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■本報(bào)記者 卜葉

互聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)相連的一剎那，科研人員的想象世界被無限擴(kuò)大?；ヂ?lián)網(wǎng)這臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)，以超乎尋常的速度收集、計(jì)算、存儲(chǔ)著人類的一切信息，并通過手機(jī)等終端源源不斷向外輸出。

伴隨著智能化社會(huì)的來臨，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的無線非接觸感知成為熱點(diǎn)話題。近年來蓬勃發(fā)展的可穿戴設(shè)備一定程度上解決了人體感知的燃眉之急，但北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系講席教授、歐洲科學(xué)院院士張大慶等科研人員并不滿足于此。

Wi-Fi、4G、5G無線信號(hào)越來越普及，覆蓋的區(qū)域越來越廣，是否能夠通過這些已有的基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)更廣泛、更經(jīng)濟(jì)、更高效的非接觸智能感知和交互呢？這一想法涌上越來越多普適計(jì)算科研人員的心頭。

廣闊的應(yīng)用潛力

近日，工業(yè)和信息化部公布的一組數(shù)據(jù)顯示，我國累計(jì)建成5G基站超過71萬個(gè)，獨(dú)立組網(wǎng)模式的5G網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國所有地市，5G終端連接數(shù)超過2億戶，戶均移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量較4G用戶高出50%。人在哪里，5G基站就在哪里，已逐步成為現(xiàn)實(shí)。此外，第47次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，我國網(wǎng)民用戶接近10億，互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)70.4%。

西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授郭斌表示，以前人們需要借助傳感器、可穿戴設(shè)備等，以后有望不依賴這些設(shè)備而是通過環(huán)境中泛在的無線信號(hào)實(shí)現(xiàn)智能感知，而目前我國已經(jīng)初步具備客觀條件。

面對(duì)開發(fā)更加輕便的感知設(shè)施的現(xiàn)實(shí)需要，南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授謝磊也認(rèn)為，Wi-Fi、4G、5G、RFID等無線信號(hào)主要依賴于從環(huán)境中獲取的能量完成計(jì)算、感知與通信，無需電源對(duì)終端節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電，在續(xù)航、部署、維護(hù)等方面擁有可穿戴設(shè)備等傳統(tǒng)有源感知無法匹敵的潛在優(yōu)勢(shì)。

基于Wi-Fi、4G、5G、RFID設(shè)施的無線非接觸感知，指利用無處不在的無線電磁波信號(hào)在環(huán)境中傳播時(shí)因感知目標(biāo)的存在而產(chǎn)生反射、衍射以及散射等現(xiàn)象，通過對(duì)無線接收端收到的信號(hào)受感知目標(biāo)的影響在振幅、相位等特征上發(fā)生相應(yīng)的變化進(jìn)行檢測(cè)和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)感知目標(biāo)的非接觸智能感知。

“該技術(shù)在智能家居、智能醫(yī)院、智能辦公、智能酒店、智能倉庫等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景?！睆埓髴c介紹，在健康、醫(yī)療方面，無線非接觸感知能夠長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)人的呼吸、心跳、睡眠，預(yù)測(cè)和預(yù)防失眠、呼吸驟停等疾病。在人機(jī)交互方面，無線感知可以精確進(jìn)行手勢(shì)控制，從而將用戶的手從現(xiàn)有的二維觸摸屏擴(kuò)展到三維空間，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的、自然豐富的人機(jī)交互，替代現(xiàn)有的遙控設(shè)備。在行為識(shí)別方面，無線信號(hào)可以用于室內(nèi)人的定位及活動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)識(shí)別目標(biāo)的行為，檢測(cè)目標(biāo)的活躍度、跌倒和常臥不起等異常情況。在安防監(jiān)控方面，無線信號(hào)能有效進(jìn)行入侵、有無人在等檢測(cè)，用于住家和倉儲(chǔ)環(huán)境。

目前，張大慶團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在居家養(yǎng)老、醫(yī)療健康領(lǐng)域展開應(yīng)用探索。他介紹，依賴泛在的無線信號(hào)，可以在老年人不穿戴任何設(shè)備、完全自然的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理信息和行為等的感知，以及隨時(shí)隨地的情境識(shí)別，于無形中完成對(duì)老年人的健康信息采集并提供智能服務(wù)。

多目標(biāo)識(shí)別的挑戰(zhàn)

在對(duì)RFID無線感知的研究中，謝磊團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，僅依靠單個(gè)RFID標(biāo)簽的反向散射信號(hào)特征很難對(duì)感知對(duì)象實(shí)現(xiàn)全面、綜合、深入透徹的無源感知。這是因?yàn)橥桓兄榫吃谠O(shè)備擺放位置和朝向不同的情況下，信號(hào)受到的影響不同。

據(jù)悉，RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境。謝磊團(tuán)隊(duì)將多個(gè)RFID標(biāo)簽以接觸或非接觸的方式有效部署在感知對(duì)象周圍，形成“RFID陣列”進(jìn)行感知。

謝磊介紹，基于RFID可標(biāo)記的特性，能夠有效區(qū)分RFID陣列中每一個(gè)反向散射信號(hào)的來源。此外，根據(jù)RFID陣列中標(biāo)簽之間的拓?fù)潢P(guān)系和來自每個(gè)標(biāo)簽的信號(hào)特征，還可以構(gòu)建RFID雷達(dá)，對(duì)接收到的感知信號(hào)進(jìn)行“去偽存真”“去粗取精”，充分還原感知對(duì)象狀態(tài)變化的真相和細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全面、綜合、深入透徹的可標(biāo)記無源感知。

近年來，國內(nèi)外無線感知技術(shù)發(fā)展迅速，郭斌團(tuán)隊(duì)對(duì)人類身份的識(shí)別的準(zhǔn)確率也達(dá)到80%以上。然而，面向真實(shí)環(huán)境的感知普遍存在動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性和不可控性。當(dāng)前大多數(shù)無線感知技術(shù)多基于未標(biāo)記的反射信號(hào)進(jìn)行感知，并不能有效區(qū)分多個(gè)反射信號(hào)的具體來源，即無法同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)。這也導(dǎo)致應(yīng)用場(chǎng)景大大受限。

謝磊舉例，從無線感知RFID系統(tǒng)中獲取的射頻感知信號(hào)容易受到環(huán)境中多種因素的干擾，如能量吸收、多徑反射等，導(dǎo)致相關(guān)信號(hào)特征被淹沒在周圍的環(huán)境噪聲和干擾中，直接影響無源感知系統(tǒng)的感知性能。這對(duì)提升無源感知機(jī)制的泛化能力提出了挑戰(zhàn)。

向理論模型要答案

“此前的技術(shù)創(chuàng)新和迭代大幅提升了無線感知的性能，但精確感知多情境、多目標(biāo)還需要建立系統(tǒng)的理論體系，而目前本領(lǐng)域仍缺乏系統(tǒng)的、準(zhǔn)確刻畫人類活動(dòng)和環(huán)境變化對(duì)接收無線信號(hào)影響的理論模型?！睆埓髴c說。

他指出，理論感知模型能夠刻畫感知目標(biāo)活動(dòng)和射頻信號(hào)在時(shí)間、空間、頻率等信號(hào)域的潛在關(guān)聯(lián)性，量化和度量相關(guān)特征參量之間的數(shù)理關(guān)系，有效指導(dǎo)無線感知的發(fā)展。

面對(duì)無線非接觸感知領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)，張大慶團(tuán)隊(duì)提出基于菲涅爾區(qū)的反射和衍射理論模型，揭示了Wi-Fi、4G、5G等無線信號(hào)感知的極限和基本原理，奠定了用Wi-Fi、4G、5G等無線信號(hào)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)人體活動(dòng)感知的理論基礎(chǔ)。在無線感知關(guān)鍵技術(shù)方面，他們圍繞Wi-Fi感知的多徑信號(hào)分離及參數(shù)估計(jì)問題，提出了針對(duì)Wi-Fi信號(hào)的動(dòng)態(tài)能量估計(jì)技術(shù)和多普勒頻移參數(shù)估計(jì)技術(shù)，可對(duì)人的位置和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還提出了基于MIMO的天線信號(hào)變換模型，從根本上提高了無線感知信號(hào)的質(zhì)量，有效地減小了信號(hào)振幅上的噪聲和相位上的誤差，顯著增大了無線感知的范圍和距離。

張大慶表示，最初無線信號(hào)本是為通信設(shè)計(jì)的，而今科研人員發(fā)現(xiàn)其在感知領(lǐng)域的新用途，但這些并不是應(yīng)用的終點(diǎn)。他相信，隨著通信感知一體化的到來和無線感知收集的數(shù)據(jù)不斷積累，其價(jià)值將遠(yuǎn)超人們的想象。