信息中的差错的装置
H04B7/08: 在接收站使用多个空间上分开的独立天线的分集系统
H04B7/02: 采用分集系统的无线电传输系统
H04L25/02: 基带系统的零部件
可以看出，在MIMO技术领域，专利申请主要集中在H04L1/00和H04B7/00这两个大组中，在技术上这两个大组略有区别，H04L1/00的主题是如何防止接收端的分集接收系统出现差错，主要涉及数据链路层技术，例如调制解调、编解码等；而H04B7/00的主题是多天线的无线电传输系统，主要涉及的是物理层技术，例如功率控制、多天线的方向性、多天线的极化等。
图9
为了对H04L1/00和H04B7/00这两个大组的专利申请量趋势进行更清晰的展示，图10仅对这两个大组的逐年申请量进行了统计，而没有涉及其他分类号。由图10可以看出，对于H04B7/00，其申请量从2002年到2008年增长迅速，数量上也明显多于H04L1/00，说明在此期间涉及物理层的申请要远多于涉及数据链路层的申请；但是从2008年起，H04B7/00的申请量略有下降，而H04L1/00的申请量大幅增加，到2010年其申请量已经接近H04B7/00，这说明近几年对于物理层的技术研究略有减少，而对于数据链路层技术的研究则持续增加。
图10
III. MIMO技术发展前景预测
通过第2章对于MIMO技术中国专利申请的统计分析，能够对MIMO技术在中国的专利申请的现状有一个比较清晰的认识。通过对这些现有数据的趋势进行合理的分析和预期，能够大概预测该技术在未来一段时间的发展前景。
通过第2.1节的申请量变化趋势可以合理地预测，在未来一段时间内MIMO技术的中国专利申请仍将处于一个高速发展期，年申请量仍将保持在比较高的水平，而且很有可能还会逐年递增。
而MIMO技术在中国的主要申请人应该不会发生太大变化，中国申请人仍然是以中兴、华为为代表，美国申请人以高通为代表，日本申请人则以松下电器为代表，韩国以三星为代表。
在申请的技术领域方面，仍然会主要集中在H04L1/00和H04B7/00这两个大组，而且在未来几年H04L1/00的申请量很有可能会超过H04B7/00。
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