創科廣場|網絡編碼技術商業化 「東澳古道」初試啼聲

2021-10-06 11:16
近年有不少關於智慧城市的計畫,不過如果沒有網絡覆蓋,「邊緣」數據無法利用,「智慧」也無從談起,所以數據必須有「回傳」(Backhaul)功能。

 

城市人口密集位置,電訊商可安裝5G提供連接,不過如果有大量數據,回傳的成本也可能相當高,而郊野公園或者鄉村,用量太低,基本上營運商更不願意提供覆蓋。

 

  隨着網絡連接愈來愈重要,「網絡編碼」(Network Coding)也愈來愈多人討論,不但可以更有效利用網絡容量。香港中文大學的楊偉豪教授是「網絡編碼」理論的聯合創始人,打破了網絡傳送數據只像貨物運輸,證明網絡通過計算優化,同時以多條路經,承載更大量數據,也減少干擾損失。

 

  從最簡單說法,網絡編碼通過計算,增加了網絡容量和性能;可改善數據傳輸、儲存、干擾。網絡編碼在多個領域突破,甚至有機會倍增大氣電波頻寬。近年楊偉豪在學術領域獲得肯定,獲得了多個大獎,最近一次是「電機暨電子工程師學會」(IEEE)頒發信息論領域最高榮譽,是2022年度的「克勞德.香農獎」(Claude E. Shannon Award)獲獎者,也是首位獲獎的亞洲學者。

 

「分批稀疏碼」應用

 

  從理論至應用,網絡編碼要克服不少障礙。過去20年,光纖、無綫寬頻、LTE的高速發展,網絡編碼潛力未獲發揮。隨着網絡編碼不少技術突破出現,應用爆發亦為期不遠。

 

  楊偉豪就以網絡編碼理論,再開發出「分批稀疏碼」(BATS code)算法,大幅提升網絡傳輸速率和減低數據包流失。BATS code一個妙用,就是減少無綫網絡傳輸過程的損耗,提供大面積Wi-Fi覆蓋。

 

  以香港政府的Wi-Fi服務,一向都利用服務供應商邊緣服務,因為Wi-Fi的熱點必須回程(Backhaul),理論上Wi-Fi可通過網狀布局(Mesh)伸延,不過衰減極快,實際用途不大。

 

  BATS code應用範圍很廣,其中一個方向就是伸展Wi-Fi熱點。楊偉豪與何偉中合作成立nHop推廣BATS code,已經完成了大嶼山從東涌經海邊至大澳的著名行山古道「東澳古道」郊野公園段的測試。

 

  楊偉豪說,土木工程拓展署希望行山路徑上提供Wi-Fi服務,礙於缺乏回傳覆蓋,考慮以BATS code提供大範圍Wi-Fi無綫,向郊遊人士提供Google maps、WhatsApp、衞星定位等服務。

 

  nHop設立了4個Wi-Fi的熱點,其中僅一個以4G回傳;其餘則以BATS code接力傳送,效果理想,正着手大規模部署的可行性研究。

 

  不過nHop第一代產品,以工業電腦IPC運作,不太可能大規模部署,功耗過高,設備龐大,成本過高也是難題。最理想是微縮成ASIC晶片設計;以減低功耗,體積和部署的複雜性。

 

  nHop採用英特爾「可程式化邏輯閘陣列」(Field Programmable Gate Array,FPGA)以執行演算法;FPGA優點除了具靈活性編程設計、可並行計算處理大量數據;跟ASIC的全定制電路最大分別,就FPGA屬於半定制的電路,具備軟件升級的能力,可作為過渡至ASIC定制電路量產前熱身。

 

助研智慧燈柱

 

  楊偉豪說,不過香港FPGA編程專家不多,nHop正與Arrow Electronics合作,以加快將編碼在FPGA重新開發,以普及BATS code應用。

 

  全球政府正研究部署智慧燈柱,蒐集城市資訊。雖然說5G速度極快,如果大量採用的話,費用將非常可觀。即使是5G本身亦受回傳的困擾,原因就是5G的基站數目大增,如果均採用光纖,營運商肯定無法負擔。

 

  雖然光纖高速穩定,安裝成本也高昂,部分地區礙於業權及歷史因素,也無法掘路。故此BATS code亦有機會應用在智慧燈柱上,回傳大量數據降低成本。

 

  楊偉豪說,即使5G與BATS code亦可相輔相成,5G正邁向建設第2階段的5G獨立組網(SA),實現更強功能,其中一種關鍵技術,就是以5G「接入與回傳整合」(Integrated Access and Backhaul,IAB),5G的基站互相接力傳送,以便沒鋪設光纖處所,營運商以更低成本部署5G;回傳對基站眾多的5G「毫米波」(mmWave)更是挑戰。他表示,「不過暫時業界IAB還沒有標準,營運商各師各法。BATS code也是選項之一。」

 

BATS code前景廣闊

 

  楊偉豪說,長遠而言,BATS code對於深海通訊也有作用,例如聲波在水中的傳播速度遠遠超過在空氣中傳播速度:海水中的聲波速度約每秒1500米,但在空氣中卻僅每秒340米。海豚和鯨魚就通過聲音互相理解、定位巡航。

 

  「水底聲波通訊」(UAC)一直公認是海底長距離數據傳輸最可行的方法,傳輸距離甚至可達幾十公里,而以低頻的聲波傳送,其散射、失真和傳輸損失較少,傳播更遠,問題是低調制頻寬的傳輸速率也較低,數據速度一般只有kbps。

 

  「有時海底聲波干擾,令訊號無法接收,如果水底建立『多跳』(Multi-Hop)基站,BATS code就可加強頻寬和為失真作出補償。」楊偉豪說。BATS code也可應用在衞星、地底礦場、發電廠等干擾嚴重的通訊場景。

 

  不同標準機構包括Internet Engineering Task Force、IEEE、3GPP都正在計畫呈交BATS工業標準。網絡編碼和BATS code厚積薄發,應用爆發時代,應該亦不遠矣。

 

 

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