LED可見光通信的全球專利申請與重點技術分析

方慧風，張 濤，谷懷民，肖 瑤，范廣涵

(1.華南師范大學光電子材料與技術研究所，廣東 廣州 510631；2.國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000)

引言

可見光通信(visible light communication,VLC)技術是近幾年全球范圍內興起的研究熱點，是一種利用可見光波譜進行數據傳輸的全新無線通信技術[1-2]。隨著半導體技術的發展成熟與半導體照明的普及，基于發光二極管(LED)的VLC技術崛起，不再局限于LED在照明領域的發展應用，而是充分利用其響應速率快、免電磁干擾、高速調制、安全可靠等優勢，與“綠色照明”相結合，實現通信、照明的雙重功能[3]。

VLC的概念由日本慶應義塾大學(KEIO)中川研究所的研究人員于2000年左右提出[4-5]，但其實它的發展最早可追溯到19世紀80年代貝爾提出的“光電話”[6-7]，后來又隨著激光器、光纖及藍色發光二極管的發展而發展，研究隊伍日漸壯大，技術日趨成熟。除日本外，在美國、中國、韓國等國家和地區LED可見光通信發展勢頭日益迅猛，取得了突破性的進展，也逐漸走向了市場應用。

1 專利檢索與分析

本文關于LED可見光通信檢索到的全球專利數據均來源于德溫特(DWPI)數據庫，檢索時間段為1960年1月1日至2016年12月31日，經過關鍵詞+IPC檢索，去重、人工去除雜項等步驟后分別獲得去同族專利數據8 394件、去相同申請號專利數據14 537件，前者用于可能涉及到技術原創者的分析，后者則用于可能涉及到技術目標市場的研究分析。主要通過分析全球數據和中國數據的申請趨勢、申請人、申請地區、IPC、技術生命周期等了解LED可見光通信技術的研究態勢和技術要點，并以作為LED可見光通信先行者的中川研究所為例，重點分析該單位的專利技術。

1.1 全球數據分析

LED可見光通信技術雖起步于2000年左右，但從圖1可以看出，20世紀60年代就已經開始了相關專利的申請，且2000年之前全球專利申請的總數量達到了1 600多件，呈緩慢、穩步上升趨勢，這是因為這一時間段是空間光通信技術的興起、成長、發展階段，它是隨著激光器、光纖的研究、發明、發展而逐步成熟起來的。2000年之后的LED可見光通信技術是建立在藍色發光二極管研制成功的基礎之上的，呈現階段性迅速上升趨勢，且在2003年達到最大申請量554件，此后雖有下降，但年申請量均不低于290件。最近幾年仍呈較大幅度上升趨勢，說明LED可見光通信技術在世界各國興盛的勢頭并未減弱，依然是各國研究人員追逐的一大技術熱點。

圖1 全球LED可見光通信專利申請趨勢Fig.1 The global patent application trends of LED visible light communication

圖2 全球LED可見光通信技術原創國構成比例Fig.2 The ratio of the original countries of the LED visible light communication technology

圖2是LED可見光通信技術在世界各國家和地區的專利申請量所占比例分布。從圖2可以看出，該領域在全球占比較大的國家和地區分別是美國、日本、中國、韓國、歐洲等，其中美、日、中三個國家的占比達到90%，說明這三個國家在LED可見光通信領域處于世界領先地位，從另一方面也說明了LED可見光通信技術在這三國頗受重視。在這三國中，中國和日本的實力相差不大，但和美國相比，還存在較大差距，還有更多技術上的發展空間。

圖3 美、日、中三國在LED可見光通信領域的專利申請趨勢分布Fig.3 The patent application trends of the LED visible light communication in America, Japan and China

從圖3美國、日本、中國三個主要原創國家的專利申請趨勢來看，LED可見光通信技術在美國起步最早(20世紀60年代)，日本次之，中國則起步于20世紀90年代。雖中國該專利申請總量還未達到美國、日本兩個國家的水平，但增長速度卻大大超過美國、日本，直至檢索截止年份仍呈現近指數增長趨勢，而美國、日本在2003年達到年最大申請量之后均出現大幅下降，說明中國在國際市場的實力愈來愈強，競爭力愈來愈大，地位也愈來愈重要。

1.2 目標市場分析

目標市場分析與圖2技術產出國分析有所不同，后者所分析的數據不包含同族專利(專利申請人針對同一發明創造，在多個國家或地區之間進行專利申請或專利授權形成的專利組合，是獲取更大專利保護范圍的一種手段)[8]，而前者相反，它在一定程度上反映了該技術在全球的專利布局情況，不管對專利申請國和地區還是其他國家和地區，都能從中獲得相應的信息。如圖4所示，LED可見光通信技術在全球的專利布局主要分布在日本、美國、中國、歐洲、韓國、德國等國家和地區，其中日本、美國均以28%的占比領先于其他國家和地區，占據全球最大的LED可見光通信市場。中國則以19%(含中國臺灣地區)的市場占比排名第三，有著舉足輕重、不可忽視的地位。

圖4 LED可見光通信技術在全球市場的專利布局情況Fig.4 The patent layout of LED visible light communication in the global market

圖5 中國作為目標市場的申請人排名Fig.5 The ranking of the applicants in China

對中國在LED可見光通信領域檢索到的2 539件專利(包含同族專利)進行專利申請人合并，得到了如圖5所示的申請人排名。排名前12位(包括并列)的申請人中，我國國內申請人占8位，分別是清華大學、深圳光啟、華為、解放軍信息工程大學、北京郵電大學、中興、東南大學和華南理工大學，國外來華申請人僅占據4位，分別是韓國的三星、LG和日本的住友電氣、松下，說明了國外來華申請人僅占據中國市場的一小部分。但值得注意的是，韓國三星以最高申請量51件在中國市場中排名第一。另一方面，國內申請人中以高校、研究機構居多，國外來華申請人均是企業，說明中國目前就LED可見光通信技術來說主要以發展研究為主，處于技術探索階段，還未實現大范圍應用，而國外在華的研究主要以市場應用為主。

圖6 中國國內申請人省市分布Fig.6 The provincial distribution of the domestic applicants in China

圖6是中國國內申請人的省市分布情況，從圖6可以看出，LED可見光通信技術的發展主要集中在廣東、江蘇、北京、上海、湖北一帶，其中廣東省的申請量最大，處于領先地位，這反映了當地政府對LED可見光通信技術領域開發研究的支持。

1.3 專利技術分析

在圖7全球專利數據的IPC分布中，排名靠前的IPC有G02B000642、G02F000135、H01S0005022和H04B001011，在圖8中國專利數據的IPC分布中，排名靠前的IPC是G02B000642、H04B0010116、H04B001000和G02B000636。由圖7、圖8可以看出，就全球專利數據而言，技術重點在于光纖的傳輸、耦合及其光學元件如耦合器的安裝、光纖的連接，室內或近距離的可見光通信系統等，而我國LED可見光通信主要技術點在于光信號的處理、調制、耦合及其相關發光器件的設計、組裝等，大多是研究LED可見光通信技術中涉及的分模塊或部件，對LED可見光通信整體系統級別的研究關注度不夠。

圖7 全球專利申請數據的IPC分布Fig.7 IPC of the global patent application data

圖8 中國專利申請數據的IPC分布Fig.8 IPC of the patent application data in China

圖9是針對LED可見光通信技術在我國發展所經歷的幾個時期作一分析。圖9顯示[9]，目前我國的LED可見光通信技術正處在申請人增多，專利申請數量急劇上升的成長期，這一時期由于很多高校、企業相繼投入研發，市場擴大，技術分布也比較廣，技術的集中程度相對降低。2003年之前，專利申請數量和申請人數量均在少數，且呈直線上升趨勢，但在2003年、2006年和2012年申請數量和申請人數量出現了短期的負增長現象，這一現象可能是由于該技術中的某一環節出現新的研究技術點，且該技術點還不成熟引起的，比如白光LED的研制、大功率發光器件研究等等。可以預測，在未來幾年內，LED可見光通信技術大體上仍將處于成長階段，不排除由于新技術點的研發而出現短暫衰退期。

圖10 中川研究所歷年專利申請分析Fig.10 The analysis of the patent application in Nakagawa Laboratories over the years

圖10是關于中川研究所的專利申請情況分析，中川研究所是VLC的最早提出者，在LED可見光通信領域具有一定的影響力，其申請的專利也被很多企業和研究機構引用，對LED可見光通信的技術發展方向具有指引作用，相關申請專利的施引情況及技術改進點見圖11及表1。圖10中細、粗實線分別為中川研究所去同族、去相同申請號的歷年專利申請情況，從粗色實線可以看出該單位專利的申請數量及布局情況，從細色實線可以大致了解該單位的技術研發和改進情況(結合表1)。中川研究所在LED可見光通信領域的專利申請源于2002年，至今的專利總申請量有50件，去DWPI同族后有13件，2002年專利申請僅2件，但均為日本國內申請，而到2003年申請量已達到歷年最大(18件)，此時，除了日本國內的1件專利申請外，它也開始了在中國、歐洲、德國的專利布局，2005年專利布局已延伸至美國、韓國。從中川研究所專利布局情況可以發現，中川研究所不僅注重在本土的知識產權維護，還十分注重在國外的知識產權保護，特別是在歐洲、中國、德國等國家和地區。

圖11 中川研究所申請專利的施引情況分析Fig.11 The citation analysis of the patents applied in Nakagawa Laboratories

從圖11中川研究所申請的13件去同族專利的施引情況統計來看，被引用頻率最高的是于2005年申請的申請號為US2003532250A的專利，高達193次，該專利主要公開了一種將數據的信號疊加到半導體發光源的供電電力線上的調制方式。該專利總共被38家企業/研究機構引用，其中企業占34家，研究機構僅占4家且施引次數很少，說明中川研究所該專利中提及的技術點流向偏向于國內外各大企業。從技術路線來看(見表1)，中川研究所在LED可見光通信領域主要實現了從LED光源、信號調制方式、數據調制方式、驅動電路、集成電路到通信裝置、設備最終走向系統的技術改進，由簡到繁，由淺入深，涉及到了LED可見光通信系統從光發射到光傳輸，再到光接收的各個模塊。作為早期LED可見光通信技術的領路人，該技術路線不僅為當時的研究人員指引了技術方向，更為后來的研究者在技術方面的改進提供了新的創意和思路，推動著LED可見光通信技術的發展。

表1 中川研究所在LED可見光通信領域的技術改進情況

2 總結

全球LED可見光通信技術目前正處于快速發展時期，以美國、日本、中國為代表的專利大國占據全球90%的專利資源，對該技術領域的知識產權意識很強，不僅注重本土的知識產權保護，更注重該技術在世界范圍內的專利申請、布局與維護。中國在該技術領域雖起步較晚，但發展速度卻快于美國、日本，在全球LED可見光通信領域占據越來越大的市場份額。目前的劣勢在于我國的LED可見光通信技術產業化程度不足，應用化水平較低。通過對全球LED可見光通信專利數據的分析，深入挖掘重要申請國家、申請單位的技術點及技術路線，我國應加強產業化應用研究，盡快實現從研究機構到企業的技術轉移。另外，未來的LED可見光通信技術不能局限于模塊化的設計與改進，也要加強系統化研究與開發，這樣才更有利于產品推向應用市場。

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