基于全球?qū)＠暯堑膹V東省可見光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與建議

陳柏興,許華鋒,葉敏忠

(廣東省科學(xué)技術(shù)情報研究所,廣東廣州 510033)

1 研究背景

近年來,隨時隨地的智能設(shè)備終端接入方式變革使無線接入網(wǎng)頻譜資源緊張的困境進(jìn)一步凸顯,拓寬頻譜資源、安全無輻射的接入方式成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的迫切需求,采用發(fā)光二極管(LED)作為光源的可見光通信(VLC)技術(shù)順應(yīng)潮流而生[1]。伴隨著LED的發(fā)展,VLC迅速引起關(guān)注[2]。VLC技術(shù)拓寬了下一代寬帶通信的頻譜[3-4],符合綠色發(fā)展理念。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比,VLC技術(shù)具有發(fā)射功率高,不占用無線電頻譜、無電磁干擾和無電磁輻射,以及綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[5-8],將在6G網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任重要的角色[9-10],推動著下一代照明和接入技術(shù)的發(fā)展[11],已成為國際通信領(lǐng)域爭相搶占的技術(shù)制高點(diǎn)。

2 發(fā)展與研究現(xiàn)狀

室內(nèi)VLC研究最先起始于日本,2000年,日本KEIO大學(xué)的Tanaka和Nakagawa等學(xué)者提出VLC的概念[12]。2003年,日本成立了可見光通信聯(lián)盟(VLCC),該聯(lián)盟迅速成長為國際性組織[13]。2004年,日本國土交通省實(shí)現(xiàn)了速率為10 Mbit/s量級的可見光傳輸[14]。歐美等國家和地區(qū)也關(guān)注并重視VLC技術(shù)的研發(fā):2008年,歐盟開展歐美加(OMEGA)項目,VLC無線通信是研究焦點(diǎn)之一;同年,美國國家科學(xué)基金會資助開展“智能照明通信”(SLC)項目[15];2009年,德國海因里希赫茲研究所將VLC傳輸速率提升至230 Mbit/s,次年,該研究所實(shí)現(xiàn)了OFDM調(diào)制信號513 Mbit/s的可見光傳輸,并于2012年首次突破1 Gbit/s[16-18];2016年,英國牛津大學(xué)和愛丁堡大學(xué)研究團(tuán)隊采用OFDM和WDM相結(jié)合,將VLC最高傳輸速率提升至10G bit/s。此外,德國不來梅國際大學(xué)、荷蘭飛利浦實(shí)驗(yàn)室及美國波斯頓大學(xué)的ERC中心、加州大學(xué)的UC-Light中心、賓州州立大學(xué)的COWA中心均是VLC主要研究機(jī)構(gòu)[19]。

國內(nèi)對VLC的研究始于2010年,起步較晚,但在各方重視及“863”國家科技計劃的支持下快速發(fā)展,解放軍信息工程大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、暨南大學(xué)、吉林大學(xué)等高?？蒲性核_展了一系列研究,也取得了一定的成果,并在一些領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。復(fù)旦大學(xué)的遲楠教授團(tuán)隊于2014年實(shí)現(xiàn)了單載波信號4.22 Gbit/s的可見光傳輸,2018年該團(tuán)隊通過采用QAM-DMT調(diào)制技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了達(dá)10.72 Gbit/s的傳輸速率[20]。2015年,解放軍信息工程大學(xué)將VLC實(shí)時通信速率提高至50 Gbit/s[21]。2019年4月1日正式實(shí)施的GB/T 36628《信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換可見光通信》標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步助推了我國VLC行業(yè)的健康發(fā)展。

3 研究方法

本文采用專利分析工具,對VLC領(lǐng)域相關(guān)專利進(jìn)行統(tǒng)計分析,所使用的專利分析工具PatSnap涵蓋了116個國家和地區(qū)超過1.5億條的專利文獻(xiàn)。通過“可見光and通信”“LED and光通信”“visible light and communication”“LED and optical communication”“l(fā)ight-based communication”“Light Fidelity”“Li-Fi、 LiFi”等關(guān)鍵詞制定相關(guān)檢索式,并通過國際專利分類(IPC)、聯(lián)合專利分類體系(CPC)分類號進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,得到全球相關(guān)的VLC專利7 213篇,檢索截止日期為2020年12月31日。

4 全球?qū)＠治?/h2>

4.1 專利申請趨勢分析

如圖1所示,自2000年日本研究團(tuán)隊提出VLC概念以來,全球VLC專利申請拉開序幕,VLC行業(yè)的全球?qū)＠暾堖M(jìn)入發(fā)展期,年申請量從2000年的15件躍升至2010年的244件。

圖1 全球VLC專利申請趨勢

2010年左右,受調(diào)制帶寬的限制,VLC遇到了傳輸速率的瓶頸,專利申請量也出現(xiàn)短暫的波動。但這一瓶頸很快被突破,2010年,德國海因里希赫茲研究所的團(tuán)隊將通信速率提高至513 Mbit/s,創(chuàng)造了世界紀(jì)錄,并申請了相關(guān)專利 EP 2425557B1[18]。此后,傳輸速率的記錄不斷刷新,2013年的專利申請量也隨之激增至569件,2014年超過了700件。

4.2 專利受理局分析

憑借2012年以后的爆發(fā)式增長,中國一躍成為全球VLC專利申請量最多的國家,申請總量為3 125件(見圖2);美國的專利申請量為1 136件,排名第二;日韓處于第三梯隊,申請量分別為804件和655件。從全球歷年的VLC專利申請量可以看出(見圖3),中美日韓4個國家在近20年間交替領(lǐng)先:在早期,日本的年申請量處于領(lǐng)先地位;2010年,韓國超過日本,領(lǐng)跑了2年后被中國取代;中國后程發(fā)力,專利申請量一騎絕塵,逐漸拉大對美日韓的優(yōu)勢;而美國在2013年后依然保持上升勢頭,成為僅次于中國的主要申請者。

圖2 全球主要國家專利局和專利組織受理VLC專利分布

圖3 中美日韓VLC專利申請趨勢

4.3 技術(shù)焦點(diǎn)分析

從圖4可以看出,86.3%的VLC專利集中在H04B10大組,該分類主要涉及可見光傳輸系統(tǒng),是可見光通信技術(shù)領(lǐng)域的專屬大組分類號。在該大組下,H04B10/116的可見光通信是更為精確的小組分類號,專利申請量為5 603件。此外,通信系統(tǒng)中的收發(fā)機(jī)及編碼調(diào)制技術(shù)對應(yīng)的小組,如H04B10/50(發(fā)射機(jī))、H04B10/516(編碼或調(diào)制原件)、H04B10/60(接收機(jī))和H04B10/40(收發(fā)器)等均是研發(fā)的熱點(diǎn)。H05B37主要涉及電光源電路,有443件專利申請,此外H05B33也涉及電光源,有192件專利申請,表明電光源是第二技術(shù)聚集點(diǎn)。H04N5主要涉及用于圖像信號傳輸?shù)目梢姽馔ㄐ?有361件專利申請。

圖4 全球VLC專利技術(shù)的分布

4.4 主要申請人排名

從圖5可以看出,在全球VLC專利申請人前十排行榜中,日本松下公司雄霸榜首;韓國三星排名第二;歐洲飛利浦公司位居第三;中國申請人占其中6席,分別為中國人民解放軍信息工程大學(xué)、深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司(以下簡稱“深圳光啟”)、華南理工大學(xué)、東南大學(xué)、中興通訊股份有限公司(以下簡稱“中興”)和華為技術(shù)有限公司(以下簡稱“華為”)。中國申請人雖占據(jù)榜單過半數(shù),但與前3名的申請數(shù)量相差甚遠(yuǎn)。

圖5 全球VLC專利申請人排名前十的專利數(shù)量

4.5 高價值重要專利

通過專利被引數(shù)、同族數(shù)、主權(quán)項數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)制定參考及行業(yè)公認(rèn)度等維度,對專利進(jìn)行加權(quán)評分,篩選出排名前十的高價值重要專利,如表1所示,主要涉及VLC的調(diào)制技術(shù)、導(dǎo)航系統(tǒng)、發(fā)送裝置與同步方法等。在這10件高價值重要專利中,3件屬于日本,韓國、德國、美國各有2件,荷蘭有1件。近年來中國雖然在VLC領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力,申請的專利數(shù)量最多,但核心技術(shù)仍然掌握在日韓美德等發(fā)達(dá)國家手中。

表1 VLC領(lǐng)域十大高價值重要專利

4.6 分析小結(jié)

(1)VLC專利申請趨于穩(wěn)定,靜待產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化。目前VLC專利年申請量穩(wěn)定在900件左右,等待著VLC產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化,以迎來專利申請量的再一次爆發(fā)。

(2)中國的VLC專利申請量后來居上,韓國逐漸趕超日本。中美日韓在近20年間的VLC專利申請量上交替領(lǐng)先:在早期,日本的VLC年申請量處于領(lǐng)先地位;2010年,韓國超過日本,領(lǐng)跑了2年后被中國取代;中國后程發(fā)力,逐漸拉大對日韓的優(yōu)勢。

(3)專利技術(shù)聚集度高,傳輸系統(tǒng)占比近九成。VLC產(chǎn)業(yè)86.3%的專利集中在H04B10大組,該分類主要涉及可見光傳輸系統(tǒng)。

(4)松下公司遙遙領(lǐng)先,中國公司表現(xiàn)不俗。松下公司以515件的VLC專利申請位列第一,申請量遙遙領(lǐng)先;在全球?qū)＠暾埲饲笆判邪裰?中國申請人占據(jù)6席。

(5)三星公司布局標(biāo)準(zhǔn)必要專利。2013年,三星公司在 IEEE 802.15工作組的組織下成立了802.15.SG7a研究組起草授權(quán)申請,將光學(xué)成像通信作為IEEE 802.15.7-2011標(biāo)準(zhǔn)的修正,三星公司的60余件專利成為IEEE 802.15.7的標(biāo)準(zhǔn)必要專利,數(shù)量較多。

5 廣東省VLC專利分析

作為VLC發(fā)光光源的LED已經(jīng)代替白熾燈成為新一代的照明技術(shù)。廣東省LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模多年穩(wěn)居全國之首,集聚了全國通信、照明產(chǎn)業(yè)半數(shù)以上的龍頭企業(yè),具有扎實(shí)的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、健全的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈,為VLC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了沃土,VLC專利申請數(shù)量累計747件,領(lǐng)跑全國。

5.1 申請趨勢

如圖6所示,廣東省從2011年開始進(jìn)行VLC專利申請,起步較晚,2012年出現(xiàn)爆發(fā)式的增長,雖在2013年出現(xiàn)了回落(深圳光啟在2012年集中申請了57件專利,次年申請量驟降至19件),但隨后又保持高速增長態(tài)勢。

圖6 廣東省VLC專利的申請趨勢

5.2 主要研發(fā)機(jī)構(gòu)

由表2可知,深圳光啟是廣東省最早申請VLC專利的機(jī)構(gòu),其專利申請集中在2011-2013年,隨后逐年減少,2017年后基本沒有再進(jìn)行該領(lǐng)域的專利申請,或因該公司改變了研發(fā)方向。其他機(jī)構(gòu)的專利申請始于2015年,表現(xiàn)特別搶眼的是華南理工大學(xué),從2015年涉足VLC后,一路保持快速增長態(tài)勢,并于2018年超越深圳光啟,成為廣東省的領(lǐng)頭羊。另,東莞信大融合創(chuàng)新研究院、中興是我國可見光通信標(biāo)準(zhǔn)的起草單位。

表2 廣東省VLC的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)

5.3 技術(shù)熱點(diǎn)分析

從IPC小組分類看(見表3),廣東省的VLC專利申請主要集中在H04B10/116(可見光通信),申請量為588件,占總專利數(shù)的78.5%;H04B10/50(發(fā)射機(jī))、H04B10/516(編碼或調(diào)制元件)、H04B10/60(接收機(jī))及H04B10/69(接收機(jī)中的電子裝置)的專利申請量也較多。

表3 廣東省VLC領(lǐng)域按IPC分類的專利數(shù)

5.4 分析小結(jié)

廣東省的VLC技術(shù)研究走在了全國前列,具有研究基礎(chǔ)扎實(shí)、專利數(shù)量多、地域性強(qiáng),但也存在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢、未形成產(chǎn)業(yè)鏈等特點(diǎn)。具體如下:(1)研究基礎(chǔ)扎實(shí)。廣東省以華南理工大學(xué)、深圳光啟等為代表的高校及企業(yè)對VLC開展了大量研究,具有良好的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài),為VLC奠定了較好的發(fā)展基礎(chǔ)。(2)VLC專利數(shù)量多。雖然廣東省的VLC專利申請起步晚,但到2012年出現(xiàn)爆發(fā)式的增長,2013年,由于龍頭企業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,專利申請數(shù)量出現(xiàn)短暫的回落,隨后進(jìn)入穩(wěn)步增長的狀態(tài)。(3)專利地域性強(qiáng)。廣東VLC專利申請數(shù)排名前十的研發(fā)機(jī)構(gòu)主要集中在廣州和深圳。(4)技術(shù)聚焦點(diǎn)較強(qiáng)。主要應(yīng)用方向是電梯、停車場、室內(nèi)定位及門禁系統(tǒng)。(5)核心專利缺失。由于缺乏科技巨頭主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,上游技術(shù)攻關(guān)受阻,下游應(yīng)用研發(fā)匱缺,VLC產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成上下游企業(yè)配合。

6 發(fā)展建議

高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的專利申請量與其產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有正相關(guān)性,短期內(nèi),盡管各自的增長并非嚴(yán)格的線性關(guān)系,但從長期來看,兩者之間呈現(xiàn)均衡發(fā)展關(guān)系[22]。專利發(fā)展對產(chǎn)業(yè)發(fā)展有明顯的促進(jìn)作用,專利技術(shù)的發(fā)展情況在一定程度上可以反映產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)VLC技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀特點(diǎn),結(jié)合廣東省實(shí)際情況,對廣東省VLC產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出以下建議。

6.1 制訂產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃,推動VLC技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展

VLC技術(shù)的普遍應(yīng)用會促使嶄新的LED信息化時代的到來,同時,攝像頭和光感二極管等光電器件將被廣泛植入照明及移動終端。良好的LED照明產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)使廣東在VLC技術(shù)應(yīng)用和推廣方面具有先天優(yōu)勢,統(tǒng)籌制定適合廣東VLC產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃,將帶動照明LED產(chǎn)業(yè)升級,促進(jìn)VLC產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

6.2 發(fā)揮產(chǎn)業(yè)區(qū)域優(yōu)勢,推進(jìn)產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)建設(shè)

廣東是擁有VLC專利技術(shù)最多的省份,而省內(nèi)申請量排名前十的申請人(深圳光啟、東莞信大融合創(chuàng)新研究院、華為、中興、華南理工大學(xué)、中山大學(xué)、華南師范大學(xué)及暨南大學(xué)等)全部位于粵港澳大灣區(qū),并主要聚集在廣深兩地,在廣深建設(shè)VLC產(chǎn)業(yè)示范園,有助于發(fā)揮其技術(shù)雄厚、機(jī)構(gòu)性質(zhì)分布合理等優(yōu)勢,加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合,進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ),吸引上下游企業(yè)入駐園區(qū),培育出具有一定規(guī)模和效益的VLC產(chǎn)業(yè)集群,完善VLC產(chǎn)業(yè)鏈。

6.3 加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān),積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定

LED 器件的帶寬有限、光探測器靈敏度低及VLC基帶專用集成電路匱乏等因素制約了VLC技術(shù)的發(fā)展。加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)可以有效解決“卡脖子”技術(shù)瓶頸,搶占VLC技術(shù)競爭的制高點(diǎn)。日本松下與韓國三星在VLC專利數(shù)量上遙遙領(lǐng)先,在專利質(zhì)量上也有較大優(yōu)勢,其中,三星公司60余件專利成為IEEE 802.15.7的標(biāo)準(zhǔn)必要專利,此外全球還有100余件專利也跟該標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)。廣東省在VLC產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中,一方面要研究這些標(biāo)準(zhǔn)專利,分析其保護(hù)范圍;另一方面,要鼓勵中興、深圳市海思半導(dǎo)體有限公司及東莞信大融合創(chuàng)新研究院等參與起草VLC國家標(biāo)準(zhǔn)的廣東省企業(yè)與科研機(jī)構(gòu),積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定,掌握技術(shù)話語權(quán)。

6.4 加大政策扶持力度,加速VLC芯片研發(fā)進(jìn)程

研制出VLC與LED照明相結(jié)合的收發(fā)端LED通信發(fā)光芯片、寬帶光源驅(qū)動芯片、新型光電轉(zhuǎn)換處理等芯片是推動VLC產(chǎn)業(yè)化的必由之路。芯片研發(fā)耗時長、投入大,廣東省需加大政策扶持力度,鼓勵有實(shí)力的企業(yè)參與芯片研發(fā),并可嘗試引入科技金融,以帶動社會資本和風(fēng)險投資幫助企業(yè)解決資金問題,鼓勵引導(dǎo)產(chǎn)學(xué)研金多界合作。

6.5 推廣特定領(lǐng)域應(yīng)用,促進(jìn)VLC產(chǎn)業(yè)需求釋放

VLC具有獨(dú)特的優(yōu)勢,應(yīng)用前景廣泛,但在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍會與現(xiàn)有通信技術(shù)共存,要實(shí)現(xiàn)VLC技術(shù)的全面推廣應(yīng)用,需要找到突破口。在短期內(nèi),VLC可以率先在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信無法覆蓋或不能勝任的特定領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用,如電磁輻射敏感(如航空、醫(yī)療)、信息保密要求高(如銀行等敏感部門)、工業(yè)安全要求嚴(yán)格(如井下)以及特殊區(qū)域(如深海通信)等場景,采用以點(diǎn)帶面的推廣模式,充分釋放需求,實(shí)現(xiàn)VLC產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。