Die KI-Revolution in der Bauindustrie: Wie lassen intelligente Metasoberflächen Gebäude die 6G-Signale „verstehen“?

Angesichts der hohen Stromaufnahme von 5G-Basisstationen wird die Signalabschwächung im Innenraum zum Engpass in der Kommunikation. Erforschen Sie, wie 6G mithilfe von intelligenten metasurfaces und der drahtlosen Freundlichkeit von Gebäuden die Barrieren zwischen der Bau- und der Kommunikationsbranche überwinden kann, um die drahtlose Kommunikation im Innenraum, wo 96 % des Datenverkehrs stattfindet, revolutionär zu verbessern.

Die extrem hohe Stromaufnahme von 5G-Basisstationen wird in der Branche seit langem kritisiert. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Basisstationen nur im Freien aufgestellt werden können, während 96 % des Datenverkehrs von Innenraumbenutzern stammt.

Wenn das Signal durch eine Wand geht, sinkt seine Stärke um 90 % bis 99,9 %.

Die Frage, wie man die Innenraumbenutzer, die den Hauptteil des Datenverkehrs ausmachen, optimal bedienen kann, ist eine zentrale Überlegung für die Entwicklung von 6G.

Betrachtet man die Entwicklung der Mobilkommunikation von der ersten Generation bis hin zu 5G, hat die Kommunikationsbranche sich immer darauf konzentriert, die Einschränkungen durch Gebäude und Innenraumumgebungen zu überwinden. Obwohl es Fortschritte bei der Optimierung von Codierungstechniken und der Koordination von Leistungs- und Frequenzressourcen gab, wurden die tatsächlichen Effizienzgewinne aufgrund der sprunghaft steigenden Basisbandparameter immer geringer. Höhere Frequenzbänder und Massiv-MIMO-Antennenarrays, die von Nahfeldkommunikationstechniken angetrieben werden, sowie neue Paradigmen der eingebetteten Intelligenz, wie semantische Kommunikation und intelligente metasurfaces, müssen die unterschiedlichen Netzwerkanforderungen in verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen bewältigen.

Der Kommunikationsbranche steht eine Kluft zwischen komplexen Technologien und fragmentierten Anforderungen gegenüber.

Der „Schmetterlingseffekt“ in der Architektur

Selbst geringfügige Änderungen in der Architektur können das drahtlose Kommunikationsnetz im Innenraum revolutionieren.

Intelligente metasurfaces werden als Schlüsselinnovation für die 6G-Mobilkommunikation angesehen. Sie markieren einen Meilenstein bei der aktiven Beeinflussung der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen zur Optimierung von drahtlosen Kommunikationsnetzwerken. Bevor die Erfindung von intelligenten metasurfaces war die Branche darauf angewiesen, sich passiv an die drahtlosen Ausbreitungshindernisse in Gebäuden anzupassen.

Außenmetasurfaces werden normalerweise auf der Außenfläche von Gebäuden angebracht. Die Strahlen, die von der Basisstation auf die Metasurface treffen, werden neu geformt und auf Gebäude in der Schattenzone fokussiert, um die Abdeckung zu erweitern. Dennoch findet fast 96 % des Mobilfunkverkehrs im Innenraum statt, ein Bereich, den selbst die intelligentesten Außenmetasurfaces nicht erreichen können.

Die Leistungsfähigkeit von drahtlosen Innenraumnetzwerken wird von den Baumaterialien und der Bauweise begrenzt. Die Architektur hat bisher selten die drahtlose Kommunikation im Blick. Frühere Studien des Teams um Jiliang Zhang von der Northeastern University ([1]) haben gezeigt, dass bereits geringfügige Abweichungen in der relativen Dielektrizitätskonstante und der Dicke von Wänden zu einem Verlust der Kommunikationsqualität von über 14,4 % führen können.

Solange die Branche sich weiterhin passiv an die drahtlosen Bedingungen in Gebäuden anpasst, werden die Nutzen, die die nächste Generation der Mobilkommunikationstechnologie für die Benutzer bringen kann, begrenzt bleiben.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, kann der Designer die Sendeleistung um den Faktor 10 reduzieren, wenn er die Wandmaterialien und -dicken unter Berücksichtigung von Sicherheitsstandards und Energieeffizienzanforderungen geringfügig anpasst, und dennoch die Internetgeschwindigkeit bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 25 dB beibehalten ([2]).

Die relative Dielektrizitätskonstante und die Dicke der Baumaterialien definieren zusammen den Indikator für die „drahtlose Freundlichkeit von Gebäuden (Building Wireless Friendliness)“ ([1]).

Die drahtlose Leistungsfähigkeit eines Gebäudes ist eine inhärente Eigenschaft des Gebäudes selbst. Jede Strichzeichnung des Architekten zeichnet das Bild eines Datennetzwerks, das 96 % des gesamten Datenverkehrs abdecken soll.

Die Barrieren zwischen 5G und 6G liegen nicht nur in der Informationsbranche, sondern auch in der Bauindustrie.

Abbildung 1: Drahtlose Freundlichkeit von Gebäuden

Drahtlose Freundlichkeit von Gebäuden

Das Konzept der „drahtlosen Freundlichkeit von Gebäuden (Building Wireless Friendliness)“ als theoretische Grundlage zur Überwindung der Barrieren zwischen der Bau- und der Kommunikationsbranche wurde 2022 offiziell vorgeschlagen und in die Praxis umgesetzt.

Der Aufstieg der Fertigbau- und Additivbau-Technologien für Baumaterialien bietet flexible und kostengünstige Bearbeitungsmethoden, um die drahtlose Leistungsfähigkeit von Gebäuden zu verbessern. Fertigbauweise kann die Bauzeit um 80 % verkürzen, und die 3D-Drucktechnologie für Beton ermöglicht bereits eine Bearbeitung im Millimeterbereich.

Das Team um Jiliang Zhang untersucht derzeit die Potenziale der drahtlosen Freundlichkeit von Fertigbaugeräten, indem es die elektromagnetischen Eigenschaften von Verbundbaustoffen und Metamaterialien in die Baukonstruktion integriert.

Die Forschungsrichtung, die von Jiliang Zhangs Team vorgeschlagen wurde, hat bereits die Aufmerksamkeit der Branche erregt. Im März 2025 forderte die British National Health Service in ihrer „Health and Care Infrastructure Building Guide“ explizit auf, die drahtlose Verbindung bereits in der Planungsphase eines Gebäudes zu berücksichtigen.

Abbildung 2: Integration von Metasurfaces in verschiedene Baukonstruktionen und -materialien

Intelligente Wände: Der Weg zu drahtlos freundlichen Gebäuden

Drahtlos freundliche Gebäude, die durch die Optimierung von Struktur und Materialien geschaffen werden, sind statisch. Dies reicht jedoch nicht aus, um das Problem der Mobilität von Innenraumbenutzern vollständig zu lösen.

Die neuesten Forschungen des Teams um Professor Jiliang Zhang ([4]) schlagen vor, kostengünstige passive Metasurface-Tiles in die Baukonstruktion zu integrieren (wie in Abbildung 2 gezeigt), um Metasurfaces überall im Gebäude zu haben und so intelligente Wände zu schaffen, die die drahtlose Leistungsfähigkeit des Gebäudenetzwerks grundlegend verbessern.

Die Mobilität der Benutzer bringt jedoch komplexe dynamische Veränderungen in den Kanal der in das Gebäude integrierten Metasurfaces. Um das elektromagnetische Umfeld eines drahtlos freundlichen Gebäudes dynamisch zu gestalten und die reflektierten Strahlen auf die bewegten Benutzer zu fokussieren, ist es unerlässlich, das Verhaltensmuster von Menschen im Innenraum zu verstehen.

Die Studie versucht erstmals, das Potenzial der drahtlosen Leistungsfähigkeit von Gebäuden mit integrierten Metasurfaces unter Berücksichtigung des menschlichen Verhaltens im Innenraum zu bewerten.

Die Studie wurde von der renommierten Fachzeitschrift IEEE Wireless Communications akzeptiert. Der erste Autor des Artikels ist Ziyang Wu von der Northeastern University, der Korrespondenzautor ist Professor Jiliang Zhang von der Northeastern University. Das Paper wurde in Zusammenarbeit mit Professor Muhammad Ismail von der Tennessee Technological University und Professor Jie Zhang, Mitbegründer von Ranplan Wireless, erstellt.

• Preprint-Link: https://arxiv.org/abs/2507.14876
• Paper-Link: https://ieeexplore.ieee.org/document/11202168

Zunächst muss man verstehen, welche Probleme das menschliche Bewegungsverhalten für das drahtlose Umfeld in Gebäuden mit sich bringt.

Die Mobilität von Benutzereinrichtungen ist skalenübergreifend.

Im Makrobereich wird die Bewegung der Benutzer sowohl von der Tendenz, an bestimmte Orte zurückzukehren (Return tendency), als auch von einem begrenzten Lévy-Walk beeinflusst. Benutzer neigen dazu, zu bestimmten Zeiten an bestimmte Orte zu gehen, und die Entfernungen ihrer Reisen folgen einer Potenzgesetzverteilung.

Dieses Merkmal ist skaleninvariant, was bedeutet, dass es auf jeder Skala gilt. Diese Studie hat anhand zahlreicher Messungen bestätigt, dass auch die Makromobilität von Benutzern im Innenraum von diesen Regeln beeinflusst wird.

Im kleineren Maßstab wählen Benutzer bestimmte Wege, um ihr Ziel zu erreichen, einschließlich Verhaltensmuster, um Hindernissen und anderen Benutzern auszuweichen. Dies führt wiederum zu häufigen Verdeckungen der Sichtverbindungen.

Im Mikrobereich befindet sich das von Benutzern gehaltene Gerät ständig in leichten Vibrationen. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die statistischen Merkmale der Geräterichtung in verschiedenen Verhaltenszuständen wie Gehen, Stehen und Sitzen deutlich unterschiedlich sind.

Die oben genannten Skalenfaktoren bestimmen gemeinsam die Gezeiten-ähnlichen Evolutionsmerkmale des Kanals von in Gebäude integrierten Metasurfaces.

Abbildung 3: Raumzeitliche Evolution des Kanals von in Gebäude integrierten Metasurfaces. (a) und (b) sind jeweils Momentaufnahmen der raumzeitlichen Verteilung der Kanalstatistik an der Oberfläche der intelligenten Wand. Die Verteilung in jeder Momentaufnahme wurde normalisiert, wobei der hellste Bereich der höchsten Kanalverstärkung oder der höchsten Linkssicherheit entspricht. Der partielle Autokorrelationsfunktion der Kanalzustände der intelligenten Wand zeigt eine Zunahme der Markov-Ordnung. (c) zeigt die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der zeitvariablen Kanalverstärkung und der Linkssicherheit der Metasurface.

Herausforderungen durch das Gruppenbewegungsverhalten

Da die hohen Frequenzbänder von 6G (z. B. Millimeterwellen, sichtbares Licht) sehr empfindlich auf Verdeckungen und Verschiebungen reagieren, wird die Mobilität der Benutzer zur zentralen treibenden Kraft für die Evolution der Kanalmodalitäten. Dies führt dazu, dass es kein universelles Kanalmodell für in Gebäude integrierte Metasurfaces gibt.

Die Unsicherheit des menschlichen Verhaltens erfordert eine datengesteuerte Verfolgung der reflektierten Strahlen. Die Kanalevolution zeigt jedoch gezeitenähnliche Merkmale und ist daher vorhersagbar.

Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft kann man nur 10 % der Fläche der Metasurface dynamisch aktivieren und durch tiefes Reinforcement Learning mit geringer Komplexität eine flächenhafte, sich langsam ausbreitende Aktivierung erreichen, wodurch die Steuerungs- und Stromversorgungsbelastung erheblich reduziert wird.

Das menschliche Verhalten zerstört jedoch die Markov-Eigenschaft des Kanals und erhöht die Dimension des Kanalzustandsraums. Das Team um Jiliang Zhang hat eine leichte MuZero-ähnliche Methode vorgeschlagen, die in einem zeitlich eingebetteten latenten Raum trainiert wird, um Steuerungsstrategien zu entwickeln, die unempfindlich gegenüber Umgebungsunsicherheiten sind.

Abbildung 4: Konzeptdrift des Kanals der intelligenten Wand. Die obere Abbildung zeigt die Quellen von drei Arten von Konzeptdrift im Kanal. Die untere Abbildung zeigt die Evolutionsprozesse der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Kanalverstärkung der intelligenten Wand in verschiedenen Bewegungsphasen.

Es gibt signifikante Unterschiede in der intrinsischen Generalisierungsfähigkeit bei verschiedenen Wellenlängen. Beispielsweise haben Millimeterwellen im Vergleich zur sichtbaren Lichtkommunikation eine bessere Beugungsfähigkeit, was zu einer stärkeren Zufälligkeit ihrer Kanalmerkmale führt.

Diese Zufälligkeit verschleiert nicht nur die Grenzen der Schattenzonen, sondern auch die Details der Evolution des menschlichen Verhaltensmusters.

Deshalb zeigt ein für Millimeterwellenkanäle trainiertes Algorithmus natürlich eine bessere Generalisierungsfähigkeit. Im Gegensatz dazu zeichnet der Kanal des sichtbaren Lichts das Verhalten von Menschen im Gebäudeumfeld klar ab, was unvermeidlich zu einer multimodalen Evolution der Kanalmerkmale und größeren Generalisierungsherausforderungen führt.

Wiederholen wir die ursprüngliche Aufgabe des Gebäudes.

Die „eingebettete Intelligenz