趙亞軍 章嘉懿 艾渤

摘要：作為最具發(fā)展?jié)摿Φ?G-Adv和6G關(guān)鍵技術(shù)之一，智能超表面（RIS）技術(shù)具有低成本、低復(fù)雜度和易于部署等特點，為智能高鐵通信的發(fā)展提供了新契機。介紹了RIS輔助的智能高鐵通信的典型應(yīng)用，包括抑制多普勒頻移效應(yīng)、解決頻繁切換問題、克服高穿透損耗問題和支持高精度列車定位。深入討論了RIS輔助的智能高鐵通信中的關(guān)鍵技術(shù)，包括信道測量與建模、信道估計與反饋、波束賦形、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與部署。認(rèn)為智能高鐵新基建與RIS構(gòu)建的電磁新基建的結(jié)合，將會給智能高鐵帶來廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：智能高鐵；智能超表面；多普勒頻移；穿透損耗；列車定位；信道估計；波束賦形

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年來，隨著高鐵的迅速發(fā)展、移動通信技術(shù)以及人工智能（AI）技術(shù)的進步與融合，高鐵已開始從信息化向智能化演進。5G網(wǎng)絡(luò)天然支持萬物互聯(lián)，因此它的規(guī)模商用將會加快高鐵智能化的發(fā)展。5G技術(shù)可以使智能高鐵通信更加“高速”和“智能”。但智能高鐵通信的工程實現(xiàn)仍極具挑戰(zhàn)。

作為一個全新的技術(shù)，智能超表面（RIS）技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。近兩年，RIS在學(xué)術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)推進上發(fā)展迅速，被普遍認(rèn)為是未來移動通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵候選技術(shù)之一[1-2]。

RIS通常由大量精心設(shè)計的電磁單元排列組成，通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號，動態(tài)控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進而以可編程的方式對空間電磁波進行智能調(diào)控，并形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場。作為超材料的二維實現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低復(fù)雜度，以及易部署的突出特性，可以更好地應(yīng)對智能高鐵通信場景所帶來的挑戰(zhàn)。

RIS技術(shù)在經(jīng)典場景下的無線通信應(yīng)用研究非常多，但其在高鐵通信應(yīng)用的系統(tǒng)探討還很少[3]，也僅有少量文獻涉及該場景中的單點技術(shù)問題。例如，文獻[3]提供了采用RIS降低多普勒效應(yīng)的思路。

1 智能高鐵移動通信需求與挑戰(zhàn)

智能高鐵移動通信技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括寬帶移動通信、車載無線通信、智能調(diào)度通信、車-地/車-車通信技術(shù)等，用于支持智能高鐵移動通信場景下的列控及運行相關(guān)業(yè)務(wù)、列車綜合服務(wù)業(yè)務(wù)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及旅客車載移動寬帶接入業(yè)務(wù)等四大類典型業(yè)務(wù)[5]。

相對于經(jīng)典的通信場景，智能高鐵無線通信由于其無線傳播環(huán)境及業(yè)務(wù)特點，目前面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，主要包括：（1）高鐵的超高速移動所帶來的嚴(yán)重的多普勒頻移與頻繁的小區(qū)切換問題；（2）高鐵車廂的高穿透損耗使得車廂內(nèi)的信號覆蓋改善較為困難；（3）需要充分利用更多的頻段（包括6 GHz以下頻段、毫米波頻段），以更好地滿足未來智能高無線鐵通信需求，因此要求無線網(wǎng)絡(luò)具備支持多頻段的能力；（4）智能高鐵無線通信網(wǎng)絡(luò)可以采用專網(wǎng)覆蓋或公網(wǎng)覆蓋，因此面臨與鐵路沿線的周邊網(wǎng)絡(luò)之間復(fù)雜的異系統(tǒng)共存問題；（5）其他一些問題，例如高速移動帶來的信道估計與反饋、列車高精度定位與環(huán)境感知問題，以及智能高鐵通信中的多業(yè)務(wù)類型的共存等。

為解決上述問題，傳統(tǒng)高鐵無線通信系統(tǒng)主要采用優(yōu)化收發(fā)端算法、優(yōu)化收發(fā)機的網(wǎng)絡(luò)部署等方法。例如，采用分布式大規(guī)模天線技術(shù)、發(fā)射端多普勒估計與預(yù)補償技術(shù)及切換流程優(yōu)化技術(shù)等。這些傳統(tǒng)方法系統(tǒng)復(fù)雜度高、網(wǎng)絡(luò)部署及優(yōu)化難度大，而且實現(xiàn)成本高。

另外，雖然業(yè)界有很多關(guān)于AI用于增強傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的研究，但這些研究主要探討的是發(fā)射端與接收端的智能化，無線信道依然需要被動適應(yīng)自然傳播環(huán)境。智能高鐵無線通信挑戰(zhàn)的根源在于其復(fù)雜的無線信道環(huán)境，若能人為控制無線傳播環(huán)境，就能從根本上消除高鐵通信特有的復(fù)雜信道環(huán)境。在實現(xiàn)無線系統(tǒng)收、發(fā)端智能化基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)無線信道的智能可控，能構(gòu)建真正涵蓋發(fā)射端、無線信道和接收端的端到端智能無線系統(tǒng)。

綜上所述，傳統(tǒng)高鐵無線通信解決方案只能被動地適應(yīng)高鐵的信道特性。RIS的出現(xiàn)讓人們可以對無線傳播環(huán)境進行調(diào)控，構(gòu)建智能可控的無線傳播環(huán)境，從而可以對收發(fā)端和無線傳播信道進行聯(lián)合優(yōu)化，為進一步提升系統(tǒng)性能、降低復(fù)雜度與成本提供可能。

2 RIS使能智能高鐵無線通信的典型應(yīng)用

目前，智能高鐵無線通信仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但同時也存在著顯著的規(guī)律性。例如，無線信道體現(xiàn)為沿鐵路線呈規(guī)律性變化；列車上的用戶終端（UE）組整體遷移，具備顯著共性，包括UE組整體移動的群切換、業(yè)務(wù)連接及容量需求的整體遷移等?；谶@些特征，可以針對性地對基于RIS的智能高鐵無線通信算法與網(wǎng)絡(luò)部署進行設(shè)計。

2.1 抑制多普勒效應(yīng)

在高鐵場景中，列車速度遠高于一般終端的速度，因此它的多普勒頻移與擴展更加嚴(yán)重。另一個嚴(yán)重的問題是，列車通過基站時會發(fā)生多普勒頻移從+fmax到-fmax的正負(fù)跳變，該突發(fā)的多普勒頻移正負(fù)跳變會導(dǎo)致接收端難以進行準(zhǔn)確的頻移補償。嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)是高鐵信道傳播的典型特性之一。

RIS對無線信號傳播幅度與相位的動態(tài)調(diào)控為解決高鐵場景嚴(yán)重的多普勒頻移問題提供了機會。實時可調(diào)的RIS可以有效降低由多普勒效應(yīng)引起的接收信號強度的快速波動[6-7]。高鐵無線通信場景確定的運行方向和規(guī)則的運行軌跡會產(chǎn)生規(guī)則的、可預(yù)測的多普勒頻移曲線，從而使得收發(fā)端易于跟蹤，同時易于補償多普勒效應(yīng)[2]。多普勒頻移的影響主要在于，不同多徑信號分量達到接收機的多普勒頻移有所差異且動態(tài)變化。高鐵沿線無線通信信道的主散射體較為規(guī)則且相對確定，因此可以在一些關(guān)鍵主散射體表面部署RIS，并基于測量及預(yù)測調(diào)控不同多徑的多普勒頻移對齊，從而減少多普勒頻移的影響。

有兩種特殊場景需要專門進行優(yōu)化：高鐵臨近RIS，但車體處于RIS的單側(cè)；列車經(jīng)過RIS，車體前后車廂分別位于車廂的兩側(cè)。

（1）對于高鐵臨近RIS的場景，相對于該RIS，不同部位的車廂有不同的角度，因而有不同的多普勒頻移?？梢詫IS反射表面進行分塊，不同子塊的天線陣元對入射其上的信號分別獨立地進行波束賦形，以對齊不同列車部位的車廂，并針對性地調(diào)控以補償不同的多普勒頻移量。

（2）對于列車經(jīng)過RIS的場景，若RIS同時服務(wù)兩側(cè)車廂，會存在上述的多普勒頻移正負(fù)跳變效應(yīng)。為減少該效應(yīng)的影響，一種可選的方案是采用列車行進方向的RIS來服務(wù)列車前段的車廂，而列車正在經(jīng)過的RIS僅服務(wù)單側(cè)車廂，從而避免多普勒頻率跳變問題。RIS簡單、易部署，且成本較低，可以在鐵路沿線進行更為密集的部署，因此為上述方案提供了可能性。

2.2 解決頻繁切換問題

高鐵350 km/h以上的移動速度會引起頻繁的小區(qū)切換，這可能造成網(wǎng)絡(luò)的吞吐量下降、業(yè)務(wù)中斷概率提升等問題，從而影響用戶的高鐵通信體驗。

目前，有兩個方案可以解決頻繁切換問題：（1）采用射頻拉遠模塊（RRU）或分布式天線，擴展小區(qū)的覆蓋范圍，從而降低切換頻率；（2）優(yōu)化小區(qū)間切換流程，盡可能減少因頻繁切換引起的性能變化。第1類方案為主要的解決方案，但它需要部署更多的RRU或分布式天線。而RRU或分布式天線的價格較高、體積重量較大、功耗較高，并且需要較多的寬帶回傳鏈路等，因此該方案在站址選擇、回傳鏈路部署、供電等方面均面臨很大的挑戰(zhàn)。

基于自身的技術(shù)特性，RIS有3種方式替代或改進傳統(tǒng)解決方案：

（1）使用低成本的反射型RIS完全替換傳統(tǒng)的分布式天線節(jié)點，并延伸覆蓋線路長度，從而降低小區(qū)的切換頻次。反射模式的RIS進一步分為無源反射RIS和有源反射RIS兩個子類。對于無源反射RIS，可以通過RIS波束賦形增益增強信號，擴展覆蓋范圍。無源反射RIS具有成本低、功耗小、簡單、易部署的優(yōu)點。僅依靠波束賦形增益，并不能放大信號幅度，因此覆蓋擴展范圍有限。有源反射RIS可以放大反射信號，因此可以進一步擴展覆蓋范圍。有源反射RIS對成本、復(fù)雜度、部署等方面有更高要求。相對于傳統(tǒng)的分布式天線方案，兩種反射模式的RIS在各方面的要求均有大幅度降低。

（2）將傳統(tǒng)分布式天線與RIS結(jié)合?？紤]到RIS覆蓋擴展范圍受限，那么可以在一定程度上降低分布式天線的部署密度，并且采用RIS來增強覆蓋。

（3）采用透射型RIS來改進傳統(tǒng)大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO）天線，即采用無源透射型RIS來替換傳統(tǒng)有源相控陣天線，從而減少天線的體積、重量，并且降低功耗以及成本。另外，采用無源透射型RIS替換傳統(tǒng)有源相控陣天線，有利于制作一些異形天線，從而更好地滿足高鐵沿線不同自然條件下的部署需求。例如，對于半圓柱曲面形態(tài)，波束覆蓋角度可以更好地對準(zhǔn)處于不同角度的列車。

另外，高鐵通信的業(yè)務(wù)需求會隨著高鐵運動進行整體遷移。也就是說，只有高鐵經(jīng)過的小區(qū)才需要進行業(yè)務(wù)連接；在本次列車經(jīng)過后至下一趟列車到達前，該小區(qū)不需要支持高鐵通信。那么，鐵路沿線的相鄰基站（NB_k與NB_k+1）可以接力共享兩者之間的RIS，從而盡可能地降低覆蓋成本。傳統(tǒng)的相鄰兩個基站在共享拉遠RRU或分布式天線時，由于需要低時延地切換大帶寬的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及控制信令，因此實現(xiàn)復(fù)雜度較高；而共享RIS僅需要在基站間切換低帶寬控制信令，其時延要求可以適度降低，從而使RIS在動態(tài)性與共享切換的實時性之間取得平衡。

2.3 克服高穿透損耗

高鐵穿透損耗包括兩種情況：列車金屬車廂穿透損耗和列車窗玻璃穿透損耗。本節(jié)中，我們首先對兩類穿透損耗進行分析，然后討論不同的解決方案。

2.3.1 穿透損耗分析

（1）金屬車廂

高鐵的金屬車廂會帶來嚴(yán)重的穿透損耗，這使車廂內(nèi)的信號覆蓋面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。文獻[8]給出了幾種典型車型的穿透損耗參考值，其中CRH3車型的損耗值更高，為24～26 dB（見表1）。另外，對于同一車型，不同信號入射角也會對應(yīng)不同的穿透損耗。當(dāng)無線信號垂直入射車廂時，相應(yīng)的穿透損耗最小；相反，無線信號的入射角越小，穿透損耗越大。因此，當(dāng)基站離鐵道越近，覆蓋區(qū)域邊緣信號進入車廂的入射角就會越小，穿透損耗會越大。因此，合理地控制入射角，能夠更好地滿足高速軌道覆蓋目標(biāo)。

（2）玻璃窗

列車車窗玻璃的穿透損耗比金屬車廂低，但由于防沖撞等特殊的需求，一般常采用特殊材料的雙層玻璃。因此，列車車窗玻璃穿透損耗不可忽略，尤其是毫米波，穿透損耗明顯。文獻[9]給出了幾種典型玻璃在28 GHz頻段的穿透損耗值，例如透明玻璃（3.6～3.9 dB）、有色玻璃（24.5～40 dB）。另外，玻璃車窗的面積相對較小，信號入射能量受限。與金屬車廂類似，車窗玻璃的穿透損耗同樣受到信號入射角度的影響。文獻[10]提供的測量結(jié)果顯示，穿透損耗隨著信號入射角度的增大而增大。但是，該文獻中的測量結(jié)果也表明，不同極化方向信號隨入射角度的變化呈現(xiàn)較大差異。其中，垂直極化信號的透射系數(shù)隨著入射角度增大而線性降低；而水平極化信號在不同入射角時，透射系數(shù)基本保持穩(wěn)定。這種現(xiàn)象給了我們新的啟示：既然不同極化方向的信號在不同入射角度下有著不同的穿透損耗變化，那么我們可以利用這一現(xiàn)象來減少穿透損耗的影響。例如，可以考慮采用對入射角不敏感的水平極化方向的信號來穿透車窗玻璃。

2.3.2 RIS克服穿透損耗

實現(xiàn)高鐵車廂無線移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部覆蓋主要有兩種模式：鐵路沿線節(jié)點的信號直接穿透列車金屬和車窗玻璃進入車廂，但這樣存在嚴(yán)重的穿透損耗；在列車上部署移動節(jié)點，例如車載中繼或客戶前置設(shè)備（CPE），這就需要在車廂頂部進行開孔部署以接收天線，從而把信號引入車廂內(nèi)部。針對上述兩種模式，RIS有不同的解決方案，下面我們將分別探討。

（1）車窗玻璃布置透明形態(tài)RIS

列車車窗尺寸受限，鐵路沿線通信節(jié)點的波束（尤其是毫米波頻段）容易被金屬車廂阻擋。另外，信號經(jīng)過車窗玻璃時也會有較大的穿透損耗。在不改變高鐵車廂布局的前提下，在每個車窗布置透明形態(tài)的RIS，能夠?qū)崿F(xiàn)對車廂外信號的有效增強及覆蓋。若RIS動態(tài)可調(diào)，則可以對其進行實時調(diào)控以跟蹤覆蓋車廂內(nèi)不同角度的用戶，從而解決波束阻擋問題，并獲得波束賦形增益；對于簡化的固定權(quán)值RIS，可以為其設(shè)計寬波束調(diào)控權(quán)值，以解決波束阻擋問題，但并不能獲得波束賦形增益。當(dāng)然，也可以考慮在車廂內(nèi)部同時部署RIS，輔助車窗透明RIS調(diào)控波束覆蓋。這樣，可以克服上述固定權(quán)值透明RIS的弊端。需要注意的是，透明形態(tài)的RIS設(shè)計須同時兼顧信號增強和可見光透明度的問題。

（2）鐵路沿線部署RIS

在不增加基站密度的前提下，在鐵路沿線合理部署RIS，可以在一定程度上緩解列車穿透損耗問題。首先，利用RIS簡單、易部署的特點，可以在鐵路沿線更多地部署RIS以增強基站信號，降低大尺度路損。其次，可以利用超大規(guī)模RIS天線陣元提升波束賦形增益，以更好地對齊車窗入射。另外，有些窗玻璃穿透損耗對入射信號的極化方式比較敏感?；诖颂匦?，RIS可以調(diào)控入射信號的極化方向，從而減少入射角對車窗玻璃穿透損耗的影響。如2.3.1節(jié)所述，垂直極化信號透射系數(shù)隨著入射角度增大而線性降低；而水平極化信號在不同入射角時，透射系數(shù)基本保持穩(wěn)定。那么，我們完全可以考慮利用鐵路沿線部署的RIS調(diào)控信號極化方向，把入射到車窗的信號調(diào)控為水平極化方向，從而降低在大入射角下的車窗玻璃穿透損耗。

（3）增強現(xiàn)有車頂天線

盡管采用車載中繼或者CPE把信號引入/引出車廂是解決高鐵通信的有效手段，但是部署傳統(tǒng)有源車頂天線仍然具有很大的挑戰(zhàn)。作為亞波長無源二維超表面，RIS便于設(shè)計成多樣的形態(tài)，用于增強現(xiàn)有的車頂天線，并克服傳統(tǒng)有源天線的弊端。例如，RIS可以貼附于車頂表面，安裝便利，且不會改變車廂表面的形態(tài)。另外， RIS這種貼附于車頂表面的形態(tài)，有利于更大規(guī)模的部署，以提供更高的天線增益。

（4）車廂內(nèi)壁部署RIS

在車廂內(nèi)壁進一步部署RIS，可更好地調(diào)控車內(nèi)傳播信道，解決車座阻擋問題。例如，在車廂內(nèi)表面部署RIS或用其他合適的固定裝飾來部署RIS。這些RIS能夠?qū)ν干溥M入車廂的有限強度的信號進行精細調(diào)控，以對齊目標(biāo)UE，從而充分利用進入車廂內(nèi)部的信號能量。一般來說，車廂內(nèi)的終端移動速度較慢，或者是幾乎相對靜止（如物聯(lián)網(wǎng)終端）。RIS-UE之間為慢變信道，更易于進行信道估計以及波束跟蹤。

2.4 支持列車高精度定位

列車定位技術(shù)可以隨時隨地獲得列車地理位置、實時速度等信息，是實現(xiàn)行車調(diào)度與控制的智能化基礎(chǔ)。5G技術(shù)的最新進展，尤其是亞米定位精度的特定要求，使得基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位成為未來列車定位系統(tǒng)的一個重要技術(shù)選擇[11]。RIS具有超大規(guī)模天線陣元、超大天線孔徑的特點，可以提供更高的空間分辨率，因此天然具備高精度定位的能力。在采用高頻毫米波頻段的高鐵通信場景中，RIS可用于一定精度的3D圖像識別?；赗IS實現(xiàn)車輛精準(zhǔn)定位、車速精準(zhǔn)測量，甚至是3D成像，可以對車況進行監(jiān)測控制，以確保安全，并更好地支持智能駕駛與調(diào)度。

若想利用RIS超大規(guī)模天線陣元和超大天線孔徑來獲得高精度定位，需要在鐵路沿線部署一定密度且具備測量感知能力的RIS，即這些RIS面板上需要配備有足夠密度且具有測量能力的有源天線陣子，從而可以精確估計目標(biāo)物體與RIS之間的信道狀態(tài)信息。相對于僅具有無源天線陣子的RIS，配備有源天線陣子的RIS的復(fù)雜度與成本都會更高，部署時需要綜合權(quán)衡復(fù)雜度及成本與列車定位精度需求之間的關(guān)系。

相比于基于傳統(tǒng)高鐵通信網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)機進行無線感知與定位，引入RIS進行電磁環(huán)境感知與定位主要有三大優(yōu)點：RIS更易于在鐵路沿線大規(guī)模部署，可以實現(xiàn)鐵路沿線無盲區(qū)的環(huán)境感知和定位；組成RIS的大量有源單元可以收集豐富的信息，從而獲得高精度、細粒度的高鐵沿線的電磁環(huán)境感知結(jié)果；所獲得的大量數(shù)據(jù)信息可應(yīng)用于數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能技術(shù)，進而挖掘更全面、更準(zhǔn)確的高鐵沿線的電磁環(huán)境信息。

3 RIS使能智能高鐵無線通信的關(guān)鍵技術(shù)

RIS使能無線通信涉及RIS硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控、基帶算法、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組網(wǎng)等諸多方面的技術(shù)。本文中，我們僅對其中需要特別優(yōu)化的幾項關(guān)鍵技術(shù)進行探討。

3.1 高鐵場景RIS信道測量與建模

在常規(guī)場景下，RIS的研究工作大多建立在簡單的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，目前僅有初步的測量及簡單的建模[12]，尚未有準(zhǔn)確可用的信道模型；對智能高鐵通信這種特殊場景，更缺乏必要的測量和建模。RIS的引入將會給智能高鐵通信的信道測量及建模帶來巨大的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)這主要包括如下幾方面：

（1）RIS可能會用于智能高鐵通信的典型頻段與業(yè)務(wù)場景，因此需要考慮智能高鐵通信典型的頻段、典型場景中的無線信道測量、信道特性與信道模型等。

（2）RIS的引入會使得基站（BS）與UE之間的信道關(guān)系發(fā)生變化，并增加BS-RIS-UE級聯(lián)路徑及RIS-RIS之間的傳播路徑。在高鐵網(wǎng)絡(luò)中，RIS部署在鐵路沿線、列車車窗玻璃上、列車車頂及列車車廂內(nèi)部等，這幾種部署方式會導(dǎo)致RIS的傳播信道有較大差異。例如，當(dāng)RIS部署在鐵路沿線時，NB-RIS之間的信道慢變，RISUE之間的信道快變；當(dāng)RIS部署在列車上時，NB-RIS之間的信道快變，RIS-UE之間的信道慢變。

（3）在鐵路沿線部署RIS的一些特殊場景也對RIS信道的測量及建模帶來挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)RIS部署在隧道里、沿線橋梁上，以及沿線場站時，均需要進行對應(yīng)場景的信道傳播特性測量和信道建模研究。

準(zhǔn)確測量與建模RIS使能的智能高鐵無線通信信道是一個全新的挑戰(zhàn)，需要繼續(xù)加大研究投入，從而為基于RIS的智能高鐵通信系統(tǒng)的設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、性能評估奠定基礎(chǔ)。

3.2 信道估計與反饋

在常規(guī)場景下，RIS使能的無線網(wǎng)絡(luò)的信道估計主要面臨兩方面的挑戰(zhàn)：RIS信道由NB-RIS之間及RISUE之間信道聯(lián)合構(gòu)成，需要考慮兩段聯(lián)合信道的估計；RIS一般擁有超大規(guī)模的天線陣子數(shù)量。對于智能高鐵通信這種特殊場景，可以利用其信道特性來消除上述挑戰(zhàn)帶來的影響，降低RIS信道估計的復(fù)雜度與反饋開銷。

智能高鐵通信信道有4個特點：

（1）沿鐵路線信道隨列車前行呈規(guī)律性變化；

（2）信道的角度域稀疏，尤其是高頻毫米波頻段；

（3）信道變化具有鮮明的地理/位置相關(guān)性；

（4）列車上終端整體遷移，UE組的信道具備共性特征。

另外，在常規(guī)的部署場景中，一般NB-RIS之間為慢變信道，而RISUE之間為快變信道[13]。對于智能高鐵通信場景，RIS可以部署在車窗玻璃上，此時NB-RIS之間為快變信道，RISUE之間為慢變信道。

智能高鐵通信信道隨高鐵沿固定軌道運行，傳播特性呈規(guī)律性變化。因此，在智能高鐵通信場景下，網(wǎng)絡(luò)可能不需要完整、精確的信道狀態(tài)信息（CSI）反饋，采用有限空間量化精度的碼本反饋即可滿足反饋精度的需求?；谙闰灥牧熊囘\行軌跡、運行速度，可以精確地實現(xiàn)前向預(yù)測估計，從而獲取信道并進行反饋。由于無線信道復(fù)雜多變，AI用于無線通信的泛化性能受限。對于高鐵通信這種具有規(guī)律性變化的場景，可以率先利用AI來優(yōu)化通信性能。例如，對于信道量化的碼本設(shè)計，可以采用離散傅里葉變換（DFT）等傳統(tǒng)方法進行量化，也可以采用AI訓(xùn)練獲得合適的碼本集合。對于碼本反饋，可以利用變化規(guī)律性及運行速度，反饋合適的碼本集合及其變化規(guī)律。進一步地，利用列車行駛的地理位置與信道狀態(tài)的關(guān)系，設(shè)計針對特定鐵路沿線地理位置的碼本集合，從而可以采用有限的、碼本個數(shù)精確的量化信道空間。為提升基于碼本反饋的準(zhǔn)確性，可輔以反饋一定的信道校準(zhǔn)信息，對碼本進行調(diào)整、校準(zhǔn)。例如，基于地理位置的碼本集合更新實現(xiàn)過程為：基于基站k的地理位置，預(yù)配置對應(yīng)的碼本集合Ak；當(dāng)列車經(jīng)過該基站時，基站把該碼本集合Ak配置給列車上的UE；基于測量，UE從Ak選擇合適的碼本并反饋給基站K。

另外，網(wǎng)絡(luò)可以利用速度估計、位置以及位置變化估計等信息，來預(yù)測下一時間點的信道狀態(tài)，無須對信道進行實時估計反饋；當(dāng)列車上的UE集合進行整體遷移時，UE組的信道在信號離開角（AoD）/到達角（AoA）、速度、多普勒頻移等方面具備共性，這些UE組共性信道參數(shù)僅需要反饋一次。

上述兩個典型特性均可進一步減少反饋開銷，并解決反饋時延問題。

3.3 波束賦形

通過調(diào)控RIS每個單元的相位，可以調(diào)整波束，使其朝著特定方向發(fā)射信號，從而降低所需信號的發(fā)送功率，提高頻譜效率，擴大覆蓋范圍，削弱干擾。在傳統(tǒng)的多天線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，波束賦形設(shè)計主要是對多天線的收發(fā)機的預(yù)編碼與解碼矩陣進行設(shè)計，實現(xiàn)信號定向傳輸。在RIS輔助的通信系統(tǒng)中，智能高鐵通信的高速時變信道環(huán)境使得系統(tǒng)的波束賦形設(shè)計變得更加復(fù)雜。幸運的是，我們可以利用智能高鐵通信的規(guī)律性位置與移動對波束進行設(shè)計，以降低波束賦形的復(fù)雜度[14]。

對于鐵路沿線RIS，其波束賦形設(shè)計包括遠場場景和近場場景兩種典型情況。遠場場景是指列車遠離RIS/ NB的情況，該場景具有路損高、穿透損耗高、角度變化相對較慢、多普勒頻移整體偏移一個方向等突出特點。因此，需要采用波束賦形來增強信號，以減少路徑損耗。采用窄波束方式，利用列車特有的角度變化規(guī)律及移動速度，可以使波束更好地對齊列車不同部位的車廂。近場場景是指列車靠近RIS/NB或列車經(jīng)過RIS/NB的情況，該場景具有路損低、穿透損耗相對低（信號入射車窗及車廂的角度較?。?、角度變化快、多普勒頻移跳變等特點。不過，近場場景對波束賦形增益需求較低，因此可以考慮寬波束或者廣播模式，以解決角度快變跟蹤問題。如2.1節(jié)所述，近場場景有一種特殊情況，即列車經(jīng)過RIS時會存在多普勒頻移跳變問題，此時波束賦形方向需要進行精巧設(shè)計。一個可能的設(shè)計是：采用相鄰的多個RIS，且每個RIS的波束僅對齊覆蓋RIS單側(cè)的車廂，從而規(guī)避多普勒頻移跳變問題。針對智能高鐵通信中列車的多用戶或多小區(qū)共享一個RIS的需求，可以把RIS反射表面的天線陣元進行分塊，不同子塊的天線陣元對不同UE或不同小區(qū)的入射信號進行不同權(quán)值的波束賦形[15]。

為降低波束賦形的復(fù)雜度，可以利用高鐵通信信道的規(guī)律性，對信道空間進行碼本量化。根據(jù)地理位置和運動規(guī)律，設(shè)計波束賦形的預(yù)編碼矩陣集合、預(yù)編碼矩陣切換規(guī)律及切換速度。進一步地，為避免信道特性波動帶來的空間量化偏差，可以半靜態(tài)估計信道差異，修正/更新先驗的預(yù)編碼集合、切換規(guī)律及切換速度等參數(shù)集合。

另外， 恰當(dāng)?shù)闹悄芨哞F通信波束賦形設(shè)計也可以提升小區(qū)容量。假設(shè)RIS的部署密度足夠高，列車則可以同時被多個相鄰的RIS波束覆蓋。此時，可以采用窄波束，以盡可能減少每個RIS波束覆蓋列車車廂的數(shù)量。因為不同RIS波數(shù)分別覆蓋列車不同部位的車廂，這樣就等于通過窄波束實現(xiàn)更小的扇區(qū)劃分，提高了空間隔離度，從而提升頻率重用系數(shù)，達到大幅提升小區(qū)容量的目的。

3.4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與部署

本節(jié)中，我們將基于智能高鐵通信需求的特點及RIS技術(shù)特性，全面地討論RIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)部署。

文獻[16]指出，智能高鐵的通信需求可分成四大類場景：鐵路正線連續(xù)廣域覆蓋、鐵路站場和樞紐等熱點區(qū)域、鐵路沿線地面基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測、智能列車寬帶應(yīng)用。智能高鐵通信需求具有鮮明的特征，主要表現(xiàn)為容量和覆蓋需求在地理空間上分布極不均衡，具有鮮明的規(guī)律性，即業(yè)務(wù)需求僅局限于鐵路沿線；隨著列車高速運行整體遷徙，體現(xiàn)為群切換、容量和覆蓋需求整體遷徙；沿鐵路線線性規(guī)律分布。

文獻[17]給出了傳統(tǒng)的基于RRU的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。對于基于RIS的高鐵通信的典型部署方式，基于高鐵的環(huán)境與信道特點，并結(jié)合RIS的技術(shù)特性，文獻[3]提出了3種部署模式，具體如圖2。本文中，我們做了補充，總結(jié)了4類典型的網(wǎng)絡(luò)部署模式：鐵路沿線部署RIS；車廂頂部部署RIS，用于高鐵移動中繼或CPE的增強天線；車窗玻璃部署透明增強RIS；車廂內(nèi)壁部署RIS。其中，第2類是新增類型。

高鐵通信業(yè)務(wù)需求具有隨著高鐵運動整體遷移的特點，即只有高鐵經(jīng)過的小區(qū)需要業(yè)務(wù)連接。在本次高鐵經(jīng)過后至下一趟列車到達前，該小區(qū)不需要支持高鐵通信。一個很自然的想法是：如前文2.2節(jié)所述，鐵路沿線的相鄰基站可以接力共享兩者之間的RIS。采用共享RIS方案，僅需要基站之間切換低帶寬控制信令，且RIS控制信令的時延要求可以適度降低，以在RIS控制的動態(tài)性與共享切換的實時性之間取得平衡。而傳統(tǒng)高鐵網(wǎng)絡(luò)的相鄰兩個基站共享RRU或分布式天線時，需要低時延地切換大帶寬的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及控制信令，該過程的實現(xiàn)復(fù)雜度較高。

基站控制RIS的回傳鏈路，不同部署方式有不同的設(shè)計約束，因此可選的實現(xiàn)方式也有差異。對于RIS部署在鐵路沿線的模式，基站與RIS之間的回傳鏈路可以采用有線或者無線通信方式。無線回傳的連接方式部署靈活，但需要占用頻譜資源傳輸NBRIS之間的控制信令，因此會有一定的頻譜資源開銷。不過，該回傳鏈路控制信令的信息速率較低，頻譜占用的開銷并不高。對于RIS部署在列車車窗玻璃及車廂內(nèi)部的兩種模式，RIS與基站之間的回傳鏈路顯然只能采用無線通信方式。部署在車頂用以增強移動中繼或CPE天線的RIS，其受控于移動中繼或CPE，因此其回傳鏈路是與移動中繼或CPE連接的，且一般采用有線方式連接。

上述的部署模式，均需要保證基站間、基站與RIS之間的空口同步關(guān)系，從而確保RIS幅度相位調(diào)控與信道/信號之間的同步關(guān)系。尤其是當(dāng)多個RIS波束賦形同時服務(wù)一個UE時，類似于傳統(tǒng)CoMP的聯(lián)合傳輸，需要精準(zhǔn)的時間同步及相位對齊。

隧道覆蓋可以采用RIS以增強現(xiàn)有分布式天線系統(tǒng)（DAS）的傳統(tǒng)天線形態(tài)。這種天線體積更小且方便部署在隧道壁側(cè)，不會明顯突起。考慮到RIS的低成本特性，隧道壁側(cè)可以部署更多無源反射RIS，并可以通過高密度RIS來實現(xiàn)隧道內(nèi)信號覆蓋的調(diào)控增強。

4 未來研究趨勢與挑戰(zhàn)

RIS使能未來智能高鐵通信仍然面臨諸多技術(shù)問題、部署問題和標(biāo)準(zhǔn)化問題。針對高鐵通信特有應(yīng)用場景中的RIS關(guān)鍵技術(shù)和方案，人們需要對以下幾個方面展開深入研究和全面評估：

（1）引入RIS后，智能高鐵通信的信道測量與建模；

（2）RIS使能的智能高鐵通信網(wǎng)絡(luò)的信道估計與波束賦形設(shè)計與優(yōu)化；

（3）RIS使能的智能高鐵通信網(wǎng)絡(luò)與鐵路沿線的多網(wǎng)絡(luò)共存；

（4）RIS使能的智能高鐵通信網(wǎng)絡(luò)下多用戶及多業(yè)務(wù)類型的共存優(yōu)化；

（5）適用于智能高鐵通信網(wǎng)絡(luò)不同場景需求的多種RIS形態(tài)設(shè)計；

（6）RIS使能的智能高鐵通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及部署研究及優(yōu)化。

5 結(jié)束語

本文中，我們系統(tǒng)地探討了RIS在智能高鐵通信場景應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)及面臨的機遇與挑戰(zhàn)。作為超材料的二維實現(xiàn)，RIS具有低成本、低復(fù)雜度和易部署的特性。通過構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，RIS將給未來6G帶來一種全新的通信網(wǎng)絡(luò)范式，滿足未來移動通信需求。簡化版本的RIS將可能在5G/5G-Adv階段，實現(xiàn)初步商業(yè)部署及標(biāo)準(zhǔn)化，尤其可以用于改善5G毫米波覆蓋問題。

智能高鐵作為一種重要的智能交通基礎(chǔ)設(shè)施，是中國在技術(shù)及產(chǎn)業(yè)均全面領(lǐng)先的領(lǐng)域，屬于“新基建”的范疇。RIS則是由中國自主提出并引發(fā)全球跟進的技術(shù)，未來將成為中國在基礎(chǔ)性原創(chuàng)技術(shù)及全產(chǎn)業(yè)鏈全面領(lǐng)先的潛在突破領(lǐng)域之一。智能高鐵新基建與RIS構(gòu)建的電磁新基建相結(jié)合，未來將會獲得更加廣闊的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)前景。

參考文獻

[1] YUAN Y F， ZHAO Y J， ZONG B Q， et al. Potential key technologies for 6G mobile communications [J]. Science China-information sciences， 2020， 63（8）： 183301. DOI： 10.1007/ s11432-019-2789-y

[2] RENZO M D， DEBBAH M， PHAN H D T， et al. Smart radio environments empowered by reconfigurable AI meta-surfaces： an idea whose time has come [EB/OL]. （2019-03-21）[2021-06-11]. https：//arxiv.org/abs/1903.08925v1

[3] LIU H， ZHANG J Y， WU Q Q， et al. RIS-aided next-generation high-speed train communications-challenges， solutions， and future directions [EB/OL]. （2021-03-17）[2021-06-11]. https：//arxiv.org/abs/2103.09484

[4] BASAR E. Reconfigurable intelligent surfaces for doppler effect and multipath fading mitigation [EB/OL]. （2021-05-13）[2021-06-10]. https：//www.frontiersin.org/articles/10.3389/ frcmn.2021.672857/full

[5] 艾渤， 馬國玉， 鐘章隊. 智能高鐵中的5G技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 中興通訊技術(shù)， 2019， 25（6）： 42-47. DOI： 10.12142/ZTETJ.201906007

[6] LU C F， LIU J F， LIU Y H， et al. Intelligent construction technology of railway engineering in China [J]. Front engineering management， 2019， 6（4）： 503-516. DOI： 10.1007/s42524-019-0073-9

[7] BASAR E， RENZO M D， ROSNY D， et al. Wireless communications through reconfigurable intelligent surfaces [J]. IEEE access， 2019（7）： 116753-116773

[8] 樊學(xué)寶， 何春霞. 高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究 [J]. 移動通信， 2016， （1）： 84-90

[9] ZHAO H， MAYZUS R， SUN S， et al. 28 GHz millimeter wave cellular communication measurements for reflection and penetration loss in and around buildings in New York city [C]// 2013 IEEE International Conference on Communications （ICC）. Budapest， Hungary： IEEE， 2013： 5163-5167

[10] 劉蕾， 田磊， 陳旭彬， 等. 28GHz下對毫米波透射特性的分析 [J]. 電波科學(xué)學(xué)報， 2017， 32（5）： 513-519

[11] TAKVUTIE J， LEVANEN T， KOIVISTO M， et al. Positioning of high-speed trains using 5G new radio synchronization signals [J]. 2018 IEEE wireless communications and networking conference （WCNC）. Barcelona， Spain： IEEE， 2018

[12] TANG W K， CHEN M Z， CHEN X Y， et al. Wireless communications with reconfigurable intelligent surface： path loss modeling and experimental measurement [J]. IEEE transactions on wireless communications， 2021， 20（1）： 421-439

[13] HU C， DAI L L， HAN S F. Two-timescale channel estimation for reconfigurable intelligent surface aided wireless communications[EB/OL]. [2021-06-12]. https：//ieeexplore. ieee.org/document/9400843

[14] MATTHISESEN B， BJ E， CARVALHO D E， et al. Intelligent reflecting surface operation under predictable receiver mobility： a continuous time propagation model [J]. IEEE wireless communications letters， 2021，10（2）： 216-220. DOI： 10.1109/LWC.2020.3024781

[15] JIAN M， ZHAO Y. A modified off-grid SBL channel estimation and transmission strategy for RIS-assisted wireless communication systems [C]//2020 International Wireless Communications and Mobile Computing （IWCMC）. Limassol， Cyprus： IEEE， 2020： 1848-1853. DOI： 10.1109/IWCMC48107.2020.9148537

[16] AI B， MOLISCH A F， RUPP M， et al. 5G Key technologies for smart railways [J]. Proceedings of the IEEE， 2020， 108（6）： 856-893

[17] 3GPP. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies： 3GPP TR 38.913 [S]. 2018

作者簡介

趙亞軍，中興通訊股份有限公司無線研究院技術(shù)預(yù)研總工；目前主要從事5G標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)和6G的研究；主要研究方向包括智能超表面、頻譜共享、太赫茲通信及靈活雙工等；已申請4G/5G相關(guān)發(fā)明專利200余項，其中有20余項納入4G/5G標(biāo)準(zhǔn)。

章嘉懿，北京交通大學(xué)教授；研究方向為大規(guī)模MIMO、智能無線通信；獲得IEEE通信學(xué)會亞太地區(qū)杰出青年獎和中國電子學(xué)會自然科學(xué)一等獎；發(fā)表論文100余篇。

艾渤，北京交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、電子信息工程學(xué)院副院長，軌道交通控制與安全國家重點實驗室常務(wù)副主任，國家6G技術(shù)研發(fā)總體專家組專家，中國移動集團軌道交通聯(lián)盟5G產(chǎn)業(yè)推進委員會主任，IET Fellow，IEEE VTS杰出講師，中共中央組織部“萬人計劃”領(lǐng)軍人才，科技部中青年創(chuàng)新領(lǐng)軍人才；獲國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、優(yōu)秀青年基金，以及國家自然科學(xué)基金委-英國皇家學(xué)會牛頓高級學(xué)者基金資助；發(fā)表論文150余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利32項。