墙体的AI革命！智能超表面如何让建筑「听懂」6G信号？

新智元报道

编辑：KingHZ

【新智元导读】在5G基站功耗高企的当下，室内信号衰减成为通信瓶颈。探索6G如何借助智能超表面和建筑无线友好性，打破建筑与通信行业的壁垒，让96%的室内流量需求得到革命性优化。

5G基站极高的功耗一直被业内诟病。其主导原因是，基站只能部署在室外，但96%的流量需求却源于室内用户。

信号穿墙而过，强度下降了90%~99.9%。

如何服务好主导流量需求的室内用户，是6G必须要考虑的问题。

回望初代移动通信技术发展到今天的5G，通信行业都在聚焦克服建筑与室内环境的束缚，从优化编码技术到协调功率频谱资源，飞速膨胀的基带指标带来的真实效能收益却越来越少。由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等技术为代表的内生智能新范式，将要应对千行百业应用场景对网络的差异性需求。

摆在通信行业面前的，是复杂技术与碎片化需求之间的鸿沟。

建筑设计的「蝴蝶效应」

建筑设计的微小变动可以为信号孤岛带来巨变。

智能超表面被认为是支撑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里程碑；在智能超表面被发明之前，业界只能被动地适应建筑内的无线传播障碍。

室外超表面一般覆盖在建筑外表面，从基站射向超表面的波束被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，这是最智能的室外超表面也无法触及的领域。

室内无线网络性能的极限是被建筑材料和结构束缚的，建筑设计却从来不是无线性能的朋友。东北大学张继良团队前期研究表明([1])，墙体建材的相对介电常数与厚度的细微偏差就会导致通信质量14.4%以上的损失。

如不改变被动适应建筑无线环境的惯性思维，下一代移动通信技术能够为用户带来的收益将非常有限。

如图1所示，如果设计师能够在安全标准和节能要求的基础上微调墙体材质和厚度，就能将发射功率降低10倍，却依然保持25dB信噪比下的网速([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])。

建筑物无线性能是建筑物本身固有属性，建筑设计师撒在图纸上的每一笔都在勾勒占总流量96%的数据网络图景。

5G到6G的屏障，不只在信息行业，也在建筑行业。

图1：建筑无线环境友好性

建筑无线友好性

破除建筑与通信行业壁垒的理论基础「建筑无线友好性」（Building Wireless Friendliness），在2022年被正式提出并付诸实践。

装配式建筑技术和建筑材料增材制造技术的涌现，为无线性能冲破建筑束缚提供灵活低成本的加工手段。装配式建筑可缩短80%施工周期，而混凝土3D打印已经能实现毫米级加工。

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，发掘通过调控复合建筑材料电磁特性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经开始引起业界的关注。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》明确提出「应该预先规划无线连接，再开展建筑施工过程」。

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得到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难题。

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

然而，用户的普遍移动性却给超表面嵌入建筑的信道引入了复杂的动态变化。若要无线友好型建筑的电磁环境动起来，将反射波束聚焦移动的用户，深刻理解室内人类行为模式至关重要。

研究首次尝试给出室内人类行为约束下的超表面嵌入建筑的无线性能潜力。

该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

首先要理解人类移动行为给建筑无线环境带来什么问题。

用户设备的移动性是跨尺度的。

在宏观上受到回溯趋势（Return tendency）与有界Lévy游走共同约束，用户总是趋向于在特定时间去特定地点，在选择目的地时，行程距离明显存在幂律分布特征。

这一特征是无标度的，也就是说，在任何尺度上都成立。该项研究通过大量的实测统计证实了在室内环境中用户的宏观移动性依然受到上述规律约束。

在更小的尺度上，用户会选择特定的方式到达目的地，包括躲避障碍物与其它用户的行为模式，这进一步导致了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的震动当中，多项研究都表明行走、站立、坐等不同行为状态下的设备指向性统计特征有明显的差别。

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。中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%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。

回到建筑本来的使命上。

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，这些都是可以被量化的，很容易被作来约束无线友好型建筑。但是人类行为、建筑审美等概念是难以被量化却无法回避的。

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，相信行为学、美学等现实约束下建筑设计「端到端」一键生成已经见到了曙光。

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)