盡管3G無線設備仍在部署中，但整個無線生態(tài)系統(tǒng)卻已開始定義和設計4G系統(tǒng)。雖然3G和4G系統(tǒng)并沒有嚴格定義上的差別，但在所能支持的最高數(shù)據(jù)速率方面，標準組織內似乎正在達成共識。諸如HSPA等3G系統(tǒng)的上行和下行速率分別為5到10Mbps和15到20Mbps。與3G系統(tǒng)相比，4G系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)復用，從而在電信運營商所用的整個頻譜內傳送數(shù)據(jù)。CDMA在分組切換語音無線領域被證明是有效的；與以前系統(tǒng)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(xiàn)已有段時間了，且已用在ADSL、Wi-Fi (802.11a/g)、DVB-H及其它高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)中。因而OFDM在蜂窩無線領域的最初實現(xiàn)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(wǎng)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(qū)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(shù)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(shù)倍時，可被非常高效地實現(xiàn)。OFDM系統(tǒng)的典型FFT大小是512、1024和2048，而較小的128和256也是可能的?？芍С?、10和20 MHz帶寬。該技術的一個優(yōu)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(tǒng)中，可用帶寬分割成許多子載波。
‘多徑’效應是目前無線系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。多徑來自發(fā)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(fā)送的符號時間(Symbol Time)大致相等時，這種干擾有可能引發(fā)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(xiàn)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(huán)前綴的警戒邊帶。
為得到更高數(shù)據(jù)速率，OFDM系統(tǒng)必須比CDMA系統(tǒng)更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位數(shù)稱為頻譜效率。采用高階調制是實現(xiàn)更高效率的方法之一。調制是指每一子載波發(fā)送的位數(shù)。例如，在正交振幅調制(QAM)中，每載頻發(fā)送2位。在16 QAM和6? QAM中，每個子載波分別發(fā)送4和6位。在4G系統(tǒng)，因預期會采用6? QAM，所以其頻譜效率很高。
圖2：用于LOS和NLOS環(huán)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)是兩種最常用的技術。
在MIMO中，系統(tǒng)接收來自不同發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)射技術，它試圖在接收器內為多個發(fā)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(fā)射功率實現(xiàn)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(tǒng)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-use3。
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(tǒng)中。一個理想的系統(tǒng)應根據(jù)其特性進行切換以便在不同模式運作。
OFDMA介紹
OFDMA是為將OFDM技術從定點接入無線系統(tǒng)擴展為具有移動能力的真正蜂窩系統(tǒng)而開發(fā)出來的。其底層技術是相同的，更多靈活性是通過系統(tǒng)工作定義實現(xiàn)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(jù)目前的系統(tǒng)需求動態(tài)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(jù)目前系統(tǒng)需求還可調節(jié)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(wǎng)接入等)。
如上所述，OFDM和OFDMA允許系統(tǒng)容易地適應可用頻譜。3GPP(LTE)和WiMAX系統(tǒng)發(fā)展的長期目標是支持帶寬從1.25到20MHz間的分配。此外，這兩種系統(tǒng)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(jù)市場需要在不同地區(qū)以不同方式推出不同的４G系統(tǒng)。
在4G無線網(wǎng)絡的早期發(fā)展過程中，系統(tǒng)開發(fā)者開始考慮哪種方案最適合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(fā)工具。可滿足這些需求的DSP供應商將能提供最適合4G網(wǎng)絡的方案。例如TI的TMS320TCI6487就是這樣一種方案。它整合了3個1GHzC64x+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(wǎng)絡的轉變給無線通信帶來新的期待。4G網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)仍處在定義和原型開發(fā)階段，不過，4G技術的關鍵部分已經(jīng)就位，向無線通信新紀元的進軍即將起步。