智能超表面技术在智能高铁通信场景的应用探讨

赵亚军 章嘉懿 艾渤

摘要：作为最具发展潜力的5G-Adv和6G关键技术之一，智能超表面（RIS）技术具有低成本、低复杂度和易于部署等特点，为智能高铁通信的发展提供了新契机。介绍了RIS辅助的智能高铁通信的典型应用，包括抑制多普勒频移效应、解决频繁切换问题、克服高穿透损耗问题和支持高精度列车定位。深入讨论了RIS辅助的智能高铁通信中的关键技术，包括信道测量与建模、信道估计与反馈、波束赋形、网络架构与部署。认为智能高铁新基建与RIS构建的电磁新基建的结合，将会给智能高铁带来广阔的前景。

关键词：智能高铁；智能超表面；多普勒频移；穿透损耗；列车定位；信道估计；波束赋形

Abstract： Reconfigurable intelligent surface （RIS） is one of the most promising technologies for 5G-Adv and 6G. It has the characteristics of low cost， low complexity， and easy deployment， which provides a new opportunity to develop intelligent high-speed railway communications. The typical applications of RIS-assisted smart high-speed railway communications are introduced in detail， including suppressing the Doppler shift effect， solving frequent handoff problems， overcoming high penetration loss problems， and supporting high-precision train positioning. The key technologies of RIS-assisted smart high-speed railway communications are discussed in-depth， including channel measurement and modeling， channel estimation and feedback， beamforming， network architecture， and network deployment. It is believed that the combination of the new intelligent high-speed railway infrastructure and the new electromagnetic infrastructure built by RIS will bring broad industrial prospects to the intelligent high-speed railway in the future.

Keywords： smart high-speed railway； reconfigurable intelligent surface； Doppler frequency shift； penetration loss； train positioning； channel estimation； beamforming

近10年来，随着高铁的迅速发展、移动通信技术以及人工智能（AI）技术的进步与融合，高铁已开始从信息化向智能化演进。5G网络天然支持万物互联，因此它的规模商用将会加快高铁智能化的发展。5G技术可以使智能高铁通信更加“高速”和“智能”。但智能高铁通信的工程实现仍极具挑战。

作为一个全新的技术，智能超表面（RIS）技术一经出现就引起了业界的广泛关注。近两年，RIS在学术研究及产业推进上发展迅速，被普遍认为是未来移动通信网络的关键候选技术之一[1-2]。

RIS通常由大量精心设计的电磁单元排列组成，通过给电磁单元上的可调元件施加控制信号，动态控制这些电磁单元的电磁性质，进而以可编程的方式对空间电磁波进行智能调控，并形成幅度、相位、极化和频率可控制的电磁场。……