創科廣場｜網絡編碼技術商業化 「東澳古道」初試啼聲

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。