张大庆
北京大学博雅讲席教授、欧洲科学院院士、IEEE FELLOW
4月25日，在2025第九届万物生长大会期间的独角兽大会上，北京大学讲席教授、欧洲科学院院士、IEEE FELLOW张大庆，做了题为“从万物互联到万物感知：解锁无线信号的魔力”的主旨演讲。
张大庆院士是国际上最早从事情境感知的华人科学家，在情境感知领域已深耕二十余年，开创性地提出利用 WiFi、5G等无线信号进行非接触感知的菲涅尔区模型和理论，证明其感知精度可达毫米级，突破了传统摄像头等设备的感知局限。随着 6G 时代的临近，他的研究成果让手机终端实现隔空感知人体呼吸心跳成为可能。
以下内容根据演讲文字实录整理。
张大庆：各位领导，各位嘉宾，各位投资者和企业家朋友，大家上午好！我是北京大学的张大庆。今天，非常感谢主办方的邀请，有机会在第九届万物生长大会，在这个非常创新的城市杭州，给大家分享我们过去 11 年在北大做的一些创新的研究成果。
今天我的题目是《从万物互联到万物感知：解锁无线信号的魔力》。今天我会介绍一下我们在智能感知方面的一些工作，将来无论是对 AI 来讲，还是对具身智能和机器人来讲，都是它们一个共同的基础。
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无线信号感知的优势与应用前景
我们每天都在利用无所不在的无线信号，无论是家里的 WiFi 信号，还是外面的 4G、5G 信号，无论我们是在居家，还是在办公室，无论是在酒店，还是在机场，我们每天都在利用各种各样的无线信号进行通信，与我们的家人联系，与我们的朋友聊天。
我们可以无线上网，可以看视频，主要是利用各种无线信号的通信功能。我们除了用无线信号的通用功能以外，还可以利用 WiFi、4G、5G 信号，在做通信的同时，对人和环境进行感知。也就是说，我们可以利用家里的 WiFi 信号，利用室外的 4G、5G 信号，感知人的呼吸、心率，可以感知老人的跌倒，可以感知人的行为状态，可以感知环境中有多少人、有没有人等。也就是说，我们可以把无线电磁波信号从单一的无线通信功能，延伸到既可以做通信，又可以做感知。
很明显，如果我们利用无所不在的通信信号，如果我们能够用它做感知，可以设想它有很多可能的感知应用，因为 WiFi 信号、4G、5G 信号具有低成本的优势。我们的 WiFi 设备每家都已经有了，我们的手机、笔记本电脑、家电都镶嵌了 WiFi 或者 4G、5G 模块，成本非常低，不再需要购买其他的硬件，就可以利用现在的基站、利用终端里现有的芯片，就可以在做通信的同时做感知。另外，和摄像头相比，我们可以保护隐私，因为我们在家里很难想象，在卫生间、卧室放一个摄像头来感知一个老人，但是我们用无线信号，可以在保护隐私的情况下，对人进行感知。
另外，我们国家大街小巷、城市乡村，4G、5G 和 WiFi 几乎是全覆盖，因此它的覆盖非常广，我们不需要再部署额外的传感器来感知，因此它是一种感知范围非常广的、一种非常泛在、普适的感知手段。另外，它非侵扰，不需要像在医院里那样要去戴一些测心电图这样的电极，因此更加便利，可对人进行非侵扰的感知。
因此，有了这些优势以后，我们可以想象在未来的 5～10 年里，我们可以将之用于我国的智慧养老。因为我国老龄化社会到来以后，很多老人是独居的，没有办法和子女在一起，如果我们可以用居家的 WiFi 路由器、WiFi 终端，可以对老人全天候 24 小时的呼吸、心率、他的活动状态、去了多少次卫生间等，都可以进行一个全方位感知的话，就可以解决我国老龄化社会这么一个关键的问题。同时，我们在医院里做体检的时候，要戴一堆的电极来测心电图、血压等，但如果用无线信号，用 4G、5G、毫米波，对人的呼吸、心率进行非接触的感知，人们不需要穿戴任何东西，可以很自由地进行活动，这时候可以对人进行感知。
最近低空经济非常热，我们想象未来满天都是各种各样的无人机，怎么能够保证无人机在飞行中的正常状态能够得到跟踪和监测呢，我们现在考虑未来用 5G 基站、6G 基站对无人机进行全天候、全方位的监测，它将对低空探测、低空经济产生重大的作用。同样，无线信号布满了整个城市、乡村，无论是在智慧城市，还是在智慧工厂方面，都有很多节能、环保等各方面的场景。
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无线信号感知的标准与原理
基于此，无线感知将成为未来一个非常重要的研究方向。一个好的消息是，经过高校和企业界共同的努力，WiFi IEEE 802.11bf，也就是 WiFi 通信的标准今年将演化成一个感知的标准。也就是说，从今年起， WiFi 感知的标准 WiFi IEEE 802.11bf 将会发布。从明年起，我们的 WiFi 芯片不仅要支持通信，也将支持感知。
两年前，国际通信组织也通过了一个新的标准，这个标准将把通信和感知放入了 6G 的标准里，也就是说，我们现在 4G、5G 主要的功能还是通信，但我们从 6G 开始，也就是 2030 年起，无线信号将同时具有通信感知的功能。因此，我们就想知道，用 WiFi 也好，用 4G、5G 也好，它感知的基本原理是什么呢，今天我简单介绍一下。
我们知道，我们家里都有路由器，它就是发射机，可发射电磁波信号，接收机可以是手机，可以是任何一个具有 WiFi 或者 4G、5G 芯片的终端。电磁波信号虽然我们肉眼看不到，但是它在空气中传播，主要是通过直射路径，从发射端到接收端，同时也会通过天花板、地面反射到接收端，因此接收端信号是所有信号的一个线性叠加。如果在空间中没有人的时候，虽然信号非常复杂，但是我们接收到的信号是非常稳定的，因为环境没有变化。
如果说，假定有一个人来到这个环境，人体本身会产生一些微小的活动，人就会反射电磁波信号到接收端，这时候接收端信号就会随着人体的微小变化而产生相应的变化。比如说，人做一个动作的时候，他的信号会变成这么一个模式，而做另外一个动作的时候，他的信号模式会发生变化。如果我们能够把接收端信号和人的行为之间形成一个一一对应的关系，我们就可以通过监测接收端信号的变化来反推这个人做了什么样的动作，这就是我们做无线感知的一个基本原理。
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团队的研究成果与突破
在这个领域里，大家已经做了 20 多年的探索，但这个领域里存在着三个关键的理论问题没有答案：
第一个问题，泛在无线感知有没有一个通用的理论模型和理论基础；第二个问题，在做泛在无线感知的时候有三大基本参数，多普勒速度、角度和距离，我们如何对这些参数进行准确地估计呢？第三个问题，无线信号是各种各样的，有 WiFi 信号，有 4G、5G 信号，有毫米波信号，有蓝牙信号，有 UWB 信号等，我们想知道这些信号的感知极限是什么 ？也就是每种信号能感知的最小动作是什么 ？它的感知边界怎么估算 ？也就是给定了一对设备，它能够感知多远呢？它是感知一间房子，还是一套房子，还是一层楼呢？另外，它的信号质量也需要刻画。信号质量好的时候，我们可以感知得很好；如果信号质量不好，它感知得不好；我们该怎么样去刻画信号的质量呢？这些问题都是理论界没有解决的问题。
因此，我们团队在过去 11 年里，试图提出一套通用的无线感知的模型、理论和技术，通过这些模型、理论和技术，我们试图揭示无线信号感知的机理，回答刚才提到的三个基本问题：也就是感知通用理论模型，三个参数的估计，以及 WiFi 感知极限、边界和信号质量的刻画。最后，我们想通过在多个不同场景，在居家、在医院、在办公楼，在汽车座舱等各种环境，来构建实时的、连续的监测系统，让大家知道这些理论是正确可行的。
我们非常幸运，我们团队 2015 年第一次根据 1815 年由法国科学家菲涅尔在光学的一个理论，把它引入到电磁波感知这个领域。我们很幸运，2015 年我们第一次在国际上提出了原创的基于菲涅尔区的无线感知模型和理论。在 2018 年到最近几年，我们慢慢又完善了感知的衍射理论，也就是说，无论人处在哪个状态、处在哪个位置，都有相应的理论来支撑人是如何被无线信号感知的，有这么一个理论的框架。
有了这个理论以后，我们同时又提出了原创的如何计算速度、多普勒速度、角度、距离等一系列的公式，利用这些公式，我们可以准确地在室内将人活动的速度、位置、轨迹等，非常清楚地刻画出来。此外，我们也通过引入新的理论量纲，可以将无线信号的感知极限估算出来，也可以把它的感知范围大概估算出来，同时也能够把信号的质量做一个很好的刻画。基于这套理论体系，我们就可以将无线感知真正地慢慢做到落地的程度。
在过去的 11 年里，我们通过和国内、国际上著名的头部公司，如华为、OPPO、Vivo、英特尔、诺基亚、英飞凌等企业合作，首先是面对我国具有 10 万亿规模的智慧医疗和智慧康养的场景，做到了在室内对呼吸、心率、睡眠的监测，做到了手势识别，做到了跌倒和连续行为的识别，以及室内定位和跟踪。
同时，我们在两年前也第一次提出了基于里德堡原子的量子感知原理，希望在未来可以把无线感知延伸到太空、延伸到高空，同时我们也和相关企业一起，利用 5G 基站、甚至 6G 基站，对低空的无人机进行探测和跟踪。
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实际应用示范与成果总结
下面，我简单分享几个我们在各个场景里做的一些示范系统，让大家有一个初步的了解。
比如在几个智慧家居里，通过 WiFi 信号，用家里的路由器，它可以感知一个人或者多个人的呼吸。无论人是坐着，还是躺在床上，可以远距离的让一个人在离 WiFi 路由器 30 米以外感知到人的呼吸，这是一个世界纪录。
除了 WiFi 信号以外，我们也尝试用 4G、5G 信号，用 LoRA、UWB 等各种各样的无线电磁波信号对人的各种状态、环境、生命体征进行监测。
用普通的手机也可以对人的呼吸进行监测。
我们也做到了国际上第一个手持一个设备进行感知。比如说，这可以用在急救的场所，假定有一个病人在大街上突然跌倒了，有一个医生可以手拿着设备，对病人的呼吸等生命体征进行监测。
同时，我们也可以为残障人士提供一种人机交互的手段，也就是用 WiFi 信号可以监测人敲摩斯码。
也可以支持空中写字。
我们可用 4G 信号，对电视机进行遥控。这主要是针对人机交互的方面。
我们国家老龄化社会到来以后，有很多老人在家里，跌倒是老人的一大杀手，为此我们专门开发了跌倒监测的系统。同时，我们可以在安防领域，我们知道在杭州有大华、海康威视，它们可以做安防，我们用无线信号也可以协助在居家做安防的系统。同样，我们在室内的跟踪监测也做到了国际上最佳的水平，可以非常稳定地做到在室内有大概 20 厘米左右的跟踪误差。目前这些工作是准备和华为一起合作，准备落地到华为的一些产品里去。
我们也在几个养老院里试运行我们的 WiFi 感知系统，可以在养老院里 24 小时监测老人的连续活动，可以每分钟、每秒钟大概知道老人在哪个房间，在做什么，完全是用无线信号做到的。同时，我们也可以通过无线信号，在有烟有雾的情况下，把整个房间的轮廓监测出来，同时也可以测量物体的大小，用一对 WiFi 做到毫米级的精度。
小结：从 2016 年起，我们团队在国际上顶级会议UbiComp发表论文一直是第一，WiFi感知论文的引用数也是世界第一。同时，我们也获得了本领域最顶级的两个大会的最佳论文奖和首届 WiFi 感知大赛的全国冠军。目前，我们在北大已经有 50 多个国际国内的专利，覆盖 WiFi、4G、5G 各个无线信号的领域，构成了国内最大的 WiFi 感知专利群。另外，我们也和多个医院和养老地产公司合作，在试用我们的系统。
我们团队经过过去 11 年的努力，认为无线电磁波信号是一种低成本、广覆盖的数据模态，它既可以支持万物互联，可以把人与人连接起来，人与物连接起来，物与物连接起来；同时又能让万物具有感知的功能。未来，无论是在智慧家居、智慧康养、智慧城市、低空经济等领域，都可以有很多的可能的应用。我们团队在过去 11 年里，建立了原创的泛在无线感知的理论体系，回答了无线感知领域最基本的几个理论基础问题。通过这些基础理论的创新，我们开发了多个感知应用，要么是原创的，要么性能是国际最佳的，通过和华为、Vivo，我们也实现了多个 WiFi、5G 感知的系统。
通过国内三大运营商，我们在各个家里都部署了 WiFi 的路由器以及 WiFi 设备，5G、6G 基站将来也会在城市、乡村大规模部署，因此我们提出的这些感知方法，将会和未来我们国家的通信设施融合在一起，将来可赋能未来数十万亿级规模的智慧康养、低空经济等各种应用。
我的报告到此结束，感谢大家！
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