方慧風(fēng)，張 濤，谷懷民，肖 瑤，范廣涵

(1.華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣東 廣州 510631；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510000)

引言

可見光通信(visible light communication,VLC)技術(shù)是近幾年全球范圍內(nèi)興起的研究熱點，是一種利用可見光波譜進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線通信技術(shù)[1-2]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展成熟與半導(dǎo)體照明的普及，基于發(fā)光二極管(LED)的VLC技術(shù)崛起，不再局限于LED在照明領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，而是充分利用其響應(yīng)速率快、免電磁干擾、高速調(diào)制、安全可靠等優(yōu)勢，與“綠色照明”相結(jié)合，實現(xiàn)通信、照明的雙重功能[3]。

VLC的概念由日本慶應(yīng)義塾大學(xué)(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(fā)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(fā)光二極管的發(fā)展而發(fā)展，研究隊伍日漸壯大，技術(shù)日趨成熟。除日本外，在美國、中國、韓國等國家和地區(qū)LED可見光通信發(fā)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(yīng)用。

1 專利檢索與分析

本文關(guān)于LED可見光通信檢索到的全球?qū)＠麛?shù)據(jù)均來源于德溫特(DWPI)數(shù)據(jù)庫，檢索時間段為1960年1月1日至2016年12月31日，經(jīng)過關(guān)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(shù)據(jù)8 394件、去相同申請?zhí)枌＠麛?shù)據(jù)14 537件，前者用于可能涉及到技術(shù)原創(chuàng)者的分析，后者則用于可能涉及到技術(shù)目標市場的研究分析。主要通過分析全球數(shù)據(jù)和中國數(shù)據(jù)的申請趨勢、申請人、申請地區(qū)、IPC、技術(shù)生命周期等了解LED可見光通信技術(shù)的研究態(tài)勢和技術(shù)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(shù)。

1.1 全球數(shù)據(jù)分析

LED可見光通信技術(shù)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(jīng)開始了相關(guān)專利的申請，且2000年之前全球?qū)＠暾埖目倲?shù)量達到了1 600多件，呈緩慢、穩(wěn)步上升趨勢，這是因為這一時間段是空間光通信技術(shù)的興起、成長、發(fā)展階段，它是隨著激光器、光纖的研究、發(fā)明、發(fā)展而逐步成熟起來的。2000年之后的LED可見光通信技術(shù)是建立在藍色發(fā)光二極管研制成功的基礎(chǔ)之上的，呈現(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)原創(chuàng)國構(gòu)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(shù)在世界各國家和地區(qū)的專利申請量所占比例分布。從圖2可以看出，該領(lǐng)域在全球占比較大的國家和地區(qū)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(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，從另一方面也說明了LED可見光通信技術(shù)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(shù)上的發(fā)展空間。

圖3 美、日、中三國在LED可見光通信領(lǐng)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(chuàng)國家的專利申請趨勢來看，LED可見光通信技術(shù)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(xiàn)近指數(shù)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(xiàn)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(shù)產(chǎn)出國分析有所不同，后者所分析的數(shù)據(jù)不包含同族專利(專利申請人針對同一發(fā)明創(chuàng)造，在多個國家或地區(qū)之間進行專利申請或?qū)＠跈?quán)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(shù)在全球的專利布局情況，不管對專利申請國和地區(qū)還是其他國家和地區(qū)，都能從中獲得相應(yīng)的信息。如圖4所示，LED可見光通信技術(shù)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(qū)，其中日本、美國均以28%的占比領(lǐng)先于其他國家和地區(qū)，占據(jù)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(qū))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(shù)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(lǐng)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(nèi)申請人占8位，分別是清華大學(xué)、深圳光啟、華為、解放軍信息工程大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中興、東南大學(xué)和華南理工大學(xué)，國外來華申請人僅占據(jù)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(jù)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(nèi)申請人中以高校、研究機構(gòu)居多，國外來華申請人均是企業(yè)，說明中國目前就LED可見光通信技術(shù)來說主要以發(fā)展研究為主，處于技術(shù)探索階段，還未實現(xiàn)大范圍應(yīng)用，而國外在華的研究主要以市場應(yīng)用為主。

圖6 中國國內(nèi)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(nèi)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(shù)的發(fā)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(lǐng)先地位，這反映了當(dāng)?shù)卣畬ED可見光通信技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)研究的支持。

1.3 專利技術(shù)分析

在圖7全球?qū)＠麛?shù)據(jù)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(shù)據(jù)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?qū)＠麛?shù)據(jù)而言，技術(shù)重點在于光纖的傳輸、耦合及其光學(xué)元件如耦合器的安裝、光纖的連接，室內(nèi)或近距離的可見光通信系統(tǒng)等，而我國LED可見光通信主要技術(shù)點在于光信號的處理、調(diào)制、耦合及其相關(guān)發(fā)光器件的設(shè)計、組裝等，大多是研究LED可見光通信技術(shù)中涉及的分模塊或部件，對LED可見光通信整體系統(tǒng)級別的研究關(guān)注度不夠。

圖7 全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)的IPC分布Fig.7 IPC of the global patent application data

圖8 中國專利申請數(shù)據(jù)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(shù)在我國發(fā)展所經(jīng)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(shù)正處在申請人增多，專利申請數(shù)量急劇上升的成長期，這一時期由于很多高校、企業(yè)相繼投入研發(fā)，市場擴大，技術(shù)分布也比較廣，技術(shù)的集中程度相對降低。2003年之前，專利申請數(shù)量和申請人數(shù)量均在少數(shù)，且呈直線上升趨勢，但在2003年、2006年和2012年申請數(shù)量和申請人數(shù)量出現(xiàn)了短期的負增長現(xiàn)象，這一現(xiàn)象可能是由于該技術(shù)中的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)新的研究技術(shù)點，且該技術(shù)點還不成熟引起的，比如白光LED的研制、大功率發(fā)光器件研究等等?？梢灶A(yù)測，在未來幾年內(nèi)，LED可見光通信技術(shù)大體上仍將處于成長階段，不排除由于新技術(shù)點的研發(fā)而出現(xiàn)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(guān)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(lǐng)域具有一定的影響力，其申請的專利也被很多企業(yè)和研究機構(gòu)引用，對LED可見光通信的技術(shù)發(fā)展方向具有指引作用，相關(guān)申請專利的施引情況及技術(shù)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?zhí)柕臍v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(shù)量及布局情況，從細色實線可以大致了解該單位的技術(shù)研發(fā)和改進情況(結(jié)合表1)。中川研究所在LED可見光通信領(lǐng)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(nèi)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(nèi)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(fā)現(xiàn)，中川研究所不僅注重在本土的知識產(chǎn)權(quán)維護，還十分注重在國外的知識產(chǎn)權(quán)保護，特別是在歐洲、中國、德國等國家和地區(qū)。

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(tǒng)計來看，被引用頻率最高的是于2005年申請的申請?zhí)枮閁S2003532250A的專利，高達193次，該專利主要公開了一種將數(shù)據(jù)的信號疊加到半導(dǎo)體發(fā)光源的供電電力線上的調(diào)制方式。該專利總共被38家企業(yè)/研究機構(gòu)引用，其中企業(yè)占34家，研究機構(gòu)僅占4家且施引次數(shù)很少，說明中川研究所該專利中提及的技術(shù)點流向偏向于國內(nèi)外各大企業(yè)。從技術(shù)路線來看(見表1)，中川研究所在LED可見光通信領(lǐng)域主要實現(xiàn)了從LED光源、信號調(diào)制方式、數(shù)據(jù)調(diào)制方式、驅(qū)動電路、集成電路到通信裝置、設(shè)備最終走向系統(tǒng)的技術(shù)改進，由簡到繁，由淺入深，涉及到了LED可見光通信系統(tǒng)從光發(fā)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(shù)的領(lǐng)路人，該技術(shù)路線不僅為當(dāng)時的研究人員指引了技術(shù)方向，更為后來的研究者在技術(shù)方面的改進提供了新的創(chuàng)意和思路，推動著LED可見光通信技術(shù)的發(fā)展。

表1 中川研究所在LED可見光通信領(lǐng)域的技術(shù)改進情況

2 總結(jié)

全球LED可見光通信技術(shù)目前正處于快速發(fā)展時期，以美國、日本、中國為代表的專利大國占據(jù)全球90%的專利資源，對該技術(shù)領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)意識很強，不僅注重本土的知識產(chǎn)權(quán)保護，更注重該技術(shù)在世界范圍內(nèi)的專利申請、布局與維護。中國在該技術(shù)領(lǐng)域雖起步較晚，但發(fā)展速度卻快于美國、日本，在全球LED可見光通信領(lǐng)域占據(jù)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(shù)產(chǎn)業(yè)化程度不足，應(yīng)用化水平較低。通過對全球LED可見光通信專利數(shù)據(jù)的分析，深入挖掘重要申請國家、申請單位的技術(shù)點及技術(shù)路線，我國應(yīng)加強產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究，盡快實現(xiàn)從研究機構(gòu)到企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)移。另外，未來的LED可見光通信技術(shù)不能局限于模塊化的設(shè)計與改進，也要加強系統(tǒng)化研究與開發(fā)，這樣才更有利于產(chǎn)品推向應(yīng)用市場。

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