基于全球专利视角的广东省可见光通信产业发展分析与建议

陈柏兴,许华锋,叶敏忠

(广东省科学技术情报研究所,广东广州 510033)

1 研究背景

近年来,随时随地的智能设备终端接入方式变革使无线接入网频谱资源紧张的困境进一步凸显,拓宽频谱资源、安全无辐射的接入方式成为当前无线通信领域的迫切需求,采用发光二极管(LED)作为光源的可见光通信(VLC)技术顺应潮流而生[1]。伴随着LED的发展,VLC迅速引起关注[2]。VLC技术拓宽了下一代宽带通信的频谱[3-4],符合绿色发展理念。与传统的通信技术相比,VLC技术具有发射功率高,不占用无线电频谱、无电磁干扰和无电磁辐射,以及绿色节能等优点[5-8],将在6G网络中担任重要的角色[9-10],推动着下一代照明和接入技术的发展[11],已成为国际通信领域争相抢占的技术制高点。

2 发展与研究现状

室内VLC研究最先起始于日本,2000年,日本KEIO大学的Tanaka和Nakagawa等学者提出VLC的概念[12]。2003年,日本成立了可见光通信联盟(VLCC),该联盟迅速成长为国际性组织[13]。2004年,日本国土交通省实现了速率为10 Mbit/s量级的可见光传输[14]。欧美等国家和地区也关注并重视VLC技术的研发:2008年,欧盟开展欧美加(OMEGA)项目,VLC无线通信是研究焦点之一;同年,美国国家科学基金会资助开展“智能照明通信”(SLC)项目[15];2009年,德国海因里希赫兹研究所将VLC传输速率提升至230 Mbit/s,次年,该研究所实现了OFDM调制信号513 Mbit/s的可见光传输,并于2012年首次突破1 Gbit/s[16-18];2016年,英国牛津大学和爱丁堡大学研究团队采用OFDM和WDM相结合,将VLC最高传输速率提升至10G bit/s。此外,德国不来梅国际大学、荷兰飞利浦实验室及美国波斯顿大学的ERC中心、加州大学的UC-Light中心、宾州州立大学的COWA中心均是VLC主要研究机构[19]。

国内对VLC的研究始于2010年,起步较晚,但在各方重视及“863”国家科技计划的支持下快速发展,解放军信息工程大学、复旦大学、暨南大学、吉林大学等高校科研院所开展了一系列研究,也取得了一定的成果,并在一些领域进行应用验证。复旦大学的迟楠教授团队于2014年实现了单载波信号4.22 Gbit/s的可见光传输,2018年该团队通过采用QAM-DMT调制技术成功实现了达10.72 Gbit/s的传输速率[20]。2015年,解放军信息工程大学将VLC实时通信速率提高至50 Gbit/s[21]。2019年4月1日正式实施的GB/T 36628《信息技术系统间远程通信和信息交换可见光通信》标准,进一步助推了我国VLC行业的健康发展。

3 研究方法

本文采用专利分析工具,对VLC领域相关专利进行统计分析,所使用的专利分析工具PatSnap涵盖了116个国家和地区超过1.5亿条的专利文献。通过“可见光and通信”“LED and光通信”“visible light and communication”“LED and optical communication”“light-based communication”“Light Fidelity”“Li-Fi、 LiFi”等关键词制定相关检索式,并通过国际专利分类(IPC)、联合专利分类体系(CPC)分类号进行数据清洗,得到全球相关的VLC专利7 213篇,检索截止日期为2020年12月31日。

4 全球专利分析

4.1 专利申请趋势分析

如图1所示,自2000年日本研究团队提出VLC概念以来,全球VLC专利申请拉开序幕,VLC行业的全球专利申请进入发展期,年申请量从2000年的15件跃升至2010年的244件。

图1 全球VLC专利申请趋势

2010年左右,受调制带宽的限制,VLC遇到了传输速率的瓶颈,专利申请量也出现短暂的波动。但这一瓶颈很快被突破,2010年,德国海因里希赫兹研究所的团队将通信速率提高至513 Mbit/s,创造了世界纪录,并申请了相关专利 EP 2425557B1[18]。此后,传输速率的记录不断刷新,2013年的专利申请量也随之激增至569件,2014年超过了700件。

4.2 专利受理局分析

凭借2012年以后的爆发式增长,中国一跃成为全球VLC专利申请量最多的国家,申请总量为3 125件(见图2);美国的专利申请量为1 136件,排名第二;日韩处于第三梯队,申请量分别为804件和655件。从全球历年的VLC专利申请量可以看出(见图3),中美日韩4个国家在近20年间交替领先:在早期,日本的年申请量处于领先地位;2010年,韩国超过日本,领跑了2年后被中国取代;中国后程发力,专利申请量一骑绝尘,逐渐拉大对美日韩的优势;而美国在2013年后依然保持上升势头,成为仅次于中国的主要申请者。

图2 全球主要国家专利局和专利组织受理VLC专利分布

图3 中美日韩VLC专利申请趋势

4.3 技术焦点分析

从图4可以看出,86.3%的VLC专利集中在H04B10大组,该分类主要涉及可见光传输系统,是可见光通信技术领域的专属大组分类号。在该大组下,H04B10/116的可见光通信是更为精确的小组分类号,专利申请量为5 603件。此外,通信系统中的收发机及编码调制技术对应的小组,如H04B10/50(发射机)、H04B10/516(编码或调制原件)、H04B10/60(接收机)和H04B10/40(收发器)等均是研发的热点。H05B37主要涉及电光源电路,有443件专利申请,此外H05B33也涉及电光源,有192件专利申请,表明电光源是第二技术聚集点。H04N5主要涉及用于图像信号传输的可见光通信,有361件专利申请。

图4 全球VLC专利技术的分布

4.4 主要申请人排名

从图5可以看出,在全球VLC专利申请人前十排行榜中,日本松下公司雄霸榜首;韩国三星排名第二;欧洲飞利浦公司位居第三;中国申请人占其中6席,分别为中国人民解放军信息工程大学、深圳光启创新技术有限公司(以下简称“深圳光启”)、华南理工大学、东南大学、中兴通讯股份有限公司(以下简称“中兴”)和华为技术有限公司(以下简称“华为”)。中国申请人虽占据榜单过半数,但与前3名的申请数量相差甚远。

图5 全球VLC专利申请人排名前十的专利数量

4.5 高价值重要专利

通过专利被引数、同族数、主权项数、标准制定参考及行业公认度等维度,对专利进行加权评分,筛选出排名前十的高价值重要专利,如表1所示,主要涉及VLC的调制技术、导航系统、发送装置与同步方法等。在这10件高价值重要专利中,3件属于日本,韩国、德国、美国各有2件,荷兰有1件。近年来中国虽然在VLC领域持续发力,申请的专利数量最多,但核心技术仍然掌握在日韩美德等发达国家手中。

表1 VLC领域十大高价值重要专利

4.6 分析小结

(1)VLC专利申请趋于稳定,静待产业链商业化。目前VLC专利年申请量稳定在900件左右,等待着VLC产业的商业化,以迎来专利申请量的再一次爆发。

(2)中国的VLC专利申请量后来居上,韩国逐渐赶超日本。中美日韩在近20年间的VLC专利申请量上交替领先:在早期,日本的VLC年申请量处于领先地位;2010年,韩国超过日本,领跑了2年后被中国取代;中国后程发力,逐渐拉大对日韩的优势。

(3)专利技术聚集度高,传输系统占比近九成。VLC产业86.3%的专利集中在H04B10大组,该分类主要涉及可见光传输系统。

(4)松下公司遥遥领先,中国公司表现不俗。松下公司以515件的VLC专利申请位列第一,申请量遥遥领先;在全球专利申请人前十排行榜中,中国申请人占据6席。

(5)三星公司布局标准必要专利。2013年,三星公司在 IEEE 802.15工作组的组织下成立了802.15.SG7a研究组起草授权申请,将光学成像通信作为IEEE 802.15.7-2011标准的修正,三星公司的60余件专利成为IEEE 802.15.7的标准必要专利,数量较多。

5 广东省VLC专利分析

作为VLC发光光源的LED已经代替白炽灯成为新一代的照明技术。广东省LED产业规模多年稳居全国之首,集聚了全国通信、照明产业半数以上的龙头企业,具有扎实的LED产业基础、健全的半导体产业链,为VLC产业的发展提供了沃土,VLC专利申请数量累计747件,领跑全国。

5.1 申请趋势

如图6所示,广东省从2011年开始进行VLC专利申请,起步较晚,2012年出现爆发式的增长,虽在2013年出现了回落(深圳光启在2012年集中申请了57件专利,次年申请量骤降至19件),但随后又保持高速增长态势。

图6 广东省VLC专利的申请趋势

5.2 主要研发机构

由表2可知,深圳光启是广东省最早申请VLC专利的机构,其专利申请集中在2011-2013年,随后逐年减少,2017年后基本没有再进行该领域的专利申请,或因该公司改变了研发方向。其他机构的专利申请始于2015年,表现特别抢眼的是华南理工大学,从2015年涉足VLC后,一路保持快速增长态势,并于2018年超越深圳光启,成为广东省的领头羊。另,东莞信大融合创新研究院、中兴是我国可见光通信标准的起草单位。

表2 广东省VLC的主要研发机构

5.3 技术热点分析

从IPC小组分类看(见表3),广东省的VLC专利申请主要集中在H04B10/116(可见光通信),申请量为588件,占总专利数的78.5%;H04B10/50(发射机)、H04B10/516(编码或调制元件)、H04B10/60(接收机)及H04B10/69(接收机中的电子装置)的专利申请量也较多。

表3 广东省VLC领域按IPC分类的专利数

5.4 分析小结

广东省的VLC技术研究走在了全国前列,具有研究基础扎实、专利数量多、地域性强,但也存在产业化进程缓慢、未形成产业链等特点。具体如下:(1)研究基础扎实。广东省以华南理工大学、深圳光启等为代表的高校及企业对VLC开展了大量研究,具有良好的半导体产业生态,为VLC奠定了较好的发展基础。(2)VLC专利数量多。虽然广东省的VLC专利申请起步晚,但到2012年出现爆发式的增长,2013年,由于龙头企业的战略转移,专利申请数量出现短暂的回落,随后进入稳步增长的状态。(3)专利地域性强。广东VLC专利申请数排名前十的研发机构主要集中在广州和深圳。(4)技术聚焦点较强。主要应用方向是电梯、停车场、室内定位及门禁系统。(5)核心专利缺失。由于缺乏科技巨头主导产业发展,上游技术攻关受阻,下游应用研发匮缺,VLC产业链尚未形成上下游企业配合。

6 发展建议

高新技术产业的专利申请量与其产业发展具有正相关性,短期内,尽管各自的增长并非严格的线性关系,但从长期来看,两者之间呈现均衡发展关系[22]。专利发展对产业发展有明显的促进作用,专利技术的发展情况在一定程度上可以反映产业的发展现状。根据VLC技术发展的现状特点,结合广东省实际情况,对广东省VLC产业发展提出以下建议。

6.1 制订产业战略规划,推动VLC技术稳步发展

VLC技术的普遍应用会促使崭新的LED信息化时代的到来,同时,摄像头和光感二极管等光电器件将被广泛植入照明及移动终端。良好的LED照明产业基础使广东在VLC技术应用和推广方面具有先天优势,统筹制定适合广东VLC产业战略规划,将带动照明LED产业升级,促进VLC产业快速发展。

6.2 发挥产业区域优势,推进产业示范园区建设

广东是拥有VLC专利技术最多的省份,而省内申请量排名前十的申请人(深圳光启、东莞信大融合创新研究院、华为、中兴、华南理工大学、中山大学、华南师范大学及暨南大学等)全部位于粤港澳大湾区,并主要聚集在广深两地,在广深建设VLC产业示范园,有助于发挥其技术雄厚、机构性质分布合理等优势,加强产学研联合,进行优势互补,吸引上下游企业入驻园区,培育出具有一定规模和效益的VLC产业集群,完善VLC产业链。

6.3 加强核心技术攻关,积极参与国际标准制定

LED 器件的带宽有限、光探测器灵敏度低及VLC基带专用集成电路匮乏等因素制约了VLC技术的发展。加强核心技术攻关可以有效解决“卡脖子”技术瓶颈,抢占VLC技术竞争的制高点。日本松下与韩国三星在VLC专利数量上遥遥领先,在专利质量上也有较大优势,其中,三星公司60余件专利成为IEEE 802.15.7的标准必要专利,此外全球还有100余件专利也跟该标准相关。广东省在VLC产业发展过程中,一方面要研究这些标准专利,分析其保护范围;另一方面,要鼓励中兴、深圳市海思半导体有限公司及东莞信大融合创新研究院等参与起草VLC国家标准的广东省企业与科研机构,积极参与国际标准的制定,掌握技术话语权。

6.4 加大政策扶持力度,加速VLC芯片研发进程

研制出VLC与LED照明相结合的收发端LED通信发光芯片、宽带光源驱动芯片、新型光电转换处理等芯片是推动VLC产业化的必由之路。芯片研发耗时长、投入大,广东省需加大政策扶持力度,鼓励有实力的企业参与芯片研发,并可尝试引入科技金融,以带动社会资本和风险投资帮助企业解决资金问题,鼓励引导产学研金多界合作。

6.5 推广特定领域应用,促进VLC产业需求释放

VLC具有独特的优势,应用前景广泛,但在相当长的时间内仍会与现有通信技术共存,要实现VLC技术的全面推广应用,需要找到突破口。在短期内,VLC可以率先在传统网络通信无法覆盖或不能胜任的特定领域进行推广应用,如电磁辐射敏感(如航空、医疗)、信息保密要求高(如银行等敏感部门)、工业安全要求严格(如井下)以及特殊区域(如深海通信)等场景,采用以点带面的推广模式,充分释放需求,实现VLC产业的高速发展。