I. Mở đầu

Trong mạng máy tính, việc đảm bảo truyền dẫn thông tin hiệu quả và đáng tin cậy giữa các thiết bị là một thách thức lớn, đặc biệt khi số lượng thiết bị cần truy cập vào mạng ngày càng tăng. Điều này tạo ra nhu cầu cấp bách cho các giải pháp quản lý và điều khiển truy nhập đường truyền, để tránh sự xung đột và đảm bảo mỗi thiết bị đều có thể giao tiếp một cách mượt mà. Đáp ứng nhu cầu này, các phương pháp chia kênh được thiết kế nhằm phân chia tài nguyên truyền dẫn - như là băng thông hoặc thời gian - thành các phần riêng biệt, giúp tối đa hóa hiệu suất và công bằng trong việc truy cập mạng.

Có $3$ phương pháp chia kênh:

• FDMA (Frequency Division Multiple Access)
• TDMA (Time Division Multiple Access)
• CDMA (Code Division Multiple Access)

II. FDMA (Frequency Division Multiple Access)

1. Khái niệm

FDMA (Frequency Division Multiple Access) là một trong những kỹ thuật truy cập đa người dùng cơ bản nhất, cho phép nhiều người dùng sử dụng cùng một kênh truyền thông mà không gây ra sự can thiệp lẫn nhau. Trong FDMA, băng tần được chia thành nhiều kênh con tần số, với mỗi kênh được phân biệt bởi tần số sóng mang của nó. Mỗi người dùng được cấp một kênh tần số riêng biệt cho việc truyền và nhận dữ liệu, giúp tránh sự can thiệp giữa các kênh.

2. Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

• Khả năng tách biệt tốt: Do mỗi kênh có một băng tần riêng biệt, sự can thiệp giữa các người dùng được giảm thiểu.
• Độ trễ thấp: FDMA thường có độ trễ thấp trong truyền thông vì không cần phải chia sẻ tài nguyên truyền thông.
• Đơn giản và hiệu quả: Kỹ thuật này khá đơn giản để triển khai và quản lý, đặc biệt là trong các hệ thống với lượng người dùng cố định và dự đoán được.

Nhược điểm

• Không linh hoạt: Khi số lượng người dùng tăng lên, việc cấp phát băng tần cố định có thể dẫn đến sự lãng phí tài nguyên khi kênh không được sử dụng.
• Có giới hạn về số lượng người dùng: Mỗi kênh có một giới hạn về băng thông, giới hạn số lượng người dùng có thể được phục vụ đồng thời.
• Yêu cầu bộ lọc tần số cao cấp: Để tách biệt hiệu quả các kênh, FDMA yêu cầu bộ lọc tần số có độ chính xác cao, tăng chi phí triển khai.

3. Ứng dụng thực tiễn

FDMA được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông không dây, bao gồm:

• Truyền hình vô tuyến và radio FM: Mỗi kênh được phát sóng trên một tần số riêng biệt.
• Hệ thống liên lạc vệ tinh: Phân chia băng tần cho các kênh truyền thông khác nhau.
• Mạng di động thế hệ đầu tiên (1G): FDMA được sử dụng để phân chia băng tần giữa các cuộc gọi thoại.
• Các hệ thống truyền dẫn dữ liệu không dây cơ bản: Sử dụng FDMA để phân chia băng tần cho dữ liệu và dịch vụ thoại.

III. TDMA (Time Division Multiple Access)

1. Khái niệm

TDMA (Time Division Multiple Access) là một phương pháp phân chia thời gian trong một kênh tần số chung cho nhiều người dùng. Mỗi người dùng được cấp một khe thời gian riêng biệt trong chu kỳ truyền dữ liệu, cho phép họ gửi và nhận dữ liệu mà không xảy ra xung đột với các người dùng khác. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng tần và tăng cường khả năng chịu lỗi của hệ thống.

2. Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

• Hiệu quả băng tần cao: TDMA tăng hiệu quả sử dụng băng tần bằng cách cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một kênh.
• Khả năng mở rộng: Hệ thống có thể dễ dàng mở rộng bằng cách thêm các khe thời gian hoặc tăng số lượng chu kỳ truyền dữ liệu.
• Giảm nhiễu: Việc phân chia thời gian giúp giảm thiểu nhiễu từ các nguồn truyền dữ liệu khác.

Nhược điểm

• Độ trễ: Mỗi người dùng phải chờ đợi khe thời gian của mình để truyền dữ liệu, có thể gây ra độ trễ.
• Quản lý phức tạp: Việc phân chia và quản lý các khe thời gian yêu cầu hệ thống quản lý chặt chẽ và hiệu quả.
• Yêu cầu đồng bộ hóa: Các thiết bị phải được đồng bộ hóa chính xác về thời gian để tránh xung đột khe thời gian.

3. Ứng dụng thực tiễn

TDMA được sử dụng trong nhiều ứng dụng truyền thông không dây, bao gồm:

• Mạng di động: TDMA là công nghệ nền tảng cho các hệ thống di động thế hệ thứ hai (2G), như GSM (Global System for Mobile Communications), cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu.
• Hệ thống liên lạc vệ tinh: Các hệ thống này sử dụng TDMA để quản lý truyền thông giữa trạm mặt đất và vệ tinh, tối ưu hóa việc sử dụng băng thông.
• Hệ thống radio chuyên nghiệp: Các hệ thống radio kỹ thuật số như DMR (Digital Mobile Radio) và TETRA (Terrestrial Trunked Radio) sử dụng TDMA để cải thiện hiệu quả băng tần và cung cấp các dịch vụ truyền thông đa dạng.

IV. CDMA (Code Division Multiple Access)

1. Khái niệm

CDMA (Code Division Multiple Access) hoạt động dựa trên nguyên lý của phổ lan truyền (spread spectrum), trong đó tín hiệu của mỗi người dùng được "lan" ra trên một băng tần rộng hơn nhiều so với tín hiệu thông thường. Mỗi người dùng trong hệ thống được gán một mã duy nhất (thường được gọi là "mã Walsh" hoặc "pseudo-random code"), cho phép tín hiệu của họ được trộn lẫn với tín hiệu của người dùng khác mà không gây ra sự can thiệp. Tại điểm cuối của hệ thống, mỗi tín hiệu có thể được tách ra một cách chính xác dựa trên mã duy nhất được sử dụng để truyền.

2. Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

• Hiệu quả sử dụng băng tần cao: CDMA cho phép nhiều người dùng cùng chia sẻ băng tần mà không cần phân chia thời gian hoặc tần số cụ thể.
• Khả năng chống nhiễu cao: Nhờ vào mã hóa tín hiệu, CDMA có khả năng chống lại sự can thiệp và nhiễu từ các nguồn khác, cải thiện chất lượng cuộc gọi.
• Khả năng mở rộng: CDMA dễ dàng hỗ trợ thêm người dùng mà không cần tăng cường hạ tầng mạng cơ bản.

Nhược điểm

• Yêu cầu đồng bộ hóa chặt chẽ: CDMA yêu cầu các thiết bị phải được đồng bộ hóa một cách chính xác để mã hóa và giải mã tín hiệu một cách hiệu quả.
• Giới hạn số lượng người dùng: Mặc dù CDMA cho phép mở rộng, nhưng hiệu suất có thể giảm khi số lượng người dùng tăng lên do sự can thiệp giữa mã.
• Phức tạp về mặt kỹ thuật: Công nghệ CDMA đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật số và xử lý tín hiệu, làm tăng chi phí triển khai và bảo trì.

3. Ứng dụng thực tiễn

CDMA đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của truyền thông không dây, bao gồm:

• Mạng di động: CDMA là nền tảng cho các hệ thống di động thế hệ thứ ba (3G), cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ cao.
• Hệ thống liên lạc vệ tinh: Trong liên lạc vệ tinh, CDMA giúp cải thiện khả năng chống nhiễu và tối ưu hóa việc sử dụng băng tần.
• Mạng cảm biến không dây: CDMA hỗ trợ truyền thông hiệu quả trong môi trường có nhiều cảm biến, giảm thiểu sự can thiệp giữa các thiết bị.

V. So sánh giữa các phương pháp chia kênh

Tiêu Chí	FDMA	TDMA	CDMA
Khả năng tối ưu hóa tài nguyên	Tối ưu hóa bằng cách phân chia băng tần thành các kênh tần số riêng biệt cho mỗi người dùng, có thể dẫn đến lãng phí tài nguyên khi kênh không được sử dụng	Tối ưu hóa bằng cách phân chia thời gian truyền dữ liệu thành các khe thời gian, giảm lãng phí băng tần nhưng có thể gây độ trễ	Tối ưu hóa bằng cách cho phép tất cả người dùng chia sẻ cùng một băng tần thông qua mã hóa, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mà không gây lãng phí
Khả năng giảm thiểu xung đột	Giảm thiểu xung đột bằng cách sử dụng các kênh tần số riêng biệt, nhưng giới hạn bởi số lượng kênh có thể phân chia	Giảm thiểu xung đột thông qua việc sắp xếp chặt chẽ các khe thời gian, đòi hỏi đồng bộ hóa thời gian chính xác giữa các người dùng	Giảm thiểu xung đột thông qua sử dụng mã độc nhất cho mỗi người dùng, cho phép truyền dữ liệu đồng thời mà không gây nhiễu
Lựa chọn phương pháp phù hợp dựa trên nhu cầu và môi trường sử dụng	Phù hợp cho các môi trường với số lượng người dùng cố định và dự đoán được, nơi lưu lượng truy cập ổn định và không thay đổi nhiều qua thời gian	Phù hợp cho các môi trường với yêu cầu cao về hiệu quả băng tần và có khả năng quản lý đồng bộ hóa thời gian giữa người dùng	Phù hợp cho các môi trường với số lượng người dùng lớn, yêu cầu cao về khả năng chống nhiễu và khả năng mở rộng linh hoạt

VI. Luyện tập

1. Bài tập

Đề bài 1: Một hệ thống sử dụng FDMA có tổng băng thông là $20$ MHz. Hệ thống này cần phục vụ cho $100$ người dùng, mỗi người dùng yêu cầu một băng thông là $100$ kHz. Hãy xác định tổng số kênh tần số mà hệ thống có thể cung cấp và tính toán băng thông dư thừa.

Đề bài 2: Trong một hệ thống sử dụng TDMA, mỗi chu kỳ truyền dữ liệu (frame) có độ dài $10$ ms và được chia thành $8$ khe thời gian đều nhau. Mỗi người dùng được phân bổ một khe thời gian trong mỗi chu kỳ. Hãy tính thời gian thực tế mà mỗi người dùng có được trong một giây và số lượng người dùng tối đa mà hệ thống có thể hỗ trợ.

Đề bài 3: Giả sử có $4$ người dùng trong một hệ thống CDMA, mỗi người dùng được gán một mã Walsh khác nhau. Mã của người dùng $1$ là $+1, -1, +1, -1$, người dùng $2$ là $+1, +1, -1, -1$, người dùng $3$ là $+1, -1, -1, +1$, và người dùng $4$ là $+1, +1, +1, +1$. Nếu người dùng $1$ và $3$ cùng gửi tín hiệu $+1$ và người dùng $2$ gửi tín hiệu $-1$ trong cùng một thời điểm, hãy xác định tín hiệu tổng hợp được gửi trên kênh và cách giải mã tín hiệu để xác định thông điệp từng người dùng.

2. Hướng dẫn

FDMA

Tính tổng số kênh bằng cách chia tổng băng thông cho băng thông yêu cầu của mỗi người dùng. Băng thông dư thừa là phần còn lại sau khi đã cấp phát cho tất cả người dùng.

Đổi: $20$ MHz = $20000$ kHz

Tổng số kênh hệ thống có thể cung cấp là:

$$20000 : 100 = 20$$

Băng thông dư thừa là:

$$20000 - 100\times 100 = 10000(kHz) = 10(MHz)$$

TDMA

Thời gian thực tế mỗi người dùng có được trong một giây được tính bằng tổng số khe thời gian mỗi người dùng nhận được trong một giây nhân với độ dài của mỗi khe thời gian. Số lượng người dùng tối đa được xác định bởi số lượng khe thời gian trong mỗi chu kỳ nhân với số chu kỳ trong một giây.

Mỗi khe thời gian dài:

$$10 : 8 = 1.25 (ms)$$

Có $100$ frames mỗi giây nên thời gian thực tế mỗi người dùng có được trong một giây là:

$$1.25\times 100 = 125 (ms)$$

Số lượng người dùng tối đa hệ thống có thể hỗ trợ:

$$100 \times 8 = 800$$

CDMA

Tín hiệu tổng hợp được xác định bằng cách áp dụng mã Walsh của mỗi người dùng vào tín hiệu của họ, sau đó cộng tất cả các tín hiệu lại. Để giải mã, áp dụng lại mã Walsh của mỗi người dùng vào tín hiệu tổng hợp và tính trung bình để xác định tín hiệu gốc của mỗi người dùng.

Tín hiệu tổng hợp được gửi trên kênh là:

$$[1, -3, 1, 1].$$

Giải mã tín hiệu:

• Người dùng $1$ gửi tín hiệu $+1$.
• Người dùng $2$ gửi tín hiệu $-1$.
• Người dùng $3$ gửi tín hiệu $+1$.

Tài liệu tham khảo

• https://www.geeksforgeeks.org/circuit-switching-in-computer-network/
• https://csc-knu.github.io/sys-prog/books/Andrew%20S.%20Tanenbaum%20-%20Computer%20Networks.pdf
• https://www.ucg.ac.me/skladiste/blog_44233/objava_64433/fajlovi/Computer%20Networking%20_%20A%20Top%20Down%20Approach,%207th,%20converted.pdf