可見光通信技術(shù)綜述

易利

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川成都，610000）

引言

近年來隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)流媒體等新型業(yè)務(wù)的逐漸普及，人們對(duì)傳統(tǒng)無線通信的帶寬需求越來越大。然而，現(xiàn)有的無線通信技術(shù)受頻譜資源的限制,無法承載未來更高傳輸需求。所以，無線通信領(lǐng)域的研究人員不斷將通信波段向高頻移動(dòng)，從微波到毫米波，太赫茲波，甚至到可見光波段。研究人員發(fā)現(xiàn)在紅外和紫外之間的可見光波段具有巨大的傳輸潛力，且不受頻譜管制。室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的原理為：在發(fā)送端，源信號(hào)經(jīng)過調(diào)制編碼并由LED陣列發(fā)送可見光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)由光無線信道傳輸，此過程可能受到噪聲以及背景光的干擾；在接收端，光信號(hào)首先由光學(xué)濾波器進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過光學(xué)聚光器由光電探測(cè)器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后送入電學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，并判決輸出。可見光通信系統(tǒng)的特別之處是在提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)還要提供照明功能。

本文重點(diǎn)分析了可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)，從其技術(shù)演進(jìn)、專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)，重要申請(qǐng)人分析等幾方面作了詳細(xì)介紹。

1 VLC專利分析

1.1 VLC的技術(shù)分支

可見光通信領(lǐng)域主要有器件、通信技術(shù)、應(yīng)用、系統(tǒng)這4個(gè)大的研究方向。可見光通信中的器件主要包括LED光源、光電探測(cè)器、發(fā)射/接收裝置；其中，LED器件是決定可見光通信是否能大規(guī)模使用和推廣的重要因素，能影響最終完整可見光產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)；通信技術(shù)主要包括調(diào)制/調(diào)光技術(shù)、可見光通信與局域網(wǎng)以及電力線的融合、編解碼、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)龋粦?yīng)用主要包括基于可見光通信的Li-Fi、室內(nèi)定位、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)、安防等；而可見光通信系統(tǒng)主要為可見光通信的整體通信解決方案。

1.2 專利申請(qǐng)情況

（1）申請(qǐng)量年度分布

圖1顯示了可見光通信按年度分布的全球申請(qǐng)趨勢(shì)。可見光通信技術(shù)起步于2000年前后，利用LED作為光源，在照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速通信。日本、韓國(guó)、美國(guó)、歐洲等地的實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)先后展開了研究，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用化的突破。從圖1可以看出，該領(lǐng)域的專利自2000年之后開始持續(xù)增長(zhǎng)，2007年至2011年發(fā)展較穩(wěn)定，2011年之后開始了飛躍式的增長(zhǎng)，并于2016年達(dá)到高峰。

圖1 可見光通信全球申請(qǐng)趨勢(shì)

（2）重要申請(qǐng)人

如表1所示，中國(guó)、韓國(guó)、日本為可見光通信領(lǐng)域的主要研究國(guó)，其中以韓國(guó)的三星電子、日本的松下電器以及中國(guó)的深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司為代表，而韓國(guó)的三星電子高居首位。雖然中國(guó)在可見光通信領(lǐng)域起步較晚，但是以深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司為代表的企業(yè)，以及以中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)為代表的高校研究所在后來都顯示出了極高的開發(fā)研究活躍度，甚至能夠排進(jìn)全球可見光通信領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的前五。除此之外，韓國(guó)通信電子研究院、東芝、東南大學(xué)、華南理工大學(xué)、蘇州邁奇杰智能技術(shù)有限公司、北京郵電大學(xué)、清華大學(xué)都排在前十。雖然中興、華為等公司也有相關(guān)的專利申請(qǐng)，但數(shù)量較少，并未在可見光通信領(lǐng)域進(jìn)行專利布局。從專利上來看，可見光通信技術(shù)目前還屬于小眾的領(lǐng)域，其從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需要更多的企業(yè)參與。

表1 可見光通信申請(qǐng)人申請(qǐng)量排名

由于可見光通信的高峰始于2011年之后，因此其中大部分專利尚處于正在審查的階段。其中，47.7%的專利處于審中，尚未授權(quán)，36.1%的專利已經(jīng)授權(quán)，16.2%的專利已經(jīng)失效。

（3）核心專利

可見光通信領(lǐng)域的核心專利主要掌握在三星電子、松下電器、株式會(huì)社東芝等日韓企業(yè)手中。

由三星電子在2008年申請(qǐng)的專利公開號(hào)為US20090171571A1的專利主要涉及一種在大樓中使用可見光通信來提供導(dǎo)航服務(wù)的系統(tǒng)和方法，在該技術(shù)方案中，發(fā)送端控制照明燈調(diào)制并生成由不同波長(zhǎng)組合而成的可見光信號(hào)，并以此來作為導(dǎo)航信息，接收終端例如移動(dòng)電話從多個(gè)照明燈接收可見光信號(hào)，導(dǎo)航信息包括匹配地圖的位置信息，并在移動(dòng)終端上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了基于可見光通信的室內(nèi)導(dǎo)航的應(yīng)用。由松下電器在 2013年申請(qǐng)的專利公開號(hào)為US20140205136A1的專利主要涉及智能電話、平板電腦等便攜終端與空調(diào)、照明設(shè)備等家電設(shè)備的通信方法，該方法中機(jī)器人通過照明或電子設(shè)備發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行自己的位置推測(cè)，制作房間的地圖，將地圖信息、位置信息、照明設(shè)備的 ID向服務(wù)器存儲(chǔ)，機(jī)器人基于從服務(wù)器取得的地圖，高效率地進(jìn)行清掃或配餐，實(shí)現(xiàn)了基于可見光通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。由株式會(huì)社東芝在2007年申請(qǐng)的專利公開號(hào)為JP2009036571A的專利主要涉及一種確定諸如車輛等移動(dòng)物體位置的位置確定系統(tǒng)，該系統(tǒng)中可見光通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)并控制道路照明燈內(nèi)的LED，組成可見光通信信標(biāo)，信標(biāo)發(fā)射包含位置數(shù)據(jù)的可見光信號(hào)，車輛上的車輛位置確定裝置接收從可見光通信信標(biāo)發(fā)射的可見光信號(hào)，并解調(diào)該信號(hào)從而獲得車輛當(dāng)前所處的位置，位置包括坐標(biāo)數(shù)據(jù)（經(jīng)度和緯度）和高度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了可見光通信在智能交通和室外定位中的應(yīng)用。

2 VLC專利技術(shù)演進(jìn)

2.1 基于調(diào)制/調(diào)光方式的技術(shù)演進(jìn)

可見光通信系統(tǒng)(VLC)同時(shí)提供照明和通信。作為一個(gè)照明系統(tǒng)，VLC應(yīng)該提供調(diào)光功能，也即是說LED燈的亮度可以隨意地調(diào)節(jié)，這樣用戶不僅能夠得到一個(gè)更舒適的環(huán)境，還能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；同樣，作為一個(gè)通信系統(tǒng)，它應(yīng)該同時(shí)保證信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。因此，調(diào)光技術(shù)是VLC的關(guān)鍵技術(shù)之一。與常見的RF通信不同，光無線通信信道中常采用IM/DD技術(shù)，光信號(hào)的強(qiáng)度隨著輸入電流的變化而變化。可見光通信系統(tǒng)中的調(diào)光分為模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光。

如圖2所示，為涉及可見光通信中的調(diào)制/調(diào)光技術(shù)的演進(jìn)路線。由安華高科技（新加坡公司）在2005年申請(qǐng)的公開號(hào)為US2007024571A1的專利中提出了一種使用脈沖寬度調(diào)制的可見光通信方法和裝置，該方法中發(fā)射端包括一個(gè)信號(hào)生成器用以生成載波信號(hào)并由調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，發(fā)射端還包括一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器生成器，用于根據(jù) PWM 控制信號(hào)來生成一個(gè)脈沖以便控制PWM LED光源的亮度，LED驅(qū)動(dòng)器將調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)LED的電流。PWM 是通過改變信號(hào)的寬度（占空比）來達(dá)到調(diào)光的目的，且不需要改變LED的驅(qū)動(dòng)電流，調(diào)光范圍非常寬。

圖2 基于調(diào)制/調(diào)光的重點(diǎn)專利及技術(shù)演進(jìn)

2.2 基于發(fā)射/接收裝置的技術(shù)演進(jìn)

如圖3所示，為涉及可見光通信中的發(fā)射/接收裝置的演進(jìn)路線。由日本電信電話株式會(huì)社在2003年申請(qǐng)的公開號(hào)為JP2005020422A的專利中提出了一種在水下通過接收LED光來接收信息的方式，為了減少用戶在水下佩戴無線電通信設(shè)備來進(jìn)行移動(dòng)時(shí)的負(fù)擔(dān)，并同時(shí)獲得高質(zhì)量的語音通信，該發(fā)明提出使用可見光通信的方式，接收LED光來通信以最小化通信設(shè)備的規(guī)模。

圖3 基于發(fā)射/接收裝置的重點(diǎn)專利及技術(shù)演進(jìn)

2.3 基于LED光源的技術(shù)演進(jìn)

如圖4所示，為涉及可見光通信中的LED光源的演進(jìn)路線。由日本電氣株式會(huì)社在2005年申請(qǐng)的公開號(hào)為JP2006270808A的專利中提出了一種移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、便攜通信終端，使用多色光源來發(fā)送可見光通信信號(hào)，例如三原色(紅、綠和藍(lán))，或者黃、青和紫，顏色越多，數(shù)據(jù)的可能的顏色組合就越多，因此，就可以高效地傳輸更復(fù)雜的數(shù)據(jù)。

圖4 基于LED光源的重點(diǎn)專利及技術(shù)演進(jìn)

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)梳理了可見光通信領(lǐng)域的各個(gè)技術(shù)分支的發(fā)展情況，并對(duì)涉及可見光通信的核心專利和申請(qǐng)人，以及各個(gè)技術(shù)分支的演進(jìn)進(jìn)行了分析，有助于審查員全面了解可見光通信的基本發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)涉及可見光通信領(lǐng)域的審查工作有較大幫助。

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