可见光通信技术综述

易利

（国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心，四川成都，610000）

引言

近年来随着移动互联网、移动流媒体等新型业务的逐渐普及，人们对传统无线通信的带宽需求越来越大。然而，现有的无线通信技术受频谱资源的限制,无法承载未来更高传输需求。所以，无线通信领域的研究人员不断将通信波段向高频移动，从微波到毫米波，太赫兹波，甚至到可见光波段。研究人员发现在红外和紫外之间的可见光波段具有巨大的传输潜力，且不受频谱管制。室内可见光通信系统的原理为：在发送端，源信号经过调制编码并由LED阵列发送可见光信号，光信号经由光无线信道传输，此过程可能受到噪声以及背景光的干扰；在接收端，光信号首先由光学滤波器进行滤波，然后经过光学聚光器由光电探测器接收并进行光电转换，最后送入电学系统进行解调，并判决输出。可见光通信系统的特别之处是在提供数据传输的同时还要提供照明功能。

本文重点分析了可见光通信的关键技术，从其技术演进、专利申请态势，重要申请人分析等几方面作了详细介绍。

1 VLC专利分析

1.1 VLC的技术分支

可见光通信领域主要有器件、通信技术、应用、系统这4个大的研究方向。可见光通信中的器件主要包括LED光源、光电探测器、发射/接收装置；其中，LED器件是决定可见光通信是否能大规模使用和推广的重要因素，能影响最终完整可见光产业链的建设；通信技术主要包括调制/调光技术、可见光通信与局域网以及电力线的融合、编解码、数据信号传输等；应用主要包括基于可见光通信的Li-Fi、室内定位、智能交通、物联网、安防等；而可见光通信系统主要为可见光通信的整体通信解决方案。

1.2 专利申请情况

（1）申请量年度分布

图1显示了可见光通信按年度分布的全球申请趋势。可见光通信技术起步于2000年前后，利用LED作为光源，在照明的同时实现高速通信。日本、韩国、美国、欧洲等地的实验室和企业先后展开了研究，并实现了应用化的突破。从图1可以看出，该领域的专利自2000年之后开始持续增长，2007年至2011年发展较稳定，2011年之后开始了飞跃式的增长，并于2016年达到高峰。

图1 可见光通信全球申请趋势

（2）重要申请人

如表1所示，中国、韩国、日本为可见光通信领域的主要研究国，其中以韩国的三星电子、日本的松下电器以及中国的深圳光启创新技术有限公司为代表，而韩国的三星电子高居首位。虽然中国在可见光通信领域起步较晚，但是以深圳光启创新技术有限公司为代表的企业，以及以中国人民解放军信息工程大学为代表的高校研究所在后来都显示出了极高的开发研究活跃度，甚至能够排进全球可见光通信领域专利申请量的前五。除此之外，韩国通信电子研究院、东芝、东南大学、华南理工大学、苏州迈奇杰智能技术有限公司、北京邮电大学、清华大学都排在前十。虽然中兴、华为等公司也有相关的专利申请，但数量较少，并未在可见光通信领域进行专利布局。从专利上来看，可见光通信技术目前还属于小众的领域，其从实验室走向产业化应用还需要更多的企业参与。

表1 可见光通信申请人申请量排名

由于可见光通信的高峰始于2011年之后，因此其中大部分专利尚处于正在审查的阶段。其中，47.7%的专利处于审中，尚未授权，36.1%的专利已经授权，16.2%的专利已经失效。

（3）核心专利

可见光通信领域的核心专利主要掌握在三星电子、松下电器、株式会社东芝等日韩企业手中。

由三星电子在2008年申请的专利公开号为US20090171571A1的专利主要涉及一种在大楼中使用可见光通信来提供导航服务的系统和方法，在该技术方案中，发送端控制照明灯调制并生成由不同波长组合而成的可见光信号，并以此来作为导航信息，接收终端例如移动电话从多个照明灯接收可见光信号，导航信息包括匹配地图的位置信息，并在移动终端上进行显示，实现了基于可见光通信的室内导航的应用。由松下电器在 2013年申请的专利公开号为US20140205136A1的专利主要涉及智能电话、平板电脑等便携终端与空调、照明设备等家电设备的通信方法，该方法中机器人通过照明或电子设备发送的信号进行自己的位置推测，制作房间的地图，将地图信息、位置信息、照明设备的 ID向服务器存储，机器人基于从服务器取得的地图，高效率地进行清扫或配餐，实现了基于可见光通信的物联网应用。由株式会社东芝在2007年申请的专利公开号为JP2009036571A的专利主要涉及一种确定诸如车辆等移动物体位置的位置确定系统，该系统中可见光通信设备驱动并控制道路照明灯内的LED，组成可见光通信信标，信标发射包含位置数据的可见光信号，车辆上的车辆位置确定装置接收从可见光通信信标发射的可见光信号，并解调该信号从而获得车辆当前所处的位置，位置包括坐标数据（经度和纬度）和高度数据，实现了可见光通信在智能交通和室外定位中的应用。

2 VLC专利技术演进

2.1 基于调制/调光方式的技术演进

可见光通信系统(VLC)同时提供照明和通信。作为一个照明系统，VLC应该提供调光功能，也即是说LED灯的亮度可以随意地调节，这样用户不仅能够得到一个更舒适的环境，还能实现节能减排；同样，作为一个通信系统，它应该同时保证信息传输的质量。因此，调光技术是VLC的关键技术之一。与常见的RF通信不同，光无线通信信道中常采用IM/DD技术，光信号的强度随着输入电流的变化而变化。可见光通信系统中的调光分为模拟调光和数字调光。

如图2所示，为涉及可见光通信中的调制/调光技术的演进路线。由安华高科技（新加坡公司）在2005年申请的公开号为US2007024571A1的专利中提出了一种使用脉冲宽度调制的可见光通信方法和装置，该方法中发射端包括一个信号生成器用以生成载波信号并由调制器进行调制，发射端还包括一个脉冲宽度调制器生成器，用于根据 PWM 控制信号来生成一个脉冲以便控制PWM LED光源的亮度，LED驱动器将调制脉冲转换为驱动LED的电流。PWM 是通过改变信号的宽度（占空比）来达到调光的目的，且不需要改变LED的驱动电流，调光范围非常宽。

图2 基于调制/调光的重点专利及技术演进

2.2 基于发射/接收装置的技术演进

如图3所示，为涉及可见光通信中的发射/接收装置的演进路线。由日本电信电话株式会社在2003年申请的公开号为JP2005020422A的专利中提出了一种在水下通过接收LED光来接收信息的方式，为了减少用户在水下佩戴无线电通信设备来进行移动时的负担，并同时获得高质量的语音通信，该发明提出使用可见光通信的方式，接收LED光来通信以最小化通信设备的规模。

图3 基于发射/接收装置的重点专利及技术演进

2.3 基于LED光源的技术演进

如图4所示，为涉及可见光通信中的LED光源的演进路线。由日本电气株式会社在2005年申请的公开号为JP2006270808A的专利中提出了一种移动通信网络系统、便携通信终端，使用多色光源来发送可见光通信信号，例如三原色(红、绿和蓝)，或者黄、青和紫，颜色越多，数据的可能的颜色组合就越多，因此，就可以高效地传输更复杂的数据。

图4 基于LED光源的重点专利及技术演进

3 结束语

本文详细梳理了可见光通信领域的各个技术分支的发展情况，并对涉及可见光通信的核心专利和申请人，以及各个技术分支的演进进行了分析，有助于审查员全面了解可见光通信的基本发展态势，对涉及可见光通信领域的审查工作有较大帮助。

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