泛在无线感知

中国计算机学会

摘要—本期专题邀请了无线感知领域的学者们撰稿，围绕泛在无线感知主题，从感知机理、感知应用以及通感融合三个层面出发，分别从不同角度阐述了其中的科学问题、技术挑战、解决思路和技术路线。

特邀编辑：
张大庆（北京大学）
谢 磊（南京大学）

关键词 ：普适计算 无线感知 感知通信一体化

        泛在无线感知技术是近年来普适计算等相关领域兴起的前沿研究热点，通过无所不在的无线信号，例如Wi-Fi、远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、毫米波等，无须借助任何专用传感器，即可对周围环境进行感知和计算，依赖非侵入式、非接触式、无缝自然的交互方式，实现和环境融为一体的感知计算，在健康监护、人机交互、行为识别等领域有着广泛应用，因而受到学术界和产业界的广泛关注与重视。相比现有的智能感知技术，泛在无线感知技术具备如下三方面的创新特性：

       • 非接触感知：无线感知能够以非接触的方式，通过无线信号的反射、折射、衍射等获取反馈信息，探测周边环境的状态。

       • 跨模态感知：无线感知能够基于无线反射信号的物理属性，实现包括生命体征、行为识别、目标成像等跨模态的“雷达”感知。

       • 感通融合性：无线感知能够复用现有的无线基站等通信基础设施，实现无处不在的感知和通信功能，例如目标检测、信息传输等。

       然而，面向当前人机物三元融合中复杂多变的场景需求和开放多样的环境特点，泛在无线感知的相关理论、技术和系统设计在初期齐头并进、快速发展过程中遇到了一些痛点和卡点，阻碍了其在精确性、泛化性和鲁棒性等方面的进一步有效提升。一方面，纯粹数据驱动的无线感知建模在对应用场景的依赖性、对大样本的强需求等方面遇到了瓶颈；另一方面，针对不同频段和模态的无线感知机制，其内在的感知机理和适用的应用范围都亟须进一步探索，以更好地指导无线感知的技术演进和应用示范。

       基于上述思考，本期专题从无线感知的机理探索、应用场景以及无线感知与通信的协同融合三个角度出发，邀请了无线感知领域内从事前沿研究的知名学者撰稿，尝试回答如下几个问题：

       • 无线感知的机理探索：针对不同频段和特性的无线信号，如何有效评价无线感知的感知信号质量？无线感知技术的感知精度极限和感知边界范围在哪里？

       • 无线感知的应用场景：针对无线感知的机理与特性，其适合的应用范畴是什么？如何利用应用场景的特性，进一步提升感知的精确性、泛化性和鲁棒性？

       • 感知与通信的协同融合：面向当前感知通信一体化的发展趋势，如何在不同系统和环境中实现感知与通信能力的协同与融合，以期达到物尽其用的效果？

       北京大学教授张大庆、南京大学教授谢磊、清华大学副教授王继良等人撰写的三篇文章分别从Wi-Fi信号感知、RFID/毫米波信号感知以及远距离LoRa信号感知三个角度出发，探索了不同频段和特性的无线信号的感知机理，并分别从感知信号质量、感知精度极限以及感知边界范围三个维度入手，对无线感知的基本问题给出了解答。其中，《感知信噪比：认知泛在无线感知机理的钥匙》一文提出“感知信噪比”的概念，从感知信号质量的维度帮助解析泛在无线感知的机理。该文通过建立感知信号与环境噪声之间的定量关系，提出一个定量刻画信号质量的度量指标，该指标既可预测无线信号的感知极限和感知范围，也可描述每个行为动作在不同时间段的信号质量。通过将高质量信号的贡献最大化，低质量信号的影响最小化，可显著提高行为识别的性能和鲁棒性。《见微知著：基于无线信号的微状态感知》一文提出“微状态”感知的概念，从感知精度极限的维度聚焦目标对象的微状态感知技术。该文从感知机理、模型构建以及性能优化等方面出发，探索感知极限，拓展感知范畴，探讨如何利用无线感知技术实现具备高精度、实时性、鲁棒性的微状态感知方案，包括呼吸心跳感知、液体振动感知、语音振动感知等。《反向散射感知：迈向无处不在感知的新思路》一文提出“远距离无源感知”的概念，从感知边界范围的维度探索基于无源反向散射的远距离感知方式。通过设计微型的无源反向散射标签，探索对目标物体的定位追踪的感知功能实现，进一步探讨如何突破现有无源反向散射标签距离的限制，提高无源感知的性能。

       香港科技大学（广州）教授伍楷舜、北京邮电大学教授周安福等人撰写的两篇文章聚焦无线感知的应用场景问题，介绍了泛在无线感知技术在人员健康感知、物理空间重构和心理状态感知等应用场景下的前沿探索。《润物无声：基于泛在无线的健康感知》一文介绍了无线感知在健康感知领域的应用前景，通过利用泛在无线信号，分析受人体活动影响的无线信号波动模式并提取其特征，实现对人体呼吸、心跳等生命体征的监测。该文旨在对现有基于泛在无线的健康感知应用进行深入分析，并对其所面临的局限性和挑战进行探讨。《由表及里：从物理空间到人员状态的毫米波感知》一文介绍了毫米波感知在物理空间重构和生理、心理状态领域的应用前景。在物理空间重构方面，该文作者提出了毫米波计算成像与多路径解析方法，实现了物理空间厘米级精度的重构，结合机器人技术，提出了全自动化的空间感知方法，感知效率提升上百倍；在人员生理心理状态感知方面，该文作者与心血管医学专家深度合作，进一步挖掘毫米波精细感知能力，分享了无感连续血压、心电和心理压力监测方面的研究成果，拓展了无线感知的应用深度和广度。

       浙江大学教授韩劲松团队撰写的文章《兼容并包：从CSI看感知与通信的协同融合》深度关注感知与通信的协同融合问题，从获取CSI这一实现通信感知一体化的基本方式入手，总结已有工作的思路与特点，重点分析现有研究中存在的一致性差、密度不定、粒度受限、精度欠佳等问题，提出感知与通信协同融合的可行性方案，并对通信感知一体化的发展趋势进行了展望。

       上述六篇文章围绕泛在无线感知主题，从感知机理、感知应用以及通感融合三个层面出发，分别从不同角度阐述了泛在无线感知涉及的科学问题、技术挑战、解决思路和技术路线。六篇文章的内容相辅相成，又各具特色，期望在基础理论、关键技术和应用实践方面对从事无线感知相关领域的同行们有所启发。　■

（本期专题责任编委：谢 磊 汪云海）

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