有一場如火如荼的比賽現在正在進行中，那就是下一代的寬頻行動無線通訊。第一個到達終點線的，或者只要能到達終點的，報酬將是非常可觀的，但是唯一的問題是終點線一直持續向前移動，第四代的系統一直都未拍板定案。事實上，全球頻譜的分配恐怕要到2007年，而且規範也必須要等到那一年之後才能完成。然而，全球有許多團隊或組織已經投入非常多的時間、金錢與精力在這上面，以確保能在這場比賽佔據領先地位。
每一個路跑比賽必須要有三個基本的要素：跑道、跟隨的汽車與選手。全球努力發展第四代系統與裝置可以視為一場比賽，跑道就好像標準規範，文中第一個主題為第四代系統的規範發展，介紹從ITU到各個國家區域標準發展組織(Standards Development Organizations， SDOs)。第二個主題為提及參與的企業、大學實驗室等的技術研究，而一些主要的新技術，更對這一場比賽加上了催化劑。
如果問十個人：「甚麼是第四代行動通訊？」，你將會得到十種不同的答案。更重要的問題是：「要如何達成？」，由聯合國特許設立提供健康與人身安全的顧問組織ITU，負責有關無線電工業在對應國家的相關法規。
ITU下分設三個主要部門，每一個部門再分成好幾個研究團體，完成主要技術工作的規範，正式的流程根據ITU指導方針來研擬，研究團體著重特別的技術問題，作更進一步的研究，一旦議題被充分的研究且決定使用，研究團體會提交一個正式建議，便可由ITU外部組織使用，如SDOs及一些聯合政府。ITU內有兩個團體，專門從事制定下一代的行動通訊：
‧Working Party 8F(WP8F) in section ITU-R
‧Special Study Group(SSG)「IMT 2000 and Beyond」 in section ITU-T
WP8F主要專注整體4G方面的無線系統，如無線介面、無線存取網絡(radio access networks， RANs)、頻譜問題、服務、流量特性及市場評估。SSG 「IMT 2000 and Beyond」主要負責未來無線系統網絡及有線部份，包含無線網際網路、行動台與固網的流動管理(mobility management)、網絡間之聯繫，以及彼此間的互通性。
WP8F主要的提議是ITU-R M.1645，包含了所有未來無線通訊發展目標，下列簡述WP8F在提議中主要的重點：
‧4G系統的架構，將融合現有蜂巢行動系統的移動無線存取系統與個人無線區域網路，在無縫的架構下傳送給使用者。
‧在2010年之前，手機應用可達100 Mbps的資料傳輸速率，而一般移動應用則可達到1Gbps的傳輸速率。
‧全球有共同且開放的頻譜，將尋求全球的標準化。
一旦提案達成決議，將要花更多的努力去實現，這些工作由好幾個團隊來完成，包含SDOs、工業論壇及獨立企業設計下一代網路與裝置。就好像跑步選手的加油站，提供選手達成最佳狀態，在這些組織內工作的工程師，幫助技術演進朝向無線寬頻最後目標。
一些主要的SDOs是非營利的區域或政治體，如歐洲的ETSI(European Telecommunications Standards Institute)、中國的CCSA、韓國的TTA(Telecommunications Technology Asso-ciation)；而3GPP(3rd Generation Partnership Project)與3GPP2則是以工業為SDOs的例子。SDOs之間相互合作已達成最高的效率與之間的互通性。
2001年初，Alcatel、Ericsson、Motorola、Nokia及Siemens成立了無線世界研究論壇(Wireless World Research Forum， WWRF) ，論壇的主旨在規劃未來七到十二年內，無線領域研究的方向、策略，草擬蓬勃發展的技術主題，如ad-hoc網路、UWB、smart antennas等的白皮書。
在2003年，WWRF宣布與另一主要工業論壇「Japan’s mobile IT論壇」聯合討論共同目標，任務分成2個小組委員會：系統小組委員會，與外部組織釐清4G的規格技術發展水平；應用小組委員會，研究願景與使用機會來幫助設計一個具有市場發展的應用。
接下來要提及的是有哪些科技技術，可以讓行動電話進入到寬頻的第四代通訊系統？由於電磁波是有限的資源，今天大部分的研究是嘗試找出一些方法能讓頻譜使用更有效率。三個主要的技術可增加下一代無線寬頻的系統容量(使用者持續增加)、資料傳輸速率(增加服務的項目以增加利潤)與無縫的互通性(增加使用者接受度與容易去使用)。
多重輸入、多重輸出(MIMO，Multiple Input Multi-ple Output)最主要的應用點是增加系統容量。單一天線的無線系統容量遵守Shannon理論，以式子表示之：C = log2(1+SNR)。
由上式得知，系統容量的增加是以訊號雜訊比(SNR)取log值後的結果，因此想要靠訊號雜訊比來增加系統容量，是需要花更多的研究。另外一方面， MIMO系統以天線的發射與接受對的數量，線性地增加系統的容量(圖1)，而MIMO可以用好幾種方式來實現，其中一種利用發射與接收的差異 (Diversity)來增加訊號接收可靠性與範圍的延伸。另外一種是將資料編碼後分送給兩平行的通道，透過兩個天線發射。大部分的系統比較可能會採取兩種方式的合併。
MIMO是智慧型天線的一種，一般來說，智慧型天線系統是將多重的天線與強大的訊號處理結合，將輻射訊號及接收波形加以調整優化，一些智慧型天線的研究包括空間處理(Spatial Processing)、相位陣列(Phased Arrays)、適應性陣列(Adaptive Arrays)、數位波束(Digital Beam Forming)。
而智慧型天線所要達到的目的是要增加服務品質(Quality of Service，QoS)與涵蓋範圍，但也會相對增加網路端建設與使用者端的成本，必須同時去做考量。
由於能夠抵抗多重路徑衰落以及能支援高速資料傳輸，正交分頻多重進接技術(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)為主要的4G空中介面的技術選擇。基本的正交分頻多重進接技術的想法是以多重低速率的載波取代單一高速率的載波(圖 2)，且要消除每一載波間符號交互干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)的問題，而當載波數增加或每一載波所使用較高階的調變(如16QAM、64QAM)，都可增加資料的傳輸速率。有許多主要的無線產品的供應商投資更進階的正交分頻多重進接技術發展，根據最近的新聞稿，Motorola實驗室宣布在汽車移動的狀態下，成功地同時使用 MIMO與OFDM技術，並可維持20Mbps的資料傳輸速率。此外OFDM也被新興科技IEEE 802.15.3a(UWB)與IEEE 802.16(WiMax)所採用。
4G的願景是一個無縫的通訊環境，可以讓不同系統或不同的供應商彼此相通。舊有的無線網路是讓語音、資料與影像資訊，僅在相同的系統之間移動，缺乏彈性，這也促使軟體定義無線電波。許多之前通訊功能是藉由獨立的硬體實現，現在則可由軟體來達成，藉由無線電波下載規格軟體及重新撰寫，便可達成實際上想要使用的傳輸或調變格式，這使得裝置不僅在不同的網路及存取系統工作，也可以實現對多個不同功能同時運作。有關這部分的研究主要集中於ITU WP8F in Question ITU-R 230-1/8，也有一些國際性的非營利論壇幫助加速這部分的研究發展以及推廣SDR技術。
讓根深蒂固的行動通訊供應商與主要無線裝置的製造商升級到4G的最可能方式，是讓現有2G與3G系統進展至更先進的傳播方式(圖3)。如3.5代科技， cdma2000的1xEV-DO(1x Evolution- Data Only)或W-CDMA的HSDPA(High Speed Dolink Packet Access)，可以將傳輸速率提升3至5倍，日本的NTT DoCoMo已經宣佈將計劃發展3.9代的技術，今年七月，日本無線一位資深研發經理說明，如何將3.9代介於HSDPA的10 Mbps傳輸速率與4G的100 Mbps傳輸速率之間的差距縮短(http:// www.itmedia.co.jp)。想像在2010年之前，這個「超級」3G的科技將會使用與W-CDMA相同的頻譜，但將使用IP網路架構以及 Orthogonal Frequency Code Division Multiplexing(OFCDM)來達到30Mbps的傳輸速率，到了第四代行動通訊，則可能將頻寬提升至100MHz，且使用可變展碼 (Variable Spread Factor)的OFCDM。
另一不同的升級策略是保有現有的固網及移動式無線存取供應商，以美國為主的工業SDO，IEEE，領導發展無線標準規範，分成不同的領域：802.15為 WPAN(wireless personal area network)、802.11為WLAN(wireless local area network)及and802.16為WMAN(wireless metropolitan area network)。其中有一些技術的高速傳輸能力，也可能會被應用於4G：
‧802.15.3a (Ultra Wideband， UWB)， 短距離傳輸，傳輸速率可達480 Mbps。
‧802.11n (MIMO WLAN) ，中距離傳輸，傳輸速率可達100 Mbps。
‧802.16-2004 (WiMAX)，長距離傳輸，傳輸速率可達75 Mbps。
在這些系統要達成第四代行動通訊的過程中，行動台移動時所衍生的問題，包含換手(Handover)、功率控制(Power Control)、多重路徑(Multi-paths)、衰落(Fading)、都卜勒頻移(Doppler Shifting)等，都是這些技術在訊令以及訊號處理方面，需要克服的重大障礙。
現今有兩個大有可為的技術(表1)，著重在移動的問題處理。全球第一個是802.16e，為WiMAX標準的延伸。Samsung Electronics正在發展類似802.16e專有技術，稱為WiBro(Wireless Broadband)，可與網路供應商SK Telecom接續，且韓國政府也資助ETRI組織。另一技術為802.20，主要為支援DSL的傳輸速度與可達火車的移動速度，與802.16e同是標準規格，但仍沒有被定義完成，不過已有一些企業支持802.20，如 Flarion Technologies與T-Mobile。系統的架構包含有實體層(Physical Layer)及媒體存取控制層(Medium Access Control Layer，MAC)，上一層為邏輯連接控制(Logical Link Control Layer，LLC)，以IP為基礎的第三層或交換層(Switching Layer)，如點對點協定(Point-to-point Protocol，PPP)或多重協定符號交換(Multi Protocol Label Switching，MPLS)。
這些使行動台或細胞網路提供寬頻網路的過渡技術，依舊沒有符合ITU所要求的第四代行動通訊傳輸速率，但是持續地在這些領域進行研究正是為4G的未來鋪路，也確定能平順地從3G升級，也幫助下一代的數據網路與裝置的技術需求。這些技術的需求已在本文中提及，包含要支援多重空中介面、多重使用者介面與重新設定的能力。
一個趨勢顯示說整合類比前級將依舊不變，大部分下一代軟體定義終端將會整合成單一綜合系統晶片(System On a Chip，SOC)，或系統於封裝(System in a Package，SiP)，將會整合功率放大器、濾波器、天線以及其他元件，而數位訊號處理將會被使用於補償前類比電路所產生的訊號失真，為驗證複雜的系統測試工具提供最好的射頻訊號模擬、數位系統的模型以及硬體驗證。
由於4G的標準並未定義清楚，要有正確測試工具就非常困難，畢竟，無法知道這麼多的新興技術，哪個會脫穎而出成為主流？投入在彈性的與可調整的測試平台可以涵蓋大部分格式，符合頻率範圍與頻寬需求，且要著重快速反應新技術的能力。就系統設計來說，可以由EDA解決方案模擬整個無線電收發，從數位訊號處理到射頻電路，提供彈性的電晶體精準設計與有效率的模型模擬，也對現今技術如UWB及W-CDMA提供有助的標準設計查詢系統，方便系統整合及驗證。另一方面著重硬體接收機設計，可藉由模擬軟體產生複雜基頻波形下載至訊號產生器，送至待測物進行接收機測試。對進一步的發射機設計，特別是使用智慧型天線，其訊號分析儀便須具備多重同調量測通道、必須對時間與頻率作校正。
工程師與研究學者想像發展下一代行動台寬頻無線裝置，需要創新的測試工具來測試虛擬的裝置或是實驗室裡的實際硬體裝置，或者是在這兩者之間反覆測試修正也會加速讓這場科技大賽早日抵達終點。這場4G的競賽雖然路途遙遠，但愈早熟悉比賽內容，也就愈增加贏的機會。