可見光通信技術綜述

易利

（國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心，四川成都，610000）

引言

近年來隨著移動互聯網、移動流媒體等新型業務的逐漸普及，人們對傳統無線通信的帶寬需求越來越大。然而，現有的無線通信技術受頻譜資源的限制,無法承載未來更高傳輸需求。所以，無線通信領域的研究人員不斷將通信波段向高頻移動，從微波到毫米波，太赫茲波，甚至到可見光波段。研究人員發現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。室內可見光通信系統的原理為：在發送端，源信號經過調制編碼并由LED陣列發送可見光信號，光信號經由光無線信道傳輸，此過程可能受到噪聲以及背景光的干擾；在接收端，光信號首先由光學濾波器進行濾波，然后經過光學聚光器由光電探測器接收并進行光電轉換，最后送入電學系統進行解調，并判決輸出。可見光通信系統的特別之處是在提供數據傳輸的同時還要提供照明功能。

本文重點分析了可見光通信的關鍵技術，從其技術演進、專利申請態勢，重要申請人分析等幾方面作了詳細介紹。

1 VLC專利分析

1.1 VLC的技術分支

可見光通信領域主要有器件、通信技術、應用、系統這4個大的研究方向。可見光通信中的器件主要包括LED光源、光電探測器、發射/接收裝置；其中，LED器件是決定可見光通信是否能大規模使用和推廣的重要因素，能影響最終完整可見光產業鏈的建設；通信技術主要包括調制/調光技術、可見光通信與局域網以及電力線的融合、編解碼、數據信號傳輸等；應用主要包括基于可見光通信的Li-Fi、室內定位、智能交通、物聯網、安防等；而可見光通信系統主要為可見光通信的整體通信解決方案。

1.2 專利申請情況

（1）申請量年度分布

圖1顯示了可見光通信按年度分布的全球申請趨勢。可見光通信技術起步于2000年前后，利用LED作為光源，在照明的同時實現高速通信。日本、韓國、美國、歐洲等地的實驗室和企業先后展開了研究，并實現了應用化的突破。從圖1可以看出，該領域的專利自2000年之后開始持續增長，2007年至2011年發展較穩定，2011年之后開始了飛躍式的增長，并于2016年達到高峰。

圖1 可見光通信全球申請趨勢

（2）重要申請人

如表1所示，中國、韓國、日本為可見光通信領域的主要研究國，其中以韓國的三星電子、日本的松下電器以及中國的深圳光啟創新技術有限公司為代表，而韓國的三星電子高居首位。雖然中國在可見光通信領域起步較晚，但是以深圳光啟創新技術有限公司為代表的企業，以及以中國人民解放軍信息工程大學為代表的高校研究所在后來都顯示出了極高的開發研究活躍度，甚至能夠排進全球可見光通信領域專利申請量的前五。除此之外，韓國通信電子研究院、東芝、東南大學、華南理工大學、蘇州邁奇杰智能技術有限公司、北京郵電大學、清華大學都排在前十。雖然中興、華為等公司也有相關的專利申請，但數量較少，并未在可見光通信領域進行專利布局。從專利上來看，可見光通信技術目前還屬于小眾的領域，其從實驗室走向產業化應用還需要更多的企業參與。

表1 可見光通信申請人申請量排名

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，36.1%的專利已經授權，16.2%的專利已經失效。

（3）核心專利

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

由三星電子在2008年申請的專利公開號為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航服務的系統和方法，在該技術方案中，發送端控制照明燈調制并生成由不同波長組合而成的可見光信號，并以此來作為導航信息，接收終端例如移動電話從多個照明燈接收可見光信號，導航信息包括匹配地圖的位置信息，并在移動終端上進行顯示，實現了基于可見光通信的室內導航的應用。由松下電器在 2013年申請的專利公開號為US20140205136A1的專利主要涉及智能電話、平板電腦等便攜終端與空調、照明設備等家電設備的通信方法，該方法中機器人通過照明或電子設備發送的信號進行自己的位置推測，制作房間的地圖，將地圖信息、位置信息、照明設備的 ID向服務器存儲，機器人基于從服務器取得的地圖，高效率地進行清掃或配餐，實現了基于可見光通信的物聯網應用。由株式會社東芝在2007年申請的專利公開號為JP2009036571A的專利主要涉及一種確定諸如車輛等移動物體位置的位置確定系統，該系統中可見光通信設備驅動并控制道路照明燈內的LED，組成可見光通信信標，信標發射包含位置數據的可見光信號，車輛上的車輛位置確定裝置接收從可見光通信信標發射的可見光信號，并解調該信號從而獲得車輛當前所處的位置，位置包括坐標數據（經度和緯度）和高度數據，實現了可見光通信在智能交通和室外定位中的應用。

2 VLC專利技術演進

2.1 基于調制/調光方式的技術演進

可見光通信系統(VLC)同時提供照明和通信。作為一個照明系統，VLC應該提供調光功能，也即是說LED燈的亮度可以隨意地調節，這樣用戶不僅能夠得到一個更舒適的環境，還能實現節能減排；同樣，作為一個通信系統，它應該同時保證信息傳輸的質量。因此，調光技術是VLC的關鍵技術之一。與常見的RF通信不同，光無線通信信道中常采用IM/DD技術，光信號的強度隨著輸入電流的變化而變化。可見光通信系統中的調光分為模擬調光和數字調光。

如圖2所示，為涉及可見光通信中的調制/調光技術的演進路線。由安華高科技（新加坡公司）在2005年申請的公開號為US2007024571A1的專利中提出了一種使用脈沖寬度調制的可見光通信方法和裝置，該方法中發射端包括一個信號生成器用以生成載波信號并由調制器進行調制，發射端還包括一個脈沖寬度調制器生成器，用于根據 PWM 控制信號來生成一個脈沖以便控制PWM LED光源的亮度，LED驅動器將調制脈沖轉換為驅動LED的電流。PWM 是通過改變信號的寬度（占空比）來達到調光的目的，且不需要改變LED的驅動電流，調光范圍非常寬。

圖2 基于調制/調光的重點專利及技術演進

2.2 基于發射/接收裝置的技術演進

如圖3所示，為涉及可見光通信中的發射/接收裝置的演進路線。由日本電信電話株式會社在2003年申請的公開號為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備來進行移動時的負擔，并同時獲得高質量的語音通信，該發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備的規模。

圖3 基于發射/接收裝置的重點專利及技術演進

2.3 基于LED光源的技術演進

如圖4所示，為涉及可見光通信中的LED光源的演進路線。由日本電氣株式會社在2005年申請的公開號為JP2006270808A的專利中提出了一種移動通信網絡系統、便攜通信終端，使用多色光源來發送可見光通信信號，例如三原色(紅、綠和藍)，或者黃、青和紫，顏色越多，數據的可能的顏色組合就越多，因此，就可以高效地傳輸更復雜的數據。

圖4 基于LED光源的重點專利及技術演進

3 結束語

本文詳細梳理了可見光通信領域的各個技術分支的發展情況，并對涉及可見光通信的核心專利和申請人，以及各個技術分支的演進進行了分析，有助于審查員全面了解可見光通信的基本發展態勢，對涉及可見光通信領域的審查工作有較大幫助。

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