各種頻率的有效利用技術大致可分為兩大類，一類是提高無線電電波的頻譜率利用率，使每個信道所占用的頻譜盡可能的減少，如采用高效調制技術，或者采用擴頻技術等來達到實際占用的頻譜較少。另一類是提高無線電信道的利用率，在服務等級（GOS）一定、給定信道間隔條件下，就統計而言，使每一個信道所能容納的用戶數為最大，或者說能承載和完成的話務量為最大，或者說使信道空閑的時間最小。關于有效利用頻率的各種技術詳見下表0，基本上分為兩大類（頻譜和信道的有效利用）、五種方式、十多種技術。

表0：有效利用頻率的各種技術

下面就提高無線電電波的頻譜率利用率介紹三種技術。未來無線高速數據傳輸不能一味僅靠頻譜的擴展，還應在提高頻譜效率上有所突破，頻譜效率至少應高于目前一個數量級。可在物理層采用3項技術，即正交頻分復用(OFDM)、超寬帶(UWB)和空時調制編碼。

1、正交頻分復用

擴頻通信可認為是單載頻傳輸，而正交頻分復用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是多載頻傳輸的特殊形式。OFDM把高速串行數據流并行分配在多路低速子載頻上。目前，OFDM成為高速寬帶無線通信的優選方案的原因主要是因為下表所示的5個方面。

表1：OFDM成為高速寬帶無線通信的優選方案的主要原因

20世紀60年代OFDM的多路數據傳輸已被成功地用于高頻軍事通信系統。相繼，OFDM技術已被廣泛應用于1.6 Mb/s高比特率數字用戶線(HDSL)、6 Mb/s不對稱數字用戶線(ADSL)、100 Mb/s甚高速數字用戶線(VDSL)、數字音頻廣播和數字視頻廣播等方面。后來，OFDM又被用于54 Mb/s無線局域網標準IEEE 802.11a和IEEE 802.11g、高性能局域網標準HiperLAN/2、歐洲寬帶無線接入網ETSI-BRAN、IEEE 802.16 MAN和集成業務數字廣播(ISDB-T)標準中。編碼OFDM(COFDM)被美國聯邦通信委員會(FCC)接受為數字電視(DTV)陸地廣播標準，在6 MHz信道上將以19.3 Mb/s的MPEG格式分組傳輸，并進行數字格狀編碼。

與單載頻調制制式相比，OFDM如成為4G寬帶多媒體無線通信系統的調制制式，需要解決其存在的一些缺點，如：相對大的峰均功率比(PAPR)降低射頻(RF)放大器的效率；多載頻系統對頻率位移和相位噪聲敏感，收發雙方間的頻率抖動和多普勒頻移會引起互載頻干擾(ICI)，降低系統性能。上述缺點限制了OFDM的應用，1996年歐洲通信標準化組織(ETSI)曾把OFDM引入HiperLAN/1標準，最近又將其從標準中刪除。

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2、超寬帶

超寬帶(UWB，Ultra-Wideband)也可稱為脈沖無線電。UWB采用寬度在納秒級的快速上升和下降脈沖進行調制，脈沖覆蓋的頻譜從直流至吉赫茲，不須常規窄帶調制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發射。圖2所示為UWB雙態高斯脈沖和頻譜圖。

圖2：UWB雙態高斯脈沖和頻譜

UWB雙態高斯脈沖峰與峰(Tp-p)之間的時間間隔在10~100 ps之間。頻譜形狀可通過甚窄持續單脈沖形狀和天線負載特征來調整。UWB信號在時間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當低，RF可同時發射多個UWB信號。UWB信號類似于基帶信號，可采用開關鍵控(OOK)對映脈沖鍵控、脈沖振幅調制或脈位調制。

基于UWB的超寬頻譜，FCC在2002年宣布UWB可用于精確測距、金屬探測、新一代WLAN和無線通信。為保護GPS、導航和軍事通信頻段，UWB被限制在3.1~10.6 GHz頻段和低于41 dB的發射功率。

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3、空時調制編碼

目前，在許可頻段上已不能滿足無線數據業務增長的需求，頻譜資源緊缺，必須增加通信容量來滿足需求。增加通信容量的方案有：

●以增加基站站數的代價把小區分隔成微小區。

●利用天線開發空時調制編碼處理。

●采用多輸入多輸出(MIMO)天線結構。

后兩種方案相比第1種小區分隔方案，可以較低代價明顯地改進頻譜利用率，提高系統容量和覆蓋面積。多徑衰落信道影響無線鏈路傳輸的可靠性，對從時域、頻域、空域和極化域獲得的信號進行分集是解決多徑衰落的有效方法。移動通信的分集往往注重對從移動終端到基站的上行鏈路進行分集，隨著2.4 GHz和5 GHz等更高頻段的開發，天線陣列單元間隔要求不像以前那樣嚴格，不會明顯影響移動終端尺寸，可把分集的壓力部分轉移至發射機上。3GPP和3GPP2確定了基站和移動終端的發射分集，來提高下行鏈路的數據傳輸率。

開環發射分集的空時分組碼(STBC，Space-Time Block Code)使數據在時間上擴展以提供時間分集，使收發信機采用多天線提供空間分集，利用分集增益和編碼增益共同改進頻譜利用率。STBC中合成信號送至最大似然檢測器，其效果等效于單發射天線雙接收天線最大比接收的組合結構(MRRC)。開環發射分集的另一形式為時延分集，發射符號在時延遞增下均等地分配給各天線，接收機的均衡器利用訓練序列抵消信道失真，采用多時延組合接收分集結構。

閉環發射分集的接收機需要把反饋信息提供給發射機，并選擇最佳信號或復制信號來抵消即時信道失真。閉環發射分集優于開環發射分集，一般用于移動終端。

收發雙方應用多天線的MIMO也能滿足高速無線數據業務要求。收發雙方的空間分集將是下一代高容量無線通信系統采用技術之一。貝爾實驗室的分層次空時(BLAST)又稱為對角BLAST(D-BLAST)，為MIMO抗多徑干擾的一種形式。DBLAST容量的增加為收發雙方最小天線數的函數，與時延分集一樣，不須信道編碼。利用多發射天線和多接收天線，所構成的跨時域和空域的擴展信號可以抵抗多徑干擾。圖2為BLAST收發信機原理框圖。

圖3：BLAST收發信機原理框圖

為降低BLAST結構的復雜性，收發信機采用遞推“分離和抵消”算法。BLAST的研究方向集中在優化訓練序列、檢測算法以及BLAST與編碼的組合上。而垂直BLAST(V-BLAST)天線之間沒有碼循環現象，接收機的分離和抵消算法為選擇最佳信噪比(SNR)線性加權接收信號的遞推算法。這就大大簡化了接收處理，使V-BLAST成為下一代移動和室內通信的備選方案。許多未來無線系統計劃采用空時處理技術，例如IEEE 802.16.3寬帶固定無線接入標準的物理層把空時碼作為內碼，RS碼作為外碼；歐洲WIND-FLEX項目研究空時處理用于室內64~100 Mb/s的無線自適應MODEM。數據速率20 Mb/s、帶寬效率提高20%的空時碼是4G重要技術之一。

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