我们需要减少多余设备

你是否注意到我们的日常生活已被众多电子设备包围？仅在家中就可能配有智能音箱、看视频的平板、无线路由器、恒温器和门铃摄像头等设备。它们在提供便利的同时, 也导致了“设备杂乱” ——过多功能相似的设备造成能源浪费、通信延迟, 并消耗大量硅材等电子资源 [1]。设备报废后最终成为电子垃圾, 数量越多, 后续填埋处理压力越大。

传统网络依赖两套独立系统: 感知系统负责采集环境数据, 如监测空气污染的空气质量传感器、检测土壤湿度的农业传感器；通信系统负责收发信息, 如支持玩游戏、看视频和视频通话的无线路由器。这两套系统通常共同运行却彼此独立, 导致设备增多、能耗增加且故障率上升。

要解决网络与设备激增带来的问题, 我们需要开发具备多种功能的智能设备, 并构建精简设备、节约能源并提升通信效率的智慧网络。

新兴技术: 通信感知一体化

通信感知一体化（ISAC）是一项针对设备杂乱问题开发的新技术, 将网络的两大核心功能——感知与通信——整合到单一系统中 [2, 3]。这意味着同一套系统既能采集环境数据, 又能与其他设备共享信息。通过功能融合, ISAC 可减少设备数量、节约能源资源、减少电子垃圾, 以及使网络更快速、更智能。

ISAC 不仅实现功能整合, 还能帮助网络了解周边环境, 使设备拥有智能, 学会感知周边状态并自主调节行为。例如, 搭载 ISAC 的智能家居设备可检测房间是否有人, 并自动向温控系统发送指令调节温度；在仓储等复杂场景中, ISAC 能辅助系统做出更明智、更高效的决策, 实时追踪人员与设备动态, 向管理者或自动系统更新信息以确保全程运转流畅；在智慧城市中, 配备 ISAC 的自动驾驶网联汽车可探测交通事故, 并向周边车辆广播信息以避免拥堵。无论是家居还是工业场景, ISAC 可借助先进算法实现感知与通信的同步并行, 这种双重任务协同机制最终可实现时间与能源的双重节约。

技术助力解决设备杂乱

目前, ISAC 已在多个行业投入应用, 以创新方式解决现实问题 （图 1）。

ISAC 在光无线通信技术领域的潜力尤为突出, 该技术利用光波而非无线电波收发信息 [4]。例如, 家中的智能灯泡既可提供照明, 又能协助手机或电脑等设备进行通信, 甚至能感知气温、人员活动等环境状况。在医院或工厂等场景中, Wi-Fi 等传统无线信号可能会干扰精密医疗设备或工业传感器, 而光无线系统可有效避免此类干扰。病房照明面板在提供光照的同时, 可监测患者活动或生命体征, 并通过 ISAC 直接与医疗设备通信, 从而减少额外传感器需求, 提升医护效率与患者舒适度。由于使用光波而非无线电波, 光无线通信技术的抗干扰能力强, 可确保系统在这些复杂环境中流畅运行。

ISAC 在环境监测、农业与能源领域也展现出广阔的应用前景。在环境监测领域, ISAC 传感器能够实时追踪空气质量、检测污染物浓度或监测水位变化, 为社区应对环境挑战提供数据支持。在智慧农业领域, 此系统不仅可测量土壤湿度, 更能对整片农田进行精准测绘, 直观显示需水需肥区域, 帮助农民优化资源和时间分配、减少浪费并提高作物产量。在能源系统领域, ISAC 可改善电力输送与使用方式。名为智能电网的现代化供电网络可借助 ISAC 实时监控电力使用状况, 及时检测线路过热或损坏等故障, 快速响应电力需求波动。传感器可向维修团队发送即时警报, 缩短停电时间, 提升供电网络的可靠性。

重大挑战与更大机遇

ISAC 技术有望彻底改变我们的连接与技术使用方式, 但其仍在不断发展中。首要难题在于如何将感知与通信功能整合到单一系统中, 同时确保系统简单高效。这两种功能原本彼此独立的原因在于它们需要不同类型的信号与硬件——感知需检测环境中的细微特征, 而通信则专注于快速数据传输。若想实现两种功能的无干扰精准融合, 我们需要更智能的程序、更稳定的信号以及更先进的硬件设备, 确保 ISAC 的运行速度与精度。

另一项挑战在于确保 ISAC 系统的协同运行。目前, 各家企业采用独特的传感器与设备设计方案, 导致系统间的信息共享存在障碍。例如, 在智慧城市中, 搭载 ISAC 技术的交通传感器需与车辆、路灯及公交车流畅通信, 若协同失败将导致整个系统瘫痪。因此, 必须建立明确的标准与规范来保障系统兼容性。

尽管存在这些挑战, ISAC 仍具有巨大的发展潜力。将感知与通信融为一体的 ISAC 有助于节能降耗、减少设备杂乱并提升网络速度与效率。相比之下, 维持感知与通信分离意味着更多硬件、更高成本以及更慢的响应速度（尤其在自动驾驶或智能电网等场景中）。随着研发的持续深入, ISAC 有望成为未来无线系统的核心组成部分。

术语表

电子垃圾 (E-Waste): ↑ 老旧废弃的电子设备, 如手机、电脑、电池, 通常含有害物质。

传感系统 (Sensing Systems): ↑ 采集环境数据的设备, 如检测土壤湿度的传感器或监测空气污染的仪器。

通信系统 (Communication Systems): ↑ 收发信息的设备, 如支持流媒体视频和视频通话的无线路由器。

通信感知一体化 (ISAC) (Integrated Sensing and Communication (ISAC)): ↑ 将数据采集与信息整合到单一系统中的技术, 可提升网络速度、简化结构并提高效率。

网联汽车 (Connected Cars): ↑ 搭载传感器与通信设备的现代汽车, 可实时监测环境、自主导航, 并与其他车辆及交通管理部门通信。

光无线通信技术 (Optical-Wireless Technology): ↑ 利用光波而非无线电波收发信息的系统, 可避免信号干扰, 适用于医院、工厂等特殊场景。

智慧农业 (Smart Agriculture): ↑ 借助先进技术提升农业生产效率, 例如通过传感器监测作物生长状况, 并精准显示需水需肥区域。

智能电网 (Smart Grids): ↑ 采用传感器与通信工具的现代供电网络, 可实时监控电力状况、检测故障并提升供电可靠性。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致謝

由 SJD Consulting, LLC. 科学撰稿人/编辑、毕业于美国马萨诸塞大学陈氏医学院晨兴生物医学研究生院的 Susan Debad 博士参与撰写和编辑。图表制作方为Somersaultl8:24。

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