可见光通信技术及其应用与专利现状.pdf

-41-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期专利分析可见光通信（VLC）是一种可以彻底改变未来的新型无线通信方式。VLC 可应用于室内无线通信、智能交通、智慧城市、仓库/机器人本地化、人类感知，医院、室内点对点的安全无危害数据接入通信以及车载通信等诸多应用领域，具有广泛的应用前景。各国企业和研发人员正是由于敏锐地意识到了可见光通信领域所蕴含的巨大应用前景和可观的商机，也纷纷加紧了在这一领域的研究步伐和申请专利的脚步，早早布局，争取在这场即将到来的通信革命中抢占先机，占有一席之地。本文分别对可见光通信的基本原理、主要前沿技术、应用前景以及专利布局现状进行了阐述和分析，并提出了相关建议。可见光通信技术可见光通信是一种通信类型的名称，其中数据通过来自可见光谱的光波调制来发送，波长范围从 380 750 纳米。一般来说，任何可以使用人眼可见的某种光来传输信息的系统都可以称为可见光通信。虽然可见光作为一种通信媒介的形式仅在过去十几年中才引起学术机构和工业界的注意，但与电磁频谱的无线电频谱相比，它仍未得到充分的探索。可见光通信又称为 OWC（光无线通信）或 Li-Fi（光保真）。Li-Fi 有时被称为基于光的 Wi-Fi，因为它通过光而不是无线电频率传输数据，与无线保真 Wi-Fi 相比，Li-Fi 可以提供约 100Gbps 的数据传输速度。目前，Wi-Fi网络依赖射频（RF）波，但 RF 频谱的使用受到限制。Li-Fi 这个术语是由 Harald Haas 教授在 2011 年 7 月举行的 TED 全球演讲中首次提出的。Haas 与他人共同创立了 pureLiFi（原名 pureVLC），该公司生产将 LiFi 产品与当前 LED 照明系统集成的设备。第一个商用 Li-Fi 技术于2013 年 9 月推出。2015 年 2 月推出的名为 Li-Flame 的Li-Fi 产品声称是第一个提供移动无线通信的产品。2016 年，pureLiFi、Lucibel 和一家法国照明企业推出了第一个工业化 Li-Fi 解决方案，该解决方案已安装在多个地方，包括微软巴黎总部。工作原理如图 1 所示，高速 Li-Fi 网络使用 LED 灯发出的光将数据传输到笔记本电脑或平板电脑等设备，并从设备发射器接收数据，设备发射器将光信号传回灯。Li-Fi 技术可形成行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度可见光通信技术及其应用与专利现状姜 丹 王继梅姜 丹1 王继梅21.国防专利审查中心2.国家知识产权局专利检索咨询中心中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-42-专利分析双向高速移动网络和数据连接解决方案，可快速提供无线互联网连接。支持 Li-Fi 的 LED 灯泡在通电时会发出光流。由于 LED 灯是半导体器件，因此可以通过改变通过驱动电路的电流来非常快速地改变灯的亮度，这使我们能够以不同的速率调制光以传递信息信号。LED 灯泡发射的光每秒波动数十亿次，人眼无法察觉。信息信号通过室内环境传播后，接收器接收它，进一步放大信号，处理和翻译所传递的信息。这本质上与破译莫尔斯电码相当，但每秒发生数百万次，速度要快得多。LiFi 传输速率可超过 100Gbps，也被称为世界上最快的 Wi-Fi。通信标准LiFi 技术目前使用 VL 光源和用于上行链路操作的IR LED。IEEE 于 2011 年批准的最活跃的可见光通信标准是 IEEE 802.15.7（https：/standards.ieee.org/ieee/802.15.7/6820/）。移动到移动（M2M）、固定到移动（F2M）和基础设施到移动（I2M）通信均包含在该标准中。VLC 标准的主要目标是集中用于信息交换的高速率短距离移图 2 采用可见光通信的智能交通系统图 1 可见光通信示意图动到移动和固定到移动通信，以及用于低速智能交通系统的中距离通信。IEEE 802.15.7 标准定义了 VLC/LiFi 的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层。物理层分为三种类型，即 PHY I、II 和 III。应用场景智能交通在智能交通系统ITS中，如图2所示，车辆到车辆（V2V）和基础设施到车辆（I2V）之间的通信能够确保人员安全，可见光通信用于 ITS 通信可以补充或取代现有的拥挤的 RF通信。所有车辆均配备可用于传输信息的头灯和尾灯。交通灯或广告牌也可用于分享有关道路、交通的有用信息和天气状况。这些光源还可用于提供数据连接给用户和 IoE 实体。智慧城市和智能家居智慧城市旨在为人、政府、基础设施、经济和环境之间提供无缝连接，采用可见光通信可以实现更加稳定、持续和高速的无线连接。已有的基础设施如街道路灯、停车灯、广告牌等可用于提供高速、低能耗和可持续的网络连接，同时为其他移动应用提供释放宝贵的射频频谱。路灯或其他光源可以用作热点，为用户提供极高的数据速率。同时，可见光通信的出现也为智能家居的应用提供了新的更加持续、稳定、便捷的通信选择。医院由于可见光通信的工作频率为 400 700 太赫兹，其波长为纳米波长，不能穿透物体，因此可见光通信可以作为保护数据机密性的最佳理想选择。VLC 固有的安全性提供了一种无线通信的替代方案，可用于最小化与射频辐射相关的健康风险。其中一个领域就是医院，VLC可以用于监测患者、机器对机器的通信、患者的记录保存和所有其他网络应用程序。新生儿是脆弱的，很容易受到很小的射频辐射影响。因此，在新生儿病房实施可将光通信可以避免新生病儿免受电磁波的辐射，这无疑为监测和室内连接地提供了一种更为安全的选择。此外，可见光通信还可以应用于光照上网、可见光点播电视业务、可见光新型无线广播、可见光精确定位等诸多领域，具有极高的市场应用价值和发展前景。面临的挑战尽管可见光通信代表了一种新的通信方式具有诸多优势，可见光通信技术的研发工作自诞生之日起也已经翻了一番，但不可否认的是，该技术还远远不能与 Wi-Fi 竞争。原因在于该技术还存在一些缺陷，比如，LiFi 需要专门的 LED才能完美工作。尽管 Harald Haas 教授在 TED 演讲中声称 LiFi 可以与现有 LED 配合使用，但这种说法只是部分正确。市场上的 LED 灯泡种类繁多，每种都有不同的规格。用户的LED灯泡不一定与其选择的LiFi适配器兼容。此外，由于 LiFi 仅在视线范围内工作，因此需要为房间的每个角落至少购买一个 LED 灯泡。支持 LiFi 通信的内置硬件的 LED灯泡最近在市场上首次亮相。为了在没有内置硬件的情况下与现有 LED 集成，人们需要为其设备配备额外的适配器，也许每个房间至少需要一个适配器。这进一步增加了成本。-43-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期专利分析即使解决了 LED 和 LiFi 适配器的成本问题，并热切地等待让用户的房子有利于使用 LiFi，仍然有一个重大问题会让用户的口袋里留下一个大洞新的网络布线设置。当前的LED 灯泡直接连接到电力，但对于 LiFi，它们需要连接到网络。因此，可能需要考虑再次重新布线。以上所有问题都是暂时的，但目前还有一些几乎永久性的问题会让用户不得不选择 Wi-Fi 路由器。比如，通过 LiFi连接到互联网就像 LED 发出的光一样受到限制。它不能像Wi-Fi 那样穿墙。只要有一个障碍，通信就会被中断，用户还需要在定义的范围内才能有效地使用它，因为光强度随着距离而减弱。用户甚至不能背对着 LED 灯泡，因为这会再次干扰光，从而干扰信号的传输。另外，还有来自其他光源的干扰，只要用户处于环境光最少或没有环境光的封闭区域，LiFi 就适合室内用途。如果房间有窗户或者有人坐在阳台上，则外部光线很可能会干扰 LiFi 信号。目前，市场上还没有内置 LiFi 支持的消费者智能手机或计算机。人们需要额外的设备才能在笔记本电脑上使用它。另外，由于可见光通信是在存在光线的情况下才能实现通信传输，因此，其不得不面临夜间可能无法工作的窘境。专利分析图 3 为可见光通信领域全球各年度提交的专利申请占比，由该图可以看出尽管这项技术是由 Harald Haas 教授在 2011 年 7 月举行的 TED 全球演讲中首次提出，但对该项技术的研究和专利申请最早可以追溯到 2006 年，比公开披露早了 5 年。近 16%的可见光通信技术专利是在 2011年之前申请的。这表明对 LiFi 的研究大约在 19 年前就开始了。Harald Haas 教授或爱丁堡大学也不是第一个申请 LiFi技术专利的机构。事实上，华为于 2006 年申请了第一个LiFi 技术专利，并且 2006 年总共申请了 3 项 LiFi 专利，其中一项是华为申请的，另一项是松下申请的，第三项是 Elta Systems 和 Optigo 合作的结果。由图 3 还可以看出，在20172019 年期间，专利申请趋势跃升至一个新的高度，据统计有多达 1 650 多件申请，这是因为全球 LiFi 市场受到对 4G 和 5G 技术需求增加以及射频频谱使用限制的推动。如图 4 所示，该领域专利数量排名前十的公司分别为高通股份有限公司、三星电子株式会社、OPPO 广东移动通信有限公司、昕诺飞控股有限公司、GE视频压缩有限责任公司、古如罗技微系统公司、华为技术有限公司、索尼公司、东南大学和华南理工大学，我们可喜地看到这其中有四家中国企业或高校榜上有名，分别为 OPPO 广东移动通信有限公司、华为技术有限公司、东南大学和华南理工大学，这也说明我国的科研水平能够紧跟世界前沿科技发展的趋势，并且无论是企业还是高校，各创新主体自我知识产权保护的意识也在逐年增强。如图 5 所示，可见光通信领域各主要创新主体申请专利的受理局主要集中在中、美、欧、日、韩五个国家和地区，高通股份有限公司专利的主要布局在美国、其次为中国和韩国，三星电子株式会社专利的主要布局在美国，其次是在其韩国本国；而我国的 OPPO 则仅在中、美、欧三个地区有所布局，且在中国申请量最高；华为在五个国家和地区的布局则比较均匀，数量相当，东南大学则仅在中国申请了专利。图 6 8 分别示出了申请（专利权）人 IPC 技术分布、可见光通信领域 CPC 分类号分布排名以及技术主题分布排名，由此可以看出，该领域的专利申请主要集中在通信技术本身，其应用领域主要用于室内通信，这与可见光通信技术诞生的初衷是不谋而合的。视频数据的传输是可见光通信主要的一个数据传输类型。对我国而言，可见光通信领域的专利主要集中在广东、江苏、北京、上海、浙江等经济发达省市，其中广东省在这一领域的专利申请和授权数量最大，占据绝对优势地位，当然这与我国在这一领域的龙头老大 OPPO 和华为两大公司的贡献密不可分。图 3 全球各年度提交专利申请占比图 4 排名前 10 的主要申请人（专利权人）图 5 申请（专利权）人区域专利分布中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-44-专利分析图 9 各省专利类型数量（中国）图 8 技术主题分类排名图 6 申请（专利权）人 IPC 技术分布图 7 CPC 分类排名的专利保护水平，一方面要加强重要技术成果的海外专利布局，另一方面要提高专利的撰写质量。虽然我国可见光通信领域的相关申请和授权专利数量已经达到了一定水平，但是，在专利布局范围和专利撰写质量方面，还与发达国家存在差距。应鼓励有需求的企业加强海外专利布局，同时引导企业提升专利撰写水平，以实现最大的专利保护。总结及建议本文对可见光通信（VLC）技术及其应用场景、进行了总结、归纳，提出了该项技术目前所面临的不足和挑战，并对该技术领域的专利情况进行了分析。建议提升可见光技术