盡管3G無線設備仍在部署中，但整個無線生態系統卻已開始定義和設計4G系統。雖然3G和4G系統并沒有嚴格定義上的差別，但在所能支持的數據速率方面，標準組織內似乎正在達成共識。

　　諸如HSPA等3G系統的上行和下行速率分別為5到10Mbps和15到20Mbps。與3G系統相比，4G系統設計的這兩個指標高出5到10倍，其上/下行速率分別在50Mbps和100Mbps以上。

　　目前的3G無線通信通過在物理傳輸層采用碼分多址(CDMA)技術一直在成功地為新應用提供更多帶寬。與通過頻率或時間分割在同一信道傳送多個數據的老方法不同，CDMA利用伴隨每條信道代碼的建設性干擾特性實現復用，從而在電信運營商所用的整個頻譜內傳送數據。CDMA在分組切換語音無線領域被證明是有效的；與以前系統相比，擴頻技術允許更有效、更靈活地利用帶寬。

　　就4G標準而言，兩個主要的3G標準組織——第三代合作伙伴計劃(3GPP)和第三代合作伙伴計劃第二組(3GPP2)已指出，正交頻分多址(OFDMA)是它們選用的物理層傳輸技術。

OFDM概述

　　OFDMA以正交頻分復用(OFDM)為基礎。OFDM技術出現已有段時間了，且已用在ADSL、Wi-Fi (802.11a/g)、DVB-H及其它高速數字傳輸系統中。因而OFDM在蜂窩無線領域的初實現是定點接入的WiMAX 802.16d也就不足為奇了。該無線技術已被用于提供高速因特網接入——既可作為諸如ADSL或有線等其它接入技術的替代，又可在其它接入技術沒覆蓋的地區提供服務。

　　在OFDM中，采用快速傅立葉變換(FFT)將可用帶寬分成數學上正交的許多小帶寬。而頻帶的重構是由快速傅立葉反變換(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定義得很完善的算法，當大小為2的整數倍時，可被非常高效地實現。OFDM系統的典型FFT大小是512、1024和2048，而較小的128和256也是可能的。可支持5、10和20 MHz帶寬。該技術的一個優異特性是易于改用其它帶寬。即便整個可用帶寬改變了，較小的帶寬單元也可維持不變。例如：10MHz可分成1,024個小頻帶；而5MHz可分成512個小頻帶。這些典型大小為10 kHz的小頻帶被稱為子載波。

圖1：在OFDM系統中，可用帶寬分割成許多子載波

　　‘多徑’效應是目前無線系統面臨的挑戰之一。多徑來自發射器和接收器間的反射，反射在不同時刻到達接收器。分離各反射的時間間隔被稱為延遲擴展。當延遲擴展與發送的符號時間(Symbol Time)大致相等時，這種干擾有可能引發問題。典型的延遲擴展時長幾微秒，與CDMA符號時間接近。OFDMA的符號時間大致在100微秒，因而多徑現象的影響不太嚴重。為緩解多徑效應，在每一符號后插入一個約10微秒、稱為循環前綴的警戒邊帶。

　　為得到更高數據速率，OFDM系統必須比CDMA系統更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位數稱為頻譜效率。采用高階調制是實現更高效率的方法之一。調制是指每一子載波發送的位數。例如，在正交振幅調制(QAM)中，每載頻發送2位。在16 QAM和64 QAM中，每個子載波分別發送4和6位。在4G系統，因預期會采用64 QAM，所以其頻譜效率很高。

圖2：用于LOS和NLOS環境的WiMAX技術

　　OFDM的另一個好處是采用了先進的多天線信號處理技術。多輸入多輸出(MIMO)和波束成形(通常指AAS)是兩種常用的技術。

　　在MIMO中，系統接收來自不同發射天線的信號會有很大差異。在室內或建筑密集的都市，由于發射器和接收器之間存在許多反射和多徑，因而這種情況很普遍。在這種情況下，每個天線可以相同頻率發送另一個不同信號，而在接收器端通過信號處理還可恢復該信號。理解這種特性的一個簡單方法是考慮一個標準的、有N個方程和N個未知量的方程組，可借助熟知的矩陣求逆技術來求解該方程組。以這種方式重復利用頻率被稱為Re-use1，同一頻率在同一時間被用于不同信號。
　
　　而波束成形則是一種發射技術，它試圖在接收器內為多個發射器形成一個一致架構。這種技術可在接收器端得到很高的信噪比(SNR)，另外，它還可提供更寬帶寬或以相同發射功率實現更遠距離。波束成形不是利用天線間的不同空氣接觸反射原理，而是對信號進行修改以使其統一。因此，波束成形對頻率的重復利用與MIMO所用的方式不同。將頻率分成不同的頻段用于不同蜂窩單元被稱為Re-use 3。

　　在一些應用中，可能結合MIMO和波束成形技術，尤其是在4天線系統中。一個理想的系統應根據其特性進行切換以便在不同模式運作。

圖3：OFDM內的幀分配

OFDMA介紹

　　OFDMA是為將OFDM技術從定點接入無線系統擴展為具有移動能力的真正蜂窩系統而開發出來的。其底層技術是相同的，更多靈活性是通過系統工作定義實現的。在OFDMA，子載波被組合成稱為副信道的更大單元，這些副信道進一步被組合成可分配給無線用戶的“突簇(burst)”。每個突簇分配可在幀間及該調制等級內改變，從而允許基站根據目前的系統需求動態調整帶寬用法。

　　另外，由于每位用戶只占用一部分帶寬，所以根據目前系統需求還可調節每個用戶的功率。服務質量(QoS)是另一個特性,可適用于不同用戶的特殊應用(如：語音、流視頻或因特網接入等)。

　　如上所述，OFDM和OFDMA允許系統容易地適應可用頻譜。3GPP (LTE)和WiMAX系統發展的長期目標是支持帶寬從1.25到20 MHz間的分配。此外，這兩種系統都既支持時分又支持頻分復用。所有這些靈活性將允許服務供應商根據市場需要在不同地區以不同方式推出不同的４G系統。

　　在4G無線網絡的早期發展過程中，系統開發者開始考慮哪種方案適合WiMAX以及其它基于OFDMA的設備。在許多方面，對早期無線應用的一般考慮同樣適用于OFDMA：高計算性能、低功耗、編程靈活性、集成的高速外設、完善的軟件平臺及全面的開發工具。可滿足這些需求的DSP供應商將能提供適合4G網絡的方案。例如TI的TMS320TCI6487就是這樣一種方案。它整合了3個1GHz C64x+ DSP核、帶有全部3MB片上存儲器以及高速接口。

本文小結

　　向4G網絡的轉變給無線通信帶來新的期待。4G網絡的更快速度和分組傳輸將使高質量多媒體無處不在。實現這種高水平服務的關鍵就是新的無線接口——OFDMA，而使其得以實現的關鍵則是新一代DSP的高性能。通過將特定頻譜分成多個子載波，OFDMA可提供需要相對較低功率的強勁信號，并可高效利用帶寬。利用OFDMA，運營商可從更大的靈活性中受益，因為在相同的頻譜下，它們可提供更多信道(包括高帶寬信道)及更多種服務。目前，這些系統仍處在定義和原型開發階段，不過，4G技術的關鍵部分已經就位，向無線通信新紀元的進軍即將起步。