初探B5G/6G终端

摘要 伴随着 5G 的商用化，2019 年通信界已广泛开启下一代移动通信技术（6G）的研究工作。根据国际电信联盟，下一代移动通信预计在 2030 年开始商用。据 ITU 网络 2030 工作组介绍，下一代移动通信系统将包括三大场景：甚大容量（VLV）与极小即时通信（TIC），超越尽力而为（BBE）与高精度通信（HPC），融合多类网路 (ManyNets)。从上述场景可以看出，未来网络将提供更高速率、更低时延、更多连接数、更广覆盖的通信服务。 但对于未来终端（B5G/6G 终端），目前业界尚未提供清晰地描述。本白皮书试图初步探索B5G/6G 终端，希望通过本白皮书抛砖引玉，能引起业界广泛讨论探讨 B5G/6G 终端，为后续明晰地定义 B5G/6G 终端奠定坚实的基础。 本白皮书的第二章节，首先对 B5G/6G 终端形态发展趋势和需求展开分析，而后分别从面向消费者和面向工业这两个层面介绍了 B5G/6G 终端类型和具体需求。第三章节，从通信能力、计算能力、显示 / 交互 / 传感能力、续航能力四个方面探索 B5G/6G 终端应具备的能力。 第四章节，重在探索未来终端技术发展路线，试图明晰出一些潜在的技术发展路线。 目录 摘要1 1引言3 2.1B5G/6G 终端形态发展趋势和需求分析2.2B5G/6G 终端分类与具体需求35 2.2.1.1个人处理中心2.2.1.2可穿戴设备2.2.1.3消费物联网设备5911 2.2.2面向工业的终端12 2.2.2.1智能机器设备2.2.2.2多智能体系统2.2.2.3微型传感器121418 3.1通信能力3.2计算能力3.3显示 / 交互 / 传感能力3.4续航能力19202122 4终端通用技术23 4.1高频通信技术4.2多 SIM 卡技术4.3半导体工艺技术4.4计算架构技术4.5柔性显示材料4.6机电一体化4.7惯性导航4.83D 传感技术4.9新材料电池4.10新型充电技术4.11终端省电技术2324262730313334374042 致谢45 缩略语45 1 引言 1973 年，马丁库伯发明了第一部手机，蜂窝移动通信技术快速普及并在近年加速发展。手机形态的终端 主宰了 2G/3G/4G 时代，经历了模拟手机，数字键盘手机，到智能手机时代，手机越来越轻薄、易用，而且美观时尚、功能强大。可以预测地是，到了 5G 时代，智能手机将越来越变为我们日常生活中不可缺失的一部分，且终端类型将更为多样化。 随着 5G 商用化，通信业界已开始转向下一代通信技术研究。比如：由 University ofOulu 联合其他大学、机构成立的 6G Flagship Ecosystem，已于 2019 年 3 月份召开了第一届 6G 无线峰会，并于 2019 年 10 月份发布了据称为世界第一本 6G 白皮书；ITU-T 成立的Network 2030 网络焦点组 （Focus group on Network 2030），旨在探索面向 2030 年及以后的网络技术发展，从 2018 年起至今已召开了 5 次相关讨论会。 但目前甚少有关于未来终端的探讨，更多是在网络层面进行探索，或者探讨的不够全面。本白皮书立足于终端，试图勾绘出未来终端形态，并结合未来应用场景，明确出未来终端在通信、计算、显示 / 传感 / 感知、续航方面的能力需求，最后列举出一些潜在的技术路线以满足上述能力需求，包括高频通信技术、多 SIM 卡技术、半导体工艺、计算架构、柔性显示材料、机电一体化、惯性导航、3D 传感技术、新材料电池、节电技术等。 作为 B5G/6G 终端白皮书第一版，本文或许还不够全面，或许还存在某些不准确的地方，欢迎提出修改意见和建议，也欢迎业界同仁后续加入 B5G/6G 终端讨论中。随着时间的推移，新的研究内容可能会被加入到后续的版本中。 2 终端形态 2.1 B5G/6G 终端形态发展趋势和需求分析 随着蜂窝通信系统连接能力的提升，终端形态也逐渐的扩展和变化，预计 B5G/6G 时代，手机将不再是蜂窝系统中数量最多的终端，未来的 B5G/6G 终端将呈现如下趋势：泛在化，智能化，轻量化，共享化，融合化的趋势。 1）趋势 1：泛在化 随着蜂窝移动通信技术的快速发展，其应用的领域和范围逐渐扩展到社会各行各业，未来 B5G/6G 终端形态呈现泛在化的趋势。除去手机外，将出现 AR/VR 眼镜，智能手表等可穿戴设备；由于 B5G/6G 系统吞吐能力更强，家庭 / 社区网关设备等网关型产品将成为连接万物的重要设备；B5G/6G 将连接汽车、机器人、工厂设备等众多行业终端，一方面需要结合行业终端应用场景、满足诸如低时延高可靠等特定需求；另一方面，终端的模组化成为趋势，可以尽量最大化的提升规模效应，降低成本。B5G/6G 将进一步扩大连接范围，构建数字化的物理信息系统，未来大量低成本低功耗小尺寸的物联网终端将散布在我们周围，提供智能家居、环境监控、公共服务、资产监控等众多功能。 2）趋势 2：智能化 计算能力一直按照摩尔定律飞速发展，B5G/6G 时代，终端的计算能力将进一步提升几百到 1000 倍。终端算力的提升，为智能化奠定了很好的基础，同时，借助 B5G/6G 系统大带宽低延迟的特点，可以把更强运算需求的任务放到云端或者网络的边缘。借助边缘计算、云计算和本地的 CPU/GPU 以及专用 AI 加速硬件，未来的终端在泛在化的同时，将更加智能化。借助 AI 技术的持续发展，未来的终端将具备强大的智能和智慧，提升服务体验，提高生产效率，完成更多的任务。 3）趋势 3：轻量化 B5G/6G 通信终端将应用在各种场景，在很多移动场景和野外场景下，受到应用场景的限制，终端的重量、体积、功耗以及成本都有严格要求，所以终端技术在增加天线数目，增加带宽，提升发射功率的同时，轻量化成为 B5G/6G 终端的重要发展方向。通过增强的系统设计和优化的链路预算，实现终端在轻量化的同时，尽量不降低速率、时延等用户体验是终端轻量化的重要研究方向。 4）趋势 4：共享化 随着共享经济模式的成熟，和 B5G/6G 带来的万物互联能力的成熟，B5G/6G 终端将出现并具备日益成熟的共享化能力。在原来私有终端的基础上，配合以生物识别，个性化场景的智能自动配置以及隐私保护技术，B5G/6G 终端可以便捷快速和无障碍的授权给使用请求人，使得请求人可以随时随地的享用共享终端。共享 B5G/6G 终端形式可以包括供租用的汽车，供租用的含智能家居的酒店住房，或者其他在公共场所可以供租用的拥有显示和运算能 力的终端设备。 5）趋势 5：融合化 随着 B5G/6G 通信领域的不断扩展，包括从地面蜂窝移动通信扩展到广播通信系统，空域无人机 / 高空飞艇平台通信系统，天域卫星通信系统，并且信息设备功能不断丰富、性能不断提升，B5G/6G 终端将迎来进一步融合化的趋势。B5G/6G 终端的单个终端将可以胜任以前若干不同种类终端的能力，包含融合以前不具备通信能力的终端和具备通信能力的终端，以及融合以前具备不同通信能力的多种终端。 2.2 B5G/6G 终端分类与具体需求 2.2.1 面向消费者的终端 2.2.1.1 个人处理中心 目前个人处理中心主要包括三大智能终端设备：智能手机，平板电脑，和个人电脑（PC）。智能手机目前已基本进入全屏化、AI 化时代：全屏幕手机逐渐取代市场存量非全屏手机，成为市场上智能手机的主流。异形屏、伸缩摄像头、屏下指纹、屏下摄像头等新技术的崛起逐步使能全屏智能手机。此外，AI 语音助手亦已成为主流智能手机的标配，智能手机芯片均已AI 化。 平板电脑逐步由娱乐化场景向生产力方面进行演进，生产力功能和性能朝个人电脑逼近。随着智能手机全屏化、AI 化之后，平板电脑亦有全屏化和 AI 化的趋势。为了增强平板电脑的生产力能力，相关生产力配件已逐步成熟，例如蓝牙鼠标、蓝牙键盘、电子笔、绘图转盘、绘画板等。 另一方面，个人电脑作为发展时间最长的终端设备，目前仍是能力最全面的个人处理中心，覆盖影音娱乐、生产、办公、差旅、游戏等各个应用场景。个人电脑中笔记本电脑已发展为个人电脑中的主流，台式机电脑已逐步退化到游戏和部分办公场景。个人笔记本电脑逐步轻薄化、高性能化，并吸收了智能手机全屏化和 AI 化的优势。世界第一款搭载折叠屏幕的笔记本电脑 （属于 Lenovo ThinkPad X1 系列），和世界第一款 5G 化的笔记本电脑（由美国高通和 Lenovo 在 COMPUTEX2019 展会上公布）均已出现。目前看来，三大智能终端设备的功能和性能已有趋同的苗头。 B5G/6G 终端将以个人为中心，提供各种融合多功能终端，除了个人私有终端如智能手机、平板电脑和个人电脑等外，还将广泛存在泛在共享终端，如图 1 所示。 泛在共享终端作为个人处理中心， 拥有输入输出设备，为个人提供随时随地的超高清、浸入式、大数据速率、超低时延、超高可靠的通信能力。比如交通工具上配置的终端， 包含私家车、公共交通工具（出租车、公共汽车、 火车、飞机等）； 办公室用智能显示与交互系统、智能白板；其他公共场所的共享终端，如路侧智能显示与交互系统、公共空间 ( 公园 ,医院 , 商场等 ) 智能显示与交互系统。 其输入技术包括并不限于声音输入、图像输入、 键盘指令输入、触摸输入、脑电波输入等；其输出技术包括并不限于超高清屏幕、AR/ VR/MR 技术、 全息影像、3D 音场输出、触觉输出、 脑电波输出等。作为个人处理中心，其使用信息处理和传输过程需保证个人信息保护，适当使用用户身份识别、数据远程安全存储和调用、用户使用痕迹可擦除等技术。 随着移动通信技术的发展，未来 B5G/6G 时代的个人处理中心会出现多形态、泛连接、以及云雾化的发展趋势： • 多形态化 在 B5G/6G 时代，三大智能终端设备的形态将随着材料技术、软件技术、人工智能技术的发展而持续演进，并呈现出以下的几大类特点： • 超高清显示技术及全息影像：屏幕以及显示技术将会持续快速发展，超高清屏幕显示， 悬浮 3D 显示，全息影像等技术将会涌现、成熟并普及到智能终端设备上。多种形态的显示技术会适用于不同的智能终端设备和场景，例如悬浮显示或全息投影可扩展智能手机的屏幕，个人电脑的超高清显示将有利于图像 / 视频处理，工业设计，以及影视娱乐。全息投影更有助于人与人之间的互相交流、会议。 • 进阶柔性屏幕：目前柔性可折叠屏幕已开始应用于智能手机，并将应用于个人电脑。在未来时代，柔性屏幕技术将成熟化，并将普及于所有三大智能设备之中。柔性屏幕技术将使得智能终端设备更加便携，更适应于不同场景的应用 • 高可持续电力：电池已成为制约智能终端设备发展的一大障碍。特别是小型化智能终端设备，电力的不足会阻碍智能终端计算力、超高清显示、高速无线连接等技术的普及和应用。未来随着物理学和材料学的发展，超高容量电池例如使用石墨烯技术的电池将成熟化商业化，大幅提升电池能量密度，使能智能终端设备的高可持续性使用，并助力智能终端其他技术的发展。 • 包含多种生物识别的安全技术：目前生物识别主要为指纹识别和 3D 面容识别。在未来，多种生物识别技术将融合使用，将个人终端设备的安全性提升到前所未有的高度。例如虹膜识别，植入体内芯片的细胞识别等生物识别技术将全面发展 • 多形态交互方式：目前交互方式主要依靠触摸、配件设备、语音等方式。未来随着悬浮3D 显示技术和全息投影技术的发展，手势交互将成为主流交互方式的一种。此外，脑电波、眼球动作等交互方式也将迎来快速发展，并可应用于例如需要高度安静的场景，或提升残障人士与智能设备交互的便利程度 • 高级人工智能：目前人工智能已落地应用到个人智能终端设备，并已完成了初步的发展。未来智能终端上的人工智能将更加高级，除了对人的各种需求进行被动反馈外，人工智能会主动与人进行交互，主动帮助人进行各项事务的处理，主动为人提供各类建