張大慶院士：從萬物互聯(lián)到萬物感知——解鎖無線信號(hào)的魔力

張大慶

北京大學(xué)博雅講席教授、歐洲科學(xué)院院士、IEEE FELLOW

4月25日，在2025第九屆萬物生長(zhǎng)大會(huì)期間的獨(dú)角獸大會(huì)上，北京大學(xué)講席教授、歐洲科學(xué)院院士、IEEE FELLOW張大慶，做了題為“從萬物互聯(lián)到萬物感知：解鎖無線信號(hào)的魔力”的主旨演講。

張大慶院士是國際上最早從事情境感知的華人科學(xué)家，在情境感知領(lǐng)域已深耕二十余年，開創(chuàng)性地提出利用 WiFi、5G等無線信號(hào)進(jìn)行非接觸感知的菲涅爾區(qū)模型和理論，證明其感知精度可達(dá)毫米級(jí)，突破了傳統(tǒng)攝像頭等設(shè)備的感知局限。隨著 6G 時(shí)代的臨近，他的研究成果讓手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)隔空感知人體呼吸心跳成為可能。

以下內(nèi)容根據(jù)演講文字實(shí)錄整理。

張大慶：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位嘉賓，各位投資者和企業(yè)家朋友，大家上午好！我是北京大學(xué)的張大慶。今天，非常感謝主辦方的邀請(qǐng)，有機(jī)會(huì)在第九屆萬物生長(zhǎng)大會(huì)，在這個(gè)非常創(chuàng)新的城市杭州，給大家分享我們過去 11 年在北大做的一些創(chuàng)新的研究成果。

今天我的題目是《從萬物互聯(lián)到萬物感知：解鎖無線信號(hào)的魔力》。今天我會(huì)介紹一下我們?cè)谥悄芨兄矫娴囊恍┕ぷ鳎瑢頍o論是對(duì) AI 來講，還是對(duì)具身智能和機(jī)器人來講，都是它們一個(gè)共同的基礎(chǔ)。

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無線信號(hào)感知的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景

我們每天都在利用無所不在的無線信號(hào)，無論是家里的 WiFi 信號(hào)，還是外面的 4G、5G 信號(hào)，無論我們是在居家，還是在辦公室，無論是在酒店，還是在機(jī)場(chǎng)，我們每天都在利用各種各樣的無線信號(hào)進(jìn)行通信，與我們的家人聯(lián)系，與我們的朋友聊天。

我們可以無線上網(wǎng)，可以看視頻，主要是利用各種無線信號(hào)的通信功能。我們除了用無線信號(hào)的通用功能以外，還可以利用 WiFi、4G、5G 信號(hào)，在做通信的同時(shí)，對(duì)人和環(huán)境進(jìn)行感知。也就是說，我們可以利用家里的 WiFi 信號(hào)，利用室外的 4G、5G 信號(hào)，感知人的呼吸、心率，可以感知老人的跌倒，可以感知人的行為狀態(tài)，可以感知環(huán)境中有多少人、有沒有人等。也就是說，我們可以把無線電磁波信號(hào)從單一的無線通信功能，延伸到既可以做通信，又可以做感知。

很明顯，如果我們利用無所不在的通信信號(hào)，如果我們能夠用它做感知，可以設(shè)想它有很多可能的感知應(yīng)用，因?yàn)?WiFi 信號(hào)、4G、5G 信號(hào)具有低成本的優(yōu)勢(shì)。我們的 WiFi 設(shè)備每家都已經(jīng)有了，我們的手機(jī)、筆記本電腦、家電都鑲嵌了 WiFi 或者 4G、5G 模塊，成本非常低，不再需要購買其他的硬件，就可以利用現(xiàn)在的基站、利用終端里現(xiàn)有的芯片，就可以在做通信的同時(shí)做感知。另外，和攝像頭相比，我們可以保護(hù)隱私，因?yàn)槲覀冊(cè)诩依锖茈y想象，在衛(wèi)生間、臥室放一個(gè)攝像頭來感知一個(gè)老人，但是我們用無線信號(hào)，可以在保護(hù)隱私的情況下，對(duì)人進(jìn)行感知。

另外，我們國家大街小巷、城市鄉(xiāng)村，4G、5G 和 WiFi 幾乎是全覆蓋，因此它的覆蓋非常廣，我們不需要再部署額外的傳感器來感知，因此它是一種感知范圍非常廣的、一種非常泛在、普適的感知手段。另外，它非侵?jǐn)_，不需要像在醫(yī)院里那樣要去戴一些測(cè)心電圖這樣的電極，因此更加便利，可對(duì)人進(jìn)行非侵?jǐn)_的感知。

因此，有了這些優(yōu)勢(shì)以后，我們可以想象在未來的 5～10 年里，我們可以將之用于我國的智慧養(yǎng)老。因?yàn)槲覈淆g化社會(huì)到來以后，很多老人是獨(dú)居的，沒有辦法和子女在一起，如果我們可以用居家的 WiFi 路由器、WiFi 終端，可以對(duì)老人全天候 24 小時(shí)的呼吸、心率、他的活動(dòng)狀態(tài)、去了多少次衛(wèi)生間等，都可以進(jìn)行一個(gè)全方位感知的話，就可以解決我國老齡化社會(huì)這么一個(gè)關(guān)鍵的問題。同時(shí)，我們?cè)卺t(yī)院里做體檢的時(shí)候，要戴一堆的電極來測(cè)心電圖、血壓等，但如果用無線信號(hào)，用 4G、5G、毫米波，對(duì)人的呼吸、心率進(jìn)行非接觸的感知，人們不需要穿戴任何東西，可以很自由地進(jìn)行活動(dòng)，這時(shí)候可以對(duì)人進(jìn)行感知。

最近低空經(jīng)濟(jì)非常熱，我們想象未來滿天都是各種各樣的無人機(jī)，怎么能夠保證無人機(jī)在飛行中的正常狀態(tài)能夠得到跟蹤和監(jiān)測(cè)呢，我們現(xiàn)在考慮未來用 5G 基站、6G 基站對(duì)無人機(jī)進(jìn)行全天候、全方位的監(jiān)測(cè)，它將對(duì)低空探測(cè)、低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大的作用。同樣，無線信號(hào)布滿了整個(gè)城市、鄉(xiāng)村，無論是在智慧城市，還是在智慧工廠方面，都有很多節(jié)能、環(huán)保等各方面的場(chǎng)景。

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無線信號(hào)感知的標(biāo)準(zhǔn)與原理

基于此，無線感知將成為未來一個(gè)非常重要的研究方向。一個(gè)好的消息是，經(jīng)過高校和企業(yè)界共同的努力，WiFi IEEE 802.11bf，也就是 WiFi 通信的標(biāo)準(zhǔn)今年將演化成一個(gè)感知的標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，從今年起， WiFi 感知的標(biāo)準(zhǔn) WiFi IEEE 802.11bf 將會(huì)發(fā)布。從明年起，我們的 WiFi 芯片不僅要支持通信，也將支持感知。

兩年前，國際通信組織也通過了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將把通信和感知放入了 6G 的標(biāo)準(zhǔn)里，也就是說，我們現(xiàn)在 4G、5G 主要的功能還是通信，但我們從 6G 開始，也就是 2030 年起，無線信號(hào)將同時(shí)具有通信感知的功能。因此，我們就想知道，用 WiFi 也好，用 4G、5G 也好，它感知的基本原理是什么呢，今天我簡(jiǎn)單介紹一下。

我們知道，我們家里都有路由器，它就是發(fā)射機(jī)，可發(fā)射電磁波信號(hào)，接收機(jī)可以是手機(jī)，可以是任何一個(gè)具有 WiFi 或者 4G、5G 芯片的終端。電磁波信號(hào)雖然我們?nèi)庋劭床坏剑撬诳諝庵袀鞑ィ饕峭ㄟ^直射路徑，從發(fā)射端到接收端，同時(shí)也會(huì)通過天花板、地面反射到接收端，因此接收端信號(hào)是所有信號(hào)的一個(gè)線性疊加。如果在空間中沒有人的時(shí)候，雖然信號(hào)非常復(fù)雜，但是我們接收到的信號(hào)是非常穩(wěn)定的，因?yàn)榄h(huán)境沒有變化。

如果說，假定有一個(gè)人來到這個(gè)環(huán)境，人體本身會(huì)產(chǎn)生一些微小的活動(dòng)，人就會(huì)反射電磁波信號(hào)到接收端，這時(shí)候接收端信號(hào)就會(huì)隨著人體的微小變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。比如說，人做一個(gè)動(dòng)作的時(shí)候，他的信號(hào)會(huì)變成這么一個(gè)模式，而做另外一個(gè)動(dòng)作的時(shí)候，他的信號(hào)模式會(huì)發(fā)生變化。如果我們能夠把接收端信號(hào)和人的行為之間形成一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，我們就可以通過監(jiān)測(cè)接收端信號(hào)的變化來反推這個(gè)人做了什么樣的動(dòng)作，這就是我們做無線感知的一個(gè)基本原理。

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團(tuán)隊(duì)的研究成果與突破

在這個(gè)領(lǐng)域里，大家已經(jīng)做了 20 多年的探索，但這個(gè)領(lǐng)域里存在著三個(gè)關(guān)鍵的理論問題沒有答案：

第一個(gè)問題，泛在無線感知有沒有一個(gè)通用的理論模型和理論基礎(chǔ)；第二個(gè)問題，在做泛在無線感知的時(shí)候有三大基本參數(shù)，多普勒速度、角度和距離，我們?nèi)绾螌?duì)這些參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地估計(jì)呢？第三個(gè)問題，無線信號(hào)是各種各樣的，有 WiFi 信號(hào)，有 4G、5G 信號(hào)，有毫米波信號(hào)，有藍(lán)牙信號(hào)，有 UWB 信號(hào)等，我們想知道這些信號(hào)的感知極限是什么 ？也就是每種信號(hào)能感知的最小動(dòng)作是什么 ？它的感知邊界怎么估算 ？也就是給定了一對(duì)設(shè)備，它能夠感知多遠(yuǎn)呢？它是感知一間房子，還是一套房子，還是一層樓呢？另外，它的信號(hào)質(zhì)量也需要刻畫。信號(hào)質(zhì)量好的時(shí)候，我們可以感知得很好；如果信號(hào)質(zhì)量不好，它感知得不好；我們?cè)撛趺礃尤タ坍嬓盘?hào)的質(zhì)量呢？這些問題都是理論界沒有解決的問題。

因此，我們團(tuán)隊(duì)在過去 11 年里，試圖提出一套通用的無線感知的模型、理論和技術(shù)，通過這些模型、理論和技術(shù)，我們?cè)噲D揭示無線信號(hào)感知的機(jī)理，回答剛才提到的三個(gè)基本問題：也就是感知通用理論模型，三個(gè)參數(shù)的估計(jì)，以及 WiFi 感知極限、邊界和信號(hào)質(zhì)量的刻畫。最后，我們想通過在多個(gè)不同場(chǎng)景，在居家、在醫(yī)院、在辦公樓，在汽車座艙等各種環(huán)境，來構(gòu)建實(shí)時(shí)的、連續(xù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，讓大家知道這些理論是正確可行的。

我們非常幸運(yùn)，我們團(tuán)隊(duì) 2015 年第一次根據(jù) 1815 年由法國科學(xué)家菲涅爾在光學(xué)的一個(gè)理論，把它引入到電磁波感知這個(gè)領(lǐng)域。我們很幸運(yùn)，2015 年我們第一次在國際上提出了原創(chuàng)的基于菲涅爾區(qū)的無線感知模型和理論。在 2018 年到最近幾年，我們慢慢又完善了感知的衍射理論，也就是說，無論人處在哪個(gè)狀態(tài)、處在哪個(gè)位置，都有相應(yīng)的理論來支撐人是如何被無線信號(hào)感知的，有這么一個(gè)理論的框架。

有了這個(gè)理論以后，我們同時(shí)又提出了原創(chuàng)的如何計(jì)算速度、多普勒速度、角度、距離等一系列的公式，利用這些公式，我們可以準(zhǔn)確地在室內(nèi)將人活動(dòng)的速度、位置、軌跡等，非常清楚地刻畫出來。此外，我們也通過引入新的理論量綱，可以將無線信號(hào)的感知極限估算出來，也可以把它的感知范圍大概估算出來，同時(shí)也能夠把信號(hào)的質(zhì)量做一個(gè)很好的刻畫。基于這套理論體系，我們就可以將無線感知真正地慢慢做到落地的程度。

在過去的 11 年里，我們通過和國內(nèi)、國際上著名的頭部公司，如華為、OPPO、Vivo、英特爾、諾基亞、英飛凌等企業(yè)合作，首先是面對(duì)我國具有 10 萬億規(guī)模的智慧醫(yī)療和智慧康養(yǎng)的場(chǎng)景，做到了在室內(nèi)對(duì)呼吸、心率、睡眠的監(jiān)測(cè)，做到了手勢(shì)識(shí)別，做到了跌倒和連續(xù)行為的識(shí)別，以及室內(nèi)定位和跟蹤。

同時(shí)，我們?cè)趦赡昵耙驳谝淮翁岢隽嘶诶锏卤ぴ拥牧孔痈兄恚Ｍ谖磥砜梢园褵o線感知延伸到太空、延伸到高空，同時(shí)我們也和相關(guān)企業(yè)一起，利用 5G 基站、甚至 6G 基站，對(duì)低空的無人機(jī)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤。

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實(shí)際應(yīng)用示范與成果總結(jié)

下面，我簡(jiǎn)單分享幾個(gè)我們?cè)诟鱾€(gè)場(chǎng)景里做的一些示范系統(tǒng)，讓大家有一個(gè)初步的了解。

比如在幾個(gè)智慧家居里，通過 WiFi 信號(hào)，用家里的路由器，它可以感知一個(gè)人或者多個(gè)人的呼吸。無論人是坐著，還是躺在床上，可以遠(yuǎn)距離的讓一個(gè)人在離 WiFi 路由器 30 米以外感知到人的呼吸，這是一個(gè)世界紀(jì)錄。

除了 WiFi 信號(hào)以外，我們也嘗試用 4G、5G 信號(hào)，用 LoRA、UWB 等各種各樣的無線電磁波信號(hào)對(duì)人的各種狀態(tài)、環(huán)境、生命體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

用普通的手機(jī)也可以對(duì)人的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

我們也做到了國際上第一個(gè)手持一個(gè)設(shè)備進(jìn)行感知。比如說，這可以用在急救的場(chǎng)所，假定有一個(gè)病人在大街上突然跌倒了，有一個(gè)醫(yī)生可以手拿著設(shè)備，對(duì)病人的呼吸等生命體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，我們也可以為殘障人士提供一種人機(jī)交互的手段，也就是用 WiFi 信號(hào)可以監(jiān)測(cè)人敲摩斯碼。

也可以支持空中寫字。

我們可用 4G 信號(hào)，對(duì)電視機(jī)進(jìn)行遙控。這主要是針對(duì)人機(jī)交互的方面。

我們國家老齡化社會(huì)到來以后，有很多老人在家里，跌倒是老人的一大殺手，為此我們專門開發(fā)了跌倒監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。同時(shí)，我們可以在安防領(lǐng)域，我們知道在杭州有大華、海康威視，它們可以做安防，我們用無線信號(hào)也可以協(xié)助在居家做安防的系統(tǒng)。同樣，我們?cè)谑覂?nèi)的跟蹤監(jiān)測(cè)也做到了國際上最佳的水平，可以非常穩(wěn)定地做到在室內(nèi)有大概 20 厘米左右的跟蹤誤差。目前這些工作是準(zhǔn)備和華為一起合作，準(zhǔn)備落地到華為的一些產(chǎn)品里去。

我們也在幾個(gè)養(yǎng)老院里試運(yùn)行我們的 WiFi 感知系統(tǒng)，可以在養(yǎng)老院里 24 小時(shí)監(jiān)測(cè)老人的連續(xù)活動(dòng)，可以每分鐘、每秒鐘大概知道老人在哪個(gè)房間，在做什么，完全是用無線信號(hào)做到的。同時(shí)，我們也可以通過無線信號(hào)，在有煙有霧的情況下，把整個(gè)房間的輪廓監(jiān)測(cè)出來，同時(shí)也可以測(cè)量物體的大小，用一對(duì) WiFi 做到毫米級(jí)的精度。

小結(jié)：從 2016 年起，我們團(tuán)隊(duì)在國際上頂級(jí)會(huì)議UbiComp發(fā)表論文一直是第一，WiFi感知論文的引用數(shù)也是世界第一。同時(shí)，我們也獲得了本領(lǐng)域最頂級(jí)的兩個(gè)大會(huì)的最佳論文獎(jiǎng)和首屆 WiFi 感知大賽的全國冠軍。目前，我們?cè)诒贝笠呀?jīng)有 50 多個(gè)國際國內(nèi)的專利，覆蓋 WiFi、4G、5G 各個(gè)無線信號(hào)的領(lǐng)域，構(gòu)成了國內(nèi)最大的 WiFi 感知專利群。另外，我們也和多個(gè)醫(yī)院和養(yǎng)老地產(chǎn)公司合作，在試用我們的系統(tǒng)。

我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)過過去 11 年的努力，認(rèn)為無線電磁波信號(hào)是一種低成本、廣覆蓋的數(shù)據(jù)模態(tài)，它既可以支持萬物互聯(lián)，可以把人與人連接起來，人與物連接起來，物與物連接起來；同時(shí)又能讓萬物具有感知的功能。未來，無論是在智慧家居、智慧康養(yǎng)、智慧城市、低空經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，都可以有很多的可能的應(yīng)用。我們團(tuán)隊(duì)在過去 11 年里，建立了原創(chuàng)的泛在無線感知的理論體系，回答了無線感知領(lǐng)域最基本的幾個(gè)理論基礎(chǔ)問題。通過這些基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新，我們開發(fā)了多個(gè)感知應(yīng)用，要么是原創(chuàng)的，要么性能是國際最佳的，通過和華為、Vivo，我們也實(shí)現(xiàn)了多個(gè) WiFi、5G 感知的系統(tǒng)。

通過國內(nèi)三大運(yùn)營商，我們?cè)诟鱾€(gè)家里都部署了 WiFi 的路由器以及 WiFi 設(shè)備，5G、6G 基站將來也會(huì)在城市、鄉(xiāng)村大規(guī)模部署，因此我們提出的這些感知方法，將會(huì)和未來我們國家的通信設(shè)施融合在一起，將來可賦能未來數(shù)十萬億級(jí)規(guī)模的智慧康養(yǎng)、低空經(jīng)濟(jì)等各種應(yīng)用。

我的報(bào)告到此結(jié)束，感謝大家！