即使3G(第三代)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(第四代)系統。雖然3G和4G系統並沒有嚴格定義上的差別，但在所能支援的最高資料速率方面，標準組織內似乎正在達成共識。諸如高速封包接取(HSPA)等3G系統的上行和下行速率分別為5到10Mbit/s和15到20Mbit/s。4G系統設計的這兩個指標要比3G的高5到10倍，其上/下行速率分別在50Mbit/s和100Mbit/s以上。
目前的3G無線通訊透過在實體傳輸層採用碼分多址(CDMA)技術，成功地為新應用提供更多頻寬。與透過頻率或時間分割在同一通道以傳送多個資料的傳統方法不同，CDMA利用伴隨每條通道而來的程式碼干擾特性來執行多工作業，以便在電信業者使用的頻譜範圍內擴展資料吞吐量。CDMA在封包切換語音無線領域已被證明是有效的；與傳統系統相較，擴頻技術允許更有效、更靈活地利用頻寬。
就4G標準而言，兩大主要的3G標準組織──3GPP和3GPP2業已指出，正交頻分多址(OFDMA)是它們選用的實體層傳輸技術。然而，採用這種新多工技術的第一個標準是IEEE 802.16e(或稱WiMAX)。被稱為802.16d的WiMAX早期版本已在某些地區作為定點接取廣域資料網路。這兩種標準的主要區別是802.16e具有行動功能。
OFDM概述
OFDMA以正交頻分多工(OFDM)為基礎。OFDM技術問世已有段時間了，且已應用在ADSL、Wi-Fi(802.11a/g)、DVB-H及其它高速數位傳輸系統中。因此，OFDM在蜂巢式無線領域的最初應用是定點接取的WiMAX 802.16d也就不足為奇了。該無線技術已被用於提供高速網際網路接取──既可作為諸如ADSL或有線接取的替代技術，又可在其他接取技術尚未覆蓋的地區提供服務。
在OFDM中，採用快速傅立葉變換(FFTs)將可用頻寬分成數學上正交的許多小頻寬。而頻帶的重構是由快速傅立葉反變換(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定義完善的演算法，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、1,024和2,048，而較小的128和256也是可能的。5、10和20MHz是支援的頻寬。該技術的一個優異特性是可容易地改用其他頻寬。即便整個可用頻寬改變了，較小的頻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10kHz的小頻帶被稱為子載波。
OFDM的優勢
‘多徑’效應是目前無線系統面臨的挑戰之一。多徑來自發射和接收器間的反射，其中，發射在不同時刻到達接收器。分離各反射的時間跨度被稱為延遲擴展。當延遲擴展與發送的符號時間大致相等時，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，因此多徑現象的影響不太嚴重。為緩解多徑效應，在每一符號後插入一個約10微秒、稱為迴圈字首的警戒邊帶。
為得到更高資料速率，OFDM系統必須比CDMA系統更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位元數稱為頻譜效率。採用高階調變是實現更高效率的一個方法。調變指的是每一子載波發送的位元數。例如，在正交振幅調變(QAM)中，每載頻發送2位元。在16 QAM和64 QAM中，每個子載波分別發送4和6位元。在4G系統，因預期會採用64 QAM，所以其頻譜效率很高。
OFDM的另一項優勢是採用了先進的多天線訊號處理技術。多輸入多輸出(MIMO)處理和波束成形(一般稱為AAS)是兩種最常用的技術。
圖1：在OFDM，可用頻寬分割成許多數學上正交、被稱為子載波的窄頻寬。
在MIMO中，系統接收自一個發射天線的訊號與接收自另一個發射天線的訊號會有相當差異。在室內或建築密集的都市，因為在發射和接收器間存在許多反射和多徑，所以這種情況很普遍。在這種情況下，每個天線能以相同頻率發送另一個不同訊號，且在接收器端透過訊號處理後，還可恢復該訊號。瞭解此一特性的一種簡單方法，是考慮一個標準且具備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。以這種方式重複利用頻率被稱為重用1，其中，同一頻率在同一時間被用於不同訊號。
而波束成形則是發射技術，它試圖在接收器內為多個發射器形成一致的架構。此舉可在接收器端得到很高的訊息噪音比(SNR)，另外，它還可提供更寬頻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，它是對訊號進行修改以使其統一。因此，波束成形對頻率的重複利用與MIMO所用的方式不同。將頻率分成不同的頻段用於不同蜂巢式單元被稱為重用3。該舉動源自將無線蜂巢式點分割為三個不同部份的慣常作法。
在某種應用中，結合MIMO和波束成形也是可能的，特別是在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2：用於LOS和NLOS環境的WiMAX技術。
OFDMA介紹
OFDMA是為了將OFDM技術從定點接取無線系統擴展為具有行動能力的真正蜂巢式系統而開發的。其底層技術是相同的，更多靈活性是透過系統工作定義所實現。在OFDMA，子載波被組合成稱為副通道的更大單元，這些副通道進一步被組合成可分配給無線用戶的‘大量資訊’(bursts)。每個大量資訊的分配可在訊框間及該調變等級內改變，允許基地台根據目前的系統需求動態調整頻寬用法。
另外，由於每位用戶只佔用整體頻寬的一部份，所以，根據目前的系統需求還可調節每個用戶的功率。基於不同用戶的特殊應用(如語音、串流視訊或網際網路接取等)，服務品質(QoS)是另一個可被採用的特性。
圖3：OFDM內的訊框分配。
頻寬靈活性
如上所述，OFDM和OFDMA允許系統容易地適應可用頻譜。3GPP (LTE)和WiMAX都表示，其發展的長期目標是支援頻寬從1.25到20MHz間的分配。另外，這兩種系統都同時支援時分及頻分多工。所有這些靈活性將允許服務供應商根據市場需求在不同地區以不同方式推出不同的4G系統。
在4G無線網路的早期發展過程中，系統開發者開始考慮哪種方案最適合WiMAX及其它基於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於OFDMA：高運算性能、低功耗、編程靈活性、整合的高速週邊設備、完善的軟體平台及全面的開發工具。在產品中可滿足這些需求的DSP供應商將能提供最適合4G網路的方案。TI的TMS320TCI6487就是這樣一種方案。它整合了3個1GHz C64x+ DSP核心、具有全部3MB晶片上記憶體以及高速介面。
本文小結
向4G網路的轉變為無線通訊產業帶來了全新期待。與1990年代數位無線革命使手機成為每個人的掌中玩物一樣，4G網路的更快速度和封包傳輸將使高品質多媒體無處不在。實現這種高水準服務的關鍵就是新的無線介面──OFDMA，而使其得以實現的關鍵則是新一代DSP的高性能。透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訊號，並高效地利用頻寬。利用OFDMA，廠商可從更大的靈活性中受益，因為在相同頻譜下，它們可提供更多通道(包括高頻寬通道)及更多服務。目前，這些系統仍處在制訂和原型開發階段，但4G技術的定義正在進行，向無線通訊新紀元的轉移將在不久後起步。
作者：Arnon Friedmann
軟體經理
通訊基礎建設部門
Texas Instruments
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