張大慶院士：從萬物互聯(lián)到萬物感知——解鎖無線信號的魔力

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第九屆萬物生長大會期間的獨角獸大會上，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等無線信號進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毫米級，突破了傳統(tǒng)攝像頭等設(shè)備的感知局限。隨著 6G 時代的臨近，他的研究成果讓手機終端實現(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，有機會在第九屆萬物生長大會，在這個非常創(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：解鎖無線信號的魔力》。今天我會介紹一下我們在智能感知方面的一些工作，將來無論是對 AI 來講，還是對具身智能和機器人來講，都是它們一個共同的基礎(chǔ)。

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無線信號感知的優(yōu)勢與應(yīng)用前景

我們每天都在利用無所不在的無線信號，無論是家里的 WiFi 信號，還是外面的 4G、5G 信號，無論我們是在居家，還是在辦公室，無論是在酒店，還是在機場，我們每天都在利用各種各樣的無線信號進行通信，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的通信功能。我們除了用無線信號的通用功能以外，還可以利用 WiFi、4G、5G 信號，在做通信的同時，對人和環(huán)境進行感知。也就是說，我們可以利用家里的 WiFi 信號，利用室外的 4G、5G 信號，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，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，因為 WiFi 信號、4G、5G 信號具有低成本的優(yōu)勢。我們的 WiFi 設(shè)備每家都已經(jīng)有了，我們的手機、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做感知。另外，和攝像頭相比，我們可以保護隱私，因為我們在家里很難想象，在衛(wèi)生間、臥室放一個攝像頭來感知一個老人，但是我們用無線信號，可以在保護隱私的情況下，對人進行感知。

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，它非侵擾，不需要像在醫(yī)院里那樣要去戴一些測心電圖這樣的電極，因此更加便利，可對人進行非侵擾的感知。

因此，有了這些優(yōu)勢以后，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。因為我國老齡化社會到來以后，很多老人是獨居的，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，可以對老人全天候 24 小時的呼吸、心率、他的活動狀態(tài)、去了多少次衛(wèi)生間等，都可以進行一個全方位感知的話，就可以解決我國老齡化社會這么一個關(guān)鍵的問題。同時，我們在醫(yī)院里做體檢的時候，要戴一堆的電極來測心電圖、血壓等，但如果用無線信號，用 4G、5G、毫米波，對人的呼吸、心率進行非接觸的感知，人們不需要穿戴任何東西，可以很自由地進行活動，這時候可以對人進行感知。

最近低空經(jīng)濟非常熱，我們想象未來滿天都是各種各樣的無人機，怎么能夠保證無人機在飛行中的正常狀態(tài)能夠得到跟蹤和監(jiān)測呢，我們現(xiàn)在考慮未來用 5G 基站、6G 基站對無人機進行全天候、全方位的監(jiān)測，它將對低空探測、低空經(jīng)濟產(chǎn)生重大的作用。同樣，無線信號布滿了整個城市、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)保等各方面的場景。

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無線信號感知的標準與原理

基于此，無線感知將成為未來一個非常重要的研究方向。一個好的消息是，經(jīng)過高校和企業(yè)界共同的努力，WiFi IEEE 802.11bf，也就是 WiFi 通信的標準今年將演化成一個感知的標準。也就是說，從今年起， WiFi 感知的標準 WiFi IEEE 802.11bf 將會發(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新的標準，這個標準將把通信和感知放入了 6G 的標準里，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，無線信號將同時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，可發(fā)射電磁波信號，接收機可以是手機，可以是任何一個具有 WiFi 或者 4G、5G 芯片的終端。電磁波信號雖然我們?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，同時也會通過天花板、地面反射到接收端，因此接收端信號是所有信號的一個線性疊加。如果在空間中沒有人的時候，雖然信號非常復(fù)雜，但是我們接收到的信號是非常穩(wěn)定的，因為環(huán)境沒有變化。

如果說，假定有一個人來到這個環(huán)境，人體本身會產(chǎn)生一些微小的活動，人就會反射電磁波信號到接收端，這時候接收端信號就會隨著人體的微小變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。比如說，人做一個動作的時候，他的信號會變成這么一個模式，而做另外一個動作的時候，他的信號模式會發(fā)生變化。如果我們能夠把接收端信號和人的行為之間形成一個一一對應(yīng)的關(guān)系，我們就可以通過監(jiān)測接收端信號的變化來反推這個人做了什么樣的動作，這就是我們做無線感知的一個基本原理。

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團隊的研究成果與突破

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

第一個問題，泛在無線感知有沒有一個通用的理論模型和理論基礎(chǔ)；第二個問題，在做泛在無線感知的時候有三大基本參數(shù)，多普勒速度、角度和距離，我們?nèi)绾螌@些參數(shù)進行準確地估計呢？第三個問題，無線信號是各種各樣的，有 WiFi 信號，有 4G、5G 信號，有毫米波信號，有藍牙信號，有 UWB 信號等，我們想知道這些信號的感知極限是什么 ？也就是每種信號能感知的最小動作是什么 ？它的感知邊界怎么估算 ？也就是給定了一對設(shè)備，它能夠感知多遠呢？它是感知一間房子，還是一套房子，還是一層樓呢？另外，它的信號質(zhì)量也需要刻畫。信號質(zhì)量好的時候，我們可以感知得很好；如果信號質(zhì)量不好，它感知得不好；我們該怎么樣去刻畫信號的質(zhì)量呢？這些問題都是理論界沒有解決的問題。

因此，我們團隊在過去 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)，我們試圖揭示無線信號感知的機理，回答剛才提到的三個基本問題：也就是感知通用理論模型，三個參數(shù)的估計，以及 WiFi 感知極限、邊界和信號質(zhì)量的刻畫。最后，我們想通過在多個不同場景，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)建實時的、連續(xù)的監(jiān)測系統(tǒng)，讓大家知道這些理論是正確可行的。

我們非常幸運，我們團隊 2015 年第一次根據(jù) 1815 年由法國科學(xué)家菲涅爾在光學(xué)的一個理論，把它引入到電磁波感知這個領(lǐng)域。我們很幸運，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，無論人處在哪個狀態(tài)、處在哪個位置，都有相應(yīng)的理論來支撐人是如何被無線信號感知的，有這么一個理論的框架。

有了這個理論以后，我們同時又提出了原創(chuàng)的如何計算速度、多普勒速度、角度、距離等一系列的公式，利用這些公式，我們可以準確地在室內(nèi)將人活動的速度、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，同時也能夠把信號的質(zhì)量做一個很好的刻畫。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，首先是面對我國具有 10 萬億規(guī)模的智慧醫(yī)療和智慧康養(yǎng)的場景，做到了在室內(nèi)對呼吸、心率、睡眠的監(jiān)測，做到了手勢識別，做到了跌倒和連續(xù)行為的識別，以及室內(nèi)定位和跟蹤。

同時，我們在兩年前也第一次提出了基于里德堡原子的量子感知原理，希望在未來可以把無線感知延伸到太空、延伸到高空，同時我們也和相關(guān)企業(yè)一起，利用 5G 基站、甚至 6G 基站，對低空的無人機進行探測和跟蹤。

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實際應(yīng)用示范與成果總結(jié)

下面，我簡單分享幾個我們在各個場景里做的一些示范系統(tǒng)，讓大家有一個初步的了解。

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

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

用普通的手機也可以對人的呼吸進行監(jiān)測。

我們也做到了國際上第一個手持一個設(shè)備進行感知。比如說，這可以用在急救的場所，假定有一個病人在大街上突然跌倒了，有一個醫(yī)生可以手拿著設(shè)備，對病人的呼吸等生命體征進行監(jiān)測。

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

也可以支持空中寫字。

我們可用 4G 信號，對電視機進行遙控。這主要是針對人機交互的方面。

我們國家老齡化社會到來以后，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)測的系統(tǒng)。同時，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，我們用無線信號也可以協(xié)助在居家做安防的系統(tǒng)。同樣，我們在室內(nèi)的跟蹤監(jiān)測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。目前這些工作是準備和華為一起合作，準備落地到華為的一些產(chǎn)品里去。

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

小結(jié)：從 2016 年起，我們團隊在國際上頂級會議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，我們也獲得了本領(lǐng)域最頂級的兩個大會的最佳論文獎和首屆 WiFi 感知大賽的全國冠軍。目前，我們在北大已經(jīng)有 50 多個國際國內(nèi)的專利，覆蓋 WiFi、4G、5G 各個無線信號的領(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)。

我們團隊經(jīng)過過去 11 年的努力，認為無線電磁波信號是一種低成本、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)濟等領(lǐng)域，都可以有很多的可能的應(yīng)用。我們團隊在過去 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，我們也實現(xiàn)了多個 WiFi、5G 感知的系統(tǒng)。

通過國內(nèi)三大運營商，我們在各個家里都部署了 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)十萬億級規(guī)模的智慧康養(yǎng)、低空經(jīng)濟等各種應(yīng)用。

我的報告到此結(jié)束，感謝大家！