無線產業雖然持續地演變著，但當前則是處於一個史無前例的轉變狀態。新興的4G 空中介面- WiMAX 、LTE、UMB、802.20、WiBRO 、新一代PHS 等 - 所有都擁有共同的特點: 其均根據正交頻分多工存取(OFDMA)、均利用MIMO (多輸入多輸出)、以及均擁有"平坦架構 (flattened architecture)，同時，也都是以IP為基礎 (網路通訊協定) 。
本文將探討OFDMA 和MIMO 就軟體定義的(彈性) 架構，同時描述如何建置OFDMA 的核心DSP 演算法，以及LTE 針對上行線路所使用的創新變異，之後將探討針對WiMAX 及 LTE (全IP雖然很迷人，不過不在此討論範疇內)的 MIMO 之運用。
OFDM技術
OFDM使用大量緊密靠近的正交子載體，各自具備低符號速率的傳統解調線路（例如正交振幅調變，QAM），以使資料速率維持在和同樣頻寬下傳統單載體解調線路相同的速率。OFDMA是能讓多重使用者分享頻道的強化型式，藉由對其指定特別音調而達成此目的。
OFDM相對於單載體線路的主要優點，在於其因應嚴苛頻道條件的能力─例如很長的銅導線中高頻的衰減、窄頻干擾及因多重路徑－缺少複合等化過濾器－而造成的特定頻率變弱現象。頻道等化被簡化，是因為OFDM可用許多慢速解調的窄頻訊號觀察，而不是用快速解調的寬頻訊號。低符號速率能在訊號間使用防護間隔，使其有可能處理時間散布並消除符號間干擾(ISI)。
由於市場壓力往往驅使廠商推出符合早期標準版本的產品，因此他們必須具備只以簡單軟體更新方式，就能將產品升級至最終產品的彈性。更理想的是，有可能以通用的可程式平台支援不同模式或不同標準（例如同時支援LTE及WiMAX），如此得以有效率的在具有彈性的軟體引擎上實施硬體導向運算法則，高效能的picoChip PC102就是一個例子：藉由在運算法則內利用平行處理帶來的效能，結合及時上市和軟體開發環境的概念優點。
今日大多數的系統中，包括WiMAX和LTE下行線路，核心運算法則都是FFT（快速傅利葉轉換）；然而LTE的上行線路需要使用（更複雜的）離散傅利葉轉換（DFT）。
FFT只是離散傅利葉轉換（DFT）的一種有效率實施方式。對於N點DFT，直接實施會需要N2等級的複雜乘法及加法運算；但因為其是一個完美的範例，故能展示一個聰明的運算如何提供不可思議的效率利益；經典FFT只需N(log2N等級的運算。FFT的特性已有良好記載，而且可在本文的網路版中了解更多細節。
picoChip PC102是一項高效能的無線最佳化多核心DSP，整合超過300種個別處理器或陣列元件（AE），每一個都是傳統的16位元、含局部記憶體的哈佛式架構DSP。標準的（STAN2）AE型式包括乘法累計周邊，以及為CDMA分散及反分散最佳化的指令，記憶體則分為512位元組程式碼和256位元組資料。記憶體（MEM2）AE則具有乘法單元及額外的記憶體，而且可以設定程式碼和資料的記憶體分配。
表 1: 在picoArray上OFDMA所用的256點16+j16 FFT 的資源使用情形."FET的最大值受到可利用MEM型式AE的數目所限制.
picoArray程式型號能輕易組合管線結構，而且這也是用於實施FFT的方法。在PC102上256點FFT的效能總結詳見表1，裡面有展示256點FFT以10M取樣／秒至80M取樣／秒之間的複合取樣速率下所需的資源，以及在PC102上，以這些速率之一所能完成的最大FFT數目；這表示一個10M取樣／秒的FFT需要大約1.5%的資源。
圖 1: FET內的建構元素區塊;提供更高傳輸率DFT的平行式FET為LTE上傳所必需.
圖1b顯示結合「建構區塊」FFT的可能性，以得到更高的傳輸率─由此清楚可知平行架構很適合這一點。
和使用 OFDM（WiFi、16d、Flash OFDM）或OFDMA（WiMax 16e）的標準相比，LTE計畫採用的上行傳輸線路是一種新型態的SC-FDMA（單載體FDMA），也稱為DFT分散式OFDM。其勝過傳統EFDMA的優點，是因先天具備的單載體架構，而讓訊號有比較低的峰值至平均值的功率比（PAPR），這對上行傳輸而言特別重要，因為較低的PAPR在傳輸功率效率方面對行動傳輸連接介面有很大的優勢；正因如此，有人聲稱其提供了「兩者所長」：結合單載體的低PAPR和多重載體的可靠度，雖然要付出使數位處理複雜度更高的代價。
SC-FDMA上行傳輸的建置法如圖2所示，其中DFT在OFDM解調器的前面，這裡顯示出和標準OFDMA相較之下的額外步驟。
圖 2: SC-FDMA or DFT-spread OFDM.
眾所周知如果轉換的大小可以分解成很小的（質數）數目，就有可能有效率的實現DFT─質數越小，整個執行動作也就越簡單─傳統FFT使用單獨一個質因數2。
LTE裡DFT前置處理器的大小，視指定給特別使用者之上行資料傳輸的子頻道數目而定。
其中N是子載體的數目，在N <= 1320的情形下（針對20MHz的頻寬）a、 b和c都>=0。對於已知使用者，N的範圍可從12個聲調（a,b,c =0=1* 12，單一資源區間）到1296─全部共有35種不同的選擇─這些聲調接著會被一起解調並構成單一載體上傳訊號，然而只限於手持傳輸裝置：因為基地台接收器處理許多使用者，其中每一位都會從這些選擇裡選定一個，對於所有可能的訊框組態所容許的交換總數為531,783,569，如此的彈性顯然會讓接收iDFT複雜化。
用於展開iDFT的技術是「各個擊破」，原則和熟悉的FFT所用相同；但iDFT的長串清單無法展開成單獨的質數，而是每個都能展開到三段長度為2、3和5的短iDFT，這些就是iDFT「引擎」。在這種實施做法裡，有些iDFT已被展開成與其質因數不同的因數（如4、8和9），以便將管線階的最大數目減少到3，如此有助於降低延遲現象。
各階段的管線必須能實施全部35種可能的iDFT功能，還有動態重新設定組態並避免任何因不同長度iDFT在相同時間流過所造成的管線危險。最簡單的架構是記錄器 + 階段緩衝區對A、B和C都是相同功能區塊的例證，該區塊可實施全部6種iDFT引擎（若有算1點式iDFT則是7種，也就是通過時維持不變）。更理想的解決方案，是認知為只有一個階段需要實施9點式引擎，另一個要8點式引擎，而第三個則要4點式引擎，再加上2、3及5個引擎─因為任何iDFT長度需要絕不可超過一個9、8或4。
表 2: 在picoArrary上可延展的iDFT資源使用情形
有一項困難，是LTE是一種可變頻寬的系統（簡單而言，1.25MHz- 20MHz含兩種TDD/FDD選項）。表2顯示建置法隨不同的模式而改變。因為其彈性在於和FFT相較之下的代價
（請見表1），所以要注意此結構在建置這些組態設定時仍極具效率：即便對於20MHz+20MHz FDD（最差情形），所需的資源還是只有PC102的約10%。
MIMO
MIMO是一種在發射器和接收器使用多支天線的做法，這是為了改善通訊效能，而且具備所有4G系統的特點。其可顯著提升資料傳輸率及連線範圍，且不用額外的頻寬或傳輸功率，並結合更高的頻譜效率（每Hz頻寬下每秒更多位元）與連線可靠度或多樣性（減少衰減現象）。
在TX端有m支天線並且在RX端有n支，這就是一個m x n的MIMO，而且一次可處理頻道的數目就是所有組合的總數：舉例而言2×2 MIMO可以有4個「頻道」（1-1、1-2、2-1、2-2），並且效能可以是SISO系統之Shannon限制的兩倍。有4個「頻道」只能傳送2倍資訊，因為需要「解」頻道矩陣以便取出資訊。事實上，頻道並非完全獨立（有一些相關性存在），所以好處會降低。矛盾的是，MIMO在頻道少時更有價值（更多的多重路徑等），因為頻道較不相關─在自由空間裡4個頻道都很類似時，好處便會受限。
有幾種可以使用MIMO的不同形式。以WiMAX下行傳輸為例，就有兩種標準的MIMO模式：矩陣A，或STC（空間時間編碼）和矩陣B。STC會從兩支發射天線以兩種不同的形式發射相同的訊號，因此資料流量並不會比SISO增加；但因為兩種形式（s和-s*）不同，所以接收器有更好的機會能復原該資料，因而改善確實度和既定資料傳輸速率下的範圍。為了在下行傳輸實施這種做法，符號速率區塊不會受影響（送出一個符號），但現在則有兩個突波鏈提供兩支具備不同資料解調形式的天線。
相反的，矩陣B會發射兩種不同符號，以便得到兩倍的資料傳輸率，這種做法中具有兩個突波鏈（用於兩支天線），每個都對個別符號進行作業；實際上，符號傳輸率區段會設計成越快越好，然後交替輸出到兩個TX分支，而非複製符號，且事實上真實的系統會支援兩者，並依使用者選擇矩陣A或B：以更佳條件將資料更快傳送到此，並在通訊格邊緣使用STC替這些方式帶來好處。
這種方式與多種核心架構配合得很好。如圖3所示，用兩個獨立的突波鏈供給兩支天線；簡單舉例說明相同的架構兩次，對工程師而言非常簡單。這種特殊的圖示實際上有些複雜，許多系統都將MIMO和諸如射線形成之類的空間技術結合，如「零點操控」或SDMA。這種特殊的設計有八支天線，並架構設定成每個MIMO分支有四支，每個分支有個別的操控權重。
2x2 MIMO 對 8 支天線下行
圖3: MIMO下行傳輸系統,顯示二個獨立的突波鏈.此系統也包括波束成形功能,用於總共8支天線.
在接收器端訊號處理相當複雜：不只是因矩陣B更高的峰值資料傳輸率，同時也是因接收器用於分辨不同訊號所致的極高複雜度。
結論
空中介面不僅變得漸形複雜，更依賴更複雜的運算法方能將效能、效率及範圍予以最佳化。以FFT為基礎的OFDMA已成為下一代無線技術的標準，但諸如LTE之類的最新技術正試著改善這一點：使用如SC-FDMA之類的更複雜技術，以及對於彈性DFT技術無可避免的需求。
透過軟體可程式架構追求硬體導向折衷方案的優點及彈性，讓系統製造商能及早進入需要WiMAX和LTE等運算法則的市場，他們也因此得以比競爭者可更早將產品上市，而且還能確保和標準被定案時的相容性。的確，適當的架構能以一個通用平台實現完整範圍的標準（例如16d、16e及LTE─還有下一代的PHS或UMB），擴充此架構以支援MIMO也是相當簡單明瞭的。
本文將探討OFDMA 和MIMO 就軟體定義的(彈性) 架構，同時描述如何建置OFDMA 的核心DSP 演算法，以及LTE 針對上行線路所使用的創新變異，之後將探討針對WiMAX 及 LTE (全IP雖然很迷人，不過不在此討論範疇內)的 MIMO 之運用。
OFDM技術
OFDM使用大量緊密靠近的正交子載體，各自具備低符號速率的傳統解調線路（例如正交振幅調變，QAM），以使資料速率維持在和同樣頻寬下傳統單載體解調線路相同的速率。OFDMA是能讓多重使用者分享頻道的強化型式，藉由對其指定特別音調而達成此目的。
OFDM相對於單載體線路的主要優點，在於其因應嚴苛頻道條件的能力─例如很長的銅導線中高頻的衰減、窄頻干擾及因多重路徑－缺少複合等化過濾器－而造成的特定頻率變弱現象。頻道等化被簡化，是因為OFDM可用許多慢速解調的窄頻訊號觀察，而不是用快速解調的寬頻訊號。低符號速率能在訊號間使用防護間隔，使其有可能處理時間散布並消除符號間干擾(ISI)。
由於市場壓力往往驅使廠商推出符合早期標準版本的產品，因此他們必須具備只以簡單軟體更新方式，就能將產品升級至最終產品的彈性。更理想的是，有可能以通用的可程式平台支援不同模式或不同標準（例如同時支援LTE及WiMAX），如此得以有效率的在具有彈性的軟體引擎上實施硬體導向運算法則，高效能的picoChip PC102就是一個例子：藉由在運算法則內利用平行處理帶來的效能，結合及時上市和軟體開發環境的概念優點。
今日大多數的系統中，包括WiMAX和LTE下行線路，核心運算法則都是FFT（快速傅利葉轉換）；然而LTE的上行線路需要使用（更複雜的）離散傅利葉轉換（DFT）。
FFT只是離散傅利葉轉換（DFT）的一種有效率實施方式。對於N點DFT，直接實施會需要N2等級的複雜乘法及加法運算；但因為其是一個完美的範例，故能展示一個聰明的運算如何提供不可思議的效率利益；經典FFT只需N(log2N等級的運算。FFT的特性已有良好記載，而且可在本文的網路版中了解更多細節。
picoChip PC102是一項高效能的無線最佳化多核心DSP，整合超過300種個別處理器或陣列元件（AE），每一個都是傳統的16位元、含局部記憶體的哈佛式架構DSP。標準的（STAN2）AE型式包括乘法累計周邊，以及為CDMA分散及反分散最佳化的指令，記憶體則分為512位元組程式碼和256位元組資料。記憶體（MEM2）AE則具有乘法單元及額外的記憶體，而且可以設定程式碼和資料的記憶體分配。
表 1: 在picoArray上OFDMA所用的256點16+j16 FFT 的資源使用情形."FET的最大值受到可利用MEM型式AE的數目所限制.
picoArray程式型號能輕易組合管線結構，而且這也是用於實施FFT的方法。在PC102上256點FFT的效能總結詳見表1，裡面有展示256點FFT以10M取樣／秒至80M取樣／秒之間的複合取樣速率下所需的資源，以及在PC102上，以這些速率之一所能完成的最大FFT數目；這表示一個10M取樣／秒的FFT需要大約1.5%的資源。
圖 1: FET內的建構元素區塊;提供更高傳輸率DFT的平行式FET為LTE上傳所必需.
圖1b顯示結合「建構區塊」FFT的可能性，以得到更高的傳輸率─由此清楚可知平行架構很適合這一點。
和使用 OFDM（WiFi、16d、Flash OFDM）或OFDMA（WiMax 16e）的標準相比，LTE計畫採用的上行傳輸線路是一種新型態的SC-FDMA（單載體FDMA），也稱為DFT分散式OFDM。其勝過傳統EFDMA的優點，是因先天具備的單載體架構，而讓訊號有比較低的峰值至平均值的功率比（PAPR），這對上行傳輸而言特別重要，因為較低的PAPR在傳輸功率效率方面對行動傳輸連接介面有很大的優勢；正因如此，有人聲稱其提供了「兩者所長」：結合單載體的低PAPR和多重載體的可靠度，雖然要付出使數位處理複雜度更高的代價。
SC-FDMA上行傳輸的建置法如圖2所示，其中DFT在OFDM解調器的前面，這裡顯示出和標準OFDMA相較之下的額外步驟。
圖 2: SC-FDMA or DFT-spread OFDM.
眾所周知如果轉換的大小可以分解成很小的（質數）數目，就有可能有效率的實現DFT─質數越小，整個執行動作也就越簡單─傳統FFT使用單獨一個質因數2。
LTE裡DFT前置處理器的大小，視指定給特別使用者之上行資料傳輸的子頻道數目而定。
其中N是子載體的數目，在N <= 1320的情形下（針對20MHz的頻寬）a、 b和c都>=0。對於已知使用者，N的範圍可從12個聲調（a,b,c =0=1* 12，單一資源區間）到1296─全部共有35種不同的選擇─這些聲調接著會被一起解調並構成單一載體上傳訊號，然而只限於手持傳輸裝置：因為基地台接收器處理許多使用者，其中每一位都會從這些選擇裡選定一個，對於所有可能的訊框組態所容許的交換總數為531,783,569，如此的彈性顯然會讓接收iDFT複雜化。
用於展開iDFT的技術是「各個擊破」，原則和熟悉的FFT所用相同；但iDFT的長串清單無法展開成單獨的質數，而是每個都能展開到三段長度為2、3和5的短iDFT，這些就是iDFT「引擎」。在這種實施做法裡，有些iDFT已被展開成與其質因數不同的因數（如4、8和9），以便將管線階的最大數目減少到3，如此有助於降低延遲現象。
各階段的管線必須能實施全部35種可能的iDFT功能，還有動態重新設定組態並避免任何因不同長度iDFT在相同時間流過所造成的管線危險。最簡單的架構是記錄器 + 階段緩衝區對A、B和C都是相同功能區塊的例證，該區塊可實施全部6種iDFT引擎（若有算1點式iDFT則是7種，也就是通過時維持不變）。更理想的解決方案，是認知為只有一個階段需要實施9點式引擎，另一個要8點式引擎，而第三個則要4點式引擎，再加上2、3及5個引擎─因為任何iDFT長度需要絕不可超過一個9、8或4。
表 2: 在picoArrary上可延展的iDFT資源使用情形
有一項困難，是LTE是一種可變頻寬的系統（簡單而言，1.25MHz- 20MHz含兩種TDD/FDD選項）。表2顯示建置法隨不同的模式而改變。因為其彈性在於和FFT相較之下的代價
（請見表1），所以要注意此結構在建置這些組態設定時仍極具效率：即便對於20MHz+20MHz FDD（最差情形），所需的資源還是只有PC102的約10%。
MIMO
MIMO是一種在發射器和接收器使用多支天線的做法，這是為了改善通訊效能，而且具備所有4G系統的特點。其可顯著提升資料傳輸率及連線範圍，且不用額外的頻寬或傳輸功率，並結合更高的頻譜效率（每Hz頻寬下每秒更多位元）與連線可靠度或多樣性（減少衰減現象）。
在TX端有m支天線並且在RX端有n支，這就是一個m x n的MIMO，而且一次可處理頻道的數目就是所有組合的總數：舉例而言2×2 MIMO可以有4個「頻道」（1-1、1-2、2-1、2-2），並且效能可以是SISO系統之Shannon限制的兩倍。有4個「頻道」只能傳送2倍資訊，因為需要「解」頻道矩陣以便取出資訊。事實上，頻道並非完全獨立（有一些相關性存在），所以好處會降低。矛盾的是，MIMO在頻道少時更有價值（更多的多重路徑等），因為頻道較不相關─在自由空間裡4個頻道都很類似時，好處便會受限。
有幾種可以使用MIMO的不同形式。以WiMAX下行傳輸為例，就有兩種標準的MIMO模式：矩陣A，或STC（空間時間編碼）和矩陣B。STC會從兩支發射天線以兩種不同的形式發射相同的訊號，因此資料流量並不會比SISO增加；但因為兩種形式（s和-s*）不同，所以接收器有更好的機會能復原該資料，因而改善確實度和既定資料傳輸速率下的範圍。為了在下行傳輸實施這種做法，符號速率區塊不會受影響（送出一個符號），但現在則有兩個突波鏈提供兩支具備不同資料解調形式的天線。
相反的，矩陣B會發射兩種不同符號，以便得到兩倍的資料傳輸率，這種做法中具有兩個突波鏈（用於兩支天線），每個都對個別符號進行作業；實際上，符號傳輸率區段會設計成越快越好，然後交替輸出到兩個TX分支，而非複製符號，且事實上真實的系統會支援兩者，並依使用者選擇矩陣A或B：以更佳條件將資料更快傳送到此，並在通訊格邊緣使用STC替這些方式帶來好處。
這種方式與多種核心架構配合得很好。如圖3所示，用兩個獨立的突波鏈供給兩支天線；簡單舉例說明相同的架構兩次，對工程師而言非常簡單。這種特殊的圖示實際上有些複雜，許多系統都將MIMO和諸如射線形成之類的空間技術結合，如「零點操控」或SDMA。這種特殊的設計有八支天線，並架構設定成每個MIMO分支有四支，每個分支有個別的操控權重。
2x2 MIMO 對 8 支天線下行
圖3: MIMO下行傳輸系統,顯示二個獨立的突波鏈.此系統也包括波束成形功能,用於總共8支天線.
在接收器端訊號處理相當複雜：不只是因矩陣B更高的峰值資料傳輸率，同時也是因接收器用於分辨不同訊號所致的極高複雜度。
結論
空中介面不僅變得漸形複雜，更依賴更複雜的運算法方能將效能、效率及範圍予以最佳化。以FFT為基礎的OFDMA已成為下一代無線技術的標準，但諸如LTE之類的最新技術正試著改善這一點：使用如SC-FDMA之類的更複雜技術，以及對於彈性DFT技術無可避免的需求。
透過軟體可程式架構追求硬體導向折衷方案的優點及彈性，讓系統製造商能及早進入需要WiMAX和LTE等運算法則的市場，他們也因此得以比競爭者可更早將產品上市，而且還能確保和標準被定案時的相容性。的確，適當的架構能以一個通用平台實現完整範圍的標準（例如16d、16e及LTE─還有下一代的PHS或UMB），擴充此架構以支援MIMO也是相當簡單明瞭的。
