任何公路赛都具备三个基本要素：跑道、车辆与人员。可将全球致力于开发4G系统及设备的浪潮视为一场比赛，正如跑道设置了比赛的边界条件一样，其标准规范设定了通信的边界。
本文的个主题是从国际电信联盟(ITU)到各个国家及地区的标准开发组织(SDO)进行的4G标准的开发。那些日复一日努力确保其团队赢得这场比赛的4G研究“开发团队”是业界相关的工程师、高科技企业以及大学研究实验室等，本文的第二部分将主要介绍他们的工作。
，每一个团队都需要一辆车来推动自己冲向终点线。在4G比赛中，赛车是指那些能够使通信更加无缝、有用和强有力的基本技术。在本文一章，我们将讨论一些在这场比赛中起激励推进作用的主要实现技术。还将分析4G系统及设备设计者所面临的工程和测试类挑战。
跑道：制定标准
如果问10个人什么是4G，你将会得到10种不同的答案。更重要的问题是：我们要如何实现4G？当寻找指导南或方向时，这个问题有助于我们从层起点，这个层是指联合国特许设立的、向各国权威机构提供健康和人身安全要求的顾问组织ITU。这些权威机构则轮流负责管理在其各自国家内的无线电产业。
ITU分为三个主要部门。每一个部门再分设好几个完成大部分的技术工作研究组。所有的ITU指导方针按照一个正式流程开发。研究组着重处理那些准许进一步研究的技术领域中的特殊技术“问题”。一旦议题经充分研究且已决定怎样开展，该研究组会提交一份正式“提议”。这份提议可与ITU的所有外部组织共享，如SDO和各国政府。
ITU内部有两个小组专门从事帮助定义下一代移动无线技术(图1)。这两个小组是：ITU-R 部门的WP8F工作组和ITU-T部门的“IMT 2000及后续发展”特别研究小组(SSG)。
WP8F主要关注4G的整体无线系统方面，比如无线接口、无线接入网络(RAN)、频谱问题、服务、流量特性和市场评估等。“IMT 2000及后续发展”特别研究小组则主要负责未来无线系统的网络或有线线路，包括无线互联网、移动和固网的汇聚、移动性管理、网络互联(internetworking)以及互操作性(interoperability)等。
WP8F的主要交付成果是ITU-R M.1645提议，其包含了无线通信未来发展的总体目标。下面简述WP8F在提议中的重点概要(资料来源：www.itu.int/ITU-R)
4G系统的框架应该将目前蜂窝系统、与漫游无线接入系统和个人局域网(PAN)融合在一个对用户透明的无缝分层架构中。
到2010年，移动应用和漫游应用的数据传输率应该分别达到100Mbps和1Gbps。应努力实现全球范围的公共频谱和开放的全球标准化。
当前的研发人员
一旦提案达成决议，要设法实施还有大量工作必须完成。这些实施工作由若干组织来完成，包括SDO、产业论坛和设计下一代网络及设备的独立企业。正如一组强有力的后勤维修人员(pit crew)有助于赛车保持性能状态一样，在这些组织内工作的工程师们将推动技术朝着无线宽带的目标演进。
一些主要的SDO都是非赢利的地方性或政府机构，例如欧洲的ETSI、中国的CCSA以及韩国的TTA。3GPP和3GPP2 即是业界SDO的两个例子，负责开发和维护目前的2G和3G技术标准。为达到的效率和互操作性，各个SDO在ITU的框架内共同工作。ITU通过结构化的沟通渠道积极从外部组织寻求帮助。例如，在ITU-T内部，是由提议A4 和 A6来管理ITU、产业协会和地方性SDO之间的合作。
2001年初，阿尔卡特、爱立信、摩托罗拉、诺基亚及西门子联手成立了无线全球研究论坛(WWRF) (www.wireless-world-research.org)，论坛宗旨是对未来7到12年内无线领域的战略性研究方向进行前景规划。WWRF的主要交付成果是关于ad-hoc网络、超宽带、智能天线和可重配置架构等新兴技术主题的白皮书，以及有重大影响的前景白皮书(Book of Visions)。前景白皮书是一份收集了关于未来无线领域的机遇和挑战的各种意见的文件。它包括频谱政策和安全性等许多运作问题。
2003年，WWRF宣布与另一个也参与了第四代技术开发的主要产业论坛“日本移动IT论坛”(www.mitf.org)联合讨论共同目标。在mITF的4G移动通信委员会中，由两个小组委员会承当任务。系统小组委员会与外部组织合作以阐明4G标准开发的技术水平；另一个应用小组委员会则研究前景和使用机会，以帮助构思一个面向新型赢利商业市场的发展蓝图。关于4G移动技术预期功能和服务的目标和提议，汇集在飞毯文件(Flying Carpet document)中。(该文件的第二版可在前面列出的mITF网站上找到。
为解决设计人员面临的4G网络、设备和服务等方面的挑战，许多特定项目联合了高科技企业与学术界的力量。例如，4G无线项目就是由安捷伦科技、意法半导体、英飞凌和其它几家产业及学术界伙伴的联手合作。由Medea+和IWT提供支持，这一项目旨在缩短先进芯片组和/或系统级芯片(SoC)的开发时间。为此，它将建立标准化的电路库和可重配置的数字构建模块。这些设计工具可与专用模块一起使用以实现拥有创新性调制方案新技术的物理层。
在服务端，IST-MoDiS (www.ist-modis.org)和IST-MAESTRO (www.ist-maestro.dyndns.org)对广播卫星多媒体内容(S-DMB)和地面3G蜂窝架构(图2)相结合的可行性进行了调研。这种结合有助于推动不同无线接入和内容发送模式的整合。
在车赛中，由跑道指示前进的方向，驾驶员和车队工作人员确保赛手能够随意支配工具终到达目的地。那么，我们实现4G的工具是什么呢？什么技术能够实现移动宽带无线接入呢？由于电磁频谱是有限的资源，当前大部分的研究都试图找到能更有效地使用频谱的方法。有三种主要驱动力将能够实现向下一代宽带无线技术的转移：容量增强(无线用户的数量仍在不断增长)；数据吞吐量提高(增加能产生更高利润的服务项目)；无缝互操作性(提升用户的接受度并易于使用)。
提高系统容量的一种方法是采用多输入多输出(MIMO)天线方案。单天线无线系统的容量遵守Shannon经典极限定理，可表示为C=log2(1+SNR)。由上式可知，理想的容量随信噪比(SNR)的log值增加。另一方面，MIMO系统的容量按所用发射接收对的数量线性地增加。
MIMO系统可以用几种方式来实现。一种方案是利用发射接收端的差异性来提高信号鲁棒性并扩展范围。另外一种是通过平行的空间信道来发射大量编码的数据流。大多数系统可能采用这两种方法的结合(图3)。
MIMO只是智能天线技术的实现方法之一。智能天线系统通常将多个天线与智能化、强大的信号处理技术结合起来，以对辐射和接收模式进行优化。若干智能天线的研究领域包括：空间处理、相位阵列、自适应阵列和数字波束成型。对任何智能天线系统，都必须对下列问题权衡考虑：提高服务质量(QoS)和覆盖范围与增加基础设施及使用终端成本之间的问题。ITU WP8F in Question ITU-R 224-1/8负责自适应天线领域。
因其固有的抗多路径衰减特性和支持极高数据传输率的能力，正交频分复用(OFDM)成为第四代空中接口的主要候选。这里，OFDM隐含的基本概念是：如果选取信号并以多个低传输率载波代替单个高传输率载波发送，符号周期将较长，可减少或消除符号间干扰(ISI)问题。而当用8PSK或16QAM等高阶符号映射方案调制多个载波(数以百甚至千计)时，可以提高数据传输率。于是，每一个符号周期内将有更多数据位必须在空中传输。
几家主要的无线设备生产商都投资进行先进OFDM的研究。根据近的一份新闻稿，摩托罗拉实验室(www.motorola.com)已宣布MIMO-OFDM结合型手机的现场试验获得成功。这种手机能够在以车速移动的状态下保持20Mbps的低延迟数据传输率。实验室的仿真结果表明未编码数据吞吐量为300 Mbps。
此外，OFDM格式也被超宽带(UWB)和IEEE WiMAX等新兴技术所采用。OFDM有多种专门为特定应用及信道条件而优化的变体，包括编码OFDM、宽带OFDM、快闪式OFDM和向量OFDM。OFDM论坛(www.ofdm-forum.com)是一个多家无线公司与大学研究机构结成的联盟组织，其创建宗旨是游说官方SDO制定单一通用的OFDM标准。
4G的未来前景是一个无缝的通信环境，此时，不同系统和不同机构之间的互操作性是至为关键的。当语音、数据与视频信息需要通过相同系统传送时，旧的无线网络显得力不从心。缺乏灵活性催生了对软件定义无线电(SDR)的需求。
许多之前藉由硬件单独实现的通信功能，现在则可利用SDR由软件来达成。通过空中下载(over the air)技术下载规范，对软件定义无线电重新编程，便可在很宽的频率范围上发射和接收信号。实际上，它们也能够模拟任何需要的传输或调制格式。这种能力将使得设备不仅能在不同类型的网络和接入系统上运作良好，还可实现多个功能同时运作，并随开发升级新的功能。
ITU WP8F in Question ITU-R 230-1/8正积极进行有关软件定义无线电的研究。另外还建立了一个国际性的非赢利论坛帮助加速SDR技术的开发及部署推广工作，这就是SDR论坛(www.sdrforum.org)。
升级策略如何呢？对根深蒂固的移动电话服务提供商和主要的无线设备生产商而言，升级到4G的可能方式是利用越来越先进的发送方法提升现有2G与3G系统。像cdma2000的1xEV-DO或W-CDMA的HSDPA这样的3.5G技术，可以在每MHz bps的基础上将数据传输率提高3至5倍。日本的NTT DoCoMo已经宣布其开发“3.9G”技术的计划。
日本无线界一位研发经理曾经阐述过3.9G将如何弥补10 Mbps 的HSDPA与100 Mbps 的4G之间的差距(www.itmedia.co.jp)。设想在2010年之前被运用的这种“超3G”技术，将会使用与W-CDMA相同的频谱。它将采用全IP网络架构以及正交频分与码分复用 (OFCDM)来达到30Mbps的数据传输率。通过将带宽提升至100MHz并使用可变扩频因数(Variable Spread Factor)OFCDM，则可转变到4G。
另一不同的升级策略是保留现有的固网或漫游无线接入供应商。IEEE这一立基于美国的产业SDO，一直在领导无线标准的开发，该标准分成不同的领域：802.15用于无线个域网(WPAN)、802.11用于无线局域网(WLAN)、802.16用于无线城域网(WMAN)。其中有一些技术达到4G的高速传输速率目标：802.15.3a (超宽带，UWB)，短距离传输，传输速率可达480Mbps；802.11n (MIMO WLAN) ，中距离传输，传输速率可达100Mbps；802.16-2004 (WiMAX)，长距离传输，传输速率可达75Mbps(图4)。
不过，要实现真正的4G，如何增加这些系统的移动性仍是一个重大障碍。现在有两个大有前途的技术能够处理移动性这一迫切问题，而不是高速数据传输问题。个面世的可能是802.16e，它是WiMAX标准的增强版。三星电子正致力于开发一种非常类似802.16e的专有技术，称为WiBro(无线宽带)，它是与服务提供商SK电信以及政府资助的研发组织ETRI联手开发的。
另一发展稍后的技术是802.20，它可支持数字用户线(digital-subscriber-line，DSL)数据传输率和可媲美火车的移动速度。迄今为止，该标准还没有象802.16e一样被完全定义。不过，已有一些企业支持802.20，如Flarion科技和T-Mobile公司。它的系统架构将极可能采用带有逻辑链路控制(LLC)的分层方案。因此由物理层及媒体访问控制 (MAC)层向一个基于IP的第三层或交换层发送服务，如点对点协议(PPP)或多协议标签交换(MPLS)。
设计与测试挑战
一些过渡技术能够使宽带网络进入移动或蜂窝网络发送宽带信息。但这些技术仍然没有达到ITU定义的真正4G系统的数据传输率或移动目标。然而，继续在这些领域进行研究有着切实的利益，将为4G的未来铺平道路。例如，这种研究能确保从3G平滑升级，同时协助定义对下一代数据网络与设备的需求。这些技术需求有些已在本文中提及，包括可支持多个空中接口、多用户接口与可重配置性。
对目前正在进行早期研发的设备设计人员来说，这意味着什么呢？一个结论是集成模拟前端的趋势短期内将依旧不变。大部分下一代软件定义终端将会封装到一个单独的复杂系统级芯片(SoC)或系统级封装(SiP)上。这样的系统将功率放大器与滤波器、天线及其它组件整合在一起，它们在一个混合环境中完成不同的工作。而数字信号处理(DSP)将会越来越多地用于补偿前端模块中的模拟损失。
为验证一个复杂的系统，需要测试工具来连接射频模拟与仿真、数字系统建模以及硬件验证。由于4G标准尚未定义清楚，要找到正确的测试工具就很困难。毕竟无法了解到在这么多的新兴技术中，有哪一个会真正具备市场竞争力。关键在于投入研发的测试平台应该具灵活性并可升级，可以涵盖目前大部分格式，满足频率范围与带宽要求，并且能够快速处理不断涌现的新需求。
对系统设计来说，可以由电子设计自动化(EDA)解决方案模拟从DSP到RF的整个收发链路。这种解决方案应足够灵活，以使仿真具有晶体管级的精度和行为模型的效率。对目前的技术如UWB和W-CDMA提供标准设计库同样有益，可以方便系统整合及集成验证。另一方面，为强调硬件接收器设计的性能，引入了一个高频信号发生器，该信号发生器不仅结合处理复杂波形的大带宽和适于动态范围的高分辨率，还应具有从软件包(如Agilent ADS或MATLAB)下载专用信号的能力。
对发射器设计来说，应该找到一种带有多个同调测量通道，可同时校正时间和频率的信号分析器。在智能天线系统的设计中，这一性能至关重要。运行在软件引擎上的分析器，如Agilent公司的向量信号分析器，因其数据采集与降频转换(Downconverting)硬件前端无关，故具有极大的灵活性。工程师若需要额外的动态范围，可以使用高性能的频谱分析仪；要获得额外的带宽则使用示波器。图4是一个利用VSA软件进行WiMAX测量的例子。
构思和开发下一代移动宽带无线设备的工程师与研究人员需要创新的测试工具。这些测试工具必须能够有效验证和在实际硬件测试基准上验证专有模型。此外，还必须能在这两种环境之间反复测试修正。把你特别满意的测试设备供应商纳为你的“车队工作人员”。他们密切跟踪标准的开发，因此能够提供精确的工具和有用的测试专业技术，从而帮助新产品早日成功。这场4G比赛虽然路途遥远，但更多熟悉比赛方式，也就能更多地增加获胜的机会。