2024年3月31日发(作者：)
智能超表面技术在智能高铁通信场景的应用
探讨
作者：赵亚军 章嘉懿 艾渤
来源：《中兴通讯技术》2021年第04期
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年來，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。作为超材料的二维实现，RIS天然具有低成
本、低复杂度，以及易部署的突出特性，可以更好地应对智能高铁通信场景所带来的挑战。
RIS技术在经典场景下的无线通信应用研究非常多，但其在高铁通信应用的系统探讨还很
少[3]，也仅有少量文献涉及该场景中的单点技术问题。例如，文献[3]提供了采用RIS降低多
普勒效应的思路。
1 智能高铁移动通信需求与挑战
智能高铁移动通信技术的主要研究内容包括宽带移动通信、车载无线通信、智能调度通
信、车-地/车-车通信技术等，用于支持智能高铁移动通信场景下的列控及运行相关业务、列车
综合服务业务、铁路物联网业务以及旅客车载移动宽带接入业务等四大类典型业务[5]。
相对于经典的通信场景，智能高铁无线通信由于其无线传播环境及业务特点，目前面临诸
多严峻挑战，主要包括：（1）高铁的超高速移动所带来的严重的多普勒频移与频繁的小区切
换问题；（2）高铁车厢的高穿透损耗使得车厢内的信号覆盖改善较为困难；（3）需要充分利
用更多的频段（包括6 GHz以下频段、毫米波频段），以更好地满足未来智能高无线铁通信需
求，因此要求无线网络具备支持多频段的能力；（4）智能高铁无线通信网络可以采用专网覆
盖或公网覆盖，因此面临与铁路沿线的周边网络之间复杂的异系统共存问题；（5）其他一些
问题，例如高速移动带来的信道估计与反馈、列车高精度定位与环境感知问题，以及智能高铁
通信中的多业务类型的共存等。
为解决上述问题，传统高铁无线通信系统主要采用优化收发端算法、优化收发机的网络部
署等方法。例如，采用分布式大规模天线技术、发射端多普勒估计与预补偿技术及切换流程优
化技术等。这些传统方法系统复杂度高、网络部署及优化难度大，而且实现成本高。
另外，虽然业界有很多关于AI用于增强传统无线通信系统的研究，但这些研究主要探讨
的是发射端与接收端的智能化，无线信道依然需要被动适应自然传播环境。智能高铁无线通信
挑战的根源在于其复杂的无线信道环境，若能人为控制无线传播环境，就能从根本上消除高铁
通信特有的复杂信道环境。在实现无线系统收、发端智能化基础上，进一步实现无线信道的智
能可控，能构建真正涵盖发射端、无线信道和接收端的端到端智能无线系统。
综上所述，传统高铁无线通信解决方案只能被动地适应高铁的信道特性。RIS的出现让人
们可以对无线传播环境进行调控，构建智能可控的无线传播环境，从而可以对收发端和无线传
播信道进行联合优化，为进一步提升系统性能、降低复杂度与成本提供可能。
2 RIS使能智能高铁无线通信的典型应用
目前，智能高铁无线通信仍面临诸多挑战，但同时也存在着显著的规律性。例如，无线信
道体现为沿铁路线呈规律性变化；列车上的用户终端（UE）组整体迁移，具备显著共性，包
括UE组整体移动的群切换、业务连接及容量需求的整体迁移等。基于这些特征，可以针对性
地对基于RIS的智能高铁无线通信算法与网络部署进行设计。
2.1 抑制多普勒效应
在高铁场景中，列车速度远高于一般终端的速度，因此它的多普勒频移与扩展更加严重。
另一个严重的问题是，列车通过基站时会发生多普勒频移从+fmax到-fmax的正负跳变，该突
发的多普勒频移正负跳变会导致接收端难以进行准确的频移补偿。严重的多普勒效应是高铁信
道传播的典型特性之一。
RIS对无线信号传播幅度与相位的动态调控为解决高铁场景严重的多普勒频移问题提供了
机会。实时可调的RIS可以有效降低由多普勒效应引起的接收信号强度的快速波动[6-7]。高鐵
无线通信场景确定的运行方向和规则的运行轨迹会产生规则的、可预测的多普勒频移曲线，从
而使得收发端易于跟踪，同时易于补偿多普勒效应[2]。多普勒频移的影响主要在于，不同多
径信号分量达到接收机的多普勒频移有所差异且动态变化。高铁沿线无线通信信道的主散射体
较为规则且相对确定，因此可以在一些关键主散射体表面部署RIS，并基于测量及预测调控不
同多径的多普勒频移对齐，从而减少多普勒频移的影响。
有两种特殊场景需要专门进行优化：高铁临近RIS，但车体处于RIS的单侧；列车经过
RIS，车体前后车厢分别位于车厢的两侧。
（1）对于高铁临近RIS的场景，相对于该RIS，不同部位的车厢有不同的角度，因而有
不同的多普勒频移。可以将RIS反射表面进行分块，不同子块的天线阵元对入射其上的信号分
别独立地进行波束赋形，以对齐不同列车部位的车厢，并针对性地调控以补偿不同的多普勒频
移量。
（2）对于列车经过RIS的场景，若RIS同时服务两侧车厢，会存在上述的多普勒频移正
负跳变效应。为减少该效应的影响，一种可选的方案是采用列车行进方向的RIS来服务列车前
段的车厢，而列车正在经过的RIS仅服务单侧车厢，从而避免多普勒频率跳变问题。RIS简
单、易部署，且成本较低，可以在铁路沿线进行更为密集的部署，因此为上述方案提供了可能
性。
2.2 解决频繁切换问题
高铁350 km/h以上的移动速度会引起频繁的小区切换，这可能造成网络的吞吐量下降、
业务中断概率提升等问题，从而影响用户的高铁通信体验。
目前，有两个方案可以解决频繁切换问题：（1）采用射频拉远模块（RRU）或分布式天
线，扩展小区的覆盖范围，从而降低切换频率；（2）优化小区间切换流程，尽可能减少因频
繁切换引起的性能变化。第1类方案为主要的解决方案，但它需要部署更多的RRU或分布式
天线。而RRU或分布式天线的价格较高、体积重量较大、功耗较高，并且需要较多的宽带回
传链路等，因此该方案在站址选择、回传链路部署、供电等方面均面临很大的挑战。
基于自身的技术特性，RIS有3种方式替代或改进传统解决方案：
（1）使用低成本的反射型RIS完全替换传统的分布式天线节点，并延伸覆盖线路长度，
从而降低小区的切换频次。反射模式的RIS进一步分为无源反射RIS和有源反射RIS两个子
类。对于无源反射RIS，可以通过RIS波束赋形增益增强信号，扩展覆盖范围。无源反射RIS
具有成本低、功耗小、简单、易部署的优点。仅依靠波束赋形增益，并不能放大信号幅度，因
此覆盖扩展范围有限。有源反射RIS可以放大反射信号，因此可以进一步扩展覆盖范围。有源
反射RIS对成本、复杂度、部署等方面有更高要求。相对于传统的分布式天线方案，两种反射
模式的RIS在各方面的要求均有大幅度降低。
（2）将传统分布式天线与RIS结合。考虑到RIS覆盖扩展范围受限，那么可以在一定程
度上降低分布式天线的部署密度，并且采用RIS来增强覆盖。
（3）采用透射型RIS来改进传统大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线，即采用无
源透射型RIS来替换传统有源相控阵天线，从而减少天线的体积、重量，并且降低功耗以及成
本。另外，采用无源透射型RIS替换传统有源相控阵天线，有利于制作一些异形天线，从而更
好地满足高铁沿线不同自然条件下的部署需求。例如，对于半圆柱曲面形态，波束覆盖角度可
以更好地对准处于不同角度的列车。
另外，高铁通信的业务需求会随着高铁运动进行整体迁移。也就是说，只有高铁经过的小
区才需要进行业务连接；在本次列车经过后至下一趟列车到达前，该小区不需要支持高铁通
信。那么，铁路沿线的相邻基站（NB_k与NB_k+1）可以接力共享两者之间的RIS，从而尽可
能地降低覆盖成本。传统的相邻两个基站在共享拉远RRU或分布式天线时，由于需要低时延
地切换大带宽的业务数据及控制信令，因此实现复杂度较高；而共享RIS仅需要在基站间切换
低带宽控制信令，其时延要求可以适度降低，从而使RIS在动态性与共享切换的实时性之间取
得平衡。
另外，虽然业界有很多关于AI用于增强传统无线通信系统的研究，但这些研究主要探讨
的是发射端与接收端的智能化，无线信道依然需要被动适应自然传播环境。智能高铁无线通信
挑战的根源在于其复杂的无线信道环境，若能人为控制无线传播环境，就能从根本上消除高铁
通信特有的复杂信道环境。在实现无线系统收、发端智能化基础上，进一步实现无线信道的智
能可控，能构建真正涵盖发射端、无线信道和接收端的端到端智能无线系统。
综上所述，传统高铁无线通信解决方案只能被动地适应高铁的信道特性。RIS的出现让人
们可以对无线传播环境进行调控，构建智能可控的无线传播环境，从而可以对收发端和无线传
播信道进行联合优化，为进一步提升系统性能、降低复杂度与成本提供可能。
2 RIS使能智能高铁无线通信的典型应用
目前，智能高铁无线通信仍面临诸多挑战，但同时也存在着显著的规律性。例如，无线信
道体现为沿铁路线呈规律性变化；列车上的用户终端（UE）组整体迁移，具备显著共性，包
括UE组整体移动的群切换、业务连接及容量需求的整体迁移等。基于这些特征，可以针对性
地对基于RIS的智能高铁无线通信算法与网络部署进行设计。
2.1 抑制多普勒效应
在高铁场景中，列车速度远高于一般终端的速度，因此它的多普勒频移与扩展更加严重。
另一个严重的问题是，列车通过基站时会发生多普勒频移从+fmax到-fmax的正负跳变，该突
发的多普勒频移正负跳变会导致接收端难以进行准确的频移补偿。严重的多普勒效应是高铁信
道传播的典型特性之一。
RIS对无线信号传播幅度与相位的动态调控为解决高铁场景严重的多普勒频移问题提供了
机会。实时可调的RIS可以有效降低由多普勒效应引起的接收信号强度的快速波动[6-7]。高铁
无线通信场景确定的运行方向和规则的运行轨迹会产生规则的、可预测的多普勒频移曲线，从
而使得收发端易于跟踪，同时易于补偿多普勒效应[2]。多普勒频移的影响主要在于，不同多
径信号分量达到接收机的多普勒频移有所差异且动态变化。高铁沿线无线通信信道的主散射体
较为规则且相对确定，因此可以在一些关键主散射体表面部署RIS，并基于测量及预测调控不
同多径的多普勒频移对齐，从而减少多普勒频移的影响。
有两种特殊场景需要专门进行优化：高铁临近RIS，但车体处于RIS的单侧；列车经过
RIS，车体前后车厢分别位于车厢的两侧。
（1）对于高铁临近RIS的场景，相对于该RIS，不同部位的车厢有不同的角度，因而有
不同的多普勒频移。可以将RIS反射表面进行分块，不同子块的天线阵元对入射其上的信号分
别独立地进行波束赋形，以对齐不同列车部位的车厢，并针对性地调控以补偿不同的多普勒频
移量。
（2）对于列车经过RIS的场景，若RIS同时服务两侧车厢，会存在上述的多普勒频移正
负跳变效应。为减少该效应的影响，一种可选的方案是采用列车行进方向的RIS来服务列车前
段的车厢，而列车正在经过的RIS仅服务单侧车厢，从而避免多普勒频率跳变问题。RIS简
单、易部署，且成本较低，可以在铁路沿线进行更为密集的部署，因此为上述方案提供了可能
性。
2.2 解决频繁切换问题
高铁350 km/h以上的移动速度会引起频繁的小区切换，这可能造成网络的吞吐量下降、
业务中断概率提升等问题，从而影响用户的高铁通信体验。
目前，有两个方案可以解决频繁切换问题：（1）采用射频拉远模块（RRU）或分布式天
线，扩展小区的覆盖范围，从而降低切换频率；（2）优化小区间切换流程，尽可能减少因频
繁切换引起的性能变化。第1类方案为主要的解决方案，但它需要部署更多的RRU或分布式
天线。而RRU或分布式天线的价格较高、体积重量较大、功耗较高，并且需要较多的宽带回
传链路等，因此该方案在站址选择、回传链路部署、供电等方面均面临很大的挑战。
基于自身的技术特性，RIS有3种方式替代或改进传统解决方案：
（1）使用低成本的反射型RIS完全替换传统的分布式天线节点，并延伸覆盖线路长度，
从而降低小区的切换频次。反射模式的RIS進一步分为无源反射RIS和有源反射RIS两个子
类。对于无源反射RIS，可以通过RIS波束赋形增益增强信号，扩展覆盖范围。无源反射RIS
具有成本低、功耗小、简单、易部署的优点。仅依靠波束赋形增益，并不能放大信号幅度，因
此覆盖扩展范围有限。有源反射RIS可以放大反射信号，因此可以进一步扩展覆盖范围。有源
反射RIS对成本、复杂度、部署等方面有更高要求。相对于传统的分布式天线方案，两种反射
模式的RIS在各方面的要求均有大幅度降低。
（2）将传统分布式天线与RIS结合。考虑到RIS覆盖扩展范围受限，那么可以在一定程
度上降低分布式天线的部署密度，并且采用RIS来增强覆盖。
（3）采用透射型RIS来改进传统大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线，即采用无
源透射型RIS来替换传统有源相控阵天线，从而减少天线的体积、重量，并且降低功耗以及成
本。另外，采用无源透射型RIS替换传统有源相控阵天线，有利于制作一些异形天线，从而更
好地满足高铁沿线不同自然条件下的部署需求。例如，对于半圆柱曲面形态，波束覆盖角度可
以更好地对准处于不同角度的列车。
另外，高铁通信的业务需求会随着高铁运动进行整体迁移。也就是说，只有高铁经过的小
区才需要进行业务连接；在本次列车经过后至下一趟列车到达前，该小区不需要支持高铁通
信。那么，铁路沿线的相邻基站（NB_k与NB_k+1）可以接力共享两者之间的RIS，从而尽可
能地降低覆盖成本。传统的相邻两个基站在共享拉远RRU或分布式天线时，由于需要低时延
地切换大带宽的业务数据及控制信令，因此实现复杂度较高；而共享RIS仅需要在基站间切换
低带宽控制信令，其时延要求可以适度降低，从而使RIS在动态性与共享切换的实时性之间取
得平衡。
另外，虽然业界有很多关于AI用于增强传统无线通信系统的研究，但这些研究主要探讨
的是发射端与接收端的智能化，无线信道依然需要被动适应自然传播环境。智能高铁无线通信
挑战的根源在于其复杂的无线信道环境，若能人为控制无线传播环境，就能从根本上消除高铁
通信特有的复杂信道环境。在实现无线系统收、发端智能化基础上，进一步实现无线信道的智
能可控，能构建真正涵盖发射端、无线信道和接收端的端到端智能无线系统。
综上所述，传统高铁无线通信解决方案只能被动地适应高铁的信道特性。RIS的出现让人
们可以对无线传播环境进行调控，构建智能可控的无线传播环境，从而可以对收发端和无线传
播信道进行联合优化，为进一步提升系统性能、降低复杂度与成本提供可能。
2 RIS使能智能高铁无线通信的典型应用
目前，智能高铁无线通信仍面临诸多挑战，但同时也存在着显著的规律性。例如，无线信
道体现为沿铁路线呈规律性变化；列车上的用户终端（UE）组整体迁移，具备显著共性，包
括UE组整体移动的群切换、业务连接及容量需求的整体迁移等。基于这些特征，可以针对性
地对基于RIS的智能高铁无线通信算法与网络部署进行设计。
2.1 抑制多普勒效应
在高铁场景中，列车速度远高于一般终端的速度，因此它的多普勒频移与扩展更加严重。
另一个严重的问题是，列车通过基站时会发生多普勒频移从+fmax到-fmax的正负跳变，该突
发的多普勒頻移正负跳变会导致接收端难以进行准确的频移补偿。严重的多普勒效应是高铁信
道传播的典型特性之一。
RIS对无线信号传播幅度与相位的动态调控为解决高铁场景严重的多普勒频移问题提供了
机会。实时可调的RIS可以有效降低由多普勒效应引起的接收信号强度的快速波动[6-7]。高铁
无线通信场景确定的运行方向和规则的运行轨迹会产生规则的、可预测的多普勒频移曲线，从
而使得收发端易于跟踪，同时易于补偿多普勒效应[2]。多普勒频移的影响主要在于，不同多
径信号分量达到接收机的多普勒频移有所差异且动态变化。高铁沿线无线通信信道的主散射体
较为规则且相对确定，因此可以在一些关键主散射体表面部署RIS，并基于测量及预测调控不
同多径的多普勒频移对齐，从而减少多普勒频移的影响。
有两种特殊场景需要专门进行优化：高铁临近RIS，但车体处于RIS的单侧；列车经过
RIS，车体前后车厢分别位于车厢的两侧。
（1）对于高铁临近RIS的场景，相对于该RIS，不同部位的车厢有不同的角度，因而有
不同的多普勒频移。可以将RIS反射表面进行分块，不同子块的天线阵元对入射其上的信号分
别独立地进行波束赋形，以对齐不同列车部位的车厢，并针对性地调控以补偿不同的多普勒频
移量。
（2）对于列车经过RIS的场景，若RIS同时服务两侧车厢，会存在上述的多普勒频移正
负跳变效应。为减少该效应的影响，一种可选的方案是采用列车行进方向的RIS来服务列车前
段的车厢，而列车正在经过的RIS仅服务单侧车厢，从而避免多普勒频率跳变问题。RIS简
单、易部署，且成本较低，可以在铁路沿线进行更为密集的部署，因此为上述方案提供了可能
性。
2.2 解决频繁切换问题
高铁350 km/h以上的移动速度会引起频繁的小区切换，这可能造成网络的吞吐量下降、
业务中断概率提升等问题，从而影响用户的高铁通信体验。
目前，有两个方案可以解决频繁切换问题：（1）采用射频拉远模块（RRU）或分布式天
线，扩展小区的覆盖范围，从而降低切换频率；（2）优化小区间切换流程，尽可能减少因频
繁切换引起的性能变化。第1类方案为主要的解决方案，但它需要部署更多的RRU或分布式
天线。而RRU或分布式天线的价格较高、体积重量较大、功耗较高，并且需要较多的宽带回
传链路等，因此该方案在站址选择、回传链路部署、供电等方面均面临很大的挑战。
基于自身的技术特性，RIS有3种方式替代或改进传统解决方案：
（1）使用低成本的反射型RIS完全替换传统的分布式天线节点，并延伸覆盖线路长度，
从而降低小区的切换频次。反射模式的RIS进一步分为无源反射RIS和有源反射RIS两个子
类。对于无源反射RIS，可以通过RIS波束赋形增益增强信号，扩展覆盖范围。无源反射RIS
具有成本低、功耗小、简单、易部署的优点。仅依靠波束赋形增益，并不能放大信号幅度，因
此覆盖扩展范围有限。有源反射RIS可以放大反射信号，因此可以进一步扩展覆盖范围。有源
反射RIS对成本、复杂度、部署等方面有更高要求。相对于传统的分布式天线方案，两种反射
模式的RIS在各方面的要求均有大幅度降低。
（2）将传统分布式天线与RIS结合。考虑到RIS覆盖扩展范围受限，那么可以在一定程
度上降低分布式天线的部署密度，并且采用RIS来增强覆盖。
（3）采用透射型RIS来改进传统大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线，即采用无
源透射型RIS来替换传统有源相控阵天线，从而减少天线的体积、重量，并且降低功耗以及成
本。另外，采用无源透射型RIS替换传统有源相控阵天线，有利于制作一些异形天线，从而更
好地满足高铁沿线不同自然条件下的部署需求。例如，对于半圆柱曲面形态，波束覆盖角度可
以更好地对准处于不同角度的列车。
另外，高铁通信的业务需求会随着高铁运动进行整体迁移。也就是说，只有高铁经过的小
区才需要进行业务连接；在本次列车经过后至下一趟列车到达前，该小区不需要支持高铁通
信。那么，铁路沿线的相邻基站（NB_k与NB_k+1）可以接力共享两者之间的RIS，从而尽可
能地降低覆盖成本。传统的相邻两个基站在共享拉远RRU或分布式天线时，由于需要低时延
地切换大带宽的业务数据及控制信令，因此实现复杂度较高；而共享RIS仅需要在基站间切换
低带宽控制信令，其时延要求可以适度降低，从而使RIS在动态性与共享切换的实时性之间取
得平衡。
另外，虽然业界有很多关于AI用于增强传统无线通信系统的研究，但这些研究主要探讨
的是发射端与接收端的智能化，无线信道依然需要被动适应自然传播环境。智能高铁无线通信
挑战的根源在于其复杂的无线信道环境，若能人为控制无线传播环境，就能从根本上消除高铁
通信特有的复杂信道环境。在实现无线系统收、发端智能化基础上，进一步实现无线信道的智
能可控，能构建真正涵盖发射端、无线信道和接收端的端到端智能无线系统。
综上所述，传统高铁无线通信解决方案只能被动地适应高铁的信道特性。RIS的出现让人
们可以对无线传播环境进行调控，构建智能可控的无线传播环境，从而可以对收发端和无线传
播信道进行联合优化，为进一步提升系统性能、降低复杂度与成本提供可能。
2 RIS使能智能高铁无线通信的典型应用
目前，智能高铁无线通信仍面临诸多挑战，但同时也存在着显著的规律性。例如，无线信
道体现为沿铁路线呈规律性变化；列车上的用户终端（UE）组整体迁移，具备显著共性，包
括UE组整体移动的群切换、业务连接及容量需求的整体迁移等。基于这些特征，可以针对性
地对基于RIS的智能高铁无线通信算法与网络部署进行设计。
2.1 抑制多普勒效应
在高铁场景中，列车速度远高于一般终端的速度，因此它的多普勒频移与扩展更加严重。
另一个严重的问题是，列车通过基站时会发生多普勒频移从+fmax到-fmax的正负跳变，该突
发的多普勒频移正负跳变会导致接收端难以进行准确的频移补偿。严重的多普勒效应是高铁信
道传播的典型特性之一。
RIS对无线信号传播幅度与相位的动态调控为解决高铁场景严重的多普勒频移问题提供了
机会。实时可调的RIS可以有效降低由多普勒效应引起的接收信号强度的快速波动[6-7]。高铁
无线通信场景确定的运行方向和规则的运行轨迹会产生规则的、可预测的多普勒频移曲线，从
而使得收发端易于跟踪，同时易于补偿多普勒效应[2]。多普勒频移的影响主要在于，不同多
径信号分量达到接收机的多普勒频移有所差异且动态变化。高铁沿线无线通信信道的主散射体
较为规则且相对确定，因此可以在一些关键主散射体表面部署RIS，并基于测量及预测调控不
同多径的多普勒频移对齐，从而减少多普勒频移的影响。
有两种特殊场景需要专门进行优化：高铁临近RIS，但车体处于RIS的单侧；列车经过
RIS，车体前后车厢分别位于车厢的两侧。
（1）对于高铁临近RIS的场景，相对于该RIS，不同部位的车厢有不同的角度，因而有
不同的多普勒频移。可以将RIS反射表面进行分块，不同子块的天线阵元对入射其上的信号分
别独立地进行波束赋形，以对齐不同列车部位的车厢，并针对性地调控以补偿不同的多普勒频
移量。
（2）对于列车经过RIS的场景，若RIS同时服务两侧车厢，会存在上述的多普勒频移正
负跳变效应。为减少该效应的影响，一种可选的方案是采用列车行进方向的RIS来服务列车前
段的车厢，而列车正在经过的RIS仅服务单侧车厢，从而避免多普勒频率跳变问题。RIS简
单、易部署，且成本较低，可以在铁路沿线进行更为密集的部署，因此为上述方案提供了可能
性。
2.2 解决频繁切换问题
高铁350 km/h以上的移动速度会引起频繁的小区切换，这可能造成网络的吞吐量下降、
业务中断概率提升等问题，从而影响用户的高铁通信体验。
目前，有两个方案可以解决频繁切换问题：（1）采用射频拉远模块（RRU）或分布式天
线，扩展小区的覆盖范围，从而降低切换频率；（2）优化小区间切换流程，尽可能减少因频
繁切换引起的性能变化。第1类方案为主要的解决方案，但它需要部署更多的RRU或分布式
天线。而RRU或分布式天线的价格较高、体积重量较大、功耗较高，并且需要较多的寬带回
传链路等，因此该方案在站址选择、回传链路部署、供电等方面均面临很大的挑战。
基于自身的技术特性，RIS有3种方式替代或改进传统解决方案：
（1）使用低成本的反射型RIS完全替换传统的分布式天线节点，并延伸覆盖线路长度，
从而降低小区的切换频次。反射模式的RIS进一步分为无源反射RIS和有源反射RIS两个子
类。对于无源反射RIS，可以通过RIS波束赋形增益增强信号，扩展覆盖范围。无源反射RIS
具有成本低、功耗小、简单、易部署的优点。仅依靠波束赋形增益，并不能放大信号幅度，因
此覆盖扩展范围有限。有源反射RIS可以放大反射信号，因此可以进一步扩展覆盖范围。有源
反射RIS对成本、复杂度、部署等方面有更高要求。相对于传统的分布式天线方案，两种反射
模式的RIS在各方面的要求均有大幅度降低。
（2）将传统分布式天线与RIS结合。考虑到RIS覆盖扩展范围受限，那么可以在一定程
度上降低分布式天线的部署密度，并且采用RIS来增强覆盖。
（3）采用透射型RIS来改进传统大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线，即采用无
源透射型RIS来替换传统有源相控阵天线，从而减少天线的体积、重量，并且降低功耗以及成
本。另外，采用无源透射型RIS替换传统有源相控阵天线，有利于制作一些异形天线，从而更
好地满足高铁沿线不同自然条件下的部署需求。例如，对于半圆柱曲面形态，波束覆盖角度可
以更好地对准处于不同角度的列车。
另外，高铁通信的业务需求会随着高铁运动进行整体迁移。也就是说，只有高铁经过的小
区才需要进行业务连接；在本次列车经过后至下一趟列车到达前，该小区不需要支持高铁通
信。那么，铁路沿线的相邻基站（NB_k与NB_k+1）可以接力共享两者之间的RIS，从而尽可
能地降低覆盖成本。传统的相邻两个基站在共享拉远RRU或分布式天线时，由于需要低时延
地切换大带宽的业务数据及控制信令，因此实现复杂度较高；而共享RIS仅需要在基站间切换
低带宽控制信令，其时延要求可以适度降低，从而使RIS在动态性与共享切换的实时性之间取
得平衡。
另外，虽然业界有很多关于AI用于增强传统无线通信系统的研究，但这些研究主要探讨
的是发射端与接收端的智能化，无线信道依然需要被动适应自然传播环境。智能高铁无线通信
挑战的根源在于其复杂的无线信道环境，若能人为控制无线传播环境，就能从根本上消除高铁
通信特有的复杂信道环境。在实现无线系统收、发端智能化基础上，进一步实现无线信道的智
能可控，能构建真正涵盖发射端、无线信道和接收端的端到端智能无线系统。
综上所述，传统高铁无线通信解决方案只能被动地适应高铁的信道特性。RIS的出现让人
们可以对无线传播环境进行调控，构建智能可控的无线传播环境，从而可以对收发端和无线传
播信道进行联合优化，为进一步提升系统性能、降低复杂度与成本提供可能。
2 RIS使能智能高铁无线通信的典型应用
目前，智能高铁无线通信仍面临诸多挑战，但同时也存在着显著的规律性。例如，无线信
道体现为沿铁路线呈规律性变化；列车上的用户终端（UE）组整体迁移，具备显著共性，包
括UE组整体移动的群切换、业务连接及容量需求的整体迁移等。基于这些特征，可以针对性
地对基于RIS的智能高铁无线通信算法与网络部署进行设计。
2.1 抑制多普勒效应
在高铁场景中，列车速度远高于一般终端的速度，因此它的多普勒频移与扩展更加严重。
另一个严重的问题是，列车通过基站时会发生多普勒频移从+fmax到-fmax的正负跳变，该突
发的多普勒频移正负跳变会导致接收端难以进行准确的频移补偿。严重的多普勒效应是高铁信
道传播的典型特性之一。
RIS对无线信号传播幅度与相位的动态调控为解决高铁场景严重的多普勒频移问题提供了
机会。实时可调的RIS可以有效降低由多普勒效应引起的接收信号强度的快速波动[6-7]。高铁
无线通信场景确定的运行方向和规则的运行轨迹会产生规则的、可预测的多普勒频移曲线，从
而使得收发端易于跟踪，同时易于补偿多普勒效应[2]。多普勒频移的影响主要在于，不同多
径信号分量达到接收机的多普勒频移有所差异且动态变化。高铁沿线无线通信信道的主散射体
较为规则且相对确定，因此可以在一些关键主散射体表面部署RIS，并基于测量及预测调控不
同多径的多普勒频移对齐，从而减少多普勒频移的影响。
有两种特殊场景需要专门进行优化：高铁临近RIS，但车体处于RIS的单侧；列车经过
RIS，车体前后车厢分别位于车厢的两侧。
（1）对于高铁临近RIS的场景，相对于该RIS，不同部位的车厢有不同的角度，因而有
不同的多普勒频移。可以将RIS反射表面进行分块，不同子块的天线阵元对入射其上的信号分
别独立地进行波束赋形，以对齐不同列车部位的车厢，并针对性地调控以补偿不同的多普勒频
移量。
（2）对于列车经过RIS的场景，若RIS同时服务两侧车厢，会存在上述的多普勒频移正
负跳变效应。为减少该效应的影响，一种可选的方案是采用列车行进方向的RIS来服务列车前
段的车厢，而列车正在经过的RIS仅服务单侧车厢，从而避免多普勒频率跳变问题。RIS简
单、易部署，且成本较低，可以在铁路沿线进行更为密集的部署，因此为上述方案提供了可能
性。
2.2 解决频繁切换问题
高铁350 km/h以上的移动速度會引起频繁的小区切换，这可能造成网络的吞吐量下降、
业务中断概率提升等问题，从而影响用户的高铁通信体验。
目前，有两个方案可以解决频繁切换问题：（1）采用射频拉远模块（RRU）或分布式天
线，扩展小区的覆盖范围，从而降低切换频率；（2）优化小区间切换流程，尽可能减少因频
繁切换引起的性能变化。第1类方案为主要的解决方案，但它需要部署更多的RRU或分布式
天线。而RRU或分布式天线的价格较高、体积重量较大、功耗较高，并且需要较多的宽带回
传链路等，因此该方案在站址选择、回传链路部署、供电等方面均面临很大的挑战。
基于自身的技术特性，RIS有3种方式替代或改进传统解决方案：
（1）使用低成本的反射型RIS完全替换传统的分布式天线节点，并延伸覆盖线路长度，
从而降低小区的切换频次。反射模式的RIS进一步分为无源反射RIS和有源反射RIS两个子
类。对于无源反射RIS，可以通过RIS波束赋形增益增强信号，扩展覆盖范围。无源反射RIS
具有成本低、功耗小、简单、易部署的优点。仅依靠波束赋形增益，并不能放大信号幅度，因
此覆盖扩展范围有限。有源反射RIS可以放大反射信号，因此可以进一步扩展覆盖范围。有源
反射RIS对成本、复杂度、部署等方面有更高要求。相对于传统的分布式天线方案，两种反射
模式的RIS在各方面的要求均有大幅度降低。
（2）将传统分布式天线与RIS结合。考虑到RIS覆盖扩展范围受限，那么可以在一定程
度上降低分布式天线的部署密度，并且采用RIS来增强覆盖。
（3）采用透射型RIS来改进传统大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线，即采用无
源透射型RIS来替换传统有源相控阵天线，从而减少天线的体积、重量，并且降低功耗以及成
本。另外，采用无源透射型RIS替换传统有源相控阵天线，有利于制作一些异形天线，从而更
好地满足高铁沿线不同自然条件下的部署需求。例如，对于半圆柱曲面形态，波束覆盖角度可
以更好地对准处于不同角度的列车。
另外，高铁通信的业务需求会随着高铁运动进行整体迁移。也就是说，只有高铁经过的小
区才需要进行业务连接；在本次列车经过后至下一趟列车到达前，该小区不需要支持高铁通
信。那么，铁路沿线的相邻基站（NB_k与NB_k+1）可以接力共享两者之间的RIS，从而尽可
能地降低覆盖成本。传统的相邻两个基站在共享拉远RRU或分布式天线时，由于需要低时延
地切换大带宽的业务数据及控制信令，因此实现复杂度较高；而共享RIS仅需要在基站间切换
低带宽控制信令，其时延要求可以适度降低，从而使RIS在动态性与共享切换的实时性之间取
得平衡。
另外，虽然业界有很多关于AI用于增强传统无线通信系统的研究，但这些研究主要探讨
的是发射端与接收端的智能化，无线信道依然需要被动适应自然传播环境。智能高铁无线通信
挑战的根源在于其复杂的无线信道环境，若能人为控制无线传播环境，就能从根本上消除高铁
通信特有的复杂信道环境。在实现无线系统收、发端智能化基础上，进一步实现无线信道的智
能可控，能构建真正涵盖发射端、无线信道和接收端的端到端智能无线系统。
综上所述，传统高铁无线通信解决方案只能被动地适应高铁的信道特性。RIS的出现让人
们可以对无线传播环境进行调控，构建智能可控的无线传播环境，从而可以对收发端和无线传
播信道进行联合优化，为进一步提升系统性能、降低复杂度与成本提供可能。
2 RIS使能智能高铁无线通信的典型应用
目前，智能高铁无线通信仍面临诸多挑战，但同时也存在着显著的规律性。例如，无线信
道体现为沿铁路线呈规律性变化；列车上的用户终端（UE）组整体迁移，具备显著共性，包
括UE组整体移动的群切换、业务连接及容量需求的整体迁移等。基于这些特征，可以针对性
地对基于RIS的智能高铁无线通信算法与网络部署进行设计。
2.1 抑制多普勒效应
在高铁场景中，列车速度远高于一般终端的速度，因此它的多普勒频移与扩展更加严重。
另一个严重的问题是，列车通过基站时会发生多普勒频移从+fmax到-fmax的正负跳变，该突
发的多普勒频移正负跳变会导致接收端难以进行准确的频移补偿。严重的多普勒效应是高铁信
道传播的典型特性之一。
RIS对无线信号传播幅度与相位的动态调控为解决高铁场景严重的多普勒频移问题提供了
机会。实时可调的RIS可以有效降低由多普勒效应引起的接收信号强度的快速波动[6-7]。高铁
无线通信场景确定的运行方向和规则的运行轨迹会产生规则的、可预测的多普勒频移曲线，从
而使得收发端易于跟踪，同时易于补偿多普勒效应[2]。多普勒频移的影响主要在于，不同多
径信号分量达到接收机的多普勒频移有所差异且动态变化。高铁沿线无线通信信道的主散射体
较为规则且相对确定，因此可以在一些关键主散射体表面部署RIS，并基于测量及预测调控不
同多径的多普勒频移对齐，从而减少多普勒频移的影响。
有两种特殊场景需要专门进行优化：高铁临近RIS，但车体处于RIS的单侧；列车经过
RIS，车体前后车厢分别位于车厢的两侧。
（1）对于高铁临近RIS的场景，相对于该RIS，不同部位的车厢有不同的角度，因而有
不同的多普勒频移。可以将RIS反射表面进行分块，不同子块的天线阵元对入射其上的信号分
别独立地进行波束赋形，以对齐不同列车部位的车厢，并针对性地调控以补偿不同的多普勒频
移量。
（2）对于列车经过RIS的场景，若RIS同时服务两侧车厢，会存在上述的多普勒频移正
负跳变效应。为减少该效应的影响，一种可选的方案是采用列车行进方向的RIS来服务列车前
段的车厢，而列车正在经过的RIS仅服务单侧车厢，从而避免多普勒频率跳变问题。RIS简
单、易部署，且成本较低，可以在铁路沿线进行更为密集的部署，因此为上述方案提供了可能
性。
2.2 解决频繁切换问题
高铁350 km/h以上的移动速度会引起频繁的小区切换，这可能造成网络的吞吐量下降、
业务中断概率提升等问题，从而影响用户的高铁通信体验。
目前，有两个方案可以解决频繁切换问题：（1）采用射频拉远模块（RRU）或分布式天
线，扩展小区的覆盖范围，从而降低切换频率；（2）优化小区间切换流程，尽可能减少因频
繁切换引起的性能变化。第1类方案为主要的解决方案，但它需要部署更多的RRU或分布式
天线。而RRU或分布式天线的价格较高、体积重量较大、功耗较高，并且需要较多的宽带回
传链路等，因此该方案在站址选择、回传链路部署、供电等方面均面临很大的挑战。
基于自身的技术特性，RIS有3种方式替代或改进传统解决方案：
（1）使用低成本的反射型RIS完全替换传统的分布式天线节点，并延伸覆盖线路长度，
从而降低小区的切换频次。反射模式的RIS进一步分为无源反射RIS和有源反射RIS两个子
类。对于无源反射RIS，可以通过RIS波束赋形增益增强信号，扩展覆盖范围。无源反射RIS
具有成本低、功耗小、简单、易部署的优点。仅依靠波束赋形增益，并不能放大信号幅度，因
此覆盖扩展范围有限。有源反射RIS可以放大反射信号，因此可以进一步扩展覆盖范围。有源
反射RIS对成本、复杂度、部署等方面有更高要求。相对于传统的分布式天线方案，两种反射
模式的RIS在各方面的要求均有大幅度降低。
（2）将传统分布式天线与RIS结合。考虑到RIS覆盖扩展范围受限，那么可以在一定程
度上降低分布式天线的部署密度，并且采用RIS来增强覆盖。
（3）采用透射型RIS来改进传统大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线，即采用无
源透射型RIS来替换传统有源相控阵天线，从而减少天线的体积、重量，并且降低功耗以及成
本。另外，采用无源透射型RIS替换传统有源相控阵天线，有利于制作一些异形天线，从而更
好地满足高铁沿线不同自然条件下的部署需求。例如，对于半圆柱曲面形态，波束覆盖角度可
以更好地对准处于不同角度的列车。
另外，高铁通信的业务需求会随着高铁运动进行整体迁移。也就是说，只有高铁经过的小
区才需要进行业务连接；在本次列车经过后至下一趟列车到达前，该小区不需要支持高铁通
信。那么，铁路沿线的相邻基站（NB_k与NB_k+1）可以接力共享两者之間的RIS，从而尽可
能地降低覆盖成本。传统的相邻两个基站在共享拉远RRU或分布式天线时，由于需要低时延
地切换大带宽的业务数据及控制信令，因此实现复杂度较高；而共享RIS仅需要在基站间切换
低带宽控制信令，其时延要求可以适度降低，从而使RIS在动态性与共享切换的实时性之间取
得平衡。
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