CDMA trở thành chuẩn ĐTDĐ toàn cầu như thế nào (phần I)

CDMA (code-division multiple access) là một dạng công nghệ phổ rộng, phát ra tín hiệu radio qua một nhóm tần số, khác với cách thông thường là truyền qua một tần số đơn được xác định rõ ràng.

Những hình thức đầu tiên của công nghệ này bắt đầu từ năm 1948 khi Claude Shannon, một nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bell (Mỹ), công bố cuốn “Lý thuyết toán học của công nghệ máy tính” đề cập đến nền tảng toán học của tin học hiện đại và công nghệ liên lạc.

Trong nhiều vấn đề được bàn đến, ông trình bày về giới hạn lý thuyết của đường truyền dữ liệu qua một kênh ồn. Qua thử nghiệm, Shannon đã phát hiện ra rằng khi kết hợp một thông điệp với một dãy số 1 và 0 bất kỳ sẽ tạo ra tín hiệu phổ rộng giống như tiếng ồn ngẫu nhiên. Sau đó, một thiết bị nhận tín hiệu đồng bộ sẽ thu hẹp lại tín hiệu này và cho ra nội dung thông điệp gốc. Tuy nhiên, khi gửi tới các bộ nhận khác, sẽ không thể phân biệt được tín hiệu này với tiếng ồn nền. Do đó, một số đường truyền tương tự sẽ phải hoạt động trên cùng một dải phổ. Giới hạn của đường truyền sẽ đạt được khi tổng mức tiếng ồn nền do cả nhóm đường truyền kia tạo ra quá cao cho một kênh liên lạc ổn định.

Khi Shannon đưa ra ý tưởng này, nó vẫn hoàn toàn chỉ mang tính lý thuyết. Vào thời điểm đó, phần cứng cần thiết để xây dựng một hệ thống như vậy cũng chưa có. Do đó, phát hiện của Shannon dường như không có khả năng ứng dụng thực tiễn. Hơn nữa, cũng vào thời điểm ấy, còn nhiều phương pháp đơn giản hơn trong việc chia nhỏ dải phổ radio giữa nhiều người sử dụng. Tuy nhiên, đến những năm 80, khi điện thoại di động theo công nghệ mô phỏng (analog) bắt đầu trở nên phổ biến, dải phổ giới hạn cho điện thoại không dây trở nên dễ nghẽn tắc. Trong khi đó, chi phí máy tính ngày càng giảm. Mặc dù vẫn còn ít người ý thức được ứng dụng từ nghiên cứu của Shannon, nhưng kế hoạch này bắt đầu cho thấy rõ tính khả thi.

Năm 1985, Irwin Jacobs, chuyên gia viễn thông, đã nghĩ đến một công nghệ mới cho những chiếc điện thoại di động. Lúc đó, công ty Qualcomm mới thành lập của ông đang thẩm định bản thiết kế một hệ thống điện thoại di động sử dụng vệ tinh cho công ty công nghệ vũ trụ Hughes. Ý tưởng đưa ra chỉ là mỗi chiếc điện thoại giao tiếp với trạm trung gian (ở đây là vệ tinh) trên tần số radio riêng. Nhưng tiến sĩ Jacobs thấy việc này không hiệu quả. Thường xuyên trong suốt cuộc điện đàm, tại một thời điểm nhất định chỉ có một người nói, vậy nên không cần phải truyền bất cứ tín hiệu gì theo chiều ngược lại. Việc bỏ một kênh radio thừa đi sẽ làm tăng dung lượng đáng kể. Thế nhưng bố trí một hệ phân định linh hoạt và tái phối hợp các kênh, cụ thể đối với các quãng ngắt chừng vài giây với những hệ thống sử dụng vệ tinh, lại là điều không khả thi.

Một kỹ sư khác của Qualcomm, Klein Gilhousen, cho rằng cách xử lý dải tần rộng có một điểm lợi nữa. Trong mạng di động, những ô kế tiếp không thể dùng cùng các tần số radio để liên lạc với các máy cầm tay, vì nếu vậy, nhiễu sẽ tạo ra các vùng chồng sóng. Cách giải quyết ở đây là dùng mô hình khảm (mosaic), sao cho một ô nhất định chỉ dùng một vài tần số mà những tần số này không được dùng ở các ô gần đó. Với dải tần rộng, máy cầm tay và trạm trung gian không truyền phát trên cùng các tần số cụ thể mà qua nhiều tần số, và tín hiệu truyền của mỗi máy với những máy khác chỉ như tiếng ồn. Điều này có nghĩa là toàn bộ dải tần có thể được các ô liền kề sử dụng lại để góp phần làm tăng dung lượng.

Qualcomm và Hughes cùng xây dựng mô hình mô phỏng để thử nghiệm ý tưởng này, tuy nhiên kế hoạch phát triển điện thoại vệ tinh đã bị bỏ dở. Vì vậy, thay vào đó, năm 1988, Jacobs quyết định áp dụng nó vào điện thoại di động toàn cầu. Lúc ấy ngành công nghiệp này còn đang tranh cãi gay gắt về việc thay thế công nghệ mô phỏng bằng công nghệ số hóa thế hệ hai. Rõ ràng là hệ thống số hóa hiệu quả hơn và phục vụ nhiều người sử dụng hơn. Tuy nhiên, ở đây lại có hai phương pháp tiếp cận.

Một là FDMA (frequency-division multiple access), tương tự như công nghệ mô phỏng cũ ở khía cạnh: mỗi máy cầm tay trong một ô nhất định sẽ hoạt động trên tần số riêng. Nhưng những cải tiến do việc mã hóa số đem lại đồng nghĩa với việc ba kênh số hóa có thể được nhét vào mỗi kênh mô phỏng, tăng số tần số lên gấp ba và do vậy lượng người sử dụng được hỗ trợ cũng tăng tỷ lệ thuận. Phương pháp thứ hai là TDMA (time-division multiple access), sẽ đưa nhiều người sử dụng vào mỗi tần số bằng cách cho máy cầm tay của họ lần lượt truyền và nhận - nguyên tắc này gọi là “cắt nhỏ thời gian”. Ở Mỹ, công nghệ TDMA đã được lựa chọn sử dụng và công nghệ tương tự tên là GSM được áp dụng trên toàn châu Âu.

Robert Padovani, Giám đốc công nghệ của Qualcomm, giải thích sự khác biệt giữa hai công nghệ này bằng cách đưa ra ví dụ về một cuộc hội thoại ở dạ tiệc. FDMA là một bữa tiệc mà ở đó tất cả mọi người cùng trò chuyện, nhưng mỗi đôi có âm vực riêng, từ cực trầm đến cao lanh lảnh. Còn TDMA tương tự như một hệ thống phân công sao cho những người dự tiệc lần lượt lên tiếng. Và việc tất cả mọi người cùng nói, chỉ có điều bằng các ngôn ngữ khác nhau (sao cho người tham gia hội thoại này không hiểu được các cuộc hội thoại khác), sẽ tương tự công nghệ dải tần rộng mà giờ đây được đặt tên là CDMA.

Còn tiếp

Phan Khương (theo Economist)