Andrew Viterbi - cha đẻ của thuật toán Viterbi

Andrew Viterbi, người phát minh thuật toán giải mã được sử dụng hầu hết trong các hệ thống thông tin trên các con tàu vũ trụ, tên lửa dẫn đường và các hệ thống thông tin di động (TTDĐ) tế bào, đồng sáng lập nhiều công ty viễn thông  như Linkabit, Qualcomm.

Nhưng ít ai biết được ông đã phải chạy trốn khỏi Bergamo, Italia cùng cha mẹ khi mới hơn 4 tuổi để sang định cư ở Mỹ với đôi bàn tay trắng năm ngày trước khi xảy ra thế chiến thứ 2. Những thành công ở các cương vị khác nhau kỹ sư thiết kế hệ thống, nhà kinh doanh, con đường khoa học với ông tất cả đều gói gọn trong bốn chữ “Đúng nơi đúng lúc”.

Andrew Viterbi (trái) trong lễ nhận giải thưởng IEEE/RSE Wolfson/James Clark Maxwell 2007 cho những đóng góp, phát minh và sự lãnh đạo có ảnh hưởng đến sự phát triển của thông tin không dây

Những thời khắc quan trọng  trong cuộc đời của Viterbi

Thời nhỏ cuộc sống của Viterbi rất khó khăn. Năm 10 tuổi, khi ngắm nhìn ngôi trường đại học công nghệ hàng đầu nước Mỹ, Viện công nghệ Massachusetts MIT từ bên này sông Charles, Viterbi luôn ao ước rằng mình sẽ phải là một sinh viên của trường khi tốt nghiệp trung học. Để thực hiện ước mơ đó, ông đã chọn cho mình một còn đường duy nhất đó là làm việc và học tập chăm chỉ. Quyết tâm học tập của ông đã mang lại cho ông một cơ hội  trở thành sinh viên trường MIT khi ông là một trong bốn học sinh có số điểm cao nhất khi tốt nghiệp trung học trên tổng số 225 sinh viên. Mặc dù được nhận vào học tại khoa Kỹ thuật Điện tại Đại học MIT, nhưng Andrew Viterbi vẫn không thể tập trung toàn bộ thời gian cho học tập, thay vào đó ông đã phải đăng ký học bán thời gian để có thời gian đi làm việc để kiếm sống. Sau năm năm ông đã có trong tay bằng đại học và thạc sỹ khoa học cùng một lúc vào năm 1957. Ngay sau khi tốt nghiệp, ông đã được mời tham gia vào nhóm nghiên cứu về thông tin liên lạc tại trung tâm nghiên cứu JPL (Jet Propulsion Laboratory) tại California.

Viterbi đã giành rất nhiều thời gian để nghiên cứu về việc bám và bắt tín hiệu cho hệ thống thông tin của vệ tinh Explore 1 được Mỹ phóng thành công vào tháng 2 năm 1958. Thời gian đó, Viterbi đã làm việc với thiết bị vòng khóa pha (phase lock loop) mà sau này đã được dùng phổ biến trong tất cả các hệ thống thông tin cả tương tự và số. Đối với Viterbi, được tham gia đóng góp vào sự thành công của Explore 1 là một vinh dự, nhưng lớn hơn nữa là những kinh nghiệm làm việc tại đây đã cho ông nhiều kinh nghiệm cũng như sự nghiệp mà sau này ông đã thành công với công nghệ trải phổ ở Qualcomm.

Ngoài cùng với JPL tham gia những dự án tiên phong trong hệ thống thông tin vũ trụ và tên lửa, Viterbi còn tham gia vào chương trình nghiên cứu sinh bán thời gian tại khoa Kỹ thuật Điện của trường đại học South California, đây có lẽ là một trong số ít các trường đại học tư của Mỹ lúc bấy giờ cho các nghiên cứu sinh ngoài làm nghiên cứu còn có thể đi làm việc cho các hãng. Vào năm 1962, khi nhận được tấm bằng tiến sỹ ông đã được mời làm trợ giảng tại trường Đại học California, Los Angeles. Đối với ông, đam mê nghiên cứu bao nhiêu thì ao ước được giảng dạy cũng nhiều bấy nhiêu. Vì vậy, ông quyết định về giảng dạy chuyên ngành lý thuyết thông tin và thông tin số tại trường đại học California. Khi giảng dạy chuyên đề về tách tín hiệu ra khỏi nhiễu, ông thấy rằng nếu giảng dạy cho sinh viên bằng cách thông thường thì quá phức tạp và khó hiểu. Lúc đó, ông nảy ra ý định tìm một cách nào đó để có thể giúp sinh viên của ông tiếp cận vấn đề một cách đơn giản nhất. Theo như ông nói [2], công trình nghiên cứu sinh của ông thì không có gì đáng bàn nhưng nó lại mang lại cho ông một nền tảng vững chắc cho những thành công sau này. Những nền tảng kiến thức cũng như kinh nghiệm làm việc ở nhiều dự án lớn tại JPL đã giúp Viterbi tìm ra lời giải cho vấn đề của mình chỉ trong vòng 3 tháng. Lời giải đó sau này được mang tên ông "Thuật toán Viterbi".

Thuật toán Viterbi

Trong bất kỳ một hệ thống truyền dẫn vô tuyến nào từ tương tự đến hệ thống số, các tín hiệu đều phải được điều chế lên một tần số sóng mang nhất định để truyền dẫn qua không gian. Do đó, dù là các tàu vũ trụ, các tên lửa hay hệ thống thông tin tế bào thì vấn để tách tín hiệu ra khỏi nhiễu đóng vai trò cốt lõi thể hiện tính ưu việt của mỗi hệ thống thông tin.

Trong vũ trụ, tín hiệu luôn bị chìm sâu vào trong nhiễu do nhiễu vô tuyến từ các thiên hà hoặc quá trình phát xạ từ mặt trời. Hay như trên mặt đất, tín hiệu của một máy vô tuyến tế bào bị gây nhiễu bởi rất nhiều máy phát vô tuyến tế bào khác xung quanh nó. Vậy làm thế nào để có thể tách tín hiệu cần thiết ra khỏi nhiễu? Để thực hiện điều đó, người ta đã dùng giải pháp mã hóa kênh các tín hiệu để thêm vào thông tin gốc các bit dư để bảo vệ trước khi chúng được phát qua kênh truyền có nhiễu. Bằng cách mã hóa kênh như vậy, các bit thông tin (bit 0 hay 1) có thể được biểu diễn không chỉ biểu diễn bằng một góc dịch pha (Điều chế khóa pha M-PSK) mà còn có thể được biểu diễn bằng 4, 8 hoặc nhiều hơn nữa các ký hiệu. Với hệ thống dùng mã hóa kênh, ở phía thu chúng ta không tách các bit thông tin thực tế mà thay vào đó là các ký hiệu mã hóa để từ các ký hiệu đó chúng ta có thể khôi phục lại các bit thông tin gốc. Ý tưởng cơ bản của giải pháp lựa chọn mã hóa kênh là nếu như một trong số các ký hiệu phát qua kênh bị méo do nhiễu thì những ký hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu ít hơn sẽ giúp giải mã các bit thông tin thực tế với độ tin cậy cao hơn.

Trong môi trường nhiễu, có một thực tế là nếu ngay khi nhận được tín hiệu thu chúng ta thực hiện giải mã các bit 0 hoặc 1 thì hiệu quả sẽ không cao. Thay vào đó, chúng ta chỉ đánh giá độ tin cậy, (rất tin cậy, tin cậy, tin cậy thấp , tin cậy rất thấp), khi giải mã bit 1 hoặc bit 0 dựa trên tín hiệu thu được. Với cách giải mã như vậy người ta gọi là quyết định mềm (soft decision). Những thông tin thể hiện độ tin cậy của quyết định mềm đó được đưa đến bộ giải mã để tìm ra bit thông tin gốc là 0 hay 1 thông qua việc so sánh kết quả với những bit thông tin lân cận. Giải thuật mềm như đã nêu ở trên sẽ rất phức tạp, độ phức tạp sẽ tăng theo hàm mũ khi độ dài các thanh ghi dịch trong bộ tạo mã tăng lên. Công trình nghiên cứu trong vòng ba tháng của Viterbi đã làm giảm độ phức tạp thông qua việc kết hợp các quyết định mềm để quyết định chuỗi bit thông tin nào là giống với chuỗi bit được phát đi nhất. Giải pháp này của Viterbi đã được chứng minh là cho kết quả giống với kết quả của phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp cao ở trên. Với ưu điểm đó, JPL ngay lập tức sử dụng thuật toán giải mã Viterbi trong hệ thống thông tin vệ tinh cũng như vũ trụ của mình. Sau này các hệ thống thông tin quân sự cũng như các mạng thông tin số như các tuyến truyền dẫn viba hay hệ thống TTDĐ tế bào GSM, CDMA đều dùng thuật toán giải mã này giải mã mã xoắn.

Bước ra thương trường

Khi giảng dạy tại trường Đại học California, nơi công việc giảng dạy đã giúp ông tìm ra thuật toán mang tên mình đã được công nghệ và các hệ thống thông tin thực tế khẳng định. Ông bắt đầu bắt tay vào các dự án nghiên cứu nhỏ được ký kết với Bộ Quốc phòng và Trung tâm hàng không vũ trụ NASA (Mỹ) cùng các đồng nghiệp của mình. Những dự án ban đầu của ông rất thành công làm cho ông cùng các cộng sự nảy sinh ý định thành lập một công ty của riêng mình lấy tên là Linkabit. Lúc đó, Viterbi phải đứng trước một quyết định khó khăn: giảng dạy hay kinh doanh? Cuối cùng ông đã quyết định rời khỏi Đại học California để đến San Diego làm việc với Linkabit cùng với các cộng sự. Đến giữa những năm 70 thế kỷ 20, công ty của ông đã ký hợp đồng để xây dựng hệ thống vô tuyến hai chiều chống nhiễu cho hệ thống hàng không của Mỹ. Hệ thống mà Linkabit thiết kế lúc bấy giờ tương tự như các hệ thống không dây nội hạt hiện nay (WiFi).

Vào năm 1980, Linkabit được Microwave Associate Communications mua lại. Sự hội nhập của Linkabit vào Microwave lúc bấy giờ là cơ hội để Viterbi mở rộng thương mại các sản phẩm của mình như phát triển các modem sử dụng thiết bị đầu cuối anten độ mở nhỏ. Bên cạnh đó, Viterbi cũng tham gia vào dự án với Home Box Office (HBO) để xây dựng bộ ngẫu nhiên hóa đầu tiên để chống thu trộm tín hiệu truyền hình. Sau 5 năm làm việc với Microwave Associate Communications, do những trục trặc về quản lý nên Viterbi cùng với Irwin Jacobs và 5 nhân viên cũ của Linkabit trước đây thành lập công ty Qualcomm.

Ban đầu, Qualcomm tập trung chủ yếu vào các dự án quân sự. Không lâu sau, Qualcomm đã vươn sang các ứng dụng thương mại. Hệ thống thương mại đầu tiên trên băng tần thử nghiệm của FCC (Federal Communications Commission) là OmniTRACS, hệ thống thông tin sử dụng thông tin vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh cho phép các công ty vận tải đường dài có thể giữ liên lạc liên tục với các lái xe thông qua các bản tin ngắn. Ban đầu, hệ thống này triển khai trên 600 xe tải nhưng đến nay hệ thống đã được sử dụng cho nửa triệu thuê bao trên toàn thế giới. Đối với Qualcomm, OmniTRACS thực sự giúp cho công ty cất cánh và đi vào thương trường vì nguồn thu từ hệ thống này giúp cho Qualcomm phát triển hệ thống TTDĐ tế bào CDMA vào những năm 1990.

Vào những năm 1990, hệ thống thông tin tế bào tương tự sử dụng công nghệ truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) bộc lộ nhiều nhược điểm, trong đó, chủ yếu là hạn chế về dung lượng của mạng. Thế giới lúc đó đã nghĩ về một hệ thống thông tin cải tiến hơn hệ thống tương tự hiện tại. Các nước châu Âu chủ yếu nghiên về lựa chọn công nghệ số TDMA (Đa truy nhập phân chia theo thời gian sau này sử dụng trong hệ thống GSM) là lựa chọn để tăng dung lượng hệ thống lên gấp khoảng 4-6 so với hệ thống tương tự trên cùng một bề rộng băng tần. Nhưng Qualcomm vẫn nghĩ rằng họ còn có một sự lựa chọn tốt hơn đó là dùng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), một ứng dụng của lý thuyết trải phổ đã được sử dụng trong thông tin quân sự của Mỹ rất lâu trước đó. Sau đó 3 năm thì bộ tiêu chuẩn về TTDĐ CDMA đã hoàn thành.

Năm 1995, hệ thống TTDĐ tế bào CDMA đầu tiên của Qualcomm đã được thử nghiệm đầu tiên tại Hồng Kông, tiếp theo là Los Angeles và Hàn Quốc. Đến những năm của cuối của thể kỷ trước, viễn thông thế giới một lần nữa ngồi lại với nhau để tìm ra một sự hội tụ chung về công nghệ cho TTDĐ tế bào, bởi lúc này nhu cầu dịch vụ trong mạng thông tin vô tuyến đã chuyển dịch từ dịch vụ thoại thông thường với mức QoS cố định sang các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi truyền dẫn ở tốc độ cao và thay đổi theo từng dịch vụ. Khi đó, công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA đã chính thức được ITU-R (IMT-2000) lựa chọn là công nghệ truy nhập để nâng cấp các mạng thông tin thế hệ 2G sang 3G.

Quay về với công việc hàn lâm!

Vào năm 2000, ở tuổi 65 sau khi đã từng làm việc cho 13 công ty khác nhau ông quyết định rút lui khỏi thương trường để đầu tư toàn bộ thời gian còn lại cho những công việc hết sức có ý nghĩa: Viết báo, giảng dạy và làm khách mời danh dự cho các hội nghị về ngành kỹ thuật viễn thông, đầu tư vào các công ty mới thành lập. Năm 2004, ông đã thành lập một vốn đầu tư rất lớn với trị giá 52 triệu USD cho trường kỹ thuật tại Đại học South California, sau này trường đổi tên thành trường kỹ thuật Viterbi (Viterbi School of Engineering) để vinh danh những đóng góp của ông. Hiện nay, ngôi trường của ông đang đứng trong top 10 trường kỹ thuật tốt nhất ở Mỹ.

Gần 50 năm trên con đường sự nghiệp của mình, Viterbi luôn để lại dấu ấn và có những đóng góp quan trọng trong sự phát triển công nghệ viễn thông trên thế giới. Bên cạnh rất nhiều giải thưởng khác, năm 1998, nhân dịp kỷ niệm 50 thành lập của Tạp chí Information Theory, ông là một trong số 17 nhà khoa học đã vinh dự nhận được giải thưởng Golden Jubilee dành cho các nhà khoa học đã có những khám phá, phát minh khoa học làm thay đổi nền khoa học công nghệ thông tin của thế giới [4].

Trong nhiều cương vị khác nhau, với trải nghiệm của mình ông mong mỏi các thế hệ đi sau mình hãy làm những gì mà mình thích, mình có thể làm được nhiều nhất vì đơn giản cơ hội chỉ đến một lần. Trên chặng đường sự nghiệp của ông, ông đã phải rất nhiều lần đưa ra quyết định và quyết định khó khăn nhất vẫn là rời bỏ công việc hàn lâm để tham gia vào thương trường. Nhưng rồi, ông lại rời bỏ thương trường để về với công việc hàn lâm trước đây với mục đích tạo cơ hội cho thế hệ trẻ sau ông tiếp tục xây dựng nền công nghệ thông tin thế giới. Với Viterbi, ra đi hay trở về đều là những lựa chọn “Đúng nơi đúng lúc”.

Nguyễn Trung Hiếu,  Lê Hải Châu

Tài liệu tham khảo

[1]. The quiet Genius: Andrew Viterbi by Trudy E. Bell

[2]. Interview #337, IEEE history Center

[3]. Andrew J. Viterbi and Jim K. Omura, Principles of Digital Communication and Coding.

[4]. http://www.itsoc.org/society/goldjub_tech.htm

[5].http://colleges.usnews.rankingsandreviews.com/usnews/edu/college/rankings/rankindex_brief.php