6G突破：智能超表面重塑建筑无线友好性

在5G基站功耗居高不下的今天，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基站的高功耗一直是业内关注的焦点。主要原因是基站只能部署在室外，而96%的流量需求却源于室内用户。

信号穿墙后强度下降了90%~99.9%。

如何满足主导流量需求的室内用户是6G必须面对的问题。

从初代移动通信技术发展到今天的5G，通信行业一直努力克服建筑与室内环境的束缚。尽管编码技术和功率频谱资源得到了优化，但基带指标的飞速膨胀带来的真实效能收益却逐渐减少。更高频段、超大规模天线阵列以及语义通信和智能超表面等内生智能新范式，将应对千行百业对网络的差异化需求。

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。

建筑设计的影响力

建筑设计的小改动可以带来信号孤岛的大变化。

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，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，这是室外超表面无法触及的领域。

室内无线网络性能的极限受限于建筑材料和结构的束缚，而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的研究表明([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。

若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为用户带来的收益将非常有限。

如图1所示，如果设计师能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，同时保持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”指标([1])。

建筑物的无线性能是建筑物本身的固有属性，建筑设计师的每一笔都在勾勒占总流量96%的数据网络图景。

5G到6G的障碍不仅存在于信息行业，也存在于建筑行业。

建筑无线友好性

“建筑无线友好性”理论于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出现，为突破建筑束缚提供了灵活且低成本的加工手段。装配式建筑可缩短80%的施工周期，而混凝土3D打印已实现毫米级加工。

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。

张继良团队的研究方向已引起业界关注。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》明确提出“应预先规划无线连接，再开展建筑施工”。

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。若要让无线友好型建筑的电磁环境动起来，将反射波束聚焦移动用户，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。

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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。

参考资料

[略]...