[中国移动]：先进感知技术白皮书

概述

感知是通过各种传感设备获取目标信息的过程，包括感知数据的收集和处理以及感知结果的生成。感知是物联网的基石，为各行各业的智能决策和控制提供数据基础，是构建“万物智联”的核心要素。传感技术在航空航天、工业制造、生物医药、智能交通、智能能源和环境保护等领域得到了广泛应用。随着信息化进程的不断深入和场景的不断细分，各种应用对传感技术提出了新的需求：一是进一步扩大感知范围，提高感知精度，增加感知目标；二是传统传感器参数固定，其精度和效率随时间推移而下降，未来需要能够动态优化自身；三是垂直行业的智能化发展要求感知与通信、处理和控制等功能的深度融合；四是传统传感器的电源线和数据传输线对其应用有很大限制，导致布线成本高、施工难度大。未来需要使传感器无源化和无线化，实现传感器的“割线”。为了满足各种应用对感知能力的需要，先进传感技术不断发展。通过技术创新，它提高了感知数据的精度和感知效率，扩大了感知范围和感知规模，不断实现网络化和智能化，进一步拓展了感知领域。技术面向各个应用领域的发展空间。近年来，随着数字孪生和元宇宙的不断发展，感知作为底层数据源和技术支撑的重要性日益凸显。在应用需求的持续驱动下，感知将与数字孪生和元宇宙相互促进，必将迎来爆发式的技术突破和市场增长。

先进传感技术趋势

先进传感技术趋势包括传感尖端技术和传感融合技术两个方面。传感尖端技术是涉及传感原理、传感器器件设计、传感器开发和应用的综合技术，集成了多学科、多技术和多领域的最新技术成果，涉及物理、化学、生物、能源、通信和数据处理等学科，是支撑传感器开发、制造和应用的核心技术。传感融合技术将原本独立的单参数感知、通信、计算、智能和能源供应等基本能力紧密集成，有助于提高感知效率和拓展感知技术的应用范围。

传感尖端技术

传感尖端技术通过机制、材料、工艺、结构和算法五个方面的技术创新，实现更广泛范围、更高精度的信息获取。在新机制方面，量子传感和脑电图（EEG）传感是典型代表，在航空航天、安全监控和可穿戴设备等领域具有巨大的应用价值。量子传感通过量子效应提高感知精度，具有非破坏性、实时性、高灵敏度、稳定性和多功能等优点。EEG传感获取脑电活动产生的电信号，通过信号分析实现脑与外界的信息交换，将在医疗、娱乐、军事和教育等行业发挥重要作用。在新材料方面，以新型柔性材料等为代表的传感器敏感材料，将帮助未来拓展更多业务场景。柔性传感利用柔性材料的良好柔韧性和延展性，生产可穿戴设备，在智能机器人和老年人医疗保健方面具有广阔的前景。触觉传感基于柔性材料，结合尖端器件物理和柔性电子技术的进步，大大提高了传感精度和机械性能。在新工艺方面，MEMS是基于微电子技术的前沿研究领域，是传感器技术的重要发展方向。芯片级光学传感利用微纳米加工技术实现传感器小型化、低功耗和低成本，是光学传感的重要发展方向。微流控生物传感基于微加工技术，可以在微米级流道内完成实验室所需的全部分析过程。在医疗领域应用时，可以显著缩短患者采样等待时间和痛苦，在行业内得到了广泛关注。在新结构方面，仿生结构和3D堆叠结构分别为视觉传感和图像传感的技术研究和器件开发提供了新思路。仿生视觉传感模拟人视网膜的结构和功能，利用光纤原理实现不同光照条件下的高效信息采集，是未来视觉传感的重要发展方向。堆叠图像传感通过结构优化提高光接收和处理效率，从而降低噪声、提高图像质量和动态范围。在新算法方面，基于原有基础，通过信号检测、分析和使用新算法，可以获得新的感知信息或进一步提高感知精度。光纤传感利用光纤通信技术中的分析和测试算法计算光的 various parameters，可以获得感知结果的结构完整性和设备状态。超灵敏气味传感基于创新模式识别算法实现性能优化，为环境监测和辅助医学诊断等应用带来了新机遇。

传感融合技术

为了满足生活、生产和社会中新场景和新业务的多方面需求，未来的传感系统也需要具有终极的通信能力、强大的计算能力、高度的智能能力和无源能源供应能力。通信集成、计算集成、智能集成和能源集成等技术在下一代移动信息网络中已成为发展趋势，也是未来6G物联网技术融合与发展的重要方向。在通信集成方面，广域和局域、微域和短程的无线通信技术可以支持传感器有效提高感知和传输能力，更好地满足不同场景的需求。广域和局域通信以蜂窝网络和被动物联网为代表，可以支持感知信息的高效传输，实现室外广域覆盖场景下的通信感知融合，降低通信功耗，实现海量目标的感知。微域和短程通信的典型代表是太赫兹通信。太赫兹波既有毫米波的波动性，又有红外光的光子特性。除了用于通信外，它们还在遗传检测等医学领域发挥着重要作用，实现通信与感知的深度融合。在计算融合方面，数据压缩、感知内计算和异构计算等新计算技术的研发和应用可以满足传感器对高计算能力、低延迟和低功耗的需求。数据压缩可以减少高密度部署的密集传感器产生的数据量，延长传感器网络的生命周期。与深度学习等人工智能技术相结合，可以实现高效的数据压缩处理。感知内计算通过在传感器内部构建新的感知计算模块，使传感器成为相对独立的感知、存储和计算单元，实现从信息采集源头进行智能信息预处理，减少数据传输规模，简化后处理过程，从而提高系统的综合性能指标。异构计算利用端侧异构计算单元协同工作，实现联合计算，从而达到更好的性能和更低的功耗。在智能集成方面，智能微系统、分布式计算和众包传感可以通过感知与智能的深度融合，有效提高端到端的综合感知能力。智能微系统支持传感器功能密度向集成化能力发展，同时发展无线通信、无源能源供应和智能应用，未来将继续围绕自主和智能执行以及高效资源利用而发展。分布式计算使传感器具有良好的可扩展性和容错性，未来任务分配和调度算法将进一步优化。众包传感利用众包生成的移动设备作为传感节点，具有节点开放、按需部署和按需调度等优点，可以满足城市级大规模和细粒度感知任务的需求。在能源融合方面，能量收集和传感以及能量管理技术可以解决传统有源电源（电池/布线）带来的问题，使传感器无源化。能量收集一方面从环境中收集光能、风能、温差能、振动能或射频能，并将其转换为电能，以保证传感器的正常运行。研究重点在于提高能量收集密度和能量转换效率。另一方面，能量供应也被用作感知对象，真正实现数字能量与感知的融合。能量管理确保传感器的长期稳定运行，研究重点包括能量采集管理、存储管理、分配管理和使用管理。

总结与展望

近年来，尖端传感技术围绕新机制、新材料、新工艺、新结构和新算法五个方面持续创新和发展。传感融合技术围绕通信融合、计算融合、智能融合和能源融合等方面加速演进和变革，形成了“五新四融”的先进传感技术趋势，支撑传感技术向“感知-通信-计算”一体化智能和能源融合方向发展，进一步实现资源复用和数据融合。未来，传感技术将支撑传感器向小型化、集成化、无线化、柔性化、智能化和无源化发展，满足生活、生产和社会领域感知能力深入发展的需要。小型化使传感器能够部署在更复杂和微小的环境中，如生物体内部。集成化支持传感器从单一功能形式发展到具有感知、通信、计算、存储、执行和能源供应等多样化功能的智能终端，进一步提高功能密度。无线化有利于增强传感器的移动性，优化空间利用率，实现快速部署。柔性化支持传感器具有良好的柔韧性、延展性和弯曲性，能够根据应用场景的需求灵活使用。智能化将为传感器赋予电子校准、数据过滤、自唤醒、自诊断和自修复等智能能力，增强端侧智能，提高稳定性、精度和工作效率。无源化使传感器能够通过多源能量收集摆脱电池供电的限制，实现长寿命运行。