IEEE Fellow張大慶：6G時(shí)代，Wi-Fi不再是Wi-Fi

2018 年年初，天津一所養(yǎng)老院的老年公寓安裝了一個(gè) Wi-Fi 路由器和兩個(gè) Wi-Fi 小設(shè)備在房間內(nèi)。張大慶教授在他北大辦公室的筆記本電腦前，觀察著通過 Wi-Fi實(shí)時(shí)傳輸過來的公寓中老人的位置、活動(dòng)狀態(tài)和呼吸率等，并跟房間內(nèi)常規(guī)的監(jiān)護(hù)設(shè)備信息進(jìn)行比較。

這是張大慶在評估團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基于 Wi-Fi 設(shè)備的非接觸健康感知系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過 Wi-Fi 的感知和通信能力，張大慶得以遠(yuǎn)程知曉老人的呼吸、睡眠和行走等實(shí)時(shí)狀態(tài)。

“我們通過利用無處不在的 Wi-Fi 信號，分析老人活動(dòng)和被活動(dòng)影響的 Wi-Fi 信號波動(dòng)模式之間的關(guān)系，來識別老人的活動(dòng)狀態(tài)，這就是無線感知?！睆埓髴c解釋道。

張大慶是國際上最先研究情境感知的華人學(xué)者之一，2014 年回國加入北大后，一直致力于智能無線感知領(lǐng)域的研究。2018 年當(dāng)選 IEEE Fellow，2019 年當(dāng)選歐洲科學(xué)院外籍院士，至今谷歌學(xué)術(shù)被引數(shù)超過兩萬四千次。

智能無線感知是一種利用泛在無線信號，對環(huán)境中的人和物實(shí)現(xiàn)感知的技術(shù)，這些無線信號來自我們生活中所部署的各種無線設(shè)備，包括 Wi-Fi、4G/5G、RFID 和藍(lán)牙設(shè)備等等，它們原本的任務(wù)是無線通信、實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

過去在學(xué)術(shù)界，通信和感知其實(shí)是兩個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域。通信領(lǐng)域的學(xué)者主要研究通信機(jī)理，關(guān)注信號該如何設(shè)計(jì)、處理能使傳輸效率更高、信號覆蓋更廣、性能更穩(wěn)定等問題；而感知領(lǐng)域的學(xué)者則主要關(guān)注雷達(dá)感知和用 Wi-Fi 等無線信號做定位；通信與感知二者之間的關(guān)系更趨同于是“共存”，還會(huì)存在對頻譜等資源的競爭。

隨著“萬物智聯(lián)”時(shí)代的加速來臨，5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向 6G 邁進(jìn)，感知也將成為 6G 一個(gè)重要的新特性，“通信感知一體化（ISAC）”概念被提出，吸引了國內(nèi)外一眾科學(xué)家和工業(yè)界學(xué)者投身其中，張大慶也是求索隊(duì)伍中的一員。

經(jīng)過過去八年在無線感知領(lǐng)域的耕耘，張大慶的目標(biāo)變得日益清晰、堅(jiān)定：構(gòu)建原創(chuàng)的泛在無線感知理論技術(shù)體系，最終實(shí)現(xiàn)感知、計(jì)算和通信無處不在。

01 起點(diǎn)：智慧家居

***剛過，張大慶在工作時(shí)接到了一個(gè)遠(yuǎn)渡重洋的電話。

電話是從意大利打過來的，張大慶申請的意大利導(dǎo)師委托同校一位天津大學(xué)的訪問學(xué)者聯(lián)系到他，希望張大慶能盡快加入自己羅馬大學(xué)的團(tuán)隊(duì)攻讀博士。

放下電話，張大慶很興奮，他等這個(gè)回復(fù)已很久了。張大慶交接完手里的工作，很快就辦好了赴意大利留學(xué)的簽證。

那時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯研究在全球正迎來一個(gè)發(fā)展的熱潮，張大慶也由國內(nèi)從事的并行處理和分布處理、改變?yōu)檫@一新興的研究方向。1996年，張大慶取得了羅馬大學(xué)的博士學(xué)位，并到新加坡國立大學(xué)從事博士后研究。

起初，張大慶聚焦在計(jì)算機(jī)控制的研究中，直到 2000 年一次偶然的機(jī)會(huì)，讓他轉(zhuǎn)向了基于Wi-Fi 和 Bluetooth 的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究。也是在這里，張大慶第一次與“感知”相遇了。

當(dāng)時(shí)，張大慶已經(jīng)進(jìn)入新加坡資訊通信研究院（I2R）工作，I2R 隸屬新加坡科技研究局，跟許多國際機(jī)構(gòu)和企業(yè)都有合作，他在 I2R 接觸到的第一個(gè)項(xiàng)目，就是給英特爾和美國國家半導(dǎo)體兩家企業(yè)做家庭網(wǎng)關(guān)（Home Gateway）的參考設(shè)計(jì)。期間，國內(nèi)的中興、華為等企業(yè)曾專門去到他的實(shí)驗(yàn)室訪問合作，這項(xiàng)工作也引起了新加坡政府的關(guān)注。

新加坡是最早推行智慧化的國家之一，2002 年新加坡資訊通信發(fā)展局（IDA）發(fā)布了智能家居（Connected Home）的藍(lán)圖，考慮到張大慶在家庭網(wǎng)關(guān)方面的經(jīng)歷，便邀請他加入、擔(dān)任 IDA 智慧家居工作組技術(shù)負(fù)責(zé)人，并在不久后又啟動(dòng)了智能社區(qū)（Connected Community）項(xiàng)目。

兩個(gè)項(xiàng)目的成功落地讓 I2R 看到了新方向的機(jī)會(huì)。2003 年，I2R 正式成立智慧家居實(shí)驗(yàn)室，張大慶任實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始主任，一年后又擔(dān)任了情境感知系統(tǒng)研究部的創(chuàng)始部長。

那時(shí)的張大慶做過硬件、又做過軟件，但在智能家居的研究中他發(fā)現(xiàn)，服務(wù)是智能家居至關(guān)重要的一環(huán)，“所謂的智能，就是要能感知所處的情境、并根據(jù)不同的情境來提供相應(yīng)的智能服務(wù)?！?/p>

沿著這個(gè)思路，張大慶很快發(fā)現(xiàn)了“普適計(jì)算”這個(gè)新興的研究方向。普適計(jì)算強(qiáng)調(diào)“計(jì)算、感知、通信無處不在，計(jì)算和環(huán)境融為一體”，是施樂公司 PARC 研究中心首席科學(xué)家 Mark Weiser 于 1991 年提出的愿景，他在論文“The Computer for the 21st Century”中寫道：「最影響深遠(yuǎn)的技術(shù)應(yīng)該是那些消失的技術(shù)（The most profound technologies are those that disappear）」，大膽設(shè)想了未來“看不見的計(jì)算”會(huì)成為人們生活的一部分。

當(dāng)時(shí)，國際上不少高校如麻省理工、喬治亞理工、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、昆士蘭大學(xué)等都先后發(fā)布了相應(yīng)的情境模型，但許是期待值過高，張大慶興致勃勃地研究后卻發(fā)現(xiàn)，結(jié)果并沒有很驚艷，這些模型大部分存在表達(dá)性差、無法支撐情境推理等不足。

張大慶決定，以提出一個(gè)更有效的情境模型為突破口，作為他進(jìn)入普適計(jì)算領(lǐng)域的第一個(gè)研究問題。那段時(shí)間里，張大慶經(jīng)常和團(tuán)隊(duì)開會(huì)討論，其他與計(jì)算機(jī)相關(guān)的領(lǐng)域也成為他尋找靈感的途徑。

一次，張大慶在網(wǎng)上讀到有關(guān)“語義網(wǎng)”的最新發(fā)展，當(dāng)中提到了“Web Ontology（本體）”的概念。在語義網(wǎng)中，Ontology 用于定義概念和描述各種資源之間的關(guān)系。

“這就相當(dāng)于定義了一個(gè)概念字典，又能利用關(guān)系做推理?！边@給了他極大的啟發(fā)。張大慶立即和團(tuán)隊(duì)討論如何將 Ontology 的概念應(yīng)用到情境建模中，提出了一個(gè)基于“Web Ontology Language（OWL）”標(biāo)準(zhǔn)的層次情境模型 CONON，并在 CONON 的基礎(chǔ)之上構(gòu)建了情境中間件 Semantic Space 和 SOCAM，可對情境進(jìn)行推理和一致性檢查，并能支持對情境感知應(yīng)用的快速敏捷開發(fā)。

論文地址：http://www-public.tem-tsp.eu/~zhang_da/pub/ontology-wang-2004.pdf

這個(gè)基于 OWL 的情境模型很快被國際普適計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、服務(wù)計(jì)算領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)界廣泛采用，并在 2013 年獲得 IEEE PerCom 2013 “十年最具影響力論文獎(jiǎng)”，至今已被引用超過 2600 次。2018 年，該模型成為智慧城市領(lǐng)域知識本體模型國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 36332-2018），2020 年被認(rèn)定為智慧城市知識管理國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC 30145-2： 2020）。

2007 年，在法國巴黎國立電信學(xué)院的邀請下，張大慶前往法國，任一級終身教授，并創(chuàng)建了 ALPS（Ambient Intelligence and Pervasive System Group）實(shí)驗(yàn)室。

雖然身在海外，但從 2003 年開始，張大慶也跟國內(nèi)許多高校如清華、西工大、浙大、北大等保持密切合作，為國內(nèi)培養(yǎng)了一大批普適計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的優(yōu)秀學(xué)者。

作為國際上率先提出基于OWL的情境模型和中間件的學(xué)者，基于在移動(dòng)和泛在情境感知系統(tǒng)領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)，張大慶于 2018 年當(dāng)選為 IEEE Fellow，2019年當(dāng)選歐洲科學(xué)院外籍院士。

02 「看不見」的感知

2014 年，張大慶回國加入了北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院。

起初，張大慶的計(jì)劃是延續(xù)在法國的研究，繼續(xù)從事群智感知和感知大數(shù)據(jù)分析方向。

那幾年，隨著智能手機(jī)的普及和全球網(wǎng)民數(shù)量突破30億，大數(shù)據(jù)躋身為一種新的經(jīng)濟(jì)資產(chǎn)類別，因其巨大的研究和落地價(jià)值而受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。張大慶在這個(gè)領(lǐng)域中深耕多年，產(chǎn)出了不少領(lǐng)域頗具影響力的科研成果。

但加入北大后，張大慶發(fā)現(xiàn)，相比于火熱的大數(shù)據(jù)分析方向，作為普適計(jì)算關(guān)鍵問題之一的無線感知研究頗具應(yīng)用前景、卻還處于研究初期。

無線感知屬于情境感知研究的一個(gè)分支，利用泛在無線信號對人和環(huán)境進(jìn)行感知，信號從發(fā)送端發(fā)出，以波的形式傳播到接收端。我們可以想象在池塘內(nèi)扔進(jìn)一顆石子，水波紋呈環(huán)狀向外擴(kuò)散，無線信號也是這樣傳播的。

在傳播過程中，無線信號受環(huán)境中地面、墻體、人體等因素影響，經(jīng)直射、反射、散射等多條路徑最終達(dá)到接收端，其接收到的信號也就包含了環(huán)境信息。通過觀察和分析所接受信號變化的特征，就能實(shí)現(xiàn)對人的行為或環(huán)境變化的感知。作為物聯(lián)網(wǎng)和AI領(lǐng)域的一個(gè)交叉研究方向，無線感知有望對居家養(yǎng)老、醫(yī)療健康帶來顛覆性的變革。

以Wi-Fi感知為例，就在張大慶回國的前一年，華盛頓大學(xué)（UW）研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了 WiSee 系統(tǒng)，利用Wi-Fi無線射頻的多普勒效應(yīng)（目標(biāo)靠近或遠(yuǎn)離無線設(shè)備都會(huì)引起無線信號頻率的改變），在居家環(huán)境實(shí)現(xiàn)對9種手勢的識別，平均識別率高達(dá)94%。

隨后，國內(nèi)許多高校也有相應(yīng)成果發(fā)布，如香港科技大學(xué)基于 Wi-Fi 的口型識別系統(tǒng)，清華大學(xué)的 Wi-Fi 虛擬圍欄系統(tǒng)，南京大學(xué)用 Wi-Fi 信號識別按鍵輸入。..。..從學(xué)術(shù)角度看，這些研究工作相當(dāng)新穎、令人鼓舞。

“但從商用角度來說，系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性始終無法保證，以至于從 2000 年以來Wi-Fi室內(nèi)定位一直無法普及。”難題梗塞在前，張大慶萌生了理解無線感知機(jī)理、回答無線感知系統(tǒng)最基本理論問題的想法。

在中國科學(xué)院院士楊芙清、梅宏教授和北京大學(xué)軟件所所長謝冰教授的鼎力支持下，張大慶帶著3位軟件工程專業(yè)的博士生，正式投入到了無線感知的探索中。

隨著老齡化社會(huì)的到來，居家養(yǎng)老健康問題受到了極大的關(guān)注。張大慶團(tuán)隊(duì)選擇的第一個(gè)場景，就是從居家養(yǎng)老入手，研究基于Wi-Fi信號檢測老人跌倒的問題。

在以往的跌倒檢測研究中，普遍采用的方法是將人的各種行為進(jìn)行手工切分，再進(jìn)行識別，這就導(dǎo)致了模型在現(xiàn)實(shí)場景中會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定、魯棒性難以保證等問題。為此，張大慶從一開始就決定，對老人自然、連續(xù)的日常活動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)切割、自動(dòng)跌倒行為識別，以便針對落地中所面臨的真實(shí)問題。

通過利用Wi-Fi設(shè)備中可采集的細(xì)粒度通道狀態(tài)信息（CSI） 的相位和振幅，張大慶團(tuán)隊(duì)提出了 RT-fall 系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)分割和檢測跌倒的目標(biāo)，不需要老人攜帶任何設(shè)備，也可以對其日?；顒?dòng)進(jìn)行持續(xù)檢測。他們在研究中發(fā)現(xiàn)，解決商用Wi-Fi感知的一個(gè)理想基信號正是兩個(gè)天線的相位差；同時(shí)，環(huán)境變化、人的位置和朝向變動(dòng)、Wi-Fi設(shè)備移動(dòng)等，都會(huì)導(dǎo)致無線接收信號模式發(fā)生改變，從而影響感知系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

張大慶告訴雷峰網(wǎng)，不僅是跌倒檢測，幾乎所有無線感知應(yīng)用，如呼吸檢測、手勢識別、鍵盤輸入、口型識別等，都對感知目標(biāo)位置、朝向、速度和Wi-Fi設(shè)備位置等參數(shù)存在依賴性問題，即使微小的參數(shù)變化都會(huì)影響感知結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?！耙簿褪钦f，同一個(gè)行為換個(gè)方向、換個(gè)環(huán)境，系統(tǒng)就無法有效工作了；需要重新采集數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，魯棒性和穩(wěn)定性很難保證，也就不可能產(chǎn)品化?！?/p>

無線感知有無一個(gè)通用的感知模型？為什么會(huì)有位置、朝向依賴性問題 ？無線感知的極限和邊界在哪里？不同無線信號的感知能力是否是一致的？。..。..面對諸多待解答的問題，張大慶認(rèn)為，由于無線感知背后的機(jī)理尚未弄清楚，因此距離真正的落地也還很遙遠(yuǎn)。

針對領(lǐng)域這些最基本的理論問題，張大慶和團(tuán)隊(duì)開始了對無線感知理論和機(jī)理的探索研究。

03 構(gòu)建「泛在」 無線感知理論體系

在基于Wi-Fi CSI 的非接觸行為感知研究中，長期存在著一個(gè)隱藏的假設(shè)：信號模式變化與人的行為模式之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系，但關(guān)于信號是怎么受人的行為、設(shè)備位置和環(huán)境的影響而發(fā)生變化，并沒有一個(gè)通用模型來刻畫。

當(dāng)時(shí)，已有的研究都是基于實(shí)際部署場景中的應(yīng)用來觀察信號變化，通過模式識別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。張大慶最初也是這么做的，“但后面發(fā)現(xiàn)這種模式的規(guī)律不僅很辛苦，而且即便我們花了一年多時(shí)間采集數(shù)據(jù)、調(diào)整參數(shù)，效果也沒有特別穩(wěn)定。”于是，張大慶開始思考能否從物理模型入手，把電磁波信號在真實(shí)環(huán)境的傳播規(guī)律刻畫出來，以便直觀地分析信號變化背后的性質(zhì)特征。

張大慶帶著團(tuán)隊(duì)翻找了國際和國內(nèi)的許多專著、論文，在相關(guān)研究領(lǐng)域的研究里面找靈感。

一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，彼時(shí)還在跟隨張大慶讀博的吳丹在一本通信教科書上看到了關(guān)于菲涅爾區(qū)模型（Frensnel Zone Model）的介紹。菲涅爾區(qū)是是光學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的概念，但在無線通信的教科書里，卻常常只有兩三頁簡單帶過，有的甚至不會(huì)專門提及，更別說在感知領(lǐng)域里也從未有人應(yīng)用過。

但吳丹發(fā)現(xiàn)，這個(gè)模型很細(xì)致，或許可以應(yīng)用到Wi-Fi感知中解決定位精度較低的問題，便趕緊去找張大慶一起討論。

他們越聊越激動(dòng)，并很快將菲涅爾區(qū)模型和信號干涉原理相結(jié)合，引入到無線感知的研究中，吳丹負(fù)責(zé)感知人的位置和行走方向等大尺度活動(dòng)，團(tuán)隊(duì)里的另一位博士王皓則是將菲涅爾區(qū)模型應(yīng)用到小尺度的人體呼吸檢測，通過實(shí)驗(yàn)，很快驗(yàn)證了室內(nèi)環(huán)境菲涅爾區(qū)的存在，還揭示了人體在反射區(qū)域大尺度、小尺度活動(dòng)對無線信號影響的性質(zhì)和規(guī)律。..。..

“這個(gè)模型太神奇了，一下子讓我們把無線感知許多事看明白了?！睆埓髴c告訴雷峰網(wǎng)。

所謂菲涅爾區(qū)模型，指的是以收發(fā)設(shè)備兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的一系列同心橢圓，一個(gè)橢圓與之相鄰的另一個(gè)橢圓之間邊界距離差為波長級（對Wi-Fi信號為厘米級）。物體在菲涅爾區(qū)中活動(dòng)時(shí)，因接收信號是收發(fā)設(shè)備間直射信號和經(jīng)物體反射信號的一個(gè)疊加，張大慶團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了當(dāng)中直觀有趣的性質(zhì)：

當(dāng)物體跨越每個(gè)菲涅爾區(qū)邊界時(shí)，接收信號會(huì)以波峰或波谷的形式出現(xiàn)；由于橢圓不均勻的特性，同樣的物體運(yùn)動(dòng)在不同方向所切割的菲涅爾區(qū)波峰波谷數(shù)量不等；而沿著橢圓運(yùn)動(dòng)的物體，因反射信號路徑長度保持不變，最終接收的信號也會(huì)穩(wěn)定不變。

菲涅爾區(qū)模型：P1 和 P2 可看作一對無線信號的收發(fā)設(shè)備，最內(nèi)層的橢圓為第一菲涅爾區(qū)

試想一下，將Wi-Fi收發(fā)設(shè)備的兩個(gè)天線作為菲涅爾區(qū)的兩個(gè)焦點(diǎn)，菲涅爾區(qū)是以兩個(gè)焦點(diǎn)為中心的層層橢圓。人在菲涅爾區(qū)中做手勢，此時(shí)手所處的位置、朝向都會(huì)切割相應(yīng)的橢圓邊界，影響信號的波形。當(dāng)手勢與橢圓邊界平行方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，波峰波谷數(shù)減少；與橢圓邊界垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則波峰數(shù)增加。

相同手勢在不同位置引起的信號波動(dòng)

通過引入菲涅爾區(qū)模型，張大慶團(tuán)隊(duì)展示了物體在不同位置、朝向活動(dòng)時(shí)接收信號模式與波長間的內(nèi)在聯(lián)系，在國際上首次提出物體的活動(dòng)位置、朝向、大小、Wi-Fi收發(fā)設(shè)備位置與無線接收信號之間的關(guān)系模型，解釋了人在做出相同動(dòng)作時(shí)、會(huì)因位置、朝向、大小和速度變化而帶來不同的信號模式和信號質(zhì)量，揭示了各種感知參數(shù)對無線信號時(shí)域特征與頻域特征的影響。

在將菲涅爾區(qū)模型應(yīng)用到Wi-Fi檢測人體呼吸和室內(nèi)行走的研究時(shí)，張大慶團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步發(fā)掘了Wi-Fi多天線、多載波的性質(zhì)，在“Human respiration detection with commodity wifi devices： do user location and body orientation matter”工作中，研究了人的呼吸對無線接收信號的影響，將呼吸深度、身體位置和方向與呼吸可檢測性聯(lián)系起來。

這項(xiàng)工作于 2016 年發(fā)表在 UbiComp 會(huì)議上，對無線感知研究產(chǎn)生了極大的影響力，也奠定了用 Wi-Fi 信號感知人體毫米級行為的理論基礎(chǔ)。

論文地址：http://www-public.tem-tsp.eu/~zhang_da/pub/Daqing%202016%20UbiComp%20respiration.pdf

2017 年年初，張大慶團(tuán)隊(duì)在天津建造了無線感知實(shí)驗(yàn)室，一邊在屏蔽房做大量的理論模型驗(yàn)證，另一邊又在多個(gè)真實(shí)居家環(huán)境對人體呼吸、入侵、活躍度、行走軌跡和定位等多個(gè)應(yīng)用進(jìn)行長期的測試，團(tuán)隊(duì)經(jīng)常一去天津就是十天半月。張大慶回憶，“在屏蔽房用鐵板、滑軌做了大量的模型驗(yàn)證，根據(jù)菲涅爾區(qū)模型觀測到的接收信號特別理想，通過和真實(shí)環(huán)境得到的接收信號不斷對比，讓團(tuán)隊(duì)對無線感知的模型和原理有了很深的認(rèn)識?！?/p>

美國東北大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院院長、ACM Fellow Gregory Abowd 到北京大學(xué)訪問，親自測試 Wi-Fi 跌倒檢測系統(tǒng)

有了菲涅爾區(qū)模型來理解無線感知的機(jī)理和多個(gè)可長期運(yùn)行的Wi-Fi感知應(yīng)用系統(tǒng)，張大慶還并不滿足于此。

“我們只清楚了 Wi-Fi 感知的一部分機(jī)理，但Wi-Fi信號的感知極限和感知范圍是什么 ？Wi-Fi信號的感知質(zhì)量該如何刻畫 ？UWB、毫米波雷達(dá)、LoRa、5G等等都是電磁波，各種信號做感知時(shí)哪個(gè)性能最好？什么條件下最好？理想的電磁波形狀是正弦波、脈沖，還是鋸齒波？這些問題沒有人回答?！?/p>

用電磁波感知也不是萬能的，“但設(shè)計(jì)無線感知應(yīng)用的時(shí)候，要真正理解技術(shù)適用的假設(shè)條件和邊界，選擇參數(shù)應(yīng)該要有理論指導(dǎo)?！辈荒軆H停留在對單個(gè)應(yīng)用的研究和實(shí)現(xiàn)當(dāng)中。

構(gòu)建泛在無線感知基礎(chǔ)理論體系是一個(gè)大工程。張大慶清醒地認(rèn)識到，這些探索可能無法全部落地商用，但從長遠(yuǎn)來看，它們對領(lǐng)域具有很重要的價(jià)值。

04 通信感知一體化

一直以來，無線通信和感知沿平行的道路發(fā)展，被視為兩個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域。以 Wi-Fi 為例，Wi-Fi 的通信協(xié)議起始于 1997 年，利用 Wi-Fi 信號進(jìn)行室內(nèi)定位則始于 2000 年。

當(dāng)時(shí)，隨著張大慶團(tuán)隊(duì)對感知研究范圍的擴(kuò)大，他注意到無線感知技術(shù)中有一個(gè)關(guān)鍵限制，短傳感。雖然在室內(nèi) Wi-Fi 的通信范圍為幾十米，但其對人的行為感知的范圍只有幾米。

如何克服無線感知距離近的問題，將感知范圍大幅提高？

張大慶團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了兩種原創(chuàng)方案：一種是通過在時(shí)域、頻域和空域?qū)o線信號進(jìn)行融合，可將 Wi-Fi 感知的范圍從幾米擴(kuò)展到幾十米；另一種是通過采用遠(yuǎn)距離的無線通信信號，比如 LoRa、4G，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)感知。

LoRa 是一種專為物聯(lián)網(wǎng)通信而設(shè)計(jì)的新型遠(yuǎn)程通信技術(shù)，由 Semtech 公司開發(fā)，與其它無線信號相比，具有低能耗、低成本、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢。

在此之前，LoRa 一直是以“通信”的面貌示人，并不支持感知功能。

張大慶團(tuán)隊(duì)將 LoRa 信號用于感知，在“Exploring LoRa for Long-range Through-wall Sensing”中，提出了一個(gè)基于 LoRa 信號的感知技術(shù)，利用LoRa接收端配置的雙天線，設(shè)計(jì)了基于兩個(gè)天線信號商的感知模型，可有效消除基帶信號以及收發(fā)不同步帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)了在25米范圍內(nèi)監(jiān)測人體呼吸狀況，和在更大范圍跟蹤人的行走軌跡。

這項(xiàng)研究取得了 LoRa 遠(yuǎn)距離感知呼吸的國際最佳性能，一舉拿下了去年 ACM UbiComp 2021 的杰出論文獎(jiǎng)。今年團(tuán)隊(duì)因在移動(dòng)無線感知方面的突破，又獲得了 ACM MobiCom 2022 的最佳論文獎(jiǎng)（Best Paper Runner-Up）。

如今，隨著張大慶團(tuán)隊(duì)將各種無線感知技術(shù)應(yīng)用在智慧養(yǎng)老、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、安防等領(lǐng)域，工業(yè)界對無線感知領(lǐng)域的關(guān)注度持續(xù)上升，如華為、Intel 等企業(yè)都與張大慶團(tuán)隊(duì)合作，致力于推出第一代無線非接觸感知的產(chǎn)品。

2020年9月，華為、Intel 等多家國際企業(yè)共同成立了 IEEE 802.11無線感知小組，正式提出了推動(dòng) Wi-Fi 感知標(biāo)準(zhǔn) 802.11bf 提案規(guī)劃，并計(jì)劃于 2024 年完成標(biāo)準(zhǔn)制訂。另一邊，關(guān)于 6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的研究也在國際上如火如荼地展開，除了更高效的通信功能，泛在智能感知被廣泛認(rèn)為是 6G 的一個(gè)重要特性。

在萬物互聯(lián)、萬物智聯(lián)的浪潮推動(dòng)下，近年來通信感知一體化已成為業(yè)界的共識。無線感知領(lǐng)域的學(xué)者們?nèi)鐝埓髴c，對通信感知融合在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分樂觀。

當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)無線通信感知一體化，還面臨著許多挑戰(zhàn)。在即將到來的 CNCC 2022 大會(huì)上，張大慶將作為“感知通信融合：挑戰(zhàn)與機(jī)遇”論壇主席，并做《通信感知一體化設(shè)計(jì)：問題、挑戰(zhàn)和展望》的報(bào)告。

張大慶指出，挑戰(zhàn)之所以存在，其根本原因就在于，泛在無線信號在設(shè)計(jì)之初是圍繞無線通信提出的，感知功能并未納入其考量范圍當(dāng)中。

難題在前，任重道遠(yuǎn)。

對此，張大慶坦言自己并不擔(dān)心，“未來的‘ Wi-F i和 6G 通信感知一體化’，會(huì)同時(shí)考慮優(yōu)化通信和感知兩個(gè)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)階段就面向通信指標(biāo)和感知指標(biāo)的需求，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)?！?/p>

“這是一個(gè)巨大的機(jī)遇。目前我們還沒有感受到無線感知的影響，但隨著 Wi-Fi 感知新標(biāo)準(zhǔn)和 6G 的到來，我們每家、每個(gè)城市鄉(xiāng)村都被 Wi-Fi 和 6G 信號所覆蓋，到那個(gè)時(shí)候，無線感知應(yīng)用就自然走進(jìn)千家萬戶了?！睆埓髴c憧憬到。

05 CNCC 2022 對話張大慶

雷峰網(wǎng)：您在智能無線感知領(lǐng)域的研究大概分為幾個(gè)階段？

張大慶：大致可以分為三個(gè)階段。

第一個(gè)階段是了解無線感知的基本原理、難點(diǎn)和領(lǐng)域存在的問題；也是采用基于模式的方法來觀察信號變化，通過觀察對比跌倒和人做其它日?；顒?dòng)時(shí)各種信號變化的規(guī)律，對 Wi-Fi 感知現(xiàn)有的方法和基本原理有個(gè)大概認(rèn)識。

第二個(gè)階段，希望通過物理模型來理解基于 Wi-Fi 的無線感知背后的機(jī)理，為設(shè)計(jì)無線感知應(yīng)用提供一些通用的指導(dǎo)原則。我們幸運(yùn)地發(fā)現(xiàn)了菲涅爾區(qū)模型，通過將多條路徑電磁波信號之間的干涉原理與多天線、多載波的菲涅爾區(qū)模型聯(lián)系起來，構(gòu)建了基于菲涅爾區(qū)模型的無線感知理論。因?yàn)檫@個(gè)模型非常細(xì)致，可以對厘米甚至毫米級的人體活動(dòng)對無線信號的變化模式進(jìn)行刻畫和解釋，因此為無線感知領(lǐng)域建立了一個(gè)新的理論基石?；诜颇鶢枀^(qū)模型，我們進(jìn)一步通過引入感知信噪比的概念，揭示了感知極限、感知邊界、感知信號質(zhì)量和位置朝向依賴性等領(lǐng)域基礎(chǔ)理論問題，從而構(gòu)建了一套無線感知理論模型和共性技術(shù)，并用多個(gè)以前做不好、但現(xiàn)在可以做好的真實(shí)應(yīng)用驗(yàn)證了理論的重要性和技術(shù)的有效性、魯棒性。

進(jìn)入第三個(gè)階段，我們試圖建立一個(gè)基于泛在無線信號的無線感知理論技術(shù)體系，給出各種無線信號參數(shù)與感知性能的定量關(guān)系，從本質(zhì)上來理解無線感知的原理、感知極限、感知邊界，用簡潔的理論來指導(dǎo)什么樣的應(yīng)用該用什么樣的無線信號來感知，回答各種無線信號的局限性和優(yōu)勢是什么，以及通過軟件定義來支撐未來通信感知一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

雷峰網(wǎng)：智能無線感知在國內(nèi)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段？存在什么難題？

張大慶：智能無線感知是研究如何用各種無線信號、對人和環(huán)境進(jìn)行精確感知的一個(gè)研究領(lǐng)域。在這里主要談?wù)劵?Wi-Fi 的無線感知技術(shù)的發(fā)展情況：

從 2000 年到 2012 年屬于第一階段，主要是基于 WiFi 接收信號強(qiáng)度（RSSI）的無線感知，其研究主要聚焦在室內(nèi)定位，但由于對感知理論缺乏理解，定位的精度一直有限，因此在商用層面非常有限。

2012 年以來進(jìn)入發(fā)展的第二階段，基于 Wi-Fi 信道狀態(tài)信息 CSI 的無線感知受到了廣泛關(guān)注，許多的技術(shù)和演示系統(tǒng)被開發(fā)出來，基于菲涅爾區(qū)模型的無線感知理論被提出來，許多基礎(chǔ)理論問題如感知極限、感知邊界、感知信號質(zhì)量、感知信號參數(shù)設(shè)計(jì)等開始得到探索、回答，多個(gè)落地應(yīng)用開始出現(xiàn)。

2024 年起，基于 Wi-Fi 的無線感知標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.11bf 將正式發(fā)布，6G 通信感知一體化的理論和技術(shù)日漸成熟，基于智能超表面、太赫茲等各種形式的無線感知理論技術(shù)體系逐漸形成，在健康養(yǎng)老 （老人監(jiān)護(hù) – 跌倒、活躍度、睡眠）、智慧醫(yī)療（生命體征、睡眠階段）、人機(jī)交互 （手勢）、物流安防等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸普及，走進(jìn)千家萬戶。

智能無線感知目前最大的問題就在于系統(tǒng)穩(wěn)定性。當(dāng)前，大部分團(tuán)隊(duì)采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模式識別的方法，但由于無線信號受環(huán)境許多因素如目標(biāo)位置、朝向、幅度、速度等影響，其魯棒性和穩(wěn)定性很難保證。這就需要建立完整的無線感知理論技術(shù)體系，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供穩(wěn)定性保障。

雷峰網(wǎng)：“6G 通信感知一體化”近年來被頻繁提及，通信技術(shù)在智能無線感知研究的發(fā)展中擔(dān)任了怎樣的角色？

張大慶：雷達(dá)感知已經(jīng)有近百年的歷史了，但是近十年來隨著 Wi-Fi 感知、聲波感知和低成本民用雷達(dá)感知的興起，以及 Wi-Fi 新的感知標(biāo)準(zhǔn)和 6G 通信感知一體化愿景的提出，讓無線智能感知得到了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。

我們所做的泛在無線感知，是基于無線通信信號，感知所用的信道狀態(tài)信息 CSI也是為保證無線通信性能設(shè)計(jì)的，從這個(gè)意義上來說，基于 Wi-Fi 和 4G、5G 的智能無線感知都是無線通信的一個(gè)副產(chǎn)品。

未來的“6G 通信感知一體化”，需要同時(shí)考慮優(yōu)化通信、感知性能兩個(gè)目標(biāo)，但無線通信應(yīng)該是基礎(chǔ)和優(yōu)先要考慮的。

雷峰網(wǎng)：您的工作是否有將 AI 與無線感知結(jié)合在一起，AI 對智能無線感知發(fā)展的作用是什么？反之能給AI 帶來哪些新的探索？

張大慶：AI 有 AI 的優(yōu)勢和適合解決的問題，在無線感知中，主要的感知機(jī)理要通過建立理論模型才能認(rèn)知清楚，無線感知中有的問題適合用 AI 來解決。因此，我們的任務(wù)是理解清楚什么樣的問題要用物理模型來解決，什么樣的問題要用 AI 來解決，通過將 AI 算法和物理模型有效結(jié)合，才能很好解決智能無線感知的關(guān)鍵問題。

舉個(gè) Wi-Fi 手勢識別的例子，比如在空中寫一個(gè)字，首先我們可以通過模型的指導(dǎo)，將手移動(dòng)的軌跡復(fù)原出來，再通過人工智能將手寫的字符識別出來。這就是一個(gè)經(jīng)典的解決無線感知問題的思路，將物理模型和 AI 完美結(jié)合。

智能無線感知的目的是探索無線電磁波信號的感知能力，它和攝像頭、可穿戴設(shè)備等各種感知手段是多模態(tài)和互補(bǔ)的。許多真實(shí)場景下的情境可能需要多模態(tài)，才能得到可靠的感知結(jié)果，如此方可支撐上層的AI決策。

雷峰網(wǎng)：在即將舉行的 CNCC 2022 論壇上，您分享的主題是《通信感知一體化設(shè)計(jì)：問題、挑戰(zhàn)和展望》，嘉賓陣容中我們看到了幾位工業(yè)界學(xué)者的身影，是有意這么安排的么？

張大慶：對，是有意這么安排的。

無論是 Wi-Fi，還是 6G，通信感知一體化都是未來一個(gè)發(fā)展趨勢。有趣的是，以前無線通信的機(jī)理是由通信領(lǐng)域的專家研究的，泛在無線感知的研究大多是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專家做的，雷達(dá)領(lǐng)域的專家大多關(guān)注專用雷達(dá)設(shè)備的感知，三個(gè)領(lǐng)域的專家很少跨領(lǐng)域交流、探索，盡管很多應(yīng)用場景很類似。

目前，Wi-Fi 和 5G 通信的標(biāo)準(zhǔn)和核心技術(shù)都已經(jīng)很成熟了，這就意味著利用射頻信號做“通信”的技術(shù)已就緒，但對無線感知的認(rèn)識以及通信和感知如何融合還不明朗。

我們組織這個(gè)論壇，是希望邀請學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的專家學(xué)者一起來參與。我們邀請了無線感知和無線通信的專家，一起來探索通信感知一體化。希望通過產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界專家的深入交流，一起推進(jìn) Wi-Fi、6G 通信感知一體化的發(fā)展。

雷峰網(wǎng)：通信感知一體化當(dāng)前面臨著怎樣的挑戰(zhàn)？我們?yōu)槭裁匆P(guān)注通信感知一體化？

張大慶：挑戰(zhàn)之所以存在，其根本原因就在于，要么信號是為通信設(shè)計(jì)的，不完全適合做感知；要么信號是為感知而設(shè)計(jì)的，不太適合做通信。

我們關(guān)注通信感知一體化，是希望未來共用一套理論、硬件系統(tǒng)和頻譜資源，在進(jìn)行高效無線通信的同時(shí)，讓通信終端都具備無線感知的功能。無論是 Wi-Fi 還是 6G， 都同時(shí)具備通信、感知的功能。

比如在居家環(huán)境，無論是手機(jī)，還是家電都有通信感知的功能。無論老人在哪個(gè)房間，在做什么活動(dòng)，都可以用無線信號非侵?jǐn)_地獲悉其健康狀況和生活規(guī)律：老人何時(shí)起床，何時(shí)三餐，何時(shí)外出和回家，每天是否生活規(guī)律，在家活動(dòng)量夠嗎 ？有無呼吸心跳異常、睡眠不好、跌倒不起等異常事件發(fā)生 ？都可以通過無線信號識別后再發(fā)送給家人、醫(yī)院、社區(qū)護(hù)理人員等。

可以想象，未來我們整個(gè)城市、鄉(xiāng)村都被這種既能通信、又能感知的無線信號所覆蓋，無所不在的通信、無所不在的感知、無所不在的服務(wù)，將給我們的生活帶來更多的便利和色彩，給我們的未來帶來無限的可能。

審核編輯 ：李倩