盡管3G無線設(shè)備仍在部署中，但整個(gè)無線生態(tài)系統(tǒng)卻已開始定義和設(shè)計(jì)4G系統(tǒng)。雖然3G和4G系統(tǒng)并沒有嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)組織內(nèi)似乎正在達(dá)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(shè)計(jì)的這兩個(gè)指標(biāo)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(shù)一直在成功地為新應(yīng)用提供更多帶寬。與通過頻率或時(shí)間分割在同一信道傳送多個(gè)數(shù)據(jù)的老方法不同,，CDMA利用伴隨每條信道代碼的建設(shè)性干擾特性實(shí)現(xiàn)復(fù)用,，從而在電信運(yùn)營商所用的整個(gè)頻譜內(nèi)傳送數(shù)據(jù)。CDMA在分組切換語音無線領(lǐng)域被證明是有效的,；與以前系統(tǒng)相比,，擴(kuò)頻技術(shù)允許更有效、更靈活地利用帶寬,。

      就4G標(biāo)準(zhǔn)而言,，兩個(gè)主要的3G標(biāo)準(zhǔn)組織――第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)和第三代合作伙伴計(jì)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(shù)。

      OFDM概述

      OFDMA以正交頻分復(fù)用(OFDM)為基礎(chǔ),。OFDM技術(shù)出現(xiàn)已有段時(shí)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(lǐng)域的最初實(shí)現(xiàn)是定點(diǎn)接入的WiMAX 802.16d也就不足為奇了。該無線技術(shù)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(shù)的替代,，又可在其它接入技術(shù)沒覆蓋的地區(qū)提供服務(wù),。

      在OFDM中，采用快速傅立葉變換(FFT)將可用帶寬分成數(shù)學(xué)上正交的許多小帶寬,。而頻帶的重構(gòu)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(dāng)大小為2的整數(shù)倍時(shí),，可被非常高效地實(shí)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,。可支持5,、10和20 MHz帶寬,。該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。即便整個(gè)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(gè)小頻帶；而5MHz可分成512個(gè)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(yīng)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(shí)刻到達(dá)接收器,。分離各反射的時(shí)間間隔被稱為延遲擴(kuò)展。當(dāng)延遲擴(kuò)展與發(fā)送的符號時(shí)間(Symbol Time)大致相等時(shí),，這種干擾有可能引發(fā)問題,。典型的延遲擴(kuò)展時(shí)長幾微秒，與CDMA符號時(shí)間接近,。OFDMA的符號時(shí)間大致在100微秒,，因而多徑現(xiàn)象的影響不太嚴(yán)重,。為緩解多徑效應(yīng)，在每一符號后插入一個(gè)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(diào)制是實(shí)現(xiàn)更高效率的方法之一。調(diào)制是指每一子載波發(fā)送的位數(shù),。例如,，在正交振幅調(diào)制(QAM)中，每載頻發(fā)送2位,。在16 QAM和6? QAM中,，每個(gè)子載波分別發(fā)送4和6位。在4G系統(tǒng),，因預(yù)期會(huì)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(shù),。

   OFDM的另一個(gè)好處是采用了先進(jìn)的多天線信號處理技術(shù),。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(shù)。

    在MIMO中,，系統(tǒng)接收來自不同發(fā)射天線的信號會(huì)有很大差異,。在室內(nèi)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(gè)天線可以相同頻率發(fā)送另一個(gè)不同信號,，而在接收器端通過信號處理還可恢復(fù)該信號,。理解這種特性的一個(gè)簡單方法是考慮一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、有N個(gè)方程和N個(gè)未知量的方程組,，可借助熟知的矩陣求逆技術(shù)來求解該方程組,。以這種方式重復(fù)利用頻率被稱為Re-use1，同一頻率在同一時(shí)間被用于不同信號,。

    而波束成形則是一種發(fā)射技術(shù),，它試圖在接收器內(nèi)為多個(gè)發(fā)射器形成一個(gè)一致架構(gòu)。這種技術(shù)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(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)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(jìn)行修改以使其統(tǒng)一,。因此,，波束成形對頻率的重復(fù)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(yīng)用中,，可能結(jié)合MIMO和波束成形技術(shù)，尤其是在4天線系統(tǒng)中,。一個(gè)理想的系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)其特性進(jìn)行切換以便在不同模式運(yùn)作,。

    OFDMA介紹

    OFDMA是為將OFDM技術(shù)從定點(diǎn)接入無線系統(tǒng)擴(kuò)展為具有移動(dòng)能力的真正蜂窩系統(tǒng)而開發(fā)出來的。其底層技術(shù)是相同的,，更多靈活性是通過系統(tǒng)工作定義實(shí)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(jìn)一步被組合成可分配給無線用戶的“突簇(burst)”,。每個(gè)突簇分配可在幀間及該調(diào)制等級內(nèi)改變，從而允許基站根據(jù)目前的系統(tǒng)需求動(dòng)態(tài)調(diào)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(diào)節(jié)每個(gè)用戶的功率,。服務(wù)質(zhì)量(QoS)是另一個(gè)特性,可適用于不同用戶的特殊應(yīng)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(yīng)可用頻譜,。3GPP(LTE)和WiMAX系統(tǒng)發(fā)展的長期目標(biāo)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(shí)分又支持頻分復(fù)用,。所有這些靈活性將允許服務(wù)供應(yīng)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(luò)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(shè)備,。在許多方面，對早期無線應(yīng)用的一般考慮同樣適用于OFDMA：高計(jì)算性能,、低功耗,、編程靈活性、集成的高速外設(shè),、完善的軟件平臺(tái)及全面的開發(fā)工具,。可滿足這些需求的DSP供應(yīng)商將能提供最適合4G網(wǎng)絡(luò)的方案,。例如TI的TMS320TCI6487就是這樣一種方案,。它整合了3個(gè)1GHzC64x+DSP核,、帶有全部3MB片上存儲(chǔ)器以及高速接口。

    本文小結(jié)

    向4G網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變給無線通信帶來新的期待,。4G網(wǎng)絡(luò)的更快速度和分組傳輸將使高質(zhì)量多媒體無處不在。實(shí)現(xiàn)這種高水平服務(wù)的關(guān)鍵就是新的無線接口——OFDMA,，而使其得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵則是新一代DSP的高性能,。通過將特定頻譜分成多個(gè)子載波，OFDMA可提供需要相對較低功率的強(qiáng)勁信號,，并可高效利用帶寬,。利用OFDMA，運(yùn)營商可從更大的靈活性中受益,，因?yàn)樵谙嗤念l譜下,，它們可提供更多信道(包括高帶寬信道)及更多種服務(wù)。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(shù)的關(guān)鍵部分已經(jīng)就位,，向無線通信新紀(jì)元的進(jìn)軍即將起步,。