任何公路賽都具備三個基本要素：跑道、車輛與人員。可將全球致力于開發4G系統及設備的浪潮視為一場比賽，正如跑道設置了比賽的邊界條件一樣，其標準規范設定了通信的邊界。
本文的個主題是從國際電信聯盟(ITU)到各個國家及地區的標準開發組織(SDO)進行的4G標準的開發。那些日復一日努力確保其團隊贏得這場比賽的4G研究“開發團隊”是業界相關的工程師、高科技企業以及大學研究實驗室等，本文的第二部分將主要介紹他們的工作。
，每一個團隊都需要一輛車來推動自己沖向終點線。在4G比賽中，賽車是指那些能夠使通信更加無縫、有用和強有力的基本技術。在本文一章，我們將討論一些在這場比賽中起激勵推進作用的主要實現技術。還將分析4G系統及設備設計者所面臨的工程和測試類挑戰。
跑道：制定標準
如果問10個人什么是4G，你將會得到10種不同的答案。更重要的問題是：我們要如何實現4G？當尋找指導南或方向時，這個問題有助于我們從層起點，這個層是指聯合國特許設立的、向各國權威機構提供健康和人身安全要求的顧問組織ITU。這些權威機構則輪流負責管理在其各自國家內的無線電產業。
ITU分為三個主要部門。每一個部門再分設好幾個完成大部分的技術工作研究組。所有的ITU指導方針按照一個正式流程開發。研究組著重處理那些準許進一步研究的技術領域中的特殊技術“問題”。一旦議題經充分研究且已決定怎樣開展，該研究組會提交一份正式“提議”。這份提議可與ITU的所有外部組織共享，如SDO和各國政府。
ITU內部有兩個小組專門從事幫助定義下一代移動無線技術(圖1)。這兩個小組是：ITU-R 部門的WP8F工作組和ITU-T部門的“IMT 2000及后續發展”特別研究小組(SSG)。
WP8F主要關注4G的整體無線系統方面，比如無線接口、無線接入網絡(RAN)、頻譜問題、服務、流量特性和市場評估等。“IMT 2000及后續發展”特別研究小組則主要負責未來無線系統的網絡或有線線路，包括無線互聯網、移動和固網的匯聚、移動性管理、網絡互聯(internetworking)以及互操作性(interoperability)等。
WP8F的主要交付成果是ITU-R M.1645提議，其包含了無線通信未來發展的總體目標。下面簡述WP8F在提議中的重點概要(資料來源：www.itu.int/ITU-R)
4G系統的框架應該將目前蜂窩系統、與漫游無線接入系統和個人局域網(PAN)融合在一個對用戶透明的無縫分層架構中。
到2010年，移動應用和漫游應用的數據傳輸率應該分別達到100Mbps和1Gbps。應努力實現全球范圍的公共頻譜和開放的全球標準化。
當前的研發人員
一旦提案達成決議，要設法實施還有大量工作必須完成。這些實施工作由若干組織來完成，包括SDO、產業論壇和設計下一代網絡及設備的獨立企業。正如一組強有力的后勤維修人員(pit crew)有助于賽車保持性能狀態一樣，在這些組織內工作的工程師們將推動技術朝著無線寬帶的目標演進。
一些主要的SDO都是非贏利的地方性或政府機構，例如歐洲的ETSI、中國的CCSA以及韓國的TTA。3GPP和3GPP2 即是業界SDO的兩個例子，負責開發和維護目前的2G和3G技術標準。為達到的效率和互操作性，各個SDO在ITU的框架內共同工作。ITU通過結構化的溝通渠道積極從外部組織尋求幫助。例如，在ITU-T內部，是由提議A4 和 A6來管理ITU、產業協會和地方性SDO之間的合作。
2001年初，阿爾卡特、愛立信、摩托羅拉、諾基亞及西門子聯手成立了無線全球研究論壇(WWRF) (www.wireless-world-research.org)，論壇宗旨是對未來7到12年內無線領域的戰略性研究方向進行前景規劃。WWRF的主要交付成果是關于ad-hoc網絡、超寬帶、智能天線和可重配置架構等新興技術主題的白皮書，以及有重大影響的前景白皮書(Book of Visions)。前景白皮書是一份收集了關于未來無線領域的機遇和挑戰的各種意見的文件。它包括頻譜政策和安全性等許多運作問題。
2003年，WWRF宣布與另一個也參與了第四代技術開發的主要產業論壇“日本移動IT論壇”(www.mitf.org)聯合討論共同目標。在mITF的4G移動通信委員會中，由兩個小組委員會承當任務。系統小組委員會與外部組織合作以闡明4G標準開發的技術水平；另一個應用小組委員會則研究前景和使用機會，以幫助構思一個面向新型贏利商業市場的發展藍圖。關于4G移動技術預期功能和服務的目標和提議，匯集在飛毯文件(Flying Carpet document)中。(該文件的第二版可在前面列出的mITF網站上找到。
為解決設計人員面臨的4G網絡、設備和服務等方面的挑戰，許多特定項目聯合了高科技企業與學術界的力量。例如，4G無線項目就是由安捷倫科技、意法半導體、英飛凌和其它幾家產業及學術界伙伴的聯手合作。由Medea+和IWT提供支持，這一項目旨在縮短先進芯片組和/或系統級芯片(SoC)的開發時間。為此，它將建立標準化的電路庫和可重配置的數字構建模塊。這些設計工具可與專用模塊一起使用以實現擁有創新性調制方案新技術的物理層。
在服務端，IST-MoDiS (www.ist-modis.org)和IST-MAESTRO (www.ist-maestro.dyndns.org)對廣播衛星多媒體內容(S-DMB)和地面3G蜂窩架構(圖2)相結合的可行性進行了調研。這種結合有助于推動不同無線接入和內容發送模式的整合。
在車賽中，由跑道指示前進的方向，駕駛員和車隊工作人員確保賽手能夠隨意支配工具終到達目的地。那么，我們實現4G的工具是什么呢？什么技術能夠實現移動寬帶無線接入呢？由于電磁頻譜是有限的資源，當前大部分的研究都試圖找到能更有效地使用頻譜的方法。有三種主要驅動力將能夠實現向下一代寬帶無線技術的轉移：容量增強(無線用戶的數量仍在不斷增長)；數據吞吐量提高(增加能產生更高利潤的服務項目)；無縫互操作性(提升用戶的接受度并易于使用)。
提高系統容量的一種方法是采用多輸入多輸出(MIMO)天線方案。單天線無線系統的容量遵守Shannon經典極限定理，可表示為C=log2(1+SNR)。由上式可知，理想的容量隨信噪比(SNR)的log值增加。另一方面，MIMO系統的容量按所用發射接收對的數量線性地增加。
MIMO系統可以用幾種方式來實現。一種方案是利用發射接收端的差異性來提高信號魯棒性并擴展范圍。另外一種是通過平行的空間信道來發射大量編碼的數據流。大多數系統可能采用這兩種方法的結合(圖3)。
MIMO只是智能天線技術的實現方法之一。智能天線系統通常將多個天線與智能化、強大的信號處理技術結合起來，以對輻射和接收模式進行優化。若干智能天線的研究領域包括：空間處理、相位陣列、自適應陣列和數字波束成型。對任何智能天線系統，都必須對下列問題權衡考慮：提高服務質量(QoS)和覆蓋范圍與增加基礎設施及使用終端成本之間的問題。ITU WP8F in Question ITU-R 224-1/8負責自適應天線領域。
因其固有的抗多路徑衰減特性和支持極高數據傳輸率的能力，正交頻分復用(OFDM)成為第四代空中接口的主要候選。這里，OFDM隱含的基本概念是：如果選取信號并以多個低傳輸率載波代替單個高傳輸率載波發送，符號周期將較長，可減少或消除符號間干擾(ISI)問題。而當用8PSK或16QAM等高階符號映射方案調制多個載波(數以百甚至千計)時，可以提高數據傳輸率。于是，每一個符號周期內將有更多數據位必須在空中傳輸。
幾家主要的無線設備生產商都投資進行先進OFDM的研究。根據近的一份新聞稿，摩托羅拉實驗室(www.motorola.com)已宣布MIMO-OFDM結合型手機的現場試驗獲得成功。這種手機能夠在以車速移動的狀態下保持20Mbps的低延遲數據傳輸率。實驗室的仿真結果表明未編碼數據吞吐量為300 Mbps。
此外，OFDM格式也被超寬帶(UWB)和IEEE WiMAX等新興技術所采用。OFDM有多種專門為特定應用及信道條件而優化的變體，包括編碼OFDM、寬帶OFDM、快閃式OFDM和向量OFDM。OFDM論壇(www.ofdm-forum.com)是一個多家無線公司與大學研究機構結成的聯盟組織，其創建宗旨是游說官方SDO制定單一通用的OFDM標準。
4G的未來前景是一個無縫的通信環境，此時，不同系統和不同機構之間的互操作性是至為關鍵的。當語音、數據與視頻信息需要通過相同系統傳送時，舊的無線網絡顯得力不從心。缺乏靈活性催生了對軟件定義無線電(SDR)的需求。
許多之前藉由硬件單獨實現的通信功能，現在則可利用SDR由軟件來達成。通過空中下載(over the air)技術下載規范，對軟件定義無線電重新編程，便可在很寬的頻率范圍上發射和接收信號。實際上，它們也能夠模擬任何需要的傳輸或調制格式。這種能力將使得設備不僅能在不同類型的網絡和接入系統上運作良好，還可實現多個功能同時運作，并隨開發升級新的功能。
ITU WP8F in Question ITU-R 230-1/8正積極進行有關軟件定義無線電的研究。另外還建立了一個國際性的非贏利論壇幫助加速SDR技術的開發及部署推廣工作，這就是SDR論壇(www.sdrforum.org)。
升級策略如何呢？對根深蒂固的移動電話服務提供商和主要的無線設備生產商而言，升級到4G的可能方式是利用越來越先進的發送方法提升現有2G與3G系統。像cdma2000的1xEV-DO或W-CDMA的HSDPA這樣的3.5G技術，可以在每MHz bps的基礎上將數據傳輸率提高3至5倍。日本的NTT DoCoMo已經宣布其開發“3.9G”技術的計劃。
日本無線界一位研發經理曾經闡述過3.9G將如何彌補10 Mbps 的HSDPA與100 Mbps 的4G之間的差距(www.itmedia.co.jp)。設想在2010年之前被運用的這種“超3G”技術，將會使用與W-CDMA相同的頻譜。它將采用全IP網絡架構以及正交頻分與碼分復用 (OFCDM)來達到30Mbps的數據傳輸率。通過將帶寬提升至100MHz并使用可變擴頻因數(Variable Spread Factor)OFCDM，則可轉變到4G。
另一不同的升級策略是保留現有的固網或漫游無線接入供應商。IEEE這一立基于美國的產業SDO，一直在領導無線標準的開發，該標準分成不同的領域：802.15用于無線個域網(WPAN)、802.11用于無線局域網(WLAN)、802.16用于無線城域網(WMAN)。其中有一些技術達到4G的高速傳輸速率目標：802.15.3a (超寬帶，UWB)，短距離傳輸，傳輸速率可達480Mbps；802.11n (MIMO WLAN) ，中距離傳輸，傳輸速率可達100Mbps；802.16-2004 (WiMAX)，長距離傳輸，傳輸速率可達75Mbps(圖4)。
不過，要實現真正的4G，如何增加這些系統的移動性仍是一個重大障礙。現在有兩個大有前途的技術能夠處理移動性這一迫切問題，而不是高速數據傳輸問題。個面世的可能是802.16e，它是WiMAX標準的增強版。三星電子正致力于開發一種非常類似802.16e的專有技術，稱為WiBro(無線寬帶)，它是與服務提供商SK電信以及政府資助的研發組織ETRI聯手開發的。
另一發展稍后的技術是802.20，它可支持數字用戶線(digital-subscriber-line，DSL)數據傳輸率和可媲美火車的移動速度。迄今為止，該標準還沒有象802.16e一樣被完全定義。不過，已有一些企業支持802.20，如Flarion科技和T-Mobile公司。它的系統架構將極可能采用帶有邏輯鏈路控制(LLC)的分層方案。因此由物理層及媒體訪問控制 (MAC)層向一個基于IP的第三層或交換層發送服務，如點對點協議(PPP)或多協議標簽交換(MPLS)。
設計與測試挑戰
一些過渡技術能夠使寬帶網絡進入移動或蜂窩網絡發送寬帶信息。但這些技術仍然沒有達到ITU定義的真正4G系統的數據傳輸率或移動目標。然而，繼續在這些領域進行研究有著切實的利益，將為4G的未來鋪平道路。例如，這種研究能確保從3G平滑升級，同時協助定義對下一代數據網絡與設備的需求。這些技術需求有些已在本文中提及，包括可支持多個空中接口、多用戶接口與可重配置性。
對目前正在進行早期研發的設備設計人員來說，這意味著什么呢？一個結論是集成模擬前端的趨勢短期內將依舊不變。大部分下一代軟件定義終端將會封裝到一個單獨的復雜系統級芯片(SoC)或系統級封裝(SiP)上。這樣的系統將功率放大器與濾波器、天線及其它組件整合在一起，它們在一個混合環境中完成不同的工作。而數字信號處理(DSP)將會越來越多地用于補償前端模塊中的模擬損失。
為驗證一個復雜的系統，需要測試工具來連接射頻模擬與仿真、數字系統建模以及硬件驗證。由于4G標準尚未定義清楚，要找到正確的測試工具就很困難。畢竟無法了解到在這么多的新興技術中，有哪一個會真正具備市場競爭力。關鍵在于投入研發的測試平臺應該具靈活性并可升級，可以涵蓋目前大部分格式，滿足頻率范圍與帶寬要求，并且能夠快速處理不斷涌現的新需求。
對系統設計來說，可以由電子設計自動化(EDA)解決方案模擬從DSP到RF的整個收發鏈路。這種解決方案應足夠靈活，以使仿真具有晶體管級的精度和行為模型的效率。對目前的技術如UWB和W-CDMA提供標準設計庫同樣有益，可以方便系統整合及集成驗證。另一方面，為強調硬件接收器設計的性能，引入了一個高頻信號發生器，該信號發生器不僅結合處理復雜波形的大帶寬和適于動態范圍的高分辨率，還應具有從軟件包(如Agilent ADS或MATLAB)下載專用信號的能力。
對發射器設計來說，應該找到一種帶有多個同調測量通道，可同時校正時間和頻率的信號分析器。在智能天線系統的設計中，這一性能至關重要。運行在軟件引擎上的分析器，如Agilent公司的向量信號分析器，因其數據采集與降頻轉換(Downconverting)硬件前端無關，故具有極大的靈活性。工程師若需要額外的動態范圍，可以使用高性能的頻譜分析儀；要獲得額外的帶寬則使用示波器。圖4是一個利用VSA軟件進行WiMAX測量的例子。
構思和開發下一代移動寬帶無線設備的工程師與研究人員需要創新的測試工具。這些測試工具必須能夠有效驗證和在實際硬件測試基準上驗證專有模型。此外，還必須能在這兩種環境之間反復測試修正。把你特別滿意的測試設備供應商納為你的“車隊工作人員”。他們密切跟蹤標準的開發，因此能夠提供精確的工具和有用的測試專業技術，從而幫助新產品早日成功。這場4G比賽雖然路途遙遠，但更多熟悉比賽方式，也就能更多地增加獲勝的機會。