Viễn thông là ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ nghiên cứu, phát triển các giải pháp truyền dẫn, thu nhận và xử lý tín hiệu mang thông tin qua những khoảng cách địa lý bằng phương tiện điện từ, quang học hoặc sóng vô tuyến. Theo quy định tại khoản 1 Điều 3 Luật Viễn thông năm 2023 của Việt Nam, viễn thông là việc gửi, truyền, nhận và xử lý ký hiệu, tín hiệu, số liệu, chữ viết, hình ảnh, âm thanh hoặc các dạng thông tin khác giữa các điểm bằng mạng viễn thông. Bài viết trình bày hệ thống cơ sở lý thuyết thông tin, mô hình kiến trúc phân tầng, các môi trường truyền dẫn chủ đạo cùng xu hướng chuyển dịch công nghệ trong kỷ nguyên số.
Cơ sở lý thuyết thông tin và giới hạn dung lượng kênh truyền
Nền tảng toán học của ngành viễn thông hiện đại được xác lập vững chắc bởi nhà toán học Claude Shannon trong công trình kinh điển công bố năm 1948. Trước thời điểm này, kỹ thuật truyền thông chủ yếu dựa trên các tiếp cận trực giác nhằm khuếch đại biên độ tín hiệu để chống lại suy hao và nhiễu loạn trên đường truyền.
Shannon đã đưa ra khái niệm định lượng về thông tin dựa trên hàm entropy xác suất và chứng minh rằng mỗi kênh truyền vật lý có một giới hạn truyền tin tối đa không thể vượt qua, được gọi là dung lượng kênh. Đối với một kênh truyền liên tục bị ảnh hưởng bởi nhiễu Gauss trắng cộng, định lý dung lượng kênh Shannon được biểu diễn qua công thức toán học:
Trong biểu thức giải tích trên, đại diện cho dung lượng kênh truyền cực đại đo bằng đơn vị bit trên giây, là độ rộng băng thông hữu dụng của kênh truyền tính bằng đơn vị Hertz, và tỷ số biểu diễn tương quan công suất giữa tín hiệu hữu ích và tạp âm nhiễu nền trên dải thông công tác. Cần lưu ý rằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong công thức Shannon phải được tính toán theo giá trị tỷ lệ công suất ở thang đo tuyến tính, không sử dụng trực tiếp thang đo lôgarit decibel. Định lý này đặt ra quy luật cơ bản: để gia tăng tốc độ truyền tải thông tin, các kỹ sư viễn thông buộc phải mở rộng dải tần số công tác hoặc cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến.
Kiến trúc hệ thống và mô hình phân tầng
Một hệ thống viễn thông tổng thể luôn được cấu trúc dựa trên ba khối chức năng cơ bản, tạo thành chuỗi liên kết hoàn chỉnh từ nơi phát sinh đến nơi tiếp nhận thông tin:
- Nguồn phát và thiết bị phát: Tiếp nhận thông điệp ban đầu dưới dạng tiếng nói, dữ liệu số hoặc hình ảnh; thực hiện các khâu mã hoá nguồn nhằm nén giảm dư thừa, mã hoá kênh để thêm mã sửa sai kiểm soát lỗi, và điều chế tín hiệu lên các dải tần số sóng mang thích hợp.
- Kênh truyền dẫn vật lý: Là môi trường không gian tự nhiên hoặc đường dây dẫn hướng kết nối giữa đầu phát và đầu thu. Kênh truyền luôn gây ra hiện tượng suy hao công suất, biến dạng pha, méo biên độ và pha trộn các nguồn tạp âm ngẫu nhiên.
- Thiết bị thu và đích nhận: Thực hiện các quá trình ngược lại gồm khuếch đại tín hiệu suy yếu, giải điều chế tách sóng mang, giải mã kênh để phát hiện và sửa các bit lỗi sinh ra trong quá trình truyền dẫn, cuối cùng là giải mã nguồn để tái tạo thông tin ban đầu chuyển giao tới người dùng.
Để đảm bảo khả năng tương thích và liên vận hành giữa các thiết bị do nhiều nhà sản xuất khác nhau chế tạo trên toàn cầu, Tổ chức Tiêu chuẩn hoá Quốc tế đã ban hành mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở (Open Systems Interconnection, OSI) gồm bảy tầng chức năng: tầng vật lý, tầng liên kết dữ liệu, tầng mạng, tầng giao vận, tầng phiên, tầng trình bày và tầng ứng dụng. Mỗi tầng đảm nhận một tập hợp chức năng xác định và tương tác với tầng liền kề qua các giao diện chuẩn hoá.
Các môi trường truyền dẫn vật lý chủ đạo
Tùy thuộc vào đặc tính khoảng cách, băng thông yêu cầu và điều kiện địa hình triển khai, các hệ thống viễn thông hiện đại khai thác nhiều loại môi trường truyền dẫn với các ưu nhược điểm kỹ thuật riêng biệt:
| Môi trường truyền dẫn | Bản chất vật lý và cơ chế | Ưu điểm kỹ thuật | Thách thức và hạn chế |
|---|---|---|---|
| Cáp sợi quang | Sử dụng sợi thuỷ tinh siêu tinh khiết để dẫn truyền các xung ánh sáng dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần nội tại. | Băng thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, hoàn toàn miễn nhiễm với can nhiễu điện từ trường. | Chi phí lắp đặt ban đầu cao, đòi hỏi kỹ thuật hàn nối chính xác và trang thiết bị chuyên dụng đắt tiền. |
| Sóng vô tuyến không gian | Bức xạ sóng điện từ lan truyền tự do trong bầu khí quyển qua hệ thống ăng-ten phát và thu. | Tính linh hoạt cao, cung cấp khả năng di động tuyệt đối cho người dùng, triển khai nhanh trên diện rộng. | Tài nguyên phổ tần số vô tuyến hữu hạn, tín hiệu chịu ảnh hưởng nặng nề bởi thời tiết và tán xạ vật cản. |
| Cáp đồng kim loại | Dẫn truyền các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện xoay chiều qua các cặp dây xoắn đôi hoặc cáp đồng trục. | Chi phí sản xuất và thi công thấp, hạ tầng lâu đời sẵn có tại các khu dân cư truyền thống. | Băng thông truyền dẫn hạn chế, độ suy hao tăng nhanh theo khoảng cách và tần số công tác, dễ bị can nhiễu. |
Đặc thù truyền sóng vô tuyến và hiện tượng fading
Trong các hệ thống thông tin không dây, kênh truyền sóng vô tuyến là môi trường biến đổi phức tạp theo thời gian và không gian. Theo phân tích chuyên sâu của học giả Goldsmith trong giáo trình xuất bản năm 2005, sóng điện từ truyền từ trạm phát đến trạm thu trải qua các hiện tượng vật lý đa dạng bao gồm phản xạ từ các bề mặt toà nhà, nhiễu xạ qua các góc cạnh chướng ngại vật, và tán xạ từ các vật thể nhỏ rải rác trong môi trường.
Sự kết hợp của nhiều đường truyền sóng khác nhau với các độ trễ và góc tới lệch nhau tạo nên hiện tượng fading đa đường. Hiện tượng này gây ra sự thăng giáng ngẫu nhiên của biên độ và pha tín hiệu tại máy thu, dẫn đến những thời điểm tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng làm mất dữ liệu. Để khắc phục hiện tượng này, các kỹ sư viễn thông ứng dụng kỹ thuật phân tập không gian, phân tập thời gian, phân tập tần số kết hợp công nghệ đa ăng-ten thu phát đa đầu vào đa đầu ra (multiple-input multiple-output, MIMO) nhằm tổng hợp năng lượng và ổn định chất lượng kết nối.
Kỹ thuật điều chế và ghép kênh nâng cao
Để truyền tải hiệu quả các luồng dữ liệu số qua các kênh truyền vật lý có băng thông hữu hạn, kỹ thuật điều chế đóng vai trò then chốt trong việc ánh xạ các chuỗi bit nhị phân thành các dạng sóng tín hiệu liên tục. Các phương thức điều chế biên độ trực giao nhiều mức (quadrature amplitude modulation, QAM) kết hợp điều biến cả biên độ lẫn góc pha của sóng mang, cho phép truyền nhiều bit thông tin trên mỗi chu kỳ ký hiệu.
Song song với điều chế, công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM) là giải pháp đột phá giải quyết triệt để bài toán tán xạ trễ trong môi trường băng rộng. Bằng cách chia dải băng thông rộng thành nhiều sóng mang phụ hẹp trực giao với nhau, kỹ thuật này biến một kênh truyền fading chọn lọc tần số phức tạp thành tập hợp các kênh truyền fading phẳng đơn giản hơn rất nhiều, triệt tiêu hiệu quả hiện tượng can nhiễu giữa các ký hiệu liền kề.
Xu hướng tiến hoá mạng di động và chuẩn hoá quốc tế
Lịch sử viễn thông di động ghi nhận sự chuyển dịch công nghệ theo chu kỳ qua các thế hệ mạng nối tiếp nhau, từ thông tin thoại tương tự sơ khai đến các mạng truyền dữ liệu gói tốc độ siêu cao. Dự án nghiên cứu METIS công bố trên tạp chí chuyên ngành của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử năm 2014 đã vạch ra định hướng nền tảng cho mạng di động thế hệ thứ năm, xác định mục tiêu đột phá nhằm đáp ứng lưu lượng dữ liệu di động trên một đơn vị diện tích tăng gấp 1000 lần trong bối cảnh các thiết bị thông minh bùng nổ.
Tiếp nối các nghiên cứu nền tảng đó, Liên minh Viễn thông Quốc tế trong Khuyến nghị M.2083 ban hành năm 2015 đã chính thức chuẩn hoá khung phát triển hệ thống di động thế hệ mới với ba nhóm kịch bản sử dụng cốt lõi: truyền thông băng rộng di động nâng cao nhằm cung cấp tốc độ dữ liệu cực lớn cho người dùng, truyền thông máy mật độ khổng lồ nhằm phục vụ các mạng lưới vạn vật kết nối thông minh, và truyền thông độ trễ cực thấp độ tin cậy cao nhằm phục vụ các ứng dụng tự động hoá thời gian thực trong công nghiệp và y tế số.
Khung pháp lý và phát triển hạ tầng viễn thông tại Việt Nam
Tại Việt Nam, ngành viễn thông đã có những bước tiến vượt bậc, chuyển đổi từ mạng lưới chuyển mạch truyền thống sang hạ tầng số băng rộng cáp quang phủ kín các xã phường và sóng di động bao phủ hầu hết các vùng lãnh thổ, biên giới và hải đảo. Để đáp ứng yêu cầu chuyển đổi số quốc gia và tích hợp sâu rộng vào chuỗi cung ứng dịch vụ số toàn cầu, Quốc hội Việt Nam đã thông qua Luật Viễn thông năm 2023.
Đạo luật mới mở rộng phạm vi điều chỉnh sang các dịch vụ số mới phát sinh bao gồm dịch vụ trung tâm dữ liệu, dịch vụ điện toán đám mây và dịch vụ viễn thông cơ bản trên Internet, đồng thời thiết lập hành lang pháp lý minh bạch nhằm khuyến khích chia sẻ hạ tầng dùng chung, tối ưu hoá nguồn tài nguyên tần số vô tuyến và thúc đẩy cạnh tranh lành mạnh trên thị trường dịch vụ viễn thông.