6G时代：智能超表面与建筑无线友好性破解室内通信瓶颈

在当前5G基站功耗居高不下的背景下，室内信号衰减已成为通信领域的关键瓶颈。探索6G技术如何利用智能超表面和提升建筑无线友好性，打破建筑与通信行业之间的隔阂，从而革命性地优化96%的室内流量需求。

5G基站的高功耗一直备受行业关注。其主要原因在于，基站通常部署在室外，而96%的流量需求却来自室内用户。

信号穿透墙壁时，强度会下降90%到99.9%。

因此，如何有效服务主导流量需求的室内用户，成为6G技术必须解决的核心问题。

回顾从初代移动通信到5G的发展历程，通信行业一直致力于克服建筑和室内环境的限制，从优化编码技术到协调功率和频谱资源。然而，快速提升的基带指标带来的实际效能收益逐渐减少。以近场通信技术驱动的更高频段和超大规模天线阵列，以及以语义通信和智能超表面为代表的内生智能新范式，将应对千行百业应用场景对网络的多样化需求。

通信行业当前面临的挑战，是复杂技术与碎片化需求之间的巨大鸿沟。

建筑设计的「蝴蝶效应」

建筑设计的微小调整能为信号孤岛带来显著改善。

智能超表面被视为6G移动通信的关键创新，标志着主动干预电磁波传播以优化通信网络的重要里程碑。在智能超表面问世之前，行业只能被动适应建筑内的无线传播障碍。

室外超表面通常覆盖在建筑外表面，将从基站射向超表面的波束重塑并聚焦反射至视距之外的建筑物阴影区域，从而扩大覆盖范围。然而，近96%的移动流量发生在室内，这是即使最智能的室外超表面也无法直接覆盖的领域。

室内无线网络性能的极限受建筑材料和结构制约，而建筑设计往往未充分考虑无线性能。东北大学张继良团队的前期研究表明([1])，墙体建材的相对介电常数与厚度的细微偏差会导致通信质量下降14.4%以上。

如果不改变被动适应建筑无线环境的传统思维，下一代移动通信技术能为用户带来的收益将非常有限。

如图1所示，如果设计师在满足安全标准和节能要求的前提下微调墙体材质和厚度，就能将发射功率降低10倍，同时保持在25dB信噪比下的高速网络连接([2])。

建材的相对介电常数与厚度共同定义了「建筑无线友好性（Building Wireless Friendliness）」指标([1])。

建筑物的无线性能是其固有属性，建筑设计师在图纸上的每一笔都在勾勒占总流量96%的数据网络图景。

从5G到6G的突破，不仅依赖于信息行业，也离不开建筑行业的协同。

图1：建筑无线环境友好性

建筑无线友好性

打破建筑与通信行业壁垒的理论基础「建筑无线友好性」于2022年被正式提出并投入实践。

装配式建筑技术和建筑材料增材制造技术的出现，为提升无线性能提供了灵活低成本的加工手段。装配式建筑可缩短80%的施工周期，而混凝土3D打印已能实现毫米级精度加工。

为此，张继良团队正通过整合复合材料建筑结构和超材料嵌入建筑结构，探索通过调控复合建筑材料电磁特性来提升装配式工业建筑无线友好性的潜力。

张继良团队提出的研究方向已开始引起业界关注。2025年3月，英国国民医疗服务体系发布的《健康和护理基础设施建设指南》明确建议「应在建筑施工前预先规划无线连接」。

图2：超表面嵌入各类建筑结构与材料

智能墙体，通向无线友好型建筑

通过优化结构和材料获得的无线友好型建筑是静态的，这还不足以完全应对室内用户的移动性挑战。

张继良教授团队的最新研究([4])提出将低成本的无源超表面瓦片嵌入建筑结构中（如图2所示），使超表面无处不在，形成智能墙体，从而从根本上提升建筑内网络的无线性能。

然而，用户的普遍移动性给超表面嵌入建筑的信道引入了复杂的动态变化。若要使无线友好型建筑的电磁环境动态适应，将反射波束聚焦于移动用户，深刻理解室内人类行为模式至关重要。

该研究首次尝试揭示室内人类行为约束下超表面嵌入建筑的无线性能潜力。

这项研究已被通信领域顶级期刊IEEE Wireless Communications接收，文章第一作者为东北大学吴子扬，通信作者为东北大学张继良教授，联合美国田纳西理工大学Muhammad Ismail教授以及Ranplan Wireless联合创始人张杰教授共同完成。

• 预印本链接：https://arxiv.org/abs/2507.14876
• 论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11202168

首先，需要理解人类移动行为给建筑无线环境带来的问题。

用户设备的移动性是跨尺度的。

在宏观上，移动性受回溯趋势和有界Lévy游走约束，用户倾向于在特定时间前往特定地点，且行程距离呈现幂律分布特征。

这一特征是无标度的，即在任何尺度上都成立。该研究通过大量实测统计证实，在室内环境中用户的宏观移动性仍受上述规律约束。

在更小的尺度上，用户会选择特定路径到达目的地，包括躲避障碍物与其他用户的行为模式，这进一步导致视线链路的频繁遮挡。

在微观尺度上，用户所持设备长期处于微小震动中，多项研究表明行走、站立、坐等不同行为状态下的设备指向性统计特征存在明显差异。

上述尺度因素共同主导了超表面嵌入建筑信道的潮汐演化特征。

图3：超表面嵌入建筑的信道时空演化。（a）和（b）分别是智能墙体表面信道统计的时空分布快照。每个快照中的分布均已归一化处理，最亮区域对应最高信道增益或链路生存率。智能墙体信道状态的部分自相关函数显示出马尔可夫阶数的增加。（c）展示了时变智能墙体信道增益与超表面链路存活率的概率密度函数。

群体移动行为带来的挑战

由于6G高频段（如毫米波、可见光）对遮挡和位移高度敏感，用户移动性成为信道模态演化的核心驱动力，导致不存在普适的超表面嵌入建筑信道模型。

人类行为的不确定性迫使依赖数据驱动的反射波束追踪，但信道演化呈现潮汐特征，具备可预测性。

利用该特征，可动态激活仅10%的超表面面积，通过低复杂度深度强化学习实现区域蠕变式激活，显著降低控制与供电负担。

然而，人类行为破坏信道马尔可夫特性，抬高了信道状态空间维度。张继良团队提出轻量级类MuZero方法，在时间嵌入潜在空间训练，生成抗环境不确定性的控制策略。

图4：智能墙体的信道概念漂移。上图指出了三类信道概念漂移的来源。下图展示了不同移动阶段下智能墙体信道增益的概率密度函数的演化过程。

不同波长下的本征泛化能力存在显著差异。例如，与可见光通信相比，毫米波具有更好的衍射能力，导致其信道特性具有更强的随机性。

这种随机性不仅模糊了阴影区域的边界，也掩盖了人类行为模式演化的细节。

因此，为毫米波信道训练的算法自然表现出更好的泛化性。相比之下，可见光信道清晰地描绘了人类行为在建筑环境中的投影，不可避免地导致多模态信道特征演变和更严重的泛化挑战。

回到建筑的本来的使命。

建筑无线环境的「具身智能」不能以妥协安全性和基础功能性为代价，这些都可以被量化，并作为无线友好型建筑的约束条件。但是，人类行为、建筑审美等概念难以量化却无法回避。

研究团队初步探索的一系列强化学习和生成式方法天然地在处理不可量化概念上具备优势，相信在行为学、美学等现实约束下，建筑设计「端到端」一键生成已经初见曙光。

参考资料

[1] Jiliang Zhang, Andrés Alayón Glazunov, Wenfei Yang, and Jie Zhang, "Fundamental Wireless Performance of a Building," in IEEE Wireless Communications, vol. 29, no. 1, pp. 186-193, February 2022, doi: 10.1109/MWC.121.2100244 (https://ieeexplore.ieee.org/document/9599590)

[2] Yixin Zhang, Jiliang Zhang, Xiaoli Chu, and Jie Zhang, "Wireless Friendliness Evaluation and Optimization for Sandwich Building Materials as Reflectors," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 3, pp. 2697-2711, March 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3356052 (https://ieeexplore.ieee.org/document/10414382)

[3] Planning for the provision of wireless connectivity, NHS：https://digital.nhs.uk/services/networks-and-connectivity-transformation-frontline-capabilities/connectivity-hub/advice-and-guidance/wireless-infrastructure-building-guidance-for-health-and-care-organisation/infrastructure-guidance/

[4] Zi-Yang Wu, Muhammad Ismail, Jiliang Zhang, and Jie Zhang, "Tidal-Like Concept Drift in RIS-Covered Buildings: When Programmable Wireless Environments Meet Human Behaviors," in IEEE Wireless Communications, accepted, 2025, doi: 10.1109/MWC.2025.3600792 (https://arxiv.org/abs/2507.14876)