張大慶

北京大學博雅講席教授、歐洲科學院院士、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，北京大學講席教授、歐洲科學院院士、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家，在情境感知領域已深耕二十余年，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。

以下內容根據演講文字實錄整理。

張大慶：各位領導，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。

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無線信號感知的優(yōu)勢與應用前景

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，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，可以設想它有很多可能的感知應用，因為 WiFi 信號、4G、5G 信號具有低成本的優(yōu)勢。我們的 WiFi 設備每家都已經有了，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、低空經濟產生重大的作用。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肉眼看不到，但是它在空氣中傳播，主要是通過直射路徑，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生相應的變化。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的關系，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

在這個領域里，大家已經做了 20 多年的探索，但這個領域里存在著三個關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；第二個問題，在做泛在無線感知的時候有三大基本參數，多普勒速度、角度和距離，我們如何對這些參數進行準確地估計呢？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，它的信號質量也需要刻畫。信號質量好的時候，我們可以感知得很好；如果信號質量不好，它感知得不好；我們該怎么樣去刻畫信號的質量呢？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，通過這些模型、理論和技術，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，三個參數的估計，以及 WiFi 感知極限、邊界和信號質量的刻畫。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 1815 年由法國科學家菲涅爾在光學的一個理論，把它引入到電磁波感知這個領域。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量做一個很好的刻畫�；谶@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、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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實際應用示范與成果總結

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，我們可以在安防領域，我們知道在杭州有大華、�？低暎鼈兛梢宰霭卜�，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：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感知論文的引用數也是世界第一。同時，我們也獲得了本領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，我們在北大已經有 50 多個國際國內的專利，覆蓋 WiFi、4G、5G 各個無線信號的領域，構成了國內最大的 WiFi 感知專利群。另外，我們也和多個醫(yī)院和養(yǎng)老地產公司合作，在試用我們的系統(tǒng)。

我們團隊經過過去 11 年的努力，認為無線電磁波信號是一種低成本、廣覆蓋的數據模態(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、低空經濟等領域，都可以有很多的可能的應用。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，回答了無線感知領域最基本的幾個理論基礎問題。通過這些基礎理論的創(chuàng)新，我們開發(fā)了多個感知應用，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施融合在一起，將來可賦能未來數十萬億級規(guī)模的智慧康養(yǎng)、低空經濟等各種應用。

我的報告到此結束，感謝大家！